ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Понятие «надежность» и методы расчета ее показателей могут применяться как ко всему зданию или сооружению в целом, так и к его отдельным частям, конструкциям, инженерным системам и элементам. Если требуется определить потребность в запасных элементах или материалах при эксплуатации здания, то выполняется оценка надежности отдельных элементов, например кровли, водоразборной арматуры и т.п. Когда необходимо определить какие-либо эксплуатационные свойства здания, например тепловой режим, выполняется оценка надежности целого комплекса объектов — системы теплоснабжения, ограждающих конструкций и эксплуатируемых помещений. При качественном сравнении различных вариантов проекта здания можно выполнить оценку их надежности как по принципиальным вопросам (прочность, ограждающие свойства и т.п.), так и здания в целом.

Таким образом, выбор объекта исследования надежности зависит от решаемой задачи. При этом следует иметь в виду, что при рассмотрении системы конструкций, оборудования или элементов каждый из них является восстанавливаемым, т.е. даже полная непригодность отдельного или нескольких элементов для дальнейшей эксплуатации не означает, что все здание или сооружение прекращает свое существование. Элемент выводится из системы, заменяется новым, и процесс функционирования объекта продолжается.

Надежность — это свойство объекта выполнять свои функции в течение заданного промежутка времени, сохраняя расчетные эксплуатационные показатели.

В процессе эксплуатации объект по каким-либо причинам (из-за отказа, во время ремонта и т.п.) может временно не выполнять свои функции. Понятие «надежность» определяет, насколько объект способен в полном объеме выполнять свои функции. Поскольку объект функционирует во времени, то понятие «надежность» определяет величину (долю времени) исправного функционирования объекта за весь период его эксплуатации.

Надежность здания или сооружения формируется с момента проектирования до завершения эксплуатации. На каждом этапе в формировании надежности объекта участвует множество факторов, основные из которых приведены на рис. 4.1.

Надежность объекта можно оценивать в конкретный момент времени или на произвольном временном интервале. Единовременная оценка надежности необходима в тех случаях, когда нужно сделать заключение о текущем состоянии объекта или сравнить между собой характеристики аналогичных объектов. Во всех других случаях надежность объекта рассматривается на заданном промежутке времени, в качестве которого часто принимают расчетный или нормативный (средний) срок службы объекта.

Рис. 4.1. Структурная схема факторов, влияющих на надежность зданий и сооружений

При проектировании объекта обязательно определяются и нормируются его эксплуатационные характеристики — потребление энергии, эксплуатационные затраты и т.п. Однако из-за ошибок при возведении и монтаже объектов и при неправильной их эксплуатации фактические эксплуатационные характеристики могут отличаться от проектных. Например, нерегулярная промывка систем отопления приводит к «зарастанию» системы — уменьшению проходного сечения трубопроводов, уменьшению объемов отопительных приборов. Для того чтобы обеспечить проживающих необходимым тепловым комфортом, эксплуатационные службы компенсируют увеличение гидравлического режима и уменьшенные поверхности обогрева увеличением расхода теплоносителя, завышением мощности циркуляционных насосов или повышением температуры теплоносителя. Это приводит к повышенному по сравнению с расчетным расходом теплоты и электроэнергии. С одной стороны, жители обеспечены требуемыми тепловыми условиями, т.е. система отопления выполняет свою основную функцию. Но при этом происходит перерасход энергетических ресурсов. С другой стороны, объект выполняет свои функции, не сохраняя заданные эксплуатационные показатели. В таких случаях можно говорить, что система отопления ненадежна.

Процесс эксплуатации объекта можно представить в виде последовательных временных интервалов (рис. 4.2), где функционирование объекта в полном объеме сменяется временным прекращением выполнения своих функций. За весь рассматри-

И

ваемый период эксплуатации t_r часть времени объект пол-

/=1

П-1 П

ностью выполняет свои функции, а часть времени

/=1 /=1

функционирование объекта в полном объеме не происходит. Из определения надежности можно получить формулу для комплексной количественной оценки надежности объекта:

И

• (4.2)
• 5У,

V - /=1

Рис. 4.2. Процесс эксплуатации объекта

В приведенной формуле К_г называется коэффициентом готовности объекта, который показывает долю времени выполнения объектом своих функций в полном объеме за весь расчетный период эксплуатации.

При оценке надежности сложных объектов, выполняющих свои функции для многих потребителей, применение коэффициента готовности в том виде, в котором он представлен в формуле (4.2), может оказаться затруднительным. В таких случаях используют преобразованный вариант коэффициента готовности, учитывающий количество потребителей, для которых объект в полном объеме выполняет свои функции, а также продолжительность невыполнения функций у отдельных потребителей:

т

м-’с~Ъ ^пА

к--М-, (4.3)

где УУ — общее число потребителей, обслуживаемых объектом; ^ — расчетный период; — число потребителей, для которых объект не выполнял в полном объеме своих функций; — продолжительность каждого невыполнения объектом своих функций; т — количество случаев за расчетный период, кода объект не выполнял своих функций для каких-либо потребителей.

Пример. Система водоснабжения обслуживает 6000 потребителей. В течение года 480 раз выполнялся ремонт водоразборной арматуры, продолжительностью 45 мин, 1 раз водоснабжение было остановлено из-за необходимости замены повысительного насоса на 6 ч, 12 раз отключались по 220 потребителей из-за необходимости замены участков трубопроводов на 1,5 ч. Требуется определить коэффициент готовности системы водоснабжения за расчетный период.

Решение. Сумма в числителе уравнения (4.2) с учетом перевода времени в одни единицы (год) будет

480

X И/н = X ¹ 7 = 1 1

т

365 24 50

+

• ?6000
• 365-24

+

• 12
• ?220
• 1,5
• 365•24

= 4,61.

Тогда коэффициент готовности системы водоснабжения по формуле (4.2)

,ЛГ_',-Х>^. 6000.!-4,61 ^г N -1_с 6000 -1

т.е. из 10 000 случаев система водоснабжения не выполняет свои функции 8 раз.

Понятие «надежность» основывается на понятиях «работоспособность», «исправность», «отказ» и «предельное состояние объекта».

Работоспособность — это такое состояние объекта, при котором он способен выполнять свои функции, сохраняя во времени значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Исправность — это такое состояние объекта, при котором он полностью соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией, включая требования подготовки объекта к эксплуатации.

Ключевое понятие в теории надежности — «отказ», событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Отказы возникают в случайные моменты времени, т.е. являются случайными величинами, но причины их возникновения связаны с определенными физическими и физико-химическими процессами, происходящими в материале конструкций и зависящими от их свойств и воздействия внешних условий.

Отказы бывают постепенными и внезапными. Постепенный отказ характеризуется постепенным изменением параметров объекта, вызванным их старением и износом. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением параметров объекта. Как правило, они связаны с непредвиденными внешними воздействиями — взрывами, пожарами, наводнениями и т.п.

Во многих случаях для правильного определения и исследования надежности объекта следует как можно полнее рассмотреть все характеристики отказа. Для этого существует их классификация: по возможности использования объекта после отказа (полный или частичный отказ); по связи между отказами отдельных частей и элементов объекта (зависимый — независимый); по природе происхождения (естественный — искусственный); по наличию внешних признаков (очевидный — скрытый); по возможности устранения (устранимый — неустранимый); по влиянию на работоспособность (устойчивый — самоустраняющийся); по причине возникновения (конструктивный, производственный, эксплуатационный); по времени возникновения (при испытаниях, в период приработки, в период нормальной эксплуатации, в последний период эксплуатации) и т.д.

Предельное состояние — это такое состояние объекта, соответствующее технической невозможности или нецелесообразности его дальнейшей эксплуатации, обусловленное требованиями безопасности или неустранимым снижением эффективности. Предельное состояние конструкций и инженерного оборудования наступает, когда их дальнейшая эксплуатация невозможна или нецелесообразна вследствие следующих причин:

• • становится невозможным поддержание безопасности объекта или эффективности на минимально допустимом уровне;
• • в результате износа и старения объект пришел в такое состояние, при котором его ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необходимой степени исправности или восстановления ресурса.

Понятие «предельное состояние» относится к конструкциям и оборудованию здания. Предельное состояние здания или сооружения в целом исключается ремонтами и постепенной заменой отдельных элементов. Система ремонтов осуществляется таким образом, что ресурс здания или сооружения восстанавливается частями, по мере достижения отдельными конструкциями и оборудованием заданной наработки или предельного состояния.

Предельное состояние может наступить до потери объектом работоспособности, например, когда дальнейшая эксплуатация объекта не может продолжаться по соображениям безопасности его функционирования или по истечении нормативного межремонтного периода. Вместе с тем потеря работоспособности может произойти до наступления предельного состояния. Такая ситуация может возникнуть при устранимом повреждении объекта.

Комплексный показатель надежности — коэффициент готовности позволяет выполнять общую оценку объекта и сравнивать объекты между собой, но не вскрывает причины, почему объект имеет такой, а не другой уровень надежности. Из формул (4.1) и (4.2) видно, что на уровень надежности объекта оказывают главное влияние три фактора — расчетный период, на котором выполняется оценка надежности, продолжительность неработоспособного состояния и число раз за расчетный период, когда объект был в неработоспособном состоянии. Чем меньшее число отказов будет в расчетном периоде и чем быстрее они будут ликвидированы, тем выше будет надежность объекта. Эти свойства надежности называются безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью.

Основное свойство надежности объекта — безотказность. Это свойство объекта выполнять свои функции в течение какого-либо заданного промежутка времени без перерывов на восстановление. Количественное значение безотказности определяется вероятностью безотказной работы P(t). Вероятность безотказной работы объекта в интервале времени от 0 до / означает вероятность того, что на этом временном интервале не наступит отказ:

F(t) = P(X>t),

т.е. время наработки объекта Сбудет больше заданного времени t. Вероятность безотказной работы вычисляется в долях единицы и может принимать значения от 0 до 1. Чем больше значение вероятности безотказной работы, тем выше надежность объекта.

Вероятность безотказной работы является обратной функцией от основополагающего понятия теории надежности — функции распределения неотрицательной случайной наработки X:

F(t)=1 - т=р(х

которая определяет вероятность того, что отказ объекта произойдет до момента времени /.

Значение вероятности безотказной работы (или выбор функции распределения наработки) позволяет прогнозировать количество отказов в любой момент времени. Например, если вероятность безотказной работы 100 конструктивных элементов подчиняется закону, показанному на рис. 4.3, то через время / = 10 лет можно ожидать отказ 10 конструкций, а в следующий десятилетний период — еще 30.

При исследовании безотказности объекта наряду с функцией распределения времени безотказной работы необходимо знать, как распределяются вероятности того, что время работы объекта до отказа окажется меньшим t или распределение вероятностей того, что отказ произойдет в момент времени t. Для этого используется понятие «плотность распределения отказов объекта» (рис. 4.4):

(4.4)

Плотность распределения на каждом участке времени представляет собой среднее число отказов за единицу времени, приходящееся на один объект.

РЮ

Рис. 4.3. Функция распределения вероятности безотказной работы конструктивных элементов жилых зданий

Рис. 4.4. Пример плотности распределения

В реальных условиях безотказность объекта изменяется в течение времени его эксплуатации. Количество отказов конструкций и инженерного оборудования в единицу времени, называемое интенсивностью отказов, уменьшается вскоре после ввода объекта в эксплуатацию. Это явление происходит из-за приработочных отказов, которые вызваны, например, дефектами конструкций, недостатками монтажа и т.п. С увеличением продолжительности работы интенсивность приработочных отказов уменьшается, и интенсивность отказов на время остается почти постоянной (рис. 4.5). В период нормальной работы наступление отказов объясняется случайными причинами, в первую очередь внешними механическими воздействиями. Вследствие процессов старения и износа наблюдается нарастание интенсивности отказов. Описанная картина известна как ^/-образная кривая изменения интенсивности отказов.

Ремонтопригодность — это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к выполнению его ремонтов и технического обслуживания. В простейших случаях ремонтопригодность количественно определяется временем восстановления объекта /_в. Чем меньше время восстановления, тем выше ремонтопригодность и соответственно выше уровень надежности объекта. Это является причиной повышенного внимания к ремонтопригодности при разработке новых конструкций или инженерного оборудования. Для них выполняются специальные расчеты ремонтопригодности, позволяющие определить суммарные затраты труда на восстановление конструкции, относительную сто-имость ремонтных работ (отношение стоимости вспомогательных работ к основным), суммарные прямые затраты на восстановление работоспособного состояния.

Восстановление работоспособности конструкций и оборудования характеризуется рядом факторов, обеспечивающих ремонтопригодность, и определяется системой коэффициентов: доступности, легкосъемности, контролепригодности и ремонтоза-

ВИСИМОСТИ.

Долговечность — это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Среднее значение наработки объекта является функцией закона распределения времени безотказной работы объекта и определяется по формуле

оо оо

Рис. 4.5. График изменения интенсивности отказов объекта во времени

I то=1г /№?

о о

Если объект безотказно прослужил некоторое время /_нач, можно определить его остаточную наработку Г_ост, т.е. ожидаемое время дальнейшей безотказной работы:

сю

I ^нач ⁺0 _ 0_

(4.6)

Предельное состояние здания или сооружения в целом при правильной организации его эксплуатации и при отсутствии стихийных внешних воздействий в реальных условиях практически недостижимо. Его могут достигать отдельные конструкции и инженерные системы. Поэтому термин «долговечность» имеет значение только по отношению к отдельным конструкциям и оборудованию здания.

Понятие безотказности здания или сооружения в целом как сложной технической системы шире, чем для отдельных конструкций и простых систем, способных находиться лишь в двух состояниях: работоспособном или неработоспособном. Отказы отдельных ограждающих конструкций и технических устройств (кровли, межпанельных стыков, полов и др.) обычно не приводят к отказу здания. В целом не вызывая прекращение функционирования, они снижают уровень функционирования и выходной эффект объекта. Такая адаптация здания к комплексу внешних условий возникает благодаря наличию определенной избыточности — запасу технических характеристик сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций. Это связано с тем, что обеспечение локальных требований прочности, жесткости, звуко- и теплозащиты, пожарной безопасности и т.п. сопровождается возникновением обратных связей, определенным «перекрытием» отдельных функций конструкций и инженерных систем. В результате возникают различные виды резервирования — нагрузочное, структурное, функциональное и временное. Другое проявление системных свойств объекта заключается в возможном изменении каких-либо его свойств, которые не учитываются в отдельных элементах. Например, согласно нормам проектирования конструкции, выполняющие несущие и ограждающие функции, рассчитываются независимо на силовые и тепловые воздействия. Это означает, что влияние теплового режима не учитывается в показателях прочности и деформатив-ности конструкций, а влияние силовых воздействий не учитывается в их теплофизических характеристиках.

Таким образом, оценку надежности сложных объектов следует проводить с помощью показателей, определяющих меру сохранения выходных параметров объекта в определенном диапазоне в течение заданного промежутка времени, или, наоборот, показателей невыполнения объектом своих функций.

Пусть объект имеет некоторый расчетный параметр Я и допустимые отклонения от него А/? (рис. 4.6). В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов, старения и износа происходит отклонение значения параметра от расчетного значения. Причем такое отклонение может быть как в допустимом диапазоне, так и вне него. При изменении внешних условий, а также при выполнении ремонтных или наладочных работ параметр объекта «возвращается» в расчетный диапазон. Каждый выход параметра за регламентированные границы характеризуется некоторой величиной ^ и продолжительностью Д^.. В течение какого-либо интервала времени возможно повторение выходов параметра объекта за допустимые границы. Количество таких повторений в единицу времени называется частотой нарушения работоспособности объекта. В соответствии с назначением здания или сооружения отклонение параметров у любого из потребителей за установленные пределы недопустимо и по значимости приравнивается нарушению работоспособности всего объекта. Допустимые границы отклонения параметров объекта должны определяться требованиями нормативно-технических до-

Зона допустимых значений

Рис. 4.6. Оценка уровня надежности сложного объекта показателями: величина, продолжительность и частота нарушения работоспособности

кументов. Эти границы характеризуются: рабочим диапазоном изменения параметров; допустимой глубиной выхода параметра за пределы рабочего диапазона; допустимой частотой выхода параметров за пределы рабочего диапазона. Объект можно считать работоспособным, если он выполняет все свои функции по отношению ко всем потребителям с допустимыми частотой, глубиной и продолжительностью нарушения границ рабочего диапазона выходных параметров.

Знание принципов расчета показателей надежности объекта позволяет:

• • произвести правильный выбор конструктивного решения, материалов, коэффициентов запаса;
• • предусмотреть и обосновать технические и организационные мероприятия, снижающие изменение рабочих параметров объекта, т.е. мероприятия по предупреждению износа и старения конструкций;
• • учесть влияние режимов и условий работы элементов в отношении отказов при катастрофах.