VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Требования к безопасности тесно связаны с требованиями обеспечения надежности. Отправной точкой исследования, как надежности, так и безопасности является изучение действительной работы реальных сооружений на основе данных оценки технического состояния конструкций. Теоретической основой действующих норм по оценке технического состояния является метод предельных состояний с использованием в расчетных формулах частных коэффициентов надежности.

Анализ практики эксплуатации электросетевых конструкций свидетельствует о том, что накопление несовершенств в элементах является одной из важнейших причин возникновения предаварийных и аварийных состояний. Определяющую роль в обеспечении безаварийной работы электросетевых конструкций наряду с изучением действительных природно-климатических нагрузок и воздействий и совершенствованием принципов достоверной оценки технического состояния играют дальнейшая разработка требований к безопасности эксплуатируемых конструкций и поиск новых форм финансирования ремонтно-восстановительных работ.

Необходимость оценки показателей безопасности электросетевых конструкций по данным натурных обследований вызвана не только высоким ростом доли старых фондов электрических сетей, но и расширением области применения результатов оценки технического состояния, требующих определения численной меры безопасности, например, при купле-продаже, оценке рыночной стоимости или страховании объектов.

Проверку элементов несущих строительных конструкций по предельным состояниям первой группы можно представить в следующем обобщенном виде:

, (1)

где  - напряжение в элементе, зависящее от нормативных значений нагрузок q_ni, коэффициентов надежности по нагрузкам _fi, коэффициента надежности по материалу _m; r_i – параметров конструкции; Rn - нормативного сопротивления материала; _c–коэффициента условий работы; n – коэффициента надежности по назначению конструкции.

Невыполнение неравенства (1) означает реализацию запредельного состояния (аварию).

Надежность конструкции в методе предельных состояний не нормируется. Считается, что необходимый уровень надежности обеспечивается соответствующим выбором расчетных значений нагрузок и механических свойств материала при выполнении требований действующих нормативных документов. Условие (1) представляет собой детерминированное условие недостижения предельного состояния. Хотя из-за случайной природы нагрузок и свойств материала существует малая вероятность перехода за предельное состояние, с точки зрения действующих норм эта вероятность допустима. Такое допущение объясняется, с одной стороны, недостаточностью статистических данных о свойствах проектируемых объектов и воспринимаемых ими нагрузках, с другой, отсутствием достаточно обоснованных и практически приемлемых стохастических методов расчета конструкций, а также недостатком информации о фактической надежности существующих сооружений.

Принципиально иным подходом к расчету сооружений является получение количественной оценки надежности. Поскольку понятие «надежность» невозможно формализовать существующими математическими методами, на практике производят расчет целого комплекса показателей: безотказности, долговечности, ремонтопригодности, экономических и комплексных показателей [1].

В качестве критерия обеспеченности надежной работы строительных конструкций чаще всего принимается определенное значение безотказности. Безотказность строительных сооружений оценивают с помощью вероятности безотказной работы Ps или вероятности отказа P_f 2.

Наиболее часто используемой методикой вычисления вероятности безотказной работы электросетевых конструкций рекомендовано использование зависимости:

(2)

где _i– коэффициент снижения прочности элемента наиболее часто подвергающегося действию предельно допустимых нагрузок;

(3)

где Т_, Т_p и Тp - периоды повторяемости ветровой нагрузки, нагрузки от ветра при гололеде и гололедной нагрузки, соответственно.

Методика проста и удобна для практической реализации, однако применение коэффициента _i не позволяет учесть все особенности работы конструкций (в частности, различного рода дефекты и повреждения элементов конструкции).

Причем считают, что система может находиться только в двух состояниях: отказ – V или безотказная работа – V. Эта предпосылка в определенной мере упрощает оценку надежности и хорошо приспособлена к описанию четких отказов, однако, зачастую при эксплуатации имеют место нечеткие отказы, которые обусловливают определенную размытость границы между работоспособным и неработоспособным состоянием конструкции.

Оценка надежности позволяет исключить из рассмотрения качество работы сооружения. Однако, учитывая то обстоятельство, что потребителя строительной продукции в большей степени интересуют не высокие средние показатели надежности проектируемых конструкций, а именно качество эксплуатации (их безотказность) при целесообразных экономических затратах, возникает проблема оценки показателей безопасности по фактическому состоянию строительных конструкций.

Указанный подход получил развитие в трудах Соммервилля 3], где предложен «куб требуемого качества», фронтальная плоскость которого обозначена в координатах «жизненный цикл конструкции - критичность». Понятие «критичность» подразумевает как значимость элемента конструкции с позиции обеспечения несущей способности, сложность ремонта или замены, так и последствий выхода его из строя. Фронтальная поверхность куба разбивается, таким образом, на зоны, позволяющие выбрать проектировщику «эксплуатационно-ремонтную» стратегию, увязанную с будущими функциональными требованиями, которые определяют критерии долговечности. Такой подход в сочетании с набором возможных решений по обеспечению надежности и долговечности создает основу для анализа риска или вероятностной оценки границы безопасного состояния.

Общий метод решения основных задач надежности механических систем, построенный на применении теории случайных процессов, был разработан В.В. Болотиным 4. Изменение несущей способности во времени определяется с учетом накопленных повреждений, а отказ определяется как случайный выброс из области допустимых состояний. Уровень надежности в исследуемый момент времени t принято оценивать как:

(4)

где;

m - число элементов системы;

_k - интенсивность отказов (_k=const для k-того элемента);

t – рассматриваемый момент времени.

Прямое использование метода ограничивается сложностью математического аппарата, недостатком исходной статистической информации о базисных переменных и в настоящий момент возможно лишь для небольшого круга задач.

Поскольку, как правило, невозможно пренебречь изменением несущей способности конструкции в процессе эксплуатации, то в общем случае, если уравнение предельного состояния включает переменные, описываемые стохастическими процессами, выражение для вычисления вероятности отказа конструкции имеет вид:

(5)

где P_f(0)- вероятность отказа конструкции в начальный момент времени;

N - дискретная случайная величина, описывающая число выбросов случайного вектора X(t) (число отказов) за границы области безотказной работы в течение рассматриваемого временного интервала;

 - среднее число выбросов из области безотказной работы в единицу времени (частота отказов);

Т – рассматриваемый период времени.

При расчете реальных сооружений можно принять Ps(0)=0.

Cреднее число выбросов составит:

(6)

Поскольку достоверное определение вероятности безотказной работы весьма затруднительно и предусматривает экстраполяцию статистических данных в область редких событий, что делает результаты вычислений приближенными, для оценки надежности сооружений часто используют индексы безопасности.

Так в 50-70 гг. широко применялся индекс К.А. Корнелла, тождественный характеристике безопасности А.Р. Ржаницына  и определяемый отношением математического ожидания запаса прочности E(S) к его стандартному отклонению (S) 5:

. (7)

Индекс безопасности _c представлен как число стандартных отклонений (S), расположенных между нулем и математическим ожиданием запаса прочности Е(S). Индекс вычисляется весьма просто, однако, обладает рядом недостатков, в частности, он не является инвариантным к изменениюформулировки предельного состояния. Для компенсации этого недостатка индекс Корнелла относят только к запасу прочности S=R-Q.

Другой известный метод оценки надежности электросетевых конструкций, получивший распространение в США и Канаде, основан на использовании индекса

, (8)

где Q - нагрузка; R - прочность, выраженная в тех же единицах, что и нагрузка; ln(R/Q) - среднеквадратичное отклонение логарифма отношения прочности к нагрузке.

Индекс безопасности А.М. Хазофера и Н.К. Линда предусматривает выбор кратчайшего расстояния _HL между началом координат y=0 и поверхностью предельного состояния h(y)=0 в стандартизированном пространстве 7:

(9)

При нелинейном уравнении предельного состояния g(x)=0 сначала делается преобразование величин X_i к стандартизированным величинам Y_i с математическим ожиданием E(Yi)=0 и среднеквадратичным отклонением (Xi)=1.

Индекс безопасности _HL стал в 70-х годах основой норм во многих странах мира. Однако его применение не позволяет решить проблему сравнения надежности элементов конструкций с различными предельными состояниями. Элементы, обладающие разной надежностью, могут иметь одинаковые значения _HL.

Требуемую сравнимость может обеспечить обобщенный индекс О. Дитлевсена 6:

(10)

где - плотность стандартного нормального распределения;

Ф^-1 – обратная функция стандартного нормального распределения;

- стандартизированные величины.

Аналитический обзор применяемых за рубежом индексов безопасности показывает, что их применение сдерживает, прежде всего, сложность математического аппарата вычисления. При этом отмечено, что даже при достаточно большом числе испытаний, частота отказов дает весьма приближенное значение вероятности отказа. Как правило, вероятность отказа сооружения близка к нулю. Поэтому для вычисления малых вероятностей требуется такое число испытаний, которое на практике выполнять нецелесообразно. Чтобы избежать упомянутых трудностей, используют модифицированные методы, позволяющие существенно снизить объем вычислений.

Вероятность безотказной работы конструкции в целом приблизительно может быть определена по формуле:

, (11)

где n– количество элементов в конструкции; P_se(T) - вероятность безотказной работы элемента е в течение Т лет.

Для корректировки значения вероятности безотказной работы вводят коэффициент W_е (0W_е1), учитывающий значимость элемента и возможные последствия его отказа:

. (12)

Значение W_e зависит от типа элемента конструкции, величины ущерба при его отказе, вида напряженно-деформированного состояния, уровня напряжений, возможности работы в зоне пластических деформаций, способности конструкции сохранять работоспособность при отказе нескольких элементов и т.д. Однако величина W_е не имеет приемлемого математического описания и в значительной степени носит эмпирический характер.

Следует отметить, что при использовании указанных методов остается нерешенным вопрос о требуемом уровне надежности и о том, какой уровень надежности принять в качестве минимально допустимого [8,9].

В методах расчета надежности строительных конструкций, использующих принципы стохастической имитации и ориентированных на ЭВМ, учитывается фактическая изменчивость силовых факторов, действующих на конструкцию, которые могут быть определены математическими методами с помощью функций распределения (климатические нагрузки). Затруднения вызывает учет изменения несущей способности с течением времени под воздействием нагрузок, возникающих при повреждениях транспортом и монтажными механизмами, падении деревьев, возникающих из-за дефектов монтажа и пр. случайных факторов, не имеющих приемлемого закона распределения. В таких случаях ставится задача оценки риска в конкретный момент времени и остаточного ресурса до проведения ремонта при заданной величине риска аварии [10].

Надежность конструкции оценивается на основании надежности ее отдельных элементов и узлов. Методы оценки надежности основаны на следующих расчетных предпосылках: элемент может находиться только в двух состояниях [11]:

- отказ и безотказная работа;

- отказ элемента наступает при превышении напряжением в элементе  сопротивления материала элемента R;

- напряжения в элементе однозначно определены как функции нагрузок;

- напряжения в элементе и сопротивление материала элемента являютсястохастически независимыми;

- усилия и напряжения в пределах изменения внешних нагрузок линейно зависят от нагрузки.

В работе проведено исследование известных в России и за рубежом методик оценки безопасности эксплуатируемых электросетевых конструкций.

Краткий обзор состояния теории надежности строительных конструкций показывает, что в настоящее время не представляется возможным создать универсальный, точный и удобный для практического использования метод определения общей надежности статически неопределимых систем. Применение методов статистического моделирования, применимых для описания поведения практически любых типов конструкций, сдерживает недостаточность накопленного статистического материала для характеристики корреляционных зависимостей между случайными факторами. Анализ существующих методов расчета надежности строительных конструкций показал, что сохраняется значительный разрыв между уровнем теоретических и прикладных разработок.

В то же время на рынке проектно-строительных услуг возник особый интерес к оценке фактического уровня безопасности конструкций, имеющих несовершенства, по данным натурных обследований.

В условиях гармонизации национальных нормативных документов по обеспечению надежности и безопасности эксплуатирующихся конструкций с международными требованиями ISO 2001/ МЭК 300-1 структуру характеристик безаварийной эксплуатации предлагается расширить показателями, устанавливающими гарантированные доверительные интервалы конструктивных рисков. Для создания стратегии оценки уровня безопасности по фактическому состоянию требуется решение комплекса задач, к которым относятся:

- выбор параметров, адекватно описывающих техническое состояние строительных конструкций;

- построение аналитических моделей учета этих параметров при оценке показателей безопасности;

- установление области допустимых значений выбранных параметров, обеспечивающих нормальное функционирование конструкций;

- выбор метода и средств измерения определяющих параметров;

- разработка алгоритма принятия решения о продолжении или прекращении эксплуатации;

- оценка количественных показателей безопасности при данной стратегии обслуживания.

Введение в строительную практику принципов нормирования конструктивной безопасности электросетевых объектов позволит снизить тяжесть последствий аварий, предоставить владельцам линий гарантии качества на всех стадиях жизненного цикла конструкций, планировать меры по предупреждению аварий техногенного характера.

Библиографический список

1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – Введ. 1990-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1989. - 37с.

2. Райзер, В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций / В.Д. Райзер. – М.: Стройиздат, 1995. – 352 с.

3. Sommerville, G. Perfomance Criteria for Structural Concrete / G. Sommerville // Inf. Conf. “Concrete in the Service of Mankind”. – Scotland, Dundee, 1966. - Pp. 1-12.

4. Болотин, В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений / В.В. Болотин. - М.: Стройиздат, 1982. – 372 с.

5. Cornell, C.A. Bounds on the reliability of structural systems / C.A. Cornell // Proc. ASCE. - 1967. – Vol. 93. - № ST 1. – Рp. 171-200.

6. Ditlevson, O. Norrow reliability bounds for structural systems / O. Ditlevson // Inf. Struct. Mech. - 1979. - Vol. 7. - № 4. – Рp. 453-472.

7. Hasofer, A.M. Exact and Invariant Second Moment Code Format / A.M. Hasofer, N.C., Lind // Inf. of the Engin. Mech. Div. -1974. - №2 (Febr.). - Рp. 13-71.

8. Переславцева, И.И. Оценка пожарного риска объекта строительства и разработка методов его снижения / И.И. Переславцева, И.В. Нартова, А.С. Немчилов //Инновации в науке. - 2014. - № 29. - С. 76-80.

9. Жидко, Е.А. Управление техносферной безопасностью / Е.А. Жидко. - Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2013. - 159 с.

10. Лапшина, К.Н. Оптимизация системы технического обслуживания потенциально опасных промышленных объектов / К.Н. Лапшина, К.А. Скляров, А.А. Чухлебов // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. - № 4 (13). - С. 33-42.

11. Кузнецова, Л.В. Энергосберегающая эксплуатация сооружений при эффективной пассивной защите строительных конструкций / Л.В. Кузнецова, О.А. Сотникова // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - № 10. - С. 9-11.

Код для цитирования: Скопировать