Что такое конструктивная надежность объекта капитального строительства

Факторы, определяющие надежность конструкций зданий и сооружений

Задача создания и обеспечения надежности и долговечности строительных конструкций решается при проектировании, строи­тельстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Необходимо иметь четкое представление, как создается и обес­печивается работоспособность несущей конструкции и ее надеж­ность в течение заданного срока службы. Нормы проектирования устанавливают требуемый уровень надежности конструкций раз­личных видов и назначений. В проекте закладывается уровень на­дежности в конкретную конструкцию.

В процессе строительства установленный проектом уровень надежности строительных кон­струкций реализуется. В процессе эксплуатации обеспечивается и поддерживается необходимый уровень надежности. Наруше­ние требований, определяющих надежность и работоспособность конструкции, хотя бы на одном этапе ее создания и эксплуатации влечет за собой повреждения, снижение надежности и долговечнос­ти, преждевременные отказы. Опыт эксплуатации строительных несущих конструкций показывает, что надежность конструкции зависит от большого числа изменчивых факторов (рис.13.1).

Рис. 13.1. Факторы, определяющие надежность сооружений.

В нормативных документах устанавливаются критерии оцен­ки предельных состояний, расчетные модели нагрузок и воздей­ствий, прочностные и деформативные характеристики материалов, расчетные схемы, моделирующие работу материала в конструкции, а также должен указываться требуемый уровень надежности Рн по всем прогнозируемым отказам.

В нормативных документах установлены и конструктивные требования, выполнение которых обеспечивает гарантии надеж­ности по различным признакам (минимальные размеры сечений, минимальные и максимальные длины сварных швов, толщина за­щитного слоя бетона, анкеровка арматуры и др.).

При проектировании выбирают рациональные конструктив­ные решения, используют различные предпосылки, гипотезы, до­пущения. Степень надежности сооружения зависит от правильности выбора расчетной схемы сооружения, полноты учета требований нормативных документов. В процессе проектирования конструкции зданий и сооружений закладывается проектная надежность буду­щего объекта Рпр . Она должна быть не ниже нормативной Рн:

К факторам, определяющим надежность и долговечность после окончания строительно-монтажных работ к началу эксп­луатации, относятся неоднородность прочностных и деформатив-ных свойств материалов, отклонения геометрических размеров от проектных при изготовлении, точность монтажа балок, ко­лонн, усилия натяжения арматуры, тщательная заделка стыков, прочность сварных соединений, точность разбивки привязочных осей и др.

Перед началом эксплуатации здание и его отдельные эле­менты характеризуются начальной надежностью Ро, реализован­ной в построенном объекте. Начальная надежность должна быть выше нормативной, т.е. Ро > Рн .

В процессе эксплуатации надежность конструкции зависит от нормативных нагрузок, числа дефектов, возникших в процес­се изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, воздей­ствий окружающей среды, степени ее агрессивности, процессов накопления повреждений в результате вибраций, неравномерной осадки фундамента и других факторов.

В процессе эксплуатации фактическая надежность Р(t) с тече­нием времени не остается постоянной и, как правило, снижается, но должна быть не менее нормативной:

Источник

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ЗДАНИЙ

Долговечность — это способность здания и строительных конструкций сохранять во времени свои эксплуатационные качества до наступления предельного состояния при условии проведения своевременного технического обслуживания и ремонта. Показателем долговечности является средний срок службы до первого капитального ремонта (см. прил. 1, 2, 3). Долговечность сооружений в свою очередь зависит от долговечности строительных материалов, из которых изготовлены их конструктивные элементы. При назначении строительных материалов для конструкций зданий или сооружений учитывается сопротивляемость их физическим, химическим, атмосферным, агрессивным средам и прочим разрушающим воздействиям в заданных условиях эксплуатации [2, 10, 15].

Безотказность — это свойство объекта сохранять работоспособность в течение определенного времени до ремонта.

Надежность характеризуется способностью здания и отдельных строительных конструкций выполнять свои эксплуатационные качества в заданных пределах, в течение требуемого промежутка времени. Она базируется на долговечности и безотказности работы как строительных конструкций, так и всего здания в целом.

Надежность здания ассоциируется с прочностью, причем не отдельных ее систем, а объекта в целом. При расчетах в проекте закладывается теоретическая прочность каждой строительной конструкции. После изготовления и строительства получаем фактическую прочность.

Определение теоретической надежности требует учета: количества и качества используемых строительных конструкций и их элементов; режима и условий эксплуатации; условий стандартизации и унификации; возможности замены или ремонта отдельных конструкций и элементов. В реальных условиях изготовления и монтажа строительных конструкций возможны нарушения правил монтажа, низкое качество материалов и работ, плохой контроль на операциях при возведении здания, что существенно снижает его долговечность и надежность. Вместе с тем к дефектам, полученным в процессе строительства, добавляются внутренние и местные напряжения, не учтенные внешние воздействия, неграмотные или неквалифицированные действия обслуживающего персонала при эксплуатации здания.

В настоящее время здание можно отнести к сложной системе, требующей внимательного отношения и профессионального обслуживания. Сложные системы всегда можно привести к нескольким простым системам. Простые системы делятся на высшие и низшие, значимость которых не одинакова.

Надежность здания зависит от изменения во времени величин действующих нагрузок и несущей способности строительных конструкций. На начало эксплуатации — это определенная величина, с течением времени она меняется, поскольку изменяются условия нагружения конструкций, качество материала, условия эксплуатации.

Все время эксплуатации условно можно разделить на три периода: период приработки, период нормальной эксплуатации и период интенсивного износа. В период приработки интенсивность появления повреждений достаточно велика, поскольку проявляются все дефекты заводского изготовления строительных конструкций и существенные отклонения возведения.

В период нормальной эксплуатации количество отказов уменьшается. Со временем могут проявиться внезапные концентрации нагрузок, протечки в стыках панельных зданий, промерзания углов в период сильных холодов и т.д. В процессе эксплуатации изменяются физические свойства материалов, из которых изготовлены строительные конструкции, следовательно, меняется техническое состояние всего здания. Причем все изменения носят случайный характер. То же касается внешних, природных воздействий.

Таким образом, надежность здания как сложной системы определяется стабильностью качества и эффективностью функционирования всех простых систем и сводится к установлению влияния на них отказов.

Под отказом понимаем событие, заключающееся в нарушении работоспособности конструкции и прекращении функционирования.

Отказы можно классифицировать:

• • по причине возникновения (внутренние, вызванные несовершенством конструкции; внешние, вызванные перегрузкой или изменением расчетной схемы);
• • по скорости появления (внезапные, вызванные чрезмерными нагрузками; постепенные, возникающие из-за изменения качества материалов во времени и старения);
• • по величине или диапазону (полные, частичные, не вызывающие полной утраты несущей способности и работоспособности);
• • по последствиям (незначительные, не приводящие к прекращению эксплуатации; значительные, приводящие к остановке эксплуатации здания);
• • по сроку эксплуатации (преждевременные, появляющиеся во время монтажа, случайные, износовые).

Отказы отдельных строительных конструкций или инженерных систем могут быть частичными и не всегда приводят к прекращению эксплуатации здания. Это происходит благодаря наличию определенной избыточности — некоторому запасу технических характеристик конструкций сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций.

Постепенные отказы конструкций являются функцией времени и бывают вызваны главным образом старением материалов, накоплением внутренних напряжений. Внезапные отказы конструкций появляются при перераспределении и суммировании в узлах нагрузок, в результате действия дополнительных внешних нагрузок, неучтенных сочетаний нагрузок. Постепенный отказ конструкций можно исключить, если учесть все возможные изменения характеристик и параметров во времени. Внезапные отказы конструкций случайны, их нельзя полностью исключить или предсказать.

В отличие от простых систем, где имеются только два возможных состояния — нормальное эксплуатационное и отказ, — постепенные и внезапные отказы сложных конструкций взаимосвязаны и в определенной степени зависят друг от друга. Статистика показывает, что большая часть отказов конструкций и аварий происходит из-за так называемых мелочей: невыполнение всех проверочных расчетов конструкций, особенно по узлам при проектировании, неаккуратности рабочего при изготовлении изделий и монтаже при сборке, небрежности и неподготовленности обслуживающего эксплуатационного персонала.

В процессе эксплуатации дефекты накапливаются, изменяясь количественно и качественно. Оставленные без внимания незначительные дефекты могут привести к серьезным нарушениям целостности конструкций и даже к авариям.

Надежная работа строительных конструкций возможна в случае, если во время эксплуатации принимаются эффективные меры по устранению дефектов или ограничению их вредного влияния. Чаще появляются отказы у зданий менее капитальных или временных. Капитальность здания определяется степенью огнестойкости и степенью его долговечности в заданных условиях эксплуатации (табл. 14, 15).

Принятая СНиП II-A.3-62 классификация предусматривает подразделение всех разновидностей жилых зданий на четыре класса по совокупности их капитальности и эксплуатационных качеств. При этом капитальность жилых зданий характеризуется степенью долговечности основных конструктивных элементов в заданных условиях эксплуатации и степенью огнестойкости этих элементов. Эксплуатационные требования к жилым зданиям определяются составом помещений, соотношением их площадей и объемов, инженерным оборудованием, качеством наружной и внутренней отделки, а также изделий и оборудования.

Жилые здания I класса должны проектироваться по долговечности и огнестойкости ограждающих конструкций не ниже I степени, число этажей при этом не ограничивается.

Жилые здания II класса должны проектироваться по долговечности и огнестойкость не ниже II степени, с количеством этажей не более девяти.

В жилых зданиях III класса долговечность должна быть не ниже II, а огнестойкость не ниже III степени, число этажей не более пяти.

Источник

Надежность строительных конструкций зданий и сооружений в процессе их эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Даулетбаев Р.Б., Вовк Б.В.

В настоящее время актуальной является проблема разработки теоретических методов оценки долговечности строительных конструкций. Повреждение конструкций нередко является следствием дефекта, который мог быть допущен при проектировании, строительстве (транспортирование, изготовление, хранение, монтаж, отделка. ) и эксплуатации. Многочисленные данные по обследованию состояния строительных конструкций свидетельствуют о том, что под действием различных факторов (температуры, влажности, газовой среды) несущая способность и жесткость в процессе эксплуатации снижаются. В статье приводятся пути получения равнонадежных конструкций при их проектировании: как производится технологическое обеспечение надежности конструкций и чем обеспечивается надежность в процессе эксплуатации конструкций. Приведены необходимые теоретические предпосылки и практические рекомендации, на основании которых могут быть сделаны важные шаги по пути коренного улучшения качества строительства при одновременном уменьшении его стоимости.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Даулетбаев Р.Б., Вовк Б.В.

Современные подходы к расчету остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов с коррозионными повреждениями

Прикладной способ прогнозирования коррозионных повреждений и остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов с учетом опыта эксплуатации объектов-аналогов

Анализ коррозионных повреждений эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций зданий и сооружений

Текст научной работы на тему «Надежность строительных конструкций зданий и сооружений в процессе их эксплуатации»

Надежность строительных конструкций зданий и сооружений в процессе их эксплуатации

Даулетбаев Руслан Бакытжанович,

Вовк Богдан Викторович,

В настоящее время актуальной является проблема разработки теоретических методов оценки долговечности строительных конструкций. Повреждение конструкций нередко является следствием дефекта, который мог быть допущен при проектировании, строительстве (транспортирование, изготовление, хранение, монтаж, отделка. ) и эксплуатации.

Многочисленные данные по обследованию состояния строительных конструкций свидетельствуют о том, что под действием различных факторов (температуры, влажности, газовой среды) несущая способность и жесткость в процессе эксплуатации снижаются. В статье приводятся пути получения равнонадежных конструкций при их проектировании: как производится технологическое обеспечение надежности конструкций и чем обеспечивается надежность в процессе эксплуатации конструкций. Приведены необходимые теоретические предпосылки и практические рекомендации, на основании которых могут быть сделаны важные шаги по пути коренного улучшения качества строительства при одновременном уменьшении его стоимости. Ключевые слова: надежность, эффективность, долговечность, вероятностная оценка, ремонтопригодность.

Введение. В процессе эксплуатации промышленных и гражданских зданий и сооружений строительные конструкции, как известно, физически изнашиваются. Это проявляется в виде повреждений, которые в иных случаях приводят к обрушениям конструкций, а на действующих производствах — к полному прекращению выпуска продукции. Поэтому обеспечение надежности и долговечности строительных конструкций в течение всего проектного срока службы является важной государственной экономической задачей.

Основной экономический эффект надежности строительных конструкций определяется на стадии проектирования. Здесь прежде всего должен быть установлен необходимый уровень надежности в зависимости от функционального назначения объекта и требуемого срока его службы. Применительно к этому уровню выбираются материалы несущих и ограждающих конструкций.

Затем задача сводится к проектированию равнонадежной конструкции с требуемым уровнем надежности, что достигается:

— выбором рациональных конструктивных решений и методов расчета;

— выбором рациональной производственной базы и включением в проект технологически обоснованных статистических характеристик качества.

Здесь рассматриваются лишь проектные и производственно-технические факторы, непосредственно влияющие на уровень надежности конструкций, считая при этом, что другие факторы учитываются при прочих равных условиях.

Основная часть. Повышение уровня теоретической надежности, снижение расчетного коэффициента надежности и, следовательно, уменьшение затрат на возведение зданий и сооружений может быть достигнуто за счет:

— максимального (с учетом возможностей производственной базы) укрупнения элементов сборных конструкций и соответственного уменьшения числа их сопряжений;

— создания конструктивных схем, обеспечивающих резервирование надежности, т. е. таких схем, при которых отказ одного или даже не-

скольких элементов не означал бы отказа всей конструкции;

— применения пространственных конструкций;

— максимального использования стандартных и унифицированных элементов, которые, как правило, изготовляются по более совершенной технологии и имеют высокий уровень надежности;

— применения элементов железобетонных конструкции с учетом их контрольной (конструктивной) прочности;

— расположения однотипных элементов сборных конструкций, имеющих разные характеристики начальной безотказности, в расчетных участках конструктивно-монтажных цепей таким образом, чтобы обеспечить приблизительно равный уровень надежности во всех звенья конструкции;

— проектирование узлов сопряжений с характеристиками надежности, близкими к соответствующим характеристикам элементов;

— применения монолитных конструкций. Заметим, что несмотря на то, что эти конструкции в силу однородности материала, элементов и узлов должны быть более надежными, они обладают одним существенным недостатком: при их возведении труднее управлять качеством, так как невозможно обеспечить равионадежность конструкции путем рационального размещения в ней элементов с разными уровнями надежности и учесть их конструкционную прочность;

— проектирования долговечности и ремонтопригодности. При этом длительность межремонтных периодов определяется путем подсчета долговечности защитных покрытий и изменчивости прочности материала во времени;

— обеспечения технологичности конструкций и рабочих чертежей.

Это требование обусловливается созданием конструкций, приспособленных для рациональной организации изготовительных, строительно-монтажных и ремонтных работ с учетом пооперационного предупредительного контроля качества.

Непременным условием уменьшения расчетного коэффициента надежности при заданном уровне надежности конструкции является получение надлежащих гарантий в том, что действительные характеристики качества (надежности) возведенной в натуре конструкции будут соответствовать расчетной модели. Эта задача решается путем организации активного производственного контроля качества и стабилизации технологических процессов, что связано с некоторыми материальными затратами.

В железобетонных конструкциях имеются еще и дополнительные резервы экономии:

1. Повышение коэффициента однородности бетона и уменьшение коэффициента перегрузки

от собственного веса, что позволяет уменьшить расчетные сечения.

2. Оценка физико-механических характеристик качества элементов железобетонных конструкций по их контрольной прочности. Сущность метода заключается в том, что на основе сплошного контроля готовой продукции нераз-рушающими методами определяются фактические значения физико-механических характеристик качества в различных сечениях элементов.

Как известно, по принятой методике расчета железобетонных конструкций проектом устанавливается один класс бетона для всего элемента, а величина сечения обычно принимается постоянной по длине. Естественно, что прочность, необходимая в расчетном сечении, оказывается излишней для других сечений. В силу особенностей технологии производства железобетонных конструкций имеет место изменчивость характеристик прочности в пределах элемента. Задача состоит в том, чтобы учесть вероятность совпадения действительных характеристик прочности в некоторых сечениях с расчетными усилиями, действующими в тех же сечениях.

Н. А. Крыловым [4] предложена методика вероятностной оценки этих совпадений, позволяющая уменьшить расчетный класс бетона или, что то же, расчетный коэффициент надежности и получить существенный экономический эффект.

Так, например, для сопоставления действительных характеристик прочности бетона одно-пролетной железобетонной балки (рис. 1) с сопротивлениями, допускаемыми по расчету для различных её сечений, строится специальная контрольная эпюра Рвх. Ординаты этой огибающей эпюры определены по результатам расчета бетона па сжимающие усилия от действующих моментов, а также сжимающие или перерезывающие усилия от поперечных сил при условии восприятия арматурой действующих усилий и обеспечения надежного ее сцепления с бетоном. Расчеты выполнены с учетом изменения величин изгибающих моментов и перерезывающих сил по длине балки (эпюры М и О).

При сплошном контроле прочности бетона в изделиях для каждого контролируемого сечения должно быть соблюдено условие:

где Рвизм — действительная (измеренная) прочность бетона в контролируемом сечении элемента;

Рвх — расчетное сопротивление бетона в том же сечении.

3. Применение селективного отбора при сплошном контроле физико-механических и геометрических характеристик качества. Такой отбор позволяет дифференцировать однотип-

ные элементы сборных конструкций по характеристикам надежности и рационально размещать их в конструкции.

На рис. 2 представлены схема каркаса многоэтажного здания (а) и график требуемого теоретического уровня надежности в зависимости от места расположения элементов (колонн) в конструкции (б). Разобьем здание по высоте на три участка с допустимыми равными уровнями надежности элементов. Очевидно, что для нижнего, третьего участка потребуются элементы с наиболее высоким уровнем надежности, а для верхнего — с наименьшим. По результатам сплошного контроля качества изготовления партии элементов сборных колонн построим кривую распределения характеристик их прочности (в).

Рисунок 1 — Расчетные и контрольные эпюры для одно-пролетной железобетонной балки

Рисунок 2 — Обеспечение равнонадежности конструкций: а) схема каркаса; б) график изменения надежности конструкции по высоте здания; в — изменчивость характеристик прочности партии элементов сборных колонн: I -первый участок надежности (12-9 этажи); II — второй участок надежности (8-5 этажи); III — третий участок надежности (4-1 этажи); Н — надежность конструкции; N -число ярусов (этажей) колонны; оЬ — прочность элементов; у — количество элементов данной прочности (частота распределения).

Площадь, расположенная под кривой нормального распределения, также разобьем на три участка, отличающихся минимальной, средней и максимальной прочностью элементов.

Руководствуясь графиком, представленным на рис. 2в, произведем селективный отбор, т. е. разбраковку партии по характеристикам прочности от а-| до а2, от а2 до а3 и больше а3. Теперь ясно, что для первых четырех этажей (III участок) пойдут звенья колонн с характеристиками прочности больше а3, для 5-8 этажей (II участок) — с характеристиками от а2 до а3 и для 912 этажей (I участок) — от а! до а2. Соответственно должна быть дифференцирована и точность монтажных работ. В отдельных случаях по высоте здания может меняться и метод монтажа, обеспечивающий в нижних ярусах максимальную точность сопряжений, т.е. минимальные эксцентрицитеты, а в верхних (где труднее добиться высокой точности) — должно быть подтверждено проверочным расчетом надежности конструкций и экономическими соображениями.

4. Улучшение качества строительства, сведение к минимуму доли дефектной продукции и удлинение межремонтного периода.

5. Осуществление рекомендаций службы надежности по совершенствованию проектных решений и технологических процессов производства, направленных на повышение уровня надежности и, следовательно, на улучшение технико-экономических показателей строительства.

Задача службы эксплуатации строительных конструкций в конечном счете сводится к поддержанию заданного уровня их надежности в течение всего срока службы. С повышением уровня надежности возрастают капитальные затраты, связанные с их возведением, а затраты на эксплуатацию соответственно уменьшаются. Во временных сооружениях, рассчитанных на короткий срок службы, затраты на эксплуатацию могут оказаться близкими к нулю. В зданиях высокого класса, рассчитанных на длительный период эксплуатации, эти расходы составляют существенную часть общей стоимости строительства. Экономическая эффективность затрат на проведение профилактических осмотров и ремонтов может быть оценена путем сопоставления этих затрат с первоначальной стоимостью строительства.

Как известно, периодичность профилактических ремонтов зависит от интенсивности постепенного износа элементов и узлов конструкции. Интенсивность износа в свою очередь зависит от качества материалов, совершенства конструктивных решений, степени воздействия внешней среды и условий эксплуатации конструкции. Последние определяются уровнем ее ремонтопригодности и организацией эксплуатационной

Источник