О методике оценки надежности строительной системы по критерию прочность

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 69. 192
О МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПО КРИТЕРИЮ ПРОЧНОСТЬ
(c)2012
Т. Е. Гордеева, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, декан факультета транспортного и городского строительства
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», Самара (Россия)
Ключевые слова: надежность- строительная система- функция безопасности- критерий надежности- методика. Аннотация: Вступление в силу закона № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» увеличивает актуальность разработки методики оценки надежности строительных систем. Данный вопрос в настоящее время недостаточно изучен, поскольку не установлены критерии отказов для строительных систем. В статье предложен метод оценки надежности системы по критерию прочность. Определена надежность системы, состоящей из 14 элементов, каждый из которых также рассмотрен как отдельная система.
В 2009 г. вступил в силу закон № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», который ввел требование выполнять расчеты, обосновывающие надежность принятых решений к обеспечению механической безопасности зданий и сооружений. В то же время методика расчета надежности и критерии её оценки на стадии проектирования зданий отсутствуют.
Из анализа литературных источников видно, что благодаря трудам российских и зарубежных ученых решены многие задачи теории надежности. Достаточно полно в работах дано описание расчетов отдельных конструкций вероятностными методами.
Однако вопросы расчета надежности строительных систем остаются недостаточно изученными.
Каждое здание исполняет множество функций. К их числу относятся: функции безопасности, комфортности, технологического обеспечения и специальные. В результате методически более целесообразно говорить не о надёжности здания, а о надёжности исполнения функций, предписанных ему. В этой связи появляется возможность изучать надёжность исполнения каждой функции независимо друг от друга, а затем надёжность исполнения функций здания в целом определять как для системы с последовательно соединёнными элементами [1].
В Самарском государственном архитектурно-строительном университете была поставлена следующая задача: на основе статистически обоснованных исходных данных оценить надёжность по функции прочность надземной части животноводческого здания рамной конструкции и его элементов, выполненных из железобетона.
Решение этой задачи позволило бы получить методику оценки надежности простейшей строительной системы, состоящей из небольшого количества элементов. Автором проведена работа по изучению надёжности здания по прочности. Для этого впервые были установлены критерии отказов животноводческого здания по прочности.
Несущими конструкциями здания размерами в плане 21×72 м являются 26 железобетонных полурам по серии 1. 822. 1−2/82, соединенных попарно в 13 рам, и 168 железобетонных ребристых плит покрытия по серии 1. 865. 1−4/84. Для обоснования способа вычисления
нагрузок от собственного веса железобетонных конструкций и обоснования статистических характеристик нагрузок, свойств материалов и конструкций, параметров технологических процессов и расчетных процедур использовались опытные данные, полученные автором, а также публикации по теме исследования.
Надежность здания по функции прочность представлена в виде систем нескольких уровней.
К системе первого уровня отнесены надежности 14 элементов: 13 рам и диска покрытия, соединенных последовательно. Эго соединение элементов применимо в ситуации, когда отказ одного элемента приводит к отказу по прочности здания в целом.
К системе второго уровня отнесен диск покрытия, состоящий из 168 ребристых плит.
Были выработаны альтернативные критерии определения надежности системы «диск покрытия» [1]:
1. Надежность системы равна численному значе-
нию элемента, обладающего наибольшей вероятностью отказа С) Макс • ^ I О, • (1)
2. Надежность системы равна математическому ожиданию средних значений надежности всех элементов
--- (2)
п
3. Надежность системы равна вероятности наступления события, состоящего в отсутствии отказа любого элемента системы:
(3)
1=0
4. Надежность системы равна вероятности наступления события, состоящего в наступлении отказа одного элемента системы:
^=[(1-^)-?2… ?п +
+ ^-(1-?2)… -?п+…+ ^
5. Надежность системы равна вероятности наступления события, состоящего в наступлении отказа п элементов системы:
^=[(1-^)-а2)… ?п +
+ (1-?1)… ?п.1. (1-Шп) + …+ (5)
+. ?2… (1^п1). (1^п)]
6. Надежность системы равна вероятности наступ-
ления события, состоящего в наступлении отказа не более одного элемента системы (сумма надежностей системы по критерию 3 и 4)
= ^° + • (6)
7. Надежность системы равна вероятности наступления события, состоящего в наступлении отказа не более п элементов системы.
=?80+?81+… + ?8п • (7)
К системам третьего уровня отнесены отдельные элементы здания: железобетонная рама и железобетонная ребристая плита покрытия.
Надёжность строительных элементов определялась из композиции распределений прочности и нагрузки различными способами. В работе были использованы три из них — метод линеаризации, метод & quot-Перебор"- и индикатор отказа.
На здание в качестве временной нагрузки действуют снеговая и ветровая. Оценка расчётной интенсивности снеговой нагрузки производилась по её экстремальным значениям в соответствии с законом Гумбеля, а также по средним значениям ежегодных экстремумов. Первый случай целесообразно использовать при проектировании нового здания, второй — при оценке статистических характеристик эксплуатируемого здания на момент обследования. Распределение ветровой нагрузки также принято по закону Гумбеля II типа. Здание коровника достигает в высоту не более 10 метров, поэтому изменение нагрузки по высоте не учитывалось.
Постоянные нагрузки оценивались в соответствии с законом нормального распределения, при этом принимались коэффициенты их вариации по опытным данным.
Сопротивления материалов и геометрические размеры также оценивались в соответствии с законом нормального распределения с нормированными и опытными значениями коэффициентов вариации.
На основе анализа результатов обследования 8872 ребристых плит покрытия в 15 животноводческих зданиях (в которых 1026 результатов в пяти зданиях получены лично автором) были выведены зависимости, определяющие техническое состояние плит покрытия, выраженное в баллах. Эти зависимости позволяют оценить надёжность и время наработки плит до отказа.
Надежность плиты покрытия определялась как для системы, состоящей из трех последовательно соединённых элементов: прочности нормального сечения, наклонным сечениям (по наклонному сечению между трещинами и по прочности поперечной арматуры), ан-керовке преднапряжённой арматуры в опорной зоне плиты.
Надёжность рамы определялась как для системы с пятью последовательно соединёнными элементами: прочности сечения в карнизном узле рамы в ригеле на действие перерезывающей силы (сечение 1−1), сечения в карнизном узле рамы в ригеле на действие изгибающего момента (сечение 1−1), сечение в карнизном узле рамы в стойке (2−2), сечения в месте действия максимального положительного изгибающего момента в ригеле (3−3), сечения на опоре на действие перерезывающих сил (4−4) (рисунок 1).
В результате расчетов установлено следующее.
Надежность ребристой плиты покрытия определялась для максимального значения временной нагрузки и для её среднего значения при сроке эксплуатации, равном 50 лет. Проведено 8400 единиц вычислений. Такой размер выборки достаточно устойчив, результаты достоверны. Отношение стандарта вероятности отказа к среднему значению изменяется в пределах от 20,36% до 153,12% и зависит от срока эксплуатации, уменьшаясь по мере его увеличения. Это соответствует физическому представлению о том, что к концу срока эксплуатации количество дефектов в плитах выравнивается, приближаясь к максимальному.
Рис. 1 Расчетная схема рамы:
Н, Ь — геометрические размеры рамы, ql, с{2, qЗ — соответственно ветровая и снеговая нагрузки, 01, 02, К1, К2 — реакции опор в раме
Установлено, что в заданных условиях эксплуатации обеспеченное значение вероятности отказа плиты, т. е. такое значение, превышение которого реализовывалось с заданной вероятностью, изменяется по зависимостям, представленным на рисунке 2. Со временем обеспеченность проектной вероятности отказа плиты уменьшается и к 50 году эксплуатации практически равна нулю.
Надёжность рамы, определённая по максимальным значениям нагрузок, в целом велика (0,99 855 для срока эксплуатации 50 лет), что соответствует опытным данным при длительности наблюдения до 40 лет и представлениям о надёжности такого вида конструкции.
Определение надёжности рамы по средним нагрузкам приводит к практически постоянной её величине во времени при выполнении расчёта до 50 лет. На 50-й год вероятность отказа рамы, определённой по среднему значению, меньше вероятности отказа рамы, определенной по экстремальному значению временной нагрузки, в среднем в 36 раз.
Надёжность диска покрытия определена по различным критериям. Для случая экстремальных нагрузок установлено, что надёжность диска покрытия по критерию «ни одна плита в течение срока службы не откажет» равна 0,107, не более одной — 0,348, не более двух
Л
со
и
Н
О
к
н
о
о
к
н
*
о
л
и
о
к
к
о
?
и
го
0. 03
0. 025
0. 02
0. 015
0. 01
0. 005
/
Я $ ¦ /
• / «/ ¦ /
¦ /? /. *
т Л • ¦& lt-* * т /: / /
^ г!** ** а • •
I =50 год
г =40 год
I =37 год 1 =30 год
I =20 год
0.5 0.6 0.7 0.8 0. 9
Обеспеченность вероятности
Рис. 2. Изменение вероятности отказа железобетонной ребристой плиты покрытия в зависимости от уровня её обеспеченности
— 0,618, не более трёх — 0,817. Для случая средних нагрузок соответствующие значения надёжностей составляют: 0,949, 0,999- 0. 9998- 0,999 998.
Надежность здания по прочности при экстремальных нагрузках по критериям «ни одна плита диска покрытия в течение срока службы не откажет» равна 0,077, не более одной — 0,251, не более двух — 0,445, не более трёх — 0,589. Для случая средних нагрузок соответствующие значения надежностей составляют: 0,932-
0,981- 0,983- 0,983.
Одной из наиболее важных экономических и статистических характеристик системы является время наработки до отказа. Оно определялось следующими способами: по публикациям- по зависимости, позволяющей оценить время до 1 отказа- по времени достижения проектной или обеспеченной вероятности отказа- по опытным данным, полученным в результате оценки технического состояния изделий в баллах.
В результате вычислений было установлено, что время наработки до отказа для ребристой плиты покрытия располагается в диапазоне от 37 до 48 лет, для рамы составляет свыше 60 лет, для здания — от 32 до 51 года.
Таким образом, для оценки надежности строительной системы впервые были установлены критерии от-
казов животноводческого здания по прочности. К их числу относятся объективные критерии, например, событие, состоящее в отсутствии отказа любого элемента системы или отсутствия элементов, находящихся в аварийном состоянии и т. п. Впервые установлено, что критерии могут носить субъективный характер, например, событие, состоящее в отказе 1, 2, 3 и т. д. элементов одновременно.
Разработана практическая методика расчёта надёжности по прочности строительной системы (животноводческого здания).
Определены надежности простейших систем — диска покрытия и рамы животноводческого здания по функции прочности, являющиеся исходными данными для расчета надежности по функции прочность здания в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лычев А. С., Гордеева Т. Е. Об относительности понятия надежности строительного элемента и системы// Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды: тезисы докладов областной 56-й научно-технической конференции (апрель 1999 г.). СамГАСА, Самара, 1999.
THE METHODOLOGY FOR EVALUATING THE RELIABILITY OF THE CONSTRUCTION SYSTEM BY CRITERION DURABILITY
(c)2012
T.E. Gordeeva, candidate of technical sciences, associate professor, department of urban construction and economy,
dean of the faculty of transport and urban development Federal state budgetary educational institution of higher professional education of the Samara state architectural-building
University, Samara (Russia)
Keywords: reliability- the building system- safety function- reliability criteria- the methodology.
Annotation'-, the Entry into force of the law № 384-FZ «Technical regulations on safety of buildings and constructions» increases the urgency of the development of methodology for the assessment of reliability of building systems. This time the issue is not enough studied since no criteria fault for building systems. The article presents the method of estimating the reliability of the system on the function of ruggedness. Reliability of the system consisting of 14 elements is defined, each of which is also considered as separate system.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой