Основные положения

Надежность — свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность в зависимости от значения изделия и условий его экс­плуатации включает безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность изделия в целом и его составных частей. Надеж­ность обеспечивает техническую возможность использования изде­лия по назначению в нужное время и с требуемой эффективностью.

Применительно к ограждающим и несущим конструкциям зда­ний надежность — это свойство, обеспечивающее нормативный тем-пературно-влажностный и комфортный режим помещений, сохра­няющее при этом эксплуатационные показатели (тепло-, влаго-, воздухо-, звукозащиту) в заданных нормативных пределах, а для архи­тектурно-конструктивного элемента здания еще и прочность, и декоративные функции в течение заданного срока эксплуатации. При этом предполагается обеспечение для здания в целом (точное, для всех его помещений) безотказности и долговечности.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работо­способность в течение определенного времени. К этому показателю относят вероятность безотказной работы, среднюю наработку до пер­вого отказа, наработку на отказ, интенсивность отказов, параметр по­тока отказов, гарантийную наработку.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов, т. е. с возможными переры­вами в работе. Показателями долговечности являются средний срок службы, срок службы до первого капитального ремонта, межремонт­ный срок службы.

Таким образом, безотказность и долговечность — это свойства объекта сохранять работоспособность, при этом безотказность пре­дусматривает непрерывную работоспособность в течение определен­ного времени, а долговечность — с возможными перерывами на ре­монт.

Применительно к жилым домам сохраняемость рассматривается:

а) сохраняемость изделий (конструкций) как свойство непрерыв­но сохранять исправное и работоспособное состояние в течение (и после) хранения и транспортировки, способность изделий противо­стоять отрицательному влиянию неудовлетворительного хранения и транспортировки, старению материалов изделий до их монтажа;

б) сохраняемость объектов в целом до ввода в эксплуатацию и во время ремонтов (консервации).

Надежность жилого дома, его работоспособность обеспечиваются своевременным ремонтом. Свойство объекта, заключающееся в дос­тупности и удобстве в проведении мероприятий по предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, а также устранению их путем ремонта и обслуживания, называется ре­монтопригодностью. К показателям ремонтопригодности относятся: вероятность восстановления в заданное время, среднее время восста­новления, удельная трудоемкость обслуживания и ремонтов, средняя и относительная стоимость ремонтов.

Основное назначение ограждающих конструкций зданий — раз­деление двух воздушных сред: наружной, где температура, влажность и радиоактивность переменны, и внутренней, где все параметры должны быть в пределах нормативно допустимых. При этом наруж­ные стены, кровли, перекрытия выполняют прочностные, ограждаю­щие и декоративные функции. Нередко применительно к зданиям под надежностью понимают только прочностные свойства, что не вполне корректно.

Наружные ограждающие конструкции являются многоэлемент­ными и многофункциональными системами. Надежность системы в комплексе зависит от надежности составляющих ее элементов. Одна­ко для проживающих важна надежность здания в целом, т. е. совокуп­ность элементов, включая стыки и сопряжения, и надежность не только прочностная, но и эксплуатационная (включая и надежность функционирования инженерных систем). Вместе с тем в практике проектирования, строительства и эксплуатации часто надежность по прочности рассматривается как главное, а надежность в обеспечении эксплуатационных характеристик ограждающих функций — как второстепенное. При проектировании новых домов эксплуатационные характеристики не являются исходными (расчетными). Например, элементы и их стыки рассчитывают по прочности и деформациям. Однако допускаемые деформации не всегда обеспечивают норматив­ное комфортное состояние помещений. Поэтому эксплуатационные показатели стыков в проектах выбирают преимущественно конструк­тивно, а не расчетным путем.

В процессе проектирования и конструирования здания заклады­вают его расчетную надежность. При изготовлении обеспечивается фактическая надежность конкретного элемента, зависящая от каче­ства применяемых материалов, отдельных деталей, сборки и монтажа конструкций. После изготовления надежность следует поддерживать на необходимом уровне правильной организации эксплуатации.

При проектировании необходимо учитывать следующие факто­ры, влияющие на надежность конструкций: качество и количество применяемых элементов; режим работы элементов и деталей, стан­дартизацию и унификацию изготовления; доступность деталей, узлов и блоков для осмотра и ремонта.

Из-за нарушения правил монтажа здания; отсутствия соответст­вующего контроля материалов и комплектующих изделий; наруше­ния сортности и некачественной замены материалов; установки эле­ментов, подвергающихся длительному хранению в неблагоприятных условиях; недостаточного контроля на отдельных операциях и при выпуске готовой продукции, а также нарушения самой технологии монтажа могут возникнуть условия, отрицательно влияющие на на­дежность конструкции здания в целом.

В процессе эксплуатации на надежность здания оказывают влия­ние следующие факторы: внутренние напряжения в конструкциях, не соответствующие их проектным значениям; внешние воздействия (в заданных или иных режимах); система технического обслуживания (предупредительного и систематического); техническая квалифика­ция обслуживающего и ремонтного персонала.

Принято считать, что эксплуатационная надежность равна произ­ведению надежности собственно устройства (здания, машины) на на­дежность применения (человеческие факторы). Последнее понятие учитывает все факторы применения и проявляется в более или менее значительном уменьшении надежности изделия. Для снижения отри­цательного влияния этой составляющей определенную роль играют организационные мероприятия: подготовка и обучение обслуживаю­щего персонала; организация на объектах сбора статистических дан­ных об отказах конструкций; разработка специальных инструкций и методик по эксплуатации систем, их профилактике и ремонту.

Сейчас жилые и общественные здания, как и городские инженер­ные сооружения, переживают значительные изменения масштабов сложности. Современное здание можно отнести к большим техни­ческим системам. Такие системы — это соединение значительного числа разнообразных компонентов, имеющих сложную переплетаю­щуюся связь и переменные изменяющиеся нагрузки. В противопо­ложность отдельным, малым детерминированным системам и уст­ройствам большие системы ведут себя случайно, стохастически. Ес­тественно, что скачок в сложности зданий как системы должен по­влечь за собой перемены в технике проектирования. Разработка и изучение отдельных (малых систем) опираются на детальный анализ работы конструкций элементов и узлов, специализацию задач и мето­дов расчетов и конструирования. Разработка больших систем, напро­тив, предполагает синтез и интеграцию малых систем.

Системы принадлежат к наиболее широким понятиям, предпола­гающим наличие в них многообразия и взаимосвязанности, рассмот­рение конструкции в динамике (за период эксплуатации), подчине­ние частного общему (дедуктивный метод анализа).

Основной чертой сложных систем, в том числе и зданий, является многообразие форм (полиформизм), контроль за которыми осущест­вляется в расчетах и конструировании отдельных элементов. Отдель­ные принципы построения реальных систем достаточно сложны. В сложной системе, как правило, значимость частей для целого неоди­накова. Почти всегда ее можно привести к модели, состоящей из ряда более простых составных частей, которые делятся на уровни высшие и низшие.

Надежность зданий и отдельных конструкций обусловливается изменчивостью во времени, внутренних свойств (материалов) и внешних условий (нагрузки и воздействия). Характеристики и пока­затели этих факторов к моменту окончания монтажа здания опреде­ляют начальную его надежность, которая с первого дня эксплуатации постепенно снижается (рис. 1.1).

Если задаться минимально допустимым уровнем надежности на период расчетного срока службы N_min, то можно за счет удорожания изделия достичь высокого уровня начальной надежности No с учетом ее снижения во времени за период Г_р до уровня N_min.

Это значение несколько условно можно назвать начальным ре­зервированием. Определение начального резервирования в большей части является задачей экономической. Действительно, можно пред­положить систему и без начального резервирования, но с такой по­следовательностью ремонтов (кривая 2), которые бы поддерживали надежность на уровне не ниже N_min на всех этапах эксплуатации.

Для общего представления об изменениях за период эксплуата­ции целесообразно рассмотреть схему работы изделия во времени. Полное время эксплуатации системы или элемента можно разделить на три периода: приработки, нормальной эксплуатации и интенсив­ного износа.

На рис. 1.2 приведена кривая интенсивности отказов элемента как функция времени эксплуатации, где выделены эти периоды.

В период приработки интенсивность отказов велика, так как сово­купность элементов может содержать большое количество дефект­ных элементов, которые отказывают один за другим; в короткий срок интенсивность отказов быстро уменьшается и становится приблизительно постоянной величиной, когда все дефектные элементы уже отказали и их отремонтировали или заменили. В этот период в здании возникают отказы, связанные с естественными процессами (напри­мер, осадкой), и выявляются дефекты технологического характера — изготовления, транспортирования и производства работ.

После периода приработки уровень интенсивности отказов ста­новится постоянным — наступает период нормальной эксплуатации, отказы этого периода называют внезапными. Когда время использова­ния элементов достигает значения Т_И, начинает сказываться из­нос — период интенсивного износа, и интенсивность отказов возрас­тает до момента Т_р, который является средним значением долговеч­ности элемента. Указанные периоды характерны как для здания в це­лом, так и для его элементов в отдельности.

Период нормальной эксплуатации характеризуется появлением внезапных отказов. Причиной тому могут быть концентрации нагру­зок, которые представляют собой случайные явления. Так, отказы стыков в виде протечек и промерзаний в период нормальной эксплуа­тации могут возникать внезапно, например при концентрации темпе­ратурных напряжений на каком-либо участке герметика и появлении вследствие этого трещин в самом герметике или в местах контакта его с бетоном.

Период интенсивного износа герметизирующего заполнения сты­ка, например, характеризуется увеличением количества отказов, свя­занных с явлениями старения материала, снижения его упругих свойств, появления вследствие этого трещины и нарушения адгезии к бетону.

Период приработки нередко затягивается, так как устранение про­течек и промерзаний производится спустя значительное время после их возникновения.

Изменение технического состояния здания. Интенсивность изме­нения технического состояния эксплуатируемых жилых зданий, а следовательно, и значение характеристик работоспособности на от­дельные моменты их использования в значительной мере определя­ются конструктивными особенностями зданий. Влияние конструк­тивных особенностей проявляется в их реакции, «отзывчивости» на воздействующие при эксплуатации факторы. Влияние факторов про­изводственного характера (качества изготовления) сказывается в рас­сеивании начальных значений характеристик работоспособности и интенсивности изменения значений этих характеристик за период службы здания.

При эксплуатации зданий их техническое состояние изменяется, что выражается в ухудшении количественных значений характери­стик работоспособности, в частности характеристик надежности. Ухудшение технического состояния зданий в первую очередь проис­ходит вследствие изменения физических свойств материалов, из ко­торых изготовлены конструктивные элементы, характера сопряже­ний между ними, а также их размеров и форм. Указанный процесс но­сит в основном закономерный, но иногда и случайный характер.

Другой важной причиной изменения технического состояния зданий являются разрушения и другие аналогичные виды утрат рабо­тоспособности конструктивными элементами. Возникновение таких состояний во времени также носит случайный характер, однако про­цесс его протекания значительно отличается от первого. Если первый процесс утраты работоспособности конструктивными элементами и их сопряжениями в целом протекает, как правило, с малой интенсив­ностью, постепенно, то второй характеризуется скачкообразным, внезапным изменением технического состояния. Очевидно, помимо этих двух резко отличающихся друг от друга процессов утраты работо­способности, в зданиях могут наблюдаться и другие, занимающие промежуточное положение между указанными. Процессы утраты ра­ботоспособности конструктивными элементами и их сопряжениями протекают не независимо, они определенным образом взаимно влия­ют друг на друга. Это обстоятельство значительно затрудняет матема­тическое описание отмеченных процессов.

Техническое состояние и работоспособность зданий в целом яв­ляются функцией работоспособности отдельных конструктивных элементов и связей между ними. Математическое описание процесса изменения технического состояния объектов, состоящих из значи­тельного числа конструктивных элементов, представляет большие трудности. В первую очередь это обусловлено тем, что процесс изме­нения работоспособности характеризуется неопределенностью и случайностью. В связи с этим здания с точки зрения математического описания процесса изменения их технического состояния относят к диффузным системам.

Основными признаками диффузных систем являются неопреде­ленность и случайность их поведения при воздействии на них некото­рой совокупности переменных (случайных и неслучайных) факторов. Последнее обстоятельство обусловливает применение для описания их состояния статистических моделей, с той или иной степенью при­ближения соответствующих характеру рассматриваемого процесса.

Следовательно, задача выбора модели, описывающей процесс из­менения состояния здания, не является однозначной, и для одного и того же объекта может быть использовано большое число моделей.

При этом каждая из них может быть адекватной реальному процессу изменения состояния здания.

Вся совокупность причин (факторов), вызывающих изменение работоспособности здания в целом и отдельных элементов с точки зрения механизма их воздействия, может быть условно разделена на две группы причин: внутреннего характера и внешнего характера.

К первой группе причин относят: физико-химические про­цессы, протекающие в материалах, из которых изготовлены конст­руктивные элементы; нагрузки и процессы, возникающие при экс­плуатации; конструктивные факторы; качество изготовления (дефек­ты производства).

Ко второй группе причин относят климатические факторы (температура, влажность, солнечная радиация); факторы окружаю­щей среды (ветер, пыль, песок, наличие в атмосфере агрессивных со­единений, биологические факторы), а также качество эксплуатации. К причинам внешнего характера, очевидно, следует отнести и воз­действия, предусмотренные системой технического обслуживания и ремонта.

Рассмотрим некоторые из указанных факторов, являющихся при­чиной изменения технического состояния зданий в процессе их экс­плуатации. Наиболее существенными являются факторы конструк­тивного характера. Рациональные конструктивные решения обеспе­чивают требуемую работоспособность всех элементов зданий за уста­новленную длительность их эксплуатации при минимальных затратах труда и средств на поддержание их работоспособности. В то же время нерациональные и ошибочные решения могут являться причиной быстрой утраты работоспособности или разрушения от­дельных конструктивных элементов.

Влияние факторов окружающей среды и климата на работоспособ­ность элементов и конструкций зданий проявляется или непосредст­венно, или в виде воздействия на интенсивность протекания процес­сов, являющихся причиной изменения работоспособности отдельных элементов. При принятии рациональных конструктивных решений отрицательное воздействие этих факторов может быть значительно снижено или полностью исключено.

Производственные факторы вносят значительные коррективы в значения характеристик работоспособности конструктивных эле­ментов.

Условия эксплуатации зданий и конструкций (режимы использова­ния и нагружения, квалификация эксплуатационного персонала, ка­чество обслуживания) оказывают большое влияние на интенсивность изменения характеристик их работоспособности. При проектировании технических устройств и планировании для них профилактиче­ских мероприятий необходимо знать характеристики работоспособ­ности конструктивных элементов, определяющие работоспособ­ность здания в целом, в определенных режимах и условиях их исполь­зования. Недостаточное знание физической природы протекающих процессов, являющихся причиной утраты конструктивными элемен­тами работоспособности, а также случайный и неопределенный ха­рактер воздействующих эксплуатационных, климатических и других факторов, как правило, не позволяют аналитическими методами по­лучить для большинства конструктивных элементов зависимости, описывающие их работоспособность.

В связи с этим основным методом получения информации о зна­чениях характеристик работоспособности конструктивных элемен­тов является статистический. При этом необходимо отдавать пред­почтение активному многофакторному статистическому экспери­менту, когда требуемая информация может быть получена при значи­тельно меньшем объеме наблюдений, чем В случае однофакторного эксперимента. Данные пассивных экспериментов (результаты экс­плуатационных наблюдений и некоторых видов испытаний) должны использоваться как априорная информация при планировании ак­тивных экспериментов.

Сложность исследования надежности всех конструкций и систем жилых домов состоит в многочисленности факторов, определяющих надежность. Главные из них: вид материалов, характеристика конст­рукций, качество изготовления изделий и монтажа, допуски и т. д. Причем зачастую требования взаимопротивоположны, например стыки тяжелых железобетонных и легких панелей. Массивные эле­менты в меньшей степени подвержены объемным деформациям под влиянием изменения температурно-влажностного режима, однако допуски при их изготовлении (особенно монтажные) довольно зна­чительны. В легких панелях из металла, дерева, пластмасс, наоборот, в процессе эксплуатации возникают большие деформации, однако допуски при их изготовлении значительно меньше. Еще большие трудности при исследовании надежности жилых зданий связаны с ис­пользованием в них материалов, различных по физическим и струк­турным свойствам.

Таким образом, под надежностью жилого здания в целом как сложной системы следует понимать стабильность показателей каче­ства и эффективности его функционирования, которая зависит от на­дежности конструкций и систем устройств. Задача оценки надежно­сти жилого здания и сводится, в конечном счете, к установлению влияния частичных и полных отказов на качество и выходной эффект функционирования объекта. Надежность должна характеризоваться таким показателем, который будет определяющим и является состав­ной частью оценки объекта в целом.

Функционирование жилого дома оправдано в той мере, в какой он удовлетворяет не только техническим, но и изменяющимся соци­альным и экономическим требованиям. Поэтому определяющим по­казателем надежности жилого здания в целом как конечной продук­ции является его оптимальный срок службы.

Надежность можно понимать как сохранение качества во време­ни. При низком качестве построенных зданий и сооружений неиз­бежно возникают дополнительные расходы материалов, труда и фи­нансовых средств, затрачиваемых на переделки и ликвидацию брака, допущенного в процессе строительства. Дополнительные затраты времени на устранение различных дефектов и усиление конструкций увеличивают сроки строительства и задерживают сдачу объектов в эксплуатацию.

При массовом индустриальном строительстве неизмеримо воз­растают требования к качеству строительных материалов, сборных конструкций и деталей. Главное требование — повышение класса точности, приближающегося к точности машиностроительного про­изводства, и полная заводская готовность изделий. Обеспечение на­дежности является важнейшей проблемой при разработке, изготов­лении любого изделия и устройства. Отказ технических систем влечет за собой трудности и неудобства, нарушающие привычный ритм ра­боты, деятельности и жизни. Иногда отказ приводит к разрушениям и авариям, создается угроза целостности сооружения, выполнению ра­бот или безопасности людей.

Вся продукция (от сырья до здания в целом) в процессе изготовле­ния наделяется соответствующими характеристиками — массой, раз­мерами, свойствами. Совокупность этих характеристик создает ком­плексы функциональных качеств продукции. Обычно эти комплексы делятся на эксплуатационные и эстетические. При этом оценка каче­ства есть сравнение действительных характеристик с требуемыми (за­данными). Понятие «требуемая (или заданная) характеристика» ус­ловно. Также как само изделие стареет, стареют и характеристики ка­чества. Если расположить эти характеристики по степени важности, можно для каждой конструкции выделить главные составляющие на­дежности. Например, для плит перекрытий характерны нагрузка, ка­чество материалов, величина рабочей зоны (ho), при этом для тонких плит важнейшей характеристикой является точность соблюдения ве­личины ho, с увеличением толщины плит критериальным станет ве­личина нагрузки.

Важнейшими вопросами анализа надежности конструкций зда­ний и сооружений являются регламентация и нормирование всех ха­рактеристик. Задача заключается в создании условий, при которых действительная надежность возведенных зданий соответствовала бы заложенной в проекте расчетной надежности, характеризуемой точ­ными математическими количественными показателями. Решение этой задачи осложняется многообразием факторов, влияющих на на­дежность на разных стадиях строительства.

Прежде всего на надежность конструкций сборных зданий влияет степень соответствия выбранной расчетной схемы работы действи­тельной работы конструкции. Наряду с совершенствованием методов расчета необходимы обширные теоретико-экспериментальные ис­следования, направленные на установление четкой взаимосвязи ме­жду расчетными положениями и производственными условиями. Распределение и величины расчетных усилий в узлах могут сущест­венно изменяться в зависимости от степени защемления, которая, в свою очередь, зависит от условий опирания, величины зазора, от ма­териала сопрягаемых элементов и способов их соединения. Степень защемления зависит от точности изготовления и монтажа, опреде­ляемого соответствующими допусками. При современном многооб­разии применяемых материалов, конструктивных решений и методов производства работ степень защемления изменяется в довольно ши­роких пределах. Очевидно, что традиционного разделения сопряже­ний на два основных типа — «шарнир» и «заделка» — совершенно недостаточно. Проектировщик должен учитывать действительную степень защемления элементов в узлах при расчете конструкций. Это особенно важно при анализе работы конструкций в эксплуатируемых зданиях.

Так, например, работа конструкций крупнопанельных зданий за­висит от точности изготовления элементов и точности монтажа. До­пущенные погрешности преимущественно сказываются на работе уз­лов сопряжения. Неправильное изготовление и неточный монтаж вызывают случайные дополнительные моменты, действующие на вертикальные конструкции; горизонтальные составляющие усилий (сдвиг в пределах одной горизонтальной плоскости подобно ветровой нагрузке или сжимающее усилие, действующее в пролете между вер­тикальными несущими элементами). Возникающие усилия и их ве­личины определяются точностью сопряжений сборных элементов, зависят от типа стыка (лобового, платформенного или сферическо­го), качества монтажного раствора и др.

Установлено, что прочность узлов опирания стеновых панелей существенно снижается при погрешностях монтажа: смещения осей колонн, наклона панелей и колонн, утолщения монтажных швов и др. Для обеспечения, например, надежности центрально-сжатых кон­струкций наиболее важно обеспечение однородности бетона при изго­товлении, а для изгибаемых элементов — однородности арматуры.