Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы расчета показателей надежности зданий и сооружений, требований по определению данных показателей. цели и задачи диссертационной работы 12
1.1. Обзор направлений и подходов к определению показателей надежности строительных объектов 12
1.1.1. Направления и подходы к определению надежности и долговечности конструкций 12
1.1.2. Направления и подходы к определению остаточного ресурса различных строительных объектов и конструкций 18
1.1.3. Расчетный аппарат, используемый в разработке методики определения остаточного ресурса 24
1.2. Требования, предъявляемые к определению остаточного ресурса объектов горнорудной и угольной промышленности 25
1.3. Современное состояние строительных объектов горнорудной и угольной промышленности 28
1.4. Цель и задачи диссертационной работы 33
2. Совершенствование системы фиксирования результатов технического обследования и дефектов объектов горнорудной и угольной промышленности 34
2.1. Обзор типовых дефектов объектов горнорудной и угольной Промышленности 34
2.2. Влияние повреждений конструкций на категорию технического состояния 40
2.2.1. Влияние повреждений железобетонных конструкций 41
2.2.2. Влияние повреждений стальных конструкции 42
2.2.3. Влияние повреждений каменных конструкции 43
2.3. Предложения по систематизации категорий технического состояния, относительной надежности и относительной поврежденности и их зависимости от расчетных значений параметров, определяющих каждый вид дефектов 44
2.4. Разработанный программный продукт по созданию предварительной дефектной ведомости для оптимизации и автоматизации процесса обследования 59
2.4.1. Предлагаемая система маркировки элементов при проведении технического обследования объектов горнорудной и угольной промышленности 60
2.4.2. Автоматизация процесса создания предварительной дефект
ной ведомости при техническом обследовании 61
2.5. Выводы по главе 2 67
3. Совершенствование существующих и разработка новых методик определения остаточного ресурса объектов горнорудной и угольной промышлеености .. 68
3.1.Основные положения существующей методики определения остаточного ресурса по внешним признакам 68
3.2. Совершенствование существующей методики определения значения остаточного ресурса 74
3.2.1 Недостатки существующей методики определения остаточного ресурса для некоторых частных случаев и пути их устранения 74
3.2.2 Определение уточненных величин относительной поврежденности строительных конструкций типовых промышленных объектов 77
5 3.2.3 Вычисление коэффициентов значимости видов строительных конструкций на основе геометрического
определения вероятности 78
3.3.Создание новой методики определения остаточного ресурса на основе цепей Маркова 81
3.3.1. Рекомендуемый подход к вычислению коэффициентов значимости при определении общей поврежденности
объектов 81
3.3.2.Предлагаемая математическая модель состояния одно- и многоэтажных зданий горнорудной и угольной промышленности и определения их относительной поврежденности 85
3.3.3.Особенности предлагаемой математической модели состояния транспортных галерей горнорудной и угольной промышленности и определения их относительной поврежденности 99
3.4. Разработка методики определения остаточного ресурса и категории технического состояния на основе теории графов 102
3.4.1 Математическое моделирование системы «Здание» с использованием ориентированного графа 103
3.4.2 Разработка сетевой модели разрушения одноэтажных и многоэтажных зданий горнорудной и угольной промышленности 107
3.4.3 Разработка сетевой модели разрушения транспортных галерей горнорудной и угольной промышленности ПО
3.4.4.Создание программного продукта «Расчет остаточного ресурса строительных объектов» 111
3.4.5 Определение величины процентной вероятности определения остаточного ресурса типичных промышленных объектов с помощью сетевой модели 118
3.5 Выводы по главе 3 120
4. Проверка расчетов остаточного ресурса по существующим и предлагаемым методикам на реальных объектах горнорудной и угольной промышленности 122
4.1 Расчет и сравнительный анализ полученных величин остаточного ресурса одно- и многоэтажных зданий 123
4.2.Расчет и сравнительный анализ остаточного ресурса транспортных галерей 130
4.3.Выводы по главе 4 137
Общие выводы 138
Литература
- Направления и подходы к определению остаточного ресурса различных строительных объектов и конструкций
- Влияние повреждений железобетонных конструкций
- Совершенствование существующей методики определения значения остаточного ресурса
- Расчет и сравнительный анализ полученных величин остаточного ресурса одно- и многоэтажных зданий
Введение к работе
Актуальность работы. Подавляющее большинство зданий и сооружений российской промышленности было возведено в период интенсивного подъема промышленных мощностей, то есть в 50-х - 60-х годах прошлого века. К настоящему времени нормативный срок службы многих из строений уже истек, и для безопасной работы предприятий требуется продление срока эксплуатации данных зданий и сооружений.
Наиболее актуально эта проблема встала именно в разгар мирового экономического кризиса, когда финансовые запасы многих предприятий исчерпаны, и на строительство новых объектов просто нет средств. В 2009 году добыча и переработка угля и полезных ископаемых сократилась на 10,4% . В данной ситуации, когда у предприятий не хватает денег даже на поддержание необходимого объема выработки, о строительстве новых промышленных объектов не может быть и речи. Своевременным выходом является увеличение срока эксплуатации существующих зданий и сооружений.
Кроме того, нормативные документы, регулирующие соблюдение правил безопасности жизнедеятельности, содержат прямое указание на расчет остаточного ресурса (сведения о возможности и сроках дальнейшей эксплуатации). Основные положения по определению остаточного ресурса приведены в РД 09-102-95 "Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России".
В настоящее время остаточный ресурс рассчитывается в большинстве организаций по способу, предложенному А.Н. Добромысловым, где оценка надежности зданий и сооружений проводится по внешним признакам. Но данный подход имеет значительные недостатки, связанные с субъективностью эксперта, человеческим фактором и игнорированием вариативности путей разрушения здания.
Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности и безопасности объектов горнорудной и угольной промышленности путем усовершенствования существующей и разработки новых методик определения остаточного ресурса, проведение их широкомасштабной проверки для возможности практического применения на объектах горнорудной и угольной промышленности.
В диссертационной работе поставлены следующие задачи исследования:
1.Выявить причины возникновения и наиболее распространенные виды типичных дефектов зданий и сооружений горнорудной и угольной промышленности.
2.Проанализировать существующую методику определения их остаточного ресурса по внешним признакам, ее достоинства и недостатки в общем и частных случаях.
З.Произвести усовершенствование существующей методики определения остаточного ресурса по внешним признакам, исключив влияние субъективных экспертных оценок.
4.Предложить новые методики определения остаточного ресурса, основанные на использовании разделов высшей математики - цепей Маркова и теории графов.
5.Разработать программные продукты для расчета остаточного ресурса по новым методикам, а также для оптимизации и автоматизации процессов технического обследования строительных объектов.
6.Провести широкомасштабную проверку разработанных рекомендаций и методик на большом количестве реальных объектов горнорудной и угольной промышленности.
Методы исследования - системный анализ литературньгх данных научно-технических результатов исследований по вопросам определения остаточного ресурса; статистический анализ экспериментальных данных математическое моделирование, а также новейшие методы информационного обеспечения.
Степень обоснованности. Научные положения и выводы, изложенные в диссертационной работе, полностью обоснованы, соответствуют современным представлениям теории графов, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность полученных результатов не вызывает сомнений и обусловлена применением современных методов исследования, сопоставлением с результатами, полученными другими авторами и нормативными документами.
Научная новизна работы:
-
Разработана новая методика определения остаточного ресурса, основанная на использовании теории графов.
-
Предложена новая методика определения остаточного ресурса, основанная на использовании цепей Маркова.
3. Усовершенствована методика определения остаточного ресурса по
внешним признакам за счет точного определения относительной
поврежденности конструкций и исключения субъективных экспертных
оценок.
4. Унифицирован процесс проведения технического обследования
зданий и сооружений путем разработки унифицированных форм для
оперативной фиксации дефектов, автоматизации обработки результатов
обследования, программы компьютеризированного учета возможных
локализаций дефектов и их компоновки, снижения трудозатрат и стоимости
работ.
Практическая значимость:
-
Вывод формулы для получения однозначного значения величины остаточного ресурса.
-
Снижение трудозатрат и стоимости проведения работ по обследованию зданий и сооружений.
-
Разработка унифицированных форм для быстрой записи дефектов.
-
Разработка программы для учета всех возможных локализаций дефектов и компоновки их для отчета.
-
Автоматизация обработки результатов обследования.
6. Разработка программы по определению остаточного ресурса.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Основные дополнения к методике определения остаточного ресурса по А. Н. Добромыслову.
-
Результаты статистических исследований 28 объектов горнорудной и угольной промышленности на предмет определения категории технического состояния и остаточного ресурса.
-
Методика формализации записи дефектов при натурном обследовании для сокращения трудоемкости определения категории технического состояния и остаточного ресурса зданий и сооружений.
-
Определение величины остаточного ресурса зданий и сооружений с использованием сетевой модели.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на V...IX Международных научно-практических конференциях «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (Новочеркасск, 2006...2009гг.), V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций, оснований и фундаментов» (Волгоград, 2009г.), IV Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009г.), Региональной научно-практической конференции «Новое в расчетах и проектировании строительных конструкций» (Махачкала, 2009г.), Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках Национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России» (Волгоград, 2009г.)
Внедрение результатов. По результатам исследований изданы методические указания «По проведению обследования и определению остаточного ресурса зданий и сооружений опасных производственных объектов» (Стандарт предприятия ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2009г.).
Результаты диссертационной работы внедрены при расчете остаточного ресурса 28 объектов горнорудной и угольной промышленности, проведенных ООО НТЦ «Ресурс», 000 НТЦ «Строительство», 000 Строительно-производственное управление, ОАО НПО «Эсмик-П» (Новочеркасск, 2008...2010гг.).
Результаты работы внедрены также в учебный процесс в Южнороссийском государственном техническом университете, Ростовском государственном строительном университете, Кабардино-Балкарском государственном университете и Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях - 10 статьях (3 - в сборниках, рекомендуемых ВАК, и 7 - в других изданиях), 1 монографии, 1 нормативном документе регионального значения, 2 свидетельствах о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, одного приложения и содержит 153 страницы текста, 28 таблиц, 34 иллюстрации, список литературы из 140 наименований.
Диссертационная работа выполнялась под руководством члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Маиляна Левона Рафаэловича, и при консультировании доктора технических наук, профессора Скибина Геннадия Михайловича.
Направления и подходы к определению остаточного ресурса различных строительных объектов и конструкций
В большинстве случаев эмпирическая оценка безопасности строительных конструкций не может быть применена ввиду отсутствия обоснованных предпосылок для принятия тех или иных расчетных нагрузок, длительного исследования поведения конструкций во времени и других факторов.
Основоположником применения методов теории вероятностей и математической статистики для исследования проблем безопасности за рубежом стал в 20-х годах XX века М. Майер [137, 140] .
После него еще многие ученые занимались проблемой научно обоснованного запаса между воздействием и несущей способностью. Предлагаемые в их работах подходы и методы различны - от чисто прагматических, ориентированных на практику, методов, основанных на попытках улучшить оценки общего коэффициента запаса, оставаясь в рамках традиционных концепций, до теоретических работ, в которых делается попытка усовершенствовать механические модели и оперировать вероятностными методами [128].
Эти различные подходы можно разделить по уровням [138, 134] в зависимости от характера принятых допущений и определения меры безопасности: Уровень I. Методы расчета с частными коэффициентами надежности. Оценка надежности S R выполняется детерминистически, отдельно для каждого предельного состояния. Необходимая безопасность достигается системой частных коэффициентов надежности, подверженных различным рассеивающим влияниям и вводимых к нормативным значениям, которые определяются как характеристические. На практике за этим методом укоренилось название «метод предельных состояний».
Уровень 2. Теория надежности 1-го порядка и методы моментов. Оценка надежности выполняется приближенными методами теории надежности, которые учитывают выбранную точку поверхности предельного состояния в пространстве базисных переменных и предполагают определенные упрощения уравнений предельного состояния, а возможно, и функций распределения. Мерой безопасности является так называемый индекс безопасности или эквивалентная оперативная вероятность отказа.
Уровень 3. Теория надежности. Оценка надежности выполняется «точными» методами теории надежности для системы в целом или для ее отдельных элементов при полном учете функций распределения базисных переменных и уравнений предельных состояний. Мерой безопасности является оперативная вероятность отказа.
Уровень 4. Оптимизационные методы теории надежности. Назначение размеров сечений несущей конструкции выполняется с учетом экономических данных, так чтобы среднее значение суммы всех затрат за период эксплуатации с учетом возможных затрат при отказе было минимальным. Другие стратеги оптимизации максимизируют прибыль от эксплуатации сооружения. Основной оценкой безопасности является выбираемая целевая функция.
В 1924г. Н.С. Стрелецким были выделены три фактора, определяющих безопасную работу сооружения: изменчивость свойств в материалах, изменчивость нагрузки и конструктивную поправку на правильность и качество изготовления конструкций. Им был предложен универсальный подход по нахождению оптимального срока службы, определяемый по минимуму эксплуатационных расходов.
М. Майером (1926г.) и Н. Ф. Хоциаловым (1929г.) проведено статистическое исследование запаса прочности. Огромный вклад в развитие основ надежности внесли В.В.Болотин, А.И. Ржаницын и др.[7, 91, 9].
В.В.Болотиным была применена теория случайных процессов к решениям задач надежности с учетом фактора времени и сформулированы основные положения современной теории расчета. Основным в ней являлось предположение о поведении объекта как результата его взаимодействия с окружающей средой.
Условие надежности конструкции с течением времени имеет вид: P(t) Р№ где P(t) - вероятность безопасной работы конструкций в момент времени t, Р„ - нормативное значение вероятности безопасной работы. Левая часть неравенства означает, что опасное состояние наступает в том случае, если усилие от внешней нагрузки S превышает несущую способность элемента Z, то есть если
Для любого момента времени должны быть описаны распределения несущей способности/ , t) и нагрузок f(s, t) и построены необходимые корреляционные связи между случайными величинами, определяющими поведение конструкций в течение ее срока службы. Условия двухстадийного накопления повреждений были записаны в форме: = f0(G,S); an dD=(0;G \, dn \f(G,D,S);G \. где G - функция меры подготовительной (скрытой) стадии без видимого проявления повреждений; D — функция меры «открытой» фазы развития повреждений. A. P. Ржаницын предложил вероятность безотказной работы конструкций P(t) за заданный срок службы п лет определять как вероятность P(t) неравенства: R-Qn 0, где Qn — обобщенная нагрузка, которая может возникнуть в течении расчетного срока службы, R - характеристика обобщенной прочности конструкций. о где P(t) = 1 - Pr(t); Pr - функция распределения характеристик прочности.
Дальнейшее развитие предложенного подхода произошло в работах Е. Везикари, А. Сарья, С.А. Тимашева, Ю.Д. Сухова, Н.Н. Складнева и др[139, 133, 116].
В.Д. Райзер применил вероятностные модели климатических и технологических нагрузок для их нормирования и разработал методы вычисления вероятностей отказа и оценки надежности конструкций в условиях равномерного и неравномерного коррозионного износа [37]. Он же ввел функция износа в условие безотказной работы конструкций:
Rof(t) = Z(t) S(t), где Ro - начальное значение несущей способности, S(t) - нагрузочный эффект (усилия); f(t) - функция износа; Z(t) - процесс изнашивания.
Вероятностные методы расчета надежности и долговечности совершенствовали А. П. Кудзис, О.В. Лужин, А.Б. Злачевский [27, 31].
Теория, учитывающая фактор времени, была развита В.П. Чирковым, И. Т. Мирсаяповым, Е.А. Гузеевым, Р.К. Мамажановым, Б.С. Расторгуевым, А.П. Кудзисом, В.М. Бондаренко, Л.М. Пухонто [37, 6, 67, 26], в рамках которой были разработаны методы, позволяющие: оценить уровень надежности принимаемых решений; вероятность реализации решений, степень экономического и социального риска при достижении конструктивных отказов
Влияние повреждений железобетонных конструкций
Разрушение железобетонных конструкций, как правило, происходят не хрупко с предварительным оповещением путем образования видимых трещин. Исключение составляют разрушение сжатых элементов, а также разрушение изгибаемых элементов по наклонным сечениям или слабоармированных элементов, когда образование трещины приводит к фактическому их разрушению.
По характеру трещин в железобетонных конструкциях в значительной мере можно определить причины их образования и опасное состояние конструкций.
Трещины в изгибаемых элементах появляются последовательно по мере увеличения нагрузки. Первая трещина образуется в зоне наибольшего момента. Ширина трещин и их частота расположения зависят от диаметра арматуры, процента армирования, класса арматуры.
Раскрытие трещин в растянутой зоне до 0,3 мм указывает на нормальную работу элемента железобетонной конструкции под нагрузкой; свыше 0,5 мм - на перегрузку конструкции, приведшую к образованию остаточных пластических деформаций в арматуре или сдвигам от нарушения сцепления арматуры с бетоном; более 2 мм - свидетельствует о разрушении конструкции с возможным разрывом арматуры или нарушении её анкеровки, при которой конструкцию следует считать находящейся в аварийном состоянии.
Появление трещин при сжатии, при которых отделяется защитный слой бетона и происходит выпучивание продольной арматуры, свидетельствует об аварийной ситуации. При ширине раскрытия трещин более 2 мм можно говорить о наступлении аварийного состояния.
Различают также трещины от коррозии, трещины от текучести арматуры и наклонные трещины от недостаточного или неправильного армирования.
Трещины на торцах балок и ферм, а также на боковых гранях их указывают на возможное нарушение анкеровки продольной арматуры в случае недостатка косвенного армирования торцов балок, что может быть очень опасным.
В колоннах, в отличие от изгибаемых элементов, признаки разрушения не проявляются почти до момента полного разрушения. Поэтому любой дефект, ослабляющий железобетонное сжатое сечение колонны (как в арматуре, так и в
бетоне), должен рассматриваться как потенциальная причина возможного разрушения, так как колонны являются опорами объектов в целом и их разрушение вызывает аварии более тяжелые, чем разрушения других элементов.
Часто в колоннах наблюдается повреждение защитного слоя бетона от ударов транспортных средств. Эти повреждения не столь опасны, поскольку отбитые углы составляют не более 1-2% площади сечения [97].
Влияние повреждений стальных конструкции Разрушения стальных элементов конструкций под нагрузкой, в основном, происходят пластично с оповещением об их разрушении большими прогибами. Мгновенное разрушение конструкции происходит при потере устойчивости конструкции и от хрупкого разрушения материала.
Для стальных конструкций характерны: искажение формы конструктивных элементов в виде искривления вдоль осей винтообразности, погнутости кромок и т.п.; уменьшение площади сечения элементов вследствие коррозии; нарушение сплошности элементов и соединений (устройство непроектных отверстий, расслоение металла, непровары, поры в сварных швах, отрыв головок заклепок, отсутствие или незатянутые болты и др.); трещины в элементах и сварных швах; значительные перемещения конструкций, потеря местной и общей устойчивости.
Искажение формы конструкции может быть вызвано сварочными напряжениями, ударами транспортных средств или иными механизмами, неравномерными осадками сооружения. Опасными из этих повреждений являются искривления сжатых стержней или сжатой зоны конструкции. Искривления в растянутых элементах менее опасны.
Потеря общей устойчивости колонн, сжатых элементов ферм, балок, оболочек крайне опасна, так как приводит к аварийному состоянию сооружения.
Дефекты сварных швов более опасны при вибрационных нагрузках, присутствующих в зданиях с грохотами, вибрационными технологическими процессами способствующих возникновению усталостных трещин. Трещины в элементах конструкций создают опасность хрупкого внезапного разрушения конструкции и поэтому эксплуатация несущих конструкций даже при наличии небольших по величине трещин не допускается.
Наиболее часто усталостные трещины имеют место в верхних зонах стенок подкрановых балок, которые начинают возникать при кранах с тяжелым режимом работы уже после двух-трех лет эксплуатации. Трещины часто бывают основной причиной полной замены подкрановых балок, так как в настоящее время не разработаны эффективные способы их устранения.
Сверхнормативные прогибы стальных конструкций могут быть допущены, если прочность конструкции обеспечена, и они не мешают работе оборудования, не портят внешний вид и не изменяют расчетную схему сооружения [29]. 2.2.3 Влияние повреждений каменных конструкции Разрушение каменных элементов от нагрузки в основном происходит постепенно с образованием видимых признаков разрушения в виде трещин.
К характерным видам дефектов и повреждений каменных конслрукций относятся: трещины, смещение кладки стен; расслоение кладки и выпадение отдельных камней; отклонение от вертикали каменных стен и колонн; размораживание и выветривание кладки; пробивка в несущих элементах непроектных отверстий и борозд; коррозия раствора; дефекты изготовления кладки.
Вертикальные и косые трещины в несущих простенках стен и колоннах на высоту более четырех рядов кладки, отрыв продольных стен от поперечных на всю высоту, вертикальные трещины в месте соединения пилястры со стеной, вертикальные и косые трещины в кладке под опорами балок или ферм длиной более 30 см свидетельствуют об аварийном состоянии конструкции вследствие её перенапряжения.
Иногда в нижних этажах в месте примыкания простенков с подоконной частью стены образуются вертикальные трещины, вызванные разностью напряжений в кладке простенка и подоконной части. Эти трещины не представляют большой опасности для прочности сооружения. Нередко образование трещин в каменных конструкциях происходит от распорного действия на них других конструкций (оконные перемычки, распорные конструкции покрытия), от температурно-влажностных воздействий (усадки, набухания, перепада температур) либо от неравномерных осадок оснований. При усадке кладки происходит уменьшение ее объема, связанное с ее высыханием. Набухание кладки имеет обратный процесс и связано с увлажнением кладки. Средняя величина усадки кирпичной кладки из глиняного кирпича составляет 0,1 мм/м, для кладки из силикатного кирпича 0,3 мм/м.
Развитые трещины в кладке, вызванные неравномерной осадкой фундаментов, температурными деформациями могут представлять опасность, так как они расчленяют пространственную конструкцию здания на отдельные части, которые могут потерять устойчивость и, кроме того, изменяют принятую расчетную схем сооружения. Образование в кладке трещин может произойти от различных динамических воздействий: ударов, сотрясений от транспортных средств, вибраций от оборудования и пр.
Совершенствование существующей методики определения значения остаточного ресурса
Для любой категории технического состояния значения относительной надежности у и относительной поврежденности є могут быть определены из приведенного в табл.2.1 численного интервала, но выбор того или иного значения является исключительной прерогативой эксперта и какими бы то ни было указаниями не регулируется, то есть является процессом абсолютно субъективным.
Так проиллюстрируем влияние выбора значения относительной поврежденности є на определение величины остаточного ресурса R простым примером - при заданной или полученной в результате визуального освидетельствования категории технического состояния сравним максимальное и минимальное значения величины относительной поврежденности, т.е. сравним граничные значения интервалов ее изменения.
Анализ показывает, что значения величины остаточного ресурса могут отличаться более чем в два раза (например, в п.4.1 - для зданий №№2 и 5), а в среднем в 1,8 раза, что неприменимо для практических расчетов. Именно поэтому при оценке остаточного ресурса необходимо уметь достаточно четко и объективно определять значение относительной надежности у.
Для повышения точности расчетов предложим следующий алгоритм: - выявление возможных дефектов различных видов строительных конструкций (см.п.2.1); - определение главного расчетного параметра для каждого вида повреждения определенного вида конструкций; - анализ существующей нормативной и рекомендательной документации с целью выявления соответствия величины расчетного параметра оп 78 ределенной категории технического состояния числовым величинам относительной надежности и относительной поврежденности; - составление таблиц значений относительной поврежденности в зависимости от величины основного параметра дефекта (см.гл.2), используемых в разработанном автором программном продукте «Ресурс» (п.3.3.4)при: выборе величин относительной поврежденности в зависимости от вида.и стадии развития дефекта;
Предложенный алгоритм1 бьит реализован в расчете; остаточного ресурса упоминавшихся выше объектов, что привело к существенному уточнению результатов (см.п.4.1). Предложения по определению коэффициентов значимости конструкций на основе геометрического определения вероятности
Коэффициенты значимости "строительных конструкций устанавливают обычно на. основе экспертных оценок, учитывающих социально-экономические последствия их разрушения, влияния их на обрушение других конструкций, характера разрушения (с предварительным оповещением через пластические деформации или мгновенное хрупкое разрушение).
Таккак четкие, указания по определению величин коэффициента значимости в научной и инженерной литературе отсутствуют, экспертами принимаются их значения произвольно, на основе своего опыта, знаний и субъективной оценки. Так, в большинстве отчетов по техническому обследованию объектов в Южном федеральном округе, обычно принимаются следующие величины коэффициентов значимости а: основание и фундаменты - 6, колонны каркаса - 5, ограждающие конструкции и кирпичная кладка - 4, балки перекрытий и покрытия-3, плиты перекрытий и покрытия - 2, кровля и отделка - 1.
Таким образом, очевидно, что любое такое назначение коэффициентов значимости конструкций является процессом субъективным и; не имеет своего научного обоснования. Кроме того, добавим, что такой подход не от 79 ражает влияния места конструкции в объекте в целом, как и степени возможного ущерба, вызванного именно ее обрушением и др.
В связи с этим, предложим принципиально иной подход к определению коэффициентов значимости строительных конструкций зданий и сооружений - сделаем попытку определить величины коэффициентов их значимости как геометрического определения вероятности.
В основу предлагаемого подхода положим определение значимости конструкций как элемента объекта в целом, их места нахождения по объему, площади и степени влияния в конструктивной схеме объекта, степени возможного ущерба, вызванного именно их обрушением. где аМИ - коэффициент значимости конструкции, которая подвергается изоляции, 3 - переходной коэффициент, равный ОД для конструкций в работоспособном состоянии, и возрастающий на 0,1 с увеличением технического состояния на 1 балл. Предлагаемый подход к определению коэффициента значимости строительной конструкции как отношения объема или площади возможного обрушения здания из-за ее аварии к общему объему или площади конструкции можно по аналогии подвести под определение геометрической вероятности события. Известно из теории вероятности [23], что вероятность попадания в область g при бросании наудачу точки в область G равна: В нашем случае мера mesg — объем или площадь возможного обрушения, mesG — объем или площадь (объем) всего здания. Тем самым, коэффициент значимости численно мы приравниваем геометрической вероятности обрушения здания в целом.
Отметим, разумеется, небесспорность предлагаемого подхода, однако если принять во внимание практически произвольное назначение величин коэффициентов значимости объектов и конструкций в настоящее время, то очевидно, что предлагаемый подход является существенным шагом вперед.
Заметим, что при предлагаемом подходе значения а будут заведомо меньше единицы. Добавим также, что определение коэффициентов значимости по предлагаемому подходу - при помощи определения геометрической вероятности - является достаточно точным, хотя и более трудоемким, и его следует использовать в дальнейшей разработке метода расчета остаточного ресурса.
Для широкого распространения предлагаемого подхода необходимо будет еще произвести значительное количество предварительных подсчетов для разных типов и размеров здания, что сделает в будущем возможным унификацию и нормирование характеристик объектов и величин коэффициентов значимости, причем не только для объектов горнорудной и угольной, но и для других отраслей промышленности. З.З.Создание новой методики определения остаточного ресурса на основе цепей Маркова 3.3.1. Рекомендуемый подход к вычислению коэффициентов значимости при определении общей поврежденности объектов
Расчет и сравнительный анализ полученных величин остаточного ресурса одно- и многоэтажных зданий
Для оценки степени уверенности назначения величины остаточного ресурса анализ полученных значений P(S/K ) предлагается выполнить с использованием методов теории информации. Центральное место в ней занимает понятие энтропии системы, характеризующая степень неопределенности системы.
Пусть категория технического состояния элемента S (здание) имеет несколько случайных состояний Si с вероятностями P(Si). Если одно из состояний обязательно реализуется, а остальные одновременно невозможны (в теории вероятностей - это полная группа несовместных событий), то
Наступление аварии возможно только по одному из рассматриваемых путей хотя разрушение во времени возможно по некоторым из них (например, после обрушения здания ввиду деформации фундаментов состояние отделки уже не имеет значения, однако во время эксплуатации здания состояние отделки существенно влияет на состояние ограждающих и несущих конструкций).
В теории информации энтропия системы, имеющей п возможных состояний с вероятностями P(Si), P(S2), ..., P(Sn) определяется зависимостью:
H(Sn) = p(S,)log7J— = -р(,й)1о8Р(5,). При выполнении некоторых достаточно общих требований (непрерывности, неубывания энтропии при возрастании числа состояний, аддитивности) указанное определение энтропии является единственным. Так как вероятности состояний любой системы 0 P(Si) 1, то энтропия представляет собой существенно положительную величину.
Вычислим энтропию системы, имеющей п состояний. Если они равновероятны, то Как видно, энтропия системы с одинаковыми вероятностями состояний равна логарифму числа состояний. Очевидно, что с увеличением числа состояний энтропия возрастает гораздо медленнее, чем число состояний. В таком случае важное свойство энтропии состоит в следующем: если система имеет несколько состояний, то энтропия будет максимальной в том случае, когда все состояния равновероятны. В [65] приводится доказательство этому, из которого вытекает важная оценка энтропии произвольной системы H(S) \ogn, 120 где п — число возможных состояний системы. В данном случае при п — 10 (априорно пути разрушения равновероятны) значение H{S) — log 10 1,0. Чем ближе энтропия элемента системы к этому значению, тем больше неопределенность при распознавании его состояний. Чем она дальше, т. е. ближе к нулю, тем неопределенность ниже.
Рассмотрим состояние системы, при котором наиболее вероятно возникновение аварии, разрушения. В этом случае вероятность разрушения равна ,-, а вероятность того, что здание данным путем не разрушится (разрушится любым другим путем или не разрушится вообще) равна 7-е,- = у,-Энтропия такой системы будет тем больше чем ближе будут значения ЄІ и yt.
В общем случае энтропия системы H(Sn) состояния рассматриваемого получилась равной H(Sn) = -(si\ogsi+yilogyi); . Введем понятие вероятности степени определенности нахождения максимальной величины относительной поврежденности ЄІ здания Р(Нп), равной доли определенности нахождения максимальной величины относительной поврежденности є; конструкций от определенности нахождения величины относительной поврежденности є здания в целом: R = Р(Нп) 100% = 1.100% = 1 - — 100%; Это и будет процентной вероятностью определения остаточного ресурса.
1.Анализ существующей методики расчета остаточного ресурса по внешним признакам выявил значительное влияние субъективных экспертных оценок, большие отклонения и невозможность применения в отдельных частных случаях.
2.Произведены усовершенствования существующей методики расчета остаточного ресурса по внешним признакам: 121 - исключено влияние субъективных экспертных оценок - разработаны предложения по определению уточненных величин относительной повреж-денности видов строительных конструкций; - даны рекомендации по определению коэффициентов значимости видов строительных конструкций на основе геометрического определения вероятности; - определены пути и предложены способы применения методики в частных случаях.
3.Разработана новая методика определения остаточного ресурса и общей поврежденности строительного объекта на основе цепей Маркова, особенностями которой являются: - статистический анализ 3700 дефектов 21 здания и 7 транспортных галерей с различными технологиями, конструктивными схемами и материалами; - рекомендации по определению коэффициентов значимости видов строительных конструкций; - математические модели состояний одно- и многоэтажных зданий, а также транспортных галерей горнорудной и угольной промышленности.
4.Предложена новая методика определения остаточного ресурса и категории технического состояния строительного объекта на основе теории графов, включающая: - математическую модель системы «Здание» с использованием ориентированного графа; - сетевые модели разрушения одно- и многоэтажных зданий, а также транспортных галерей горнорудной и угольной промышленности; - способ расчета величины процентной вероятности определения остаточного ресурса типичных промышленных объектов с помощью сетевой мо дели; - программный продукт «Расчет остаточного ресурса строительных объектов».
