Физическая модель надежности реконструируемых зданий

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ

Долговечность зданий как сложных систем определяется изменчивостью во времени свойств материала за счет физико-химического воздействия окружающей среды, нагрузок и воздействий от эксплуатации. В конструктивных элементах здания происходят значительные изменения и колебания усилий и напряжений, их концентрация и накопление, в результате чего возникают остаточные деформации, вызывающие микро- и макроразрушение.Накопление повреждений в элементах здания приводит к возникновению условий, при которых дальнейшая эксплуатация невозможна без восстановительных работ. Само накопление повреждений является, как правило, длительным процессом и зависит от степени эксплуатации, внешних условий, из которых следует выделить прежде всего температурно-влажностные и агрессивные воздействия окружающей среды. В то же время накопление повреждений носит случайный характер.

Категории надежности и долговечности неадекватны. Как правило, долговечность характеризует эксплуатационный срок здания в целом и конструктивных элементов в отдельности.

Под долговечностью здания понимают такой предельный срок службы, за который под воздействием природно-климатических факторов конструктивные элементы приходят в состояние,когда дальнейшая эксплуатация становится невозможной, а восстановление - экономически нецелесообразным. Долговечность здания определяется сроком службы несменяемых при ремонте конструкций. Некоторые авторы под долговечностью понимают такой срок службы, по истечении которого снижается вдвое несущая способность конструкций.

В зависимости от капитальности зданий установлен нормативный срок службы конструкций. Так, для первой группы капитальности срок службы фундаментов, стен и перекрытий составляет 150 лет;для второй группы: фундаменты и стены - 120 лет, перекрытия - 100 лет; третьей группы: фундаменты и стены - 100 лет, перекрытия - 50 лет.

Опытные данные показывают, что технический срок службы конструктивных элементов зданий существенно превышает нормативный. В то же время достаточная неоднородность по показателю долговечности используемых строительных материалов приводит к возникновению условий, снижающих надежность отдельных узлов и конструктивных элементов здания. Характерным примером неоднородности по долговечности являются деревянные перекрытия, металлическая кровля, инженерное оборудование и др.

Изучение надежности и долговечности зданий является весьма актуальной проблемой. Этому вопросу посвящен ряд работ, из которых следует отметить исследования А.А. Русакова , Б. Г. Бердиневского, В.Д.Райзера, В.Н. Богословского, А.Г. Ройтмана, Е. Арендского,Д. С. Авирома, К.А. Шрейбера, Г. Шлете и других авторов.

Случайный характер воздействий на строительные конструкции потребовал применения вероятностно-статистических методов их расчета, которые успешно используются при конструировании и расчете элементов зданий.

В настоящей работе сделана попытка развить имеющиеся представления о надежности реконструируемых зданий,разработать методику и использовать математический аппарат, позволяющий приблизить модели к реальным условиям.

Представляет интерес рассмотрение физической, математической, технологической и экономической моделей надежности. Эти аспекты исследований охватывают широкий круг технических, организационно-технологических и экономических вопросов,комплексная оценка которых дает путь к оптимизации и принятию решений по проектам реконструируемых объектов как сложных систем.

Основой расчетов конструкций жилых зданий является метод предельных состояний. Расчеты ведутся по двум предельным состояниям:

- по несущей способности,обеспечивающей прочность, общую и местную устойчивость зданий в процессе возведения и эксплуатации;

- по деформациям, появлению или расширению трещин, обеспечивающим пространственную жесткость здания, недопустимость появления или развития трещин, нарушающих нормальную эксплуатацию.

По первому предельному состоянию рассчитывают: фундаменты, стены, колонны, перекрытия и покрытия, лестничные площадки и марши и др. По второму предельному состоянию проверяют здание в целом для оценки деформативности в результате неравномерных осадок от технологических нагрузок и воздействий от ветра.

Отсутствие определенных данных об изменении свойств материалов конструкций во времени в результате воздействия внешних факторов заставляет увеличивать запас прочности конструкций. Это обстоятельство создает определенную степень повышения надежности конструкций.Предполагается, что все элементы здания должны воспринимать предельную нагрузку и в максимальной степени использовать свою несущую способность. На практике сталкиваемся с высокой степенью неравномерности загрузки конструкций, и только меньшая часть элементов и узлов работает в предельном режиме. Кроме того,здания, построенные и рассчитанные по менее совершенным методикам, имеют достаточно высокие запасы прочности.

Факторы, влияющие на надежность зданий, можно условно разделить на две группы: внутреннего характера и внешнего воздействия. К первой группе относятся: физико-химические процессы, протекающие в материале конструкций; нагрузки и процессы, возникающие при эксплуатации;конструктивные факторы; качество изготовления конструкций. Ко второй группе причин относятся: климатические факторы (температура, влажность, солнечная радиация, попеременное замораживание и оттаивание и др.); факторы агрессивности окружающей среды (наличие в атмосфере агрессивных компонентов, биологические факторы, ветры, пыль и т.д.), а также качество эксплуатации. Последний фактор имеет в ряде случаев более важное значение, так как по интенсивности износа конструкций может превышать все остальные.

В качестве примера можно привести наличие протечек и неисправностей в системе водоснабжения и канализации, когда систематические утечки жидкой фазы увлажняют перекрытия,создавая благоприятные условия для возникновения и роста грибковых образований,коррозии арматуры и закладных деталей, нарушения целостности основания фундаментов. Результатом этого процесса при длительном воздействии может быть полная потеря устойчивости здания. Таким образом, следует отметить многообразие факторов, влияющих на надежность здания. При этом выделить группу решающих факторов весьма сложно.

В общем виде физическая модель надежности зданий может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Блок-схема физической модели надежности зданий

Графическая интерпретация критерия надежности здания за период эксплуатации может быть представлена системой экспоненциально убывающих кривых. Степень экспоненты, т.е.интенсивность падения надежности, может быть различной, зависимой от характера эксплуатации, конструктивных решений и вида материалов.

На рис. 4.2 приведены графики изменения надежности за период эксплуатации здания. Здесь заданная надежность системы конструкций здания с начальным резервированием по прочности и деформативности N ₀ . Со временем эксплуатации Т происходит снижение надежности до порогового уровня, т.е. до появления отказа системы, приводящего к снижению или потере несущей способности основных конструкций здания.

Рис. 4.2. Изменения надежности за период эксплуатации здания
1 - теоретическая кривая; 2 - то же, при начальном резервировании; 3 -повышение надежности при восстановительных работах; D N -увеличение надежности

По мере эксплуатации зданий имеет место выполнение различного рода ремонтных работ, которые восстанавливают и повышают надежность конструктивных элементов и в целом здания. Так, в периодыТ₁ , Т₂произведены восстановительные работы, которые привели к повышению надежности системы на параметры N ₁ , N ₂ или N ₃ .

Приведенная модель динамики изменения надежности в зависимости от времени эксплуатации здания основана на оценке системы в целом и не учитывает надежность и долговечность конструктивных элементов в отдельности. Однако этот фактор в ряде случаев имеет определяющее значение. Так, для зданий дореволюционной и предвоенной построек характерно использование деревянных конструкций перекрытий, что приводит к снижению долговечности зданий по этому параметру. В то же время конструкции фундаментов и стен, выполненные из кладочного материала, имеют более высокие надежность и долговечность. Эти элементы здания могут быть отнесены к несменяемым.

Доля несменяемых конструктивных элементов зданий старой постройки составляет 40- 42 %, для построек послевоенных лет 53-55 %, современных крупнопанельных и сборно-монолитных - до80 %. К несменяемым элементам относятся фундаменты (5-7 %), стены (35-40 %),перекрытия железобетонные (11-12 %), лестницы (2-3 %), индустриальные кровли(2-3 %), лифтовые шахты, мусоропроводы (2-4 %).

Таким образом, под надежностью здания следует понимать стабильность показателей качества и эффективности его функционирования, которая зависит от надежности конструкций и систем здания в их совокупности. Показателем надежности здания в целом является оптимальный срок его безаварийной службы.

Событие, способствующее нарушению работоспособности конструкций, называется отказом. Под отказом несущих и ограждающих конструкций понимают такое техническое состояние элемента, которое предшествует потере несущей способности или полной потере ограждающих функций.

Отказы конструкций классифицируются по характеру действия на последовательные, постепенные и внезапные.

В зависимости от диапазона -частичные, связанные с отклонением характеристик от допустимых значений и не вызывающие полной утраты работоспособности, и полные отказы.

В зависимости от последствий -незначительные, не приводящие к ухудшению эксплуатационных характеристик;значительные (критические), приводящие к полному прекращению выполнения функций.

Постепенные отказы являются функцией времени, вызываемые, как правило, старением материала конструкций.Внезапные отказы носят случайный характер и являются следствием потери несущей способности конструкций в результате концентрации напряжений, превышающих расчетные.

Для простоты анализа строительных систем имеется два возможных состояния: нормальное эксплуатационное и отказ. В практике эксплуатации жилищного фонда здания могут иметь несколько состояний, соответствующих частичным и постепенным отказам в результате накопления дефектов, а также критическим. В последнем случае имеются в виду отказы несущих элементов зданий, приводящие к полной потере работоспособности здания.

Оценка уровня эксплуатационной надежности зданий показывает соответствие состояния и свойств конструктивных элементов действующим нормативам. Поэтому любое изменение нормативных требований приводит к снижению или повышению уровня надежности. Характерным примером такого влияния являются изменения норм теплотехнических характеристик ограждающих конструкций. Это привело к снижению эксплуатационной надежности и возникновению отказов практически для всех зданий постройки до 1998 г. Подобную ситуацию наблюдаем при оценке эксплуатационной надежности систем инженерного оборудования, энергосистем и др. Даже при низком уровне физического износа такие системы не отвечают новым нормативным требованиям и находятся в состоянии отказа.

На рис. 4.3 приведены характерные типы отказов. В связи со случайным характером воздействий на конструктивные элементы здания модель надежности здания носит вероятностно-статистический характер.

Рис. 4.3. Характеристика отказов
1 - теоретическая кривая; 2 - то же, при начальном резервировании и влиянии техногенных процессов; 3 - повышение надежности при восстановительных работах