Структурные модели надежности.
Здания и сооружения представляют собой совокупность сложных технических систем, необходимых для обеспечения требований нормальной эксплуатации. Сложная система обладает разветвленной структурой и значительным количеством взаимосвязанных и образующих ее компонентов, которые являются простыми системами.
Несущая строительная конструкция с позиции надежности представляет собой систему, состоящую из элементов со своими вероятностями отказов. Для расчета надежности система расчленяется на условные элементы или группы условных элементов (подсистемы). К условным элементам относятся опасные зоны (сечения) разрушения, соединения, сопряжения, узлы, стыки.
К категории простых систем относятся конструкции, которые отказывают при разрушении одного из составляющих их элементов. Примерами простейших систем являются балки, колонны и др. Эти системы, как правило, состоят из небольшого числа условных элементов, характеризующих вероятность безопасной работы конструкции и ее эксплуатационную пригодность по различным показателям.
К сложным системам относятся конструкции, выход из строя которых происходит при отказе двух и более элементов. С позиции надежности характерной особенностью сложной системы является возникновение нескольких возможных состояний ее работоспособности, обусловленных резервами прочности элементов и связей между ними. При выходе из строя отдельных элементов сложная система в зависимости от того, какие элементы выходят из строя и в какой последовательности, может потерять свою работоспособность полностью, частично, а может оставаться в работоспособном состоянии и выполнять заданные функции в полном объеме. Например, бескаркасное здание состоит из большого числа железобетонных элементов-панелей стен, плит перекрытий, перегородок, лестничных маршей и др. При выходе из строя лестничного марша на последнем этаже здания с одним подъездом система функционирует частично. Если произошел отказ лестничных маршей на первом этаже, нормальное функционирование здания прекращается.
Условные элементы расчетной системы могут быть зависимыми в смысле надежности по коэффициентам корреляции и отказу.
Коэффициент корреляции между двумя элементами расчетной модели отражает степень стохастической связи между ними, которая зависит от взаимосвязи случайных переменных, определяющих резерв прочности (или другой показатель работоспособности) этих элементов.
Если усилия для различных элементов (например, колонн и фундаментов) полностью или частично вызываются одними и теми же нагрузками, то между ними существует тесная корреляционная зависимость. Принимая за условные элементы нормальные и наклонные сечения железобетонной балки, можно утверждать, что они стохастически зависимы, будучи изготовлены из одного и того же бетона по одной и той же технологии. Между элементами некоторых железобетонных конструкций (строительная ферма и подкрановая балка) стохастическая зависимость проявляется лишь в том случае, если обе конструкции изготавливаются по одинаковой технологии, хотя усилия в этих конструкциях определяются различными нагрузками.
Существует два типа стохастической зависимости элементов по отказу.
Первый тип зависимости элементов по отказу характеризуется тем, что при отказе любого из них нагрузка, воспринимаемая этим элементом до наступления предельного состояния, передается на соседние элементы, которые сохраняют работоспособное состояние.
В связи с увеличением нагрузки на соседние неотказавшие элементы показатели надежности могут сильно снижаться, что следует учитывать в расчетах, например сборные неширокие железобетонные плиты, перекрытия или покрытия не могут выйти из строя при условии качественного замоноличивания продольных швов между ними, когда обеспечивается восприятие срезывающих усилий. В этом случае соседние плиты зависимы по отказу первого типа.
Вероятность отказа соседнего элемента, зависимого по отказу с предыдущим, равна
(28.1)
где Q1 - вероятность отказа первого элемента при условии, что он работает под нагрузкой отдельно от других элементов;
Q2/1 - условная вероятность отказа соседнего элемента с учетом изменения статистик распределения его усилия вследствие отказа первого элемента.
Вероятностные показатели правой части выражения (28.1) характеризует надежность как отдельных условных элементов (расчетных сечений конструкций), так и реальных элементов (балок, плит, ферм и других конструкций).
Если элементы однотипные и их усилия вызываются одними и теми же нагрузками, то вероятности-неработоспособности системы из элементов, зависимых по отказу, выражаются формулой
(28.2)
Пример 28.1. Определить надежность работы безбалочного перекрытия жилого дома, состоящего из однотипных предварительно напряженных сборных плит. Продольные стороны железобетонных плит объединены бетоном омоноличивания, воспринимающим срезывающие усилия. Несущая способность плит и изгибающий момент от нагрузки распределены по нормальному закону с характеристиками:
несущая способность: , VФ = 0,1.
изгибающий момент от нагрузок: , VF1 = 0,14.
Разрушение перекрытия может происходить только по арматуре растянутой зоны плиты.
Стандарты распределений:
для несущей способности:
для изгибающего момента от нагрузок:
Вычисляем характеристику безопасности и вероятность отказа первой плиты по формулам (26.10) и (26.11):
После отказа первой плиты две соседние плиты перекрытия будут перегружены на 50 % каждая, а вероятностные характеристики изгибающего момента от нагрузок соседней плиты будут равны:
,
Условная вероятность отказа соседней плиты:
Согласно (28.2) вероятность безотказной работы перекрытия:
Рс = 1 - 0,00115∙0,2676 = 0,99969.
Вероятность отказа: Qс = 1-0,99969 = 0,00031.
Если пренебречь зависимостью элементов по отказу, то вероятностный показатель: Рс = 1-Q = 1-0,00115 = 0,99885 < 0,99969.
Таким образом, объединение плит бетоном омоноличивания повышает надежность работы перекрытия под нагрузками и уменьшает вероятность отказа в раза
Второй тип стохастической зависимости элементов по отказу имеет место, когда предельное состояние одного элемента немедленно вызывает отказы других. Например, разрушение фермы покрытия неизбежно сопровождается обвалом плит, лежащих на ней, или отказ несущего троса в некоторых конструкциях висячих мостов влечет за собой аварию всего сооружения. Такая зависимость по отказу должна учитываться в расчетах надежности всей системы (конструкции).
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 1210;