CC BY
136
УДК 69.022/.025
Запащикова Наталья Петровна
ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»
Россия, Новосибирск1
Аспирант кафедры «Технология, организация и экономика строительства»
Оценка надежности ограждающих конструкций зданий методами физического и вероятностного моделирования
Аннотация. Изложен подход к физическому и вероятностному моделированию надежности ограждающих конструкций зданий, основанный на учете температурно-влажностных условий, эксплуатационных параметров, параметров нагрузок конструктивных элементов, индексов надежности в и вероятности отказов.
В качестве основного параметра надежности принята долговечность (эксплуатационный срок службы). Показано влияние на долговечность строительных конструкций климатических факторов и техногенных воздействий. Обоснована целесообразность применения стандарта вероятностного моделирования ограждающих конструкций зданий, разработанного Объединенным комитетом по надежности конструкций (JCSS), который может стать основным экономически эффективным инструментом. В качестве основного показателя безопасности зданий принят индекс надежности как обратная функция нормального распределения возможной вероятности наступления аварийного состояния, который не должен превышать допустимый (граничный) индекс надежности, обеспечивающий необходимую безопасность соответствующего класса. Долговечность (срок службы) структурного компонента ограждающей конструкции определен как совокупность граничных значений сопротивлений и функции их понижения в процессе эксплуатации. Установленные значения индексов надежности для определенных возможных вероятностей наступления аварийных состояний позволяют принимать решения о целесообразности назначения ремонтов в условиях возможных малых, средних и больших последствий ошибок.
Такой подход позволяет учитывать системную ошибку изыскателей, проектировщиков, подрядчиков и эксплуатационников, что может способствовать оптимизации затрат на каждой из стадий реализации проекта.
Ключевые слова: ограждающие конструкции; надежность; физическое моделирование; вероятностное моделирование; долговечность; эксплуатационный срок службы; безопасность; индекс надежности; аварийное состояние; вероятность; сопротивление; граничные значения.
1630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191
Большинство современных строительных стандартов основаны на подходе к расчету предельных значений параметров конструкций и методе учета различных факторов, влияющих на их прочность и долговечность, т.е. на надежность сооружения. Вместе с тем, в условиях рыночных отношений, необходимости привлечения частного капитала в виде инвестиций требует научно-практического обоснования соотношения общественно необходимой надежности проекта (объекта недвижимости) и рационально допустимых инвестиций, обеспечивающих приемлемую коммерческую доходность (прибыль) инвестора и заказчика.
Одним из основных показателей надежности строительных конструкций зданий является долговечность. Вопросы долговечности (эксплуатационного срока службы) в настоящее время при проектировании практически не рассматриваются. Гораздо больше внимания уделяется проблемам их энергоэффективности. Однако два указанных параметра связаны между собой, так как и тот и другой параметры в совокупности определяют экономическую эффективность эксплуатации здания [1-2].
Энергоэффективность определяет расходы на отопление в течение всего срока эксплуатации (т.е. является параметром времени), а долговечность - расходы, связанные с проведением текущих и капитальных ремонтов здания, в том числе на восстановление требуемого уровня по тепловой защите [3].
В прошлом столетии здания подразделялись на классы по степени долговечности, что отражено в нормативных документах 60-70-х гг.
Для решения проблемы долговечности ограждающих конструкций зданий проводятся соответствующие исследования, в качестве которых могут выступать методы физического и вероятностного моделирования.
При физическом моделировании первоначально выбирается испытываемая стеновая конструкция. Выбор конструкции осуществляется, во-первых, на том основании, что данная стеновая конструкция не являлась однородной (однослойной), во-вторых, при ее возведении были использованы материалы, зарекомендовавшие себя как долговечные, и в-третьих, обоснован частым применением данной стеновой конструкции в практике строительства в данной местности. Эксплуатационные воздействия на фрагмент испытываемой стены моделируются в лабораторных условиях. В [4] предложен следующий метод физического моделирования: моделирование (имитация) температурно-влажностных условий в климатической камере, состоящей из теплого и холодного отсеков, между которыми размещается фрагмент стеновой конструкции. В теплом отсеке имитируются условия жилого помещения, в холодном — температурные условия улицы в наиболее неблагоприятные с точки зрения эксплуатационных воздействий периоды года.
В качестве основных эксплуатационных (контролируемых в течение проведения испытаний) параметров испытываемой стеновой конструкции принимаются параметр, характеризующий безопасность эксплуатации стены, — прочность, и параметр, обеспечивающий надлежащий уровень комфорта в помещении, — сопротивление теплопередаче. В течение всего срока проведения испытаний указанные параметры измеряются после проведения определенного количества циклов испытаний. По полученным исходным и многократным промежуточным результатам испытаний строится регрессионная зависимость изменения основных эксплуатационных параметров стеновой конструкции, на основании которой рассчитывается ее эксплуатационный срок службы (т. е. долговечность).
В конкретном испытании стеновой конструкции, состоящей из газобетона (400 мм), облицованного силикатным кирпичом (120 мм) с зазором 40 мм между ними на гибких связях, проводимом научно техническим центром «Технологии XXI века», с целью повышения достоверности полученных в лабораторных условиях результатов была демонтирована часть
стеновой конструкции научного корпуса института, а в образовавшийся проем был вмонтирован фрагмент стеновой конструкции, аналогичный той, которая испытывалась в лаборатории. В течение всего срока проведения испытаний измерялись и анализировались температурно-влажностные условия по толщине конструкции (распределение влажности и температуры, сопротивление теплопередаче), эксплуатируемой в реальных условиях.
В целом оказалось, что долговечность испытываемого фрагмента стеновой конструкции превышает требуемые 50 лет, причем с хорошим временным запасом. Однако при испытаниях был выявлен ряд факторов, которые обусловливают ее неправильную эксплуатацию и, как следствие, способствуют снижению расчетных параметров долговечности [4-5].
На параметры долговечности строительных конструкций влияют не только атмосферные и техногенные воздействия, но и качество используемых строительных материалов, качество монтажных работ, а также условия их эксплуатации, связанные со своевременностью устранения появляющихся дефектов, а также проведением плановых ремонтных мероприятий.
Вероятностное моделирование ограждающих конструкций зданий
В последние годы все большее применение в проектировании объектов недвижимости находят методы вероятностного моделирования параметров нагрузок конструктивных элементов, материалов для различных дизайнерских решений и геометрических параметров [6].
Большинство современных строительных стандартов основаны на подходе к расчету предельных значений параметров конструкций и методе учета различных факторов, влияющих на их прочность и долговечность, т.е. на надежность сооружения. Одним из методов решения данной проблемы является вероятностный метод проектирования как более рациональный и последовательный, чем проектирование различных факторов по отдельности. В странах Евросоюза применяется разработанный Объединенным комитетом по надежности конструкций (JCSS) стандарт Вероятностные модельные нормы JCSS - это документ, призванный обеспечивать полный и последовательный набор моделей и процедур для вероятностной оценки и разработки проектов. Он применяется в тех случаях, когда физических или статистических данных недостаточно для достижения уникальности решения на основе соглашений между экспертами точно так же, как и применяемый в настоящее время стандарт частичных форматов. Основное внимание стандарта моделирования сфокусировано на статистическом моделировании параметров нагрузок, материалов и геометрических параметров как во времени, так и в пространстве. Стандарт вероятностного моделирования JCSS был предложен исследователям и проектировщикам в сети Интернет для экспертной оценки сокращения срока проектирования. Информация о нем содержится на сайте JCSS.
Рассмотрим основы проектирования с применением вероятностного моделирования в соответствии с [7].
Множество национальных стандартов рассчитаны на детерминированное проектирование классическими методами и лишь в Евростандарте EN 1990 «Основы Проектирования» (Проект июля 2000 года) упоминается полное вероятностное проектирование. В документе Международной организации по стандартизации «Общие принципы надёжности строений» (ISO-2394) полный вероятностный метод рассматривается как стандарт и метод учета различных факторов, фактически являющийся полезным упрощением. Одним из основных показателей, характеризующих безопасность зданий является индекс надежности. В Евростандарте, основанном на вероятности, он определяется как
P=ф-1(pf)> в0,
(1)
где:
в -главный индекс надежности;
во -допустимый (граничный) индекс надежности, определяющий требуемую безопасность при заданной целевой стоимости объекта. Он зависит от класса безопасности;
Ф - стандартное нормальное распределение, двухмерная функция совместной плотности распределения;
pf - возможная вероятность наступления аварийного состояния;
г=1-рг - вероятность нахождения ограждающих конструкций в работоспособном состоянии.
Проблема структурной надежности (безопасности) на практике относится к вопросу адекватного сопротивления и сроку службы в обзоре возможных по конструкции нагрузок.
Для каждого структурного компонента ограждающей конструкции срок службы определяется следующим отношением
Ба - действующее значение сопротивления конструкции;
Яа,тт - минимально допустимое сопротивление конструкции (нормативный минимум);
Яа - запроектированное сопротивление конструкции (зависит от процесса конструирования);
Я*(1) - актуальное (временное) сопротивление, достигнутое или установленное в процессе эксплуатации;
ф(1) - функция понижения: монотонное снижение функции времени с последующими пограничными условиями и последствиями:
• во время сдачи объекта 1=о : ф(1о)=1 ^ Я*( 1о) >Яа
• по истечении срока 1=и : ф(tu) = фтш ^ Я (1и) > фтш Яа.
В случае очень медленного процесса снижения надежности прочность конструкции может быть расценена как свойство, не изменяющееся во времени, и, следовательно, может быть принята равной единице.
При проектировании объекта недвижимости могут быть допущены ошибки, при строительстве и эксплуатации - нарушения технологии производства работ. Последствия такого рода ошибок подразделяют на малые, средние и большие. Практический интерес для создания нормативной базы по надежности ограждающих конструкций, в т. ч. по долговечности представляют исследования по совместимым с наблюдаемыми интенсивностями ошибок и с результатами анализов затрат и эффективности, приведенные в [8] (таблица 1).
Ба= Яа, тш<ф(^^*0),
(2)
где:
Таблица 1
Целевые индексы надежности в и вероятности отказов
Относительная стоимость мер безопасности Малые последствия ошибок Средние последствия ошибок Большие последствия ошибок
Large (A) в=3.1^10-3) в=3.3^5*10-4) в=3.7^10-4)
Normal (B) в=3.7^10-4) в=4.2^105) в=4.4^~5*10-6)
Small (С) в=4-2^10-5) в=4.4^5*10-5) в=4.7^10-6)
Оба значения представлены через индекс надежности в как через ежегодную вероятность pF. Целевая норма зависит от относительных последствий ошибки и относительных затрат на обеспечение безопасности. Центральное значение в таблице 1 Normal (B) нужно рассматривать как усредненную проектную ситуацию. При этом различие не является большим. Например, в Евростандарте значение в =3.8 (pF = 0.7*10-5) взят за период в 50 лет. Это соответствует ежегодной интенсивности ошибок 7*10-5 (в =3.8) для полной зависимости между годами к 1.2*10-6(в = 4.7) для полностью независимого; в =4.5, кажется самым реалистическим.
Результативные классы в таблице 1 обозначены количественно параметром Normal (B), который определен как отношение между стоимостью ошибки и стоимостью конструкции: р = Сош / Ск. Стоимость ошибки включает стоимость ремонта сооружения или его элемента. Для значений р, больших 10, особенно если абсолютное значение Сош является большим, последствия должны быть расценены как экстремальное значение. В этом случае рекомендуется выполнение полного анализа стоимости. В результате может выясниться, что сооружение не должно быть построено вообще.
Последствия ошибки могут также включать потерю человеческих жизней. В работах [8-10] анализируются риски проблемы человеческой безопасности и денежно-кредитных проблем оптимизации. Как считает автор [8], существует много источников помимо Стандарта вероятностного моделирования JCSS, позволяющих глубоко рассмотреть эту проблему. Однако, даже если такой образ мышления не принят (увязка человеческой безопасности и затрат на реализацию сооружения), вышеупомянутая таблица имеет все значения для получения рекомендаций при установке соответствующего уровня надёжности.
Цели достижения надежности в принципе связаны со структурной системой проекта в целом. Однако, в большинстве случаев вероятностное проектирование выполняется на уровне участников проекта. В этом случае может использоваться одно и то же значение уровня надёжности при условии, что системная ошибка произошла по вине участника (изыскателя, проектировщика, подрядчика или эксплуатационника). Если по тем или иным соображениям этого достичь невозможно, то необходимо скорректировать (задать) сделанные оценки надежности для каждого участника и режима эксплуатации объекта. Можно предположить, что целевой индекс надежности увеличится, поскольку относительные затраты на ошибку участника, как правило, выше, как и для структурной системы объекта. Только для статически неопределимых конструкций стоимость ошибки участника может быть ниже, и целевая смета соответственно может понизиться.
Подобным способом тип ошибки (гибкий с резервной надёжностью, гибкий без резервной надёжности и хрупкого разрушения), будет влиять на класс последствия. Структурный элемент, который, вероятно, внезапно разрушился бы без сигнала, должен быть спроектирован для более высокого класса последствия отказа, чем тот, для которого разрушению предшествует некоторый сигнал, который дает возможность принять меры, чтобы избежать серьезных последствий.
Относительная стоимость мер по обеспечению безопасности зависит в большой степени от изменчивости полных загрузок и сопротивлений. Нормальный класс (В) должен быть связан со средней изменчивостью при учете затрат на строительство, расчетного ресурса и коэффициента старения.
Вероятностное моделирование надежности ограждающих конструкций зданий может стать основным экономически эффективным инструментом проектирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев В.С., Запащикова Н.П. Оценка долговечности многослойных ограждающих конструкций / Современная наука: теоретический и практический взгляд: сборник статей Международной практической конференции (15 августа 2014 г., г. Уфа). - Уфа: АЭТЕРНА, 2014. 102 с.
2. Запащикова Н.П. Основные подходы к исследованию надежности навесных вентилируемых фасадов в домостроении в условиях Сибири // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014 - № 1-2, с. 153-155.
3. Горшков А.С, Кнатько М.В., Рымкевич П.П. Оценка долговечности ограждающих конструкций зданий // СтройПРОФиль. -2009. -№3. -С.7-8.
4. Кнатько М.В., Пестряков И.И., Горшков А.С., Рымкевич П.П. Опыт испытания стеновой конструкции в лабораторных и натурных условиях с целью прогнозирования ее эксплуатационного срока службы // Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий: Сборник трудов II Всероссийской научно-технической конференции. 1011.12.2009. - СПб., - 2009. - с.56-65.
5. Кнатько М.В., Ефименко М.Н., Горшков А.С. К вопросу о долговечности и энергоэффективности современных ограждающих стеновых конструкций жилых, административных и производственных зданий // Инжерено-строительный журнал - 2008 - № 8- с. 50-53.
6. Афанасьев А.А., Матвеев Е.П. РЕКОНСТРУКЦИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ Часть I Технологии восстановления эксплуатационной надежности жилых зданий, Москва 2008 // [Электронный ресурс]. URL: http://www.complexdoc.ru (дата обращения 23.07.2014 г.)
7. Vrouwenvelder T. JCSS Probabilistic Model Code, Proceedings of the conference on safety, Risk and Reliability Malta, 2001.
8. Rackwitz R. Optimization - the basis of code - making and reliability verification, Structural safety, 22, (2000) p. 27-60.
9. Lind N. Tolerable Risk, Proceedings of the conference on safety, Risk and Reliability, Malta, 2001.
10. Rackwitz R. A new approach of setting safety targets, Proceedings of the conference on safety, Risk and Reliability, Malta, 2001.
Рецензент: Воробьев Валерий Степанович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология, организация и экономика строительства» ФГБОУ ВПО «СГУПС».
Natalya Zapashikova
FSEI of HPE «Siberian Transport University»
Russia, Novosibirsk [email protected]
The Reliability Assessment of Envelop of Enclosure in Buildings Using the Methods of Test Simulation and Probabilistic Model-Building
Abstract. The approach to test simulation and probabilistic model-building of envelop of enclosure reliability based on the temperature and moisture conditions, the performance parameters, the structural load parameters, the reliability index p and failure probability.
The basic reliability parameter is suggested to be used the durability (service life). The effect of climatic factors and human impact on the structures durability is shown. The need of probabilistic model-building standard of envelop of enclosure formulated by Probabilistic Model Code (JCSS) is proved. It can be the basic cost-effective mechanism. The basic parameter of building security is suggested to be used the reliability index as the inverse distribution function of a probable failure state that mustn't exceed the acceptable reliability index the function of which is to provide the necessary security of a certain class. Durability (service life) of envelop of enclosure of structural element is defined as the sum of boundary value of resistance and the functions of its lowering during the performance. The reliability index values set for the probable failure state allow making decisions on the repair need in terms of probable consequences of faults, mistakes or errors.
This approach allows considering the error of surveyors, designers, contractors and service engineers. It can lead to cost reduction at each stage of project realization as well.
Keywords: envelop of enclosure; reliability; test simulation; probabilistic model-building; durability; service life; security; reliability index; failure state; probability; boundary values.
REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Vorob'ev V.S., Zapashhikova N.P. Ocenka dolgovechnosti mnogoslojnyh ograzhdajushhih konstrukcij/ Sovremennaja nauka: teoreticheskij i prakticheskij vzgljad: sbornik statej Mezhdunarodnoj prakticheskoj konferencii (15 avgusta 2014 g., g. Ufa). - Ufa: AJeTERNA, 2014. 102 s.
Zapashhikova N.P. Osnovnye podhody k issledovaniju nadezhnosti navesnyh ventiliruemyh fasadov v domostroenii v uslovijah Sibiri // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. - 2014 - № 1-2, s. 153-155.
Gorshkov A.S, Knat'ko M.V., Rymkevich P.P. Ocenka dolgovechnosti ograzhdajushhih konstrukcij zdanij // StrojPROFil'. -2009. -№3. -S.7-8.
Knat'ko M.V., Pestrjakov I.I., Gorshkov A.S., Rymkevich P.P. Opyt ispytanija stenovoj konstrukcii v laboratornyh i naturnyh uslovijah s cel'ju prognozirovanija ee jekspluatacionnogo sroka sluzhby // Stroitel'naja teplofizika i jenergojeffektivnoe proektirovanie ograzhdajushhih konstrukcij zdanij: Sbornik trudov II Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. 10-11.12.2009. - SPb., - 2009. - s.56-65.
Knat'ko M.V., Efimenko M.N., Gorshkov A.S. K voprosu o dolgovechnosti i jenergojeffektivnosti sovremennyh ograzhdajushhih stenovyh konstrukcij zhilyh, administrativnyh i proizvodstvennyh zdanij // Inzhereno-stroitel'nyj zhurnal - 2008 - № 8- s. 50-53.
A.A. Afanas'ev, E.P. Matveev REKONSTRUKCIJa ZhILYH ZDANIJ Chast' I Tehnologii vosstanovlenija jekspluatacionnoj nadezhnosti zhilyh zdanij, Moskva 2008, http: //www.complexdoc.ru/.
Vrouwenvelder T. JCSS Probabilistic Model Code, Proceedings of the conference on safety, Risk and Reliability Malta, 2001.
Rackwitz R. Optimization - the basis of code - making and reliability verification, Structural safety, 22, (2000) p. 27-60.
Lind N. Tolerable Risk, Proceedings of the conference on safety, Risk and Reliability, Malta, 2001.
Rackwitz R. A new approach of setting safety targets, Proceedings of the conference on safety, Risk and Reliability, Malta, 2001.
