К атегория:

Кузнечные работы

Надежность и долговечность работы оборудования

Долговечность и надежность-важнейшие эксплуатационные характеристики оборудования. Надежностью называется свойство оборудования выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность - важнейший эксплуатационный показатель работы машины, характеризующий ее качество.

Одним из элементов надежности является безотказность, т. е. свойство машины сохранять работоспособность без вынужденных перерывов. Безотказность определяется временем непрерывной работы машины без простоев, связанных с регулировками и ремонтом. Разные детали машины, естественно, имеют различные сроки службы. В качестве характеристики безотказности принимается срок, близкий к наименьшему из сроков службы деталей.

Однако понятие безотказности недостаточно полно раскрывает эксплуатационные качества оборудования. Пусть, например, один пресс обладает высокой безотказностью, т. е. длительное время работает без регулировок, но затем требует продолжительного ремонта. А при эксплуатации другого пресса обязательны частые непродолжительные регулировки, но зато нет необходимости в длительном ремонте. В ряде случаев второй пресс, несмотря на более низкую безотказность, имеет преимущества, связанные с большей его долговечностью.

Свойство машины сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта называется долговечностью.

С течением времени свойства материалов, в том числе прочность деталей, а также их геометрия, изменяются. Следовательно, и показатели надежности не остаются постоянными. Тем не менее машина должна оставаться работоспособной, что обеспечивается не только ее качеством, но и правильной организацией обслуживания и ремонта.

Долговечность определяется затратами времени и средств на ремонт и регулировку машины за весь период ее эксплуатации. При этом имеется в виду, что та машина, которая при прочих равных условиях за длительный срок дает больше продукции, обладает и большей долговечностью. Иными словами, понятие долговечности связано и с производительностью оборудования.

Износ детали -это результат постепенного изменения ее размеров от трения при действии различных нагрузок в условиях, в которых эксплуатируется машина.

Износ и повреждения, возникающие в процессе эксплуатации, делятся на нормальные (допустимые) и недопустимые (аварийные). К допустимым, возникающим при обычных условиях эксплуатации, относятся абразивный износ, смятие поверхностных слоев и т. д. Эти повреждения нельзя полностью исключить. Однако необходимо свести их к минимуму, чтобы отрицательные последствия проявлялись через возможно более длительные сроки. Допустимые износ и повреждения устраняются во время плановых ремонтов.

При недопустимых износах и повреждениях происходит либо разрушение детали, либо такая ее деформация, которая полностью исключает нормальную работу машины. Недопустимые (аварийные) повреждения устраняются при аварийном ремонте, так как они проявляются внезапно.

Долговечность деталей зависит от правильности подбора материалов трущейся пары. При этом следует учитывать условия работы оборудования, так как одна и та же пара в одних условиях может быть износостойкой, а в других - быстроизнашивающейся.

Материалы, используемые для направляющих, должны иметь высокую износостойкость, низкий коэффициент трения, обладать способностью без изменения свойств выдерживать значительные механические нагрузки. В качестве антифрикционных материалов применяют бронзы, а также пластмассы. Из пластмасс изготавливают и малонагруженные зубчатые передачи, что делает их не только износостойкими, но и бесшумными в работе.

Материалы для деталей тормозных устройств и органов управления, таких, как диски тормозов и муфт включения, должны, наоборот, обладать фрикционными свойствами, т. е. иметь высокий коэффициент трения.

Особое внимание следует обращать на износ следующих деталей кузнечно-прессовых машин: подшипников, направляющих гидравлических прессов и кривошипных машин, плунжеров, уплотнений, дисков фрикционных муфт и тормозов и т. д. Так как износ сказывается на точности оборудования, нормы износа определяются нормами точности.

Одной из основных характеристик сложных технических систем является их надежность. Теория надежности получила значительное развитие и практическое применение в технике.

Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, позволяющих выполнять требуемые функции. Для количественной оценки надежности применяют вероятностные величины. Те изменения, которые происходят с течением времени в любой технической системе и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на систему действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и системы в целом. При этом имеется три основных источника воздействий:

- действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;
- внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в технической системе, так и с работой отдельных элементов системы;
- потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях узлов системы в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

При работе технического объекта наблюдаются следующие основные виды энергии, влияющие на его работоспособность и надежность (рис. 6.4).

Механическая энергия, которая не только передается по всем элементам системы в процессе работы, но и воздействует на нее в виде статических или динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Тепловая энергия действует на систему и ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса (особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.

Химическая энергия также оказывает влияние на работу системы. Например, влага, содержащаяся в воздухе может вызвать коррозию отдельных узлов системы. Если же оборудование системы работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда и др.), то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов системы.

Ядерная (атомная) энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер, может воздействовать на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.

Электромагнитная энергия в виде радиоволн (электромагнитных колебаний) пронизывает все пространство вокруг объекта и может оказать влияние на работу электронной аппаратуры.

Биологические факторы также могут влиять на работоспособность системы в виде микроорганизмов, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.

Рис. 6.4.

Таким образом, все виды энергии действуют на техническую систему и ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.

Нормальная эксплуатация эрготехнической системы характеризуется определенной степенью надежности, представляющей собой комплексную вероятностную характеристику успешного выполнения системой требуемых целевых функций при сохранении ею своих эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение необходимого времени. Теория надежности позволяет оценивать срок службы, по окончании которого техническое средство вырабатывает свой ресурс и должно подвергнуться капитальному ремонту, модернизации или замене. Одно из основных понятий теории надежности - отказ.

Отказ - это нарушение работоспособного состояния технического устройства из-за прекращения функционирования или из-за резкого изменения его параметров. В теории надежности оценивается вероятность отказа, то есть вероятность того, что техническое средство откажет в течение заданного времени работы. Изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка метода проверки надежности изделий и способов контроля надежности, методов расчетов и испытаний, изыскание путей и средств повышения надежности - являются предметом исследований надежности. При изучении вопросов надежности рассматривают самые разнообразные объекты - изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надежность изделия зависит от надежности его элементов, и чем выше их надежность, тем выше надежность всего изделия.

Обеспечение надежности систем охватывает самые различные аспекты человеческой деятельности. Надежность является одной из важнейших характеристик, учитываемых на этапах разработки, проектирования и эксплуатации самых различных технических систем (рис. 6.5).

Недостаточная надежность объекта приводит к огромным затратам на его ремонт, простою машин, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человеческими жертвами.

Как следует из приведенного выше определения надежности, наиболее значимой для успешного функционирования любой технической системы и выполнения ею заданных функций является сохранение ее работоспособности.

Рис. 6.5.

Работоспособность как состояние системы означает способность выполнять требуемые функции с заданными рабочими параметрами. В свою очередь, наличие работоспособности системы в течение всего времени ее эксплуатации предполагает безотказность ее функционирования, а также косвенно связано и с остальными свойствами эксплуатационной надежности. Надежность (работоспособность) объекта является комплексным свойством, ее оценивают по четырем количественным показателям - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или по сочетанию этих свойств.

Безотказность - свойство объекта сохранять свою работоспособность в течение заданного времени без отказов и вынужденных перерывов.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до предельного состояния с необходимыми перерывами для регламентного обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство приспособленности объекта к предупреждению, выявлению и устранению отказов ее работоспособности путем проведения регламентного технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение и после установленного срока ее хранения или транспортировки.

Объекты подразделяют на невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене (например, электрические лампочки, подшипники, резисторы и т. д.), и восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем (например, телевизор, автомобиль, трактор, станок и т. д.).

Разработана классификация отказов с позиций изучения характера и природы отказов, влияния различных факторов на их возникновение (рис. 6.6).

1. По условиям возникновения разделяют отказы в нормальных и ненормальных (экстремальных) условиях. Ненормальные условия имеют место вследствие ошибок персонала, стихийных бедствий или при других чрезвычайных ситуациях.
2. По причинам возникновения выделяют отказы, не связанные с разрушением и обусловленные разрушением объекта.
3. По характеру возникновения: внезапные отказы , связанные с резким изменением основных параметров, и постепенные отказы под действием случайных факторов, обусловленные медленно протекающими необратимыми процессами
4. По степени влияния на работоспособность: полные и частичные отказы. Последние связаны с «частичной» потерей работоспособности системы, т. е. с пониженным уровнем функционирования. Такие отказы возникают в системах, имеющих большое количество автономных элементов. При отказе некоторых большинство элементов остается работоспособными.
5. По признакам проявления: явные и неявные отказы. Возникновение явного отказа обнаруживается органолептическими методами. При неявных отказах для их обнаружения требуется применение специальных приборов или устройств или значительный опыт и умение персонала.
6. По взаимосвязи между собой: независимые и зависимые отказы , когда появление одного отказа влечет за собой возникновение других. Взаимосвязь отказов может привести к их лавинообразному нарастанию.
7. По последствиям различают: отказы опасные и безопасные для здоровья и жизни персонала и для окружающей среды; тяжелые отказы , ведущие к значительным материальным и финансовым и другим затратам и потерям; легкие отказы почти без потерь.
8. По способу устранения выделяют: отказы, устраняемые заменой элементов, регулировкой, чисткой и самоустраняющиеся отказы или сбои.
9. По сложности устранения: простые и сложные отказы , требующие специалистов высокой квалификации и значительных трудозатрат.

0- отказ элемента,
1- первичный отказ;
2- вторичные отказы;
3- ошибочные команды,
4- элементы в заданных режимах работы,
5- избыточные напряжения;
6- ошибочные команды;
7- естественное старение;
8- соседние элементы,
9- окружающая среда;
10- персонал предприятия

Рис. 6.6. Характеристики отказов элементов технической системы

10. По частоте возникновения: на случайные (единичные) и неслучайные (систематические) отказы . Случайные отказы вызваны непредусмотренными нагрузками, скрытыми дефектами материалов, погрешностями изготовления, ошибками обслуживающего персонала. Неслучайные отказы - это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений, связанные с влиянием среды, времени, температуры, облучения и т. п.
11. Но возможности устранения: устранимые и неустранимые отказы , при возникновении которых восстановление работоспособности системы технически невозможно или экономически неоправданно.
12. По происхождению: конструктивные отказы , обусловленные недостатками конструкции; технологические отказы - недостатками технологического процесса изготовления и сборки деталей и узлов и эксплуатационные отказы , связанные только с условиями эксплуатации.

В зависимости от возможности прогнозировать момент наступления отказа все отказы подразделяют на внезапные (поломки, заедания, отключения) и постепенные (износ, старение, коррозия). Отказы, приводящие к тяжелым последствиям, отнесены к категории «критических ».

К авариям относятся все отказы, наступление которых связано с угрозой для людей и окружающей среды, а также с серьезным экономическим и моральным ущербом. На надежность технических систем оказывают влияние три группы факторов: конструктивные, технологические и эксплуатационные.

К конструктивным факторам относятся: принципиальная схема машины, качество материалов, форма и размеры деталей, запас прочности, применяемые методы расчета на прочность, конструктивные концентраторы напряжений в деталях

Технологические факторы - факторы, связанные с процессом получения стабильных свойств материалов, обеспечивающих стабильность структуры, физико-механических свойств, прочности; факторы, связанные с формообразованием заготовки, методами обработки и сборки; методы и режимы механической, термической, химико-термической обработки; геометрия режущего инструмента; организация технического контроля по этапам технологического процесса.

Эксплуатационные факторы - характер нагружения, скорости, давления, температура среды, влажность среды, виды и способы смазки, соблюдение правил технической эксплуатации, техническое обслуживание, качество ремонта, квалификация ремонтно-эксплуатационного персонала, техническая оснащенность ремонтных служб и др.

В зависимости от характера решаемых задач по оценке показатели можно классифицировать по различным признакам (рис. 1.2).

Наиболее широкое применение при оценке качества продукции производственно-технического назначения находят показатели, сгруппированные по характерным свойствам.

Показатели назначения характеризуют свойства продукции, определяющие основные функции, для выполнения которых она предназначена, и обусловливают область ее применения.

Они подразделяются на следующие категории:

показатели функциональной и технической эффективности — производительность станка, прочность ткани и т.д.;
показатели конструктивные - габаритные размеры, коэффициенты сборности и взаимозаменяемости и т.д.;
показатели состава и структуры - процентное содержание, концентрация и др.

Рис. 1.2. Классификация показателей качества продукции

Показатели качества продукции по характеризуемым свойствам

Показатели характеризуют следующие свойства:

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки, выражающейся в вероятности безотказной работы, средней наработки до отказа, интенсивности отказов.
Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в приспособленности его к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Единичными показателями ремонтопригодности являются вероятность восстановления работоспособного состояния, среднее время восстановления.
Восстанавливаемость изделия характеризуется средним временем восстановления до заданного значения показателя качества и уровнем восстановления.
Сохраняемость - свойство продукции сохранять исправное и работоспособное, пригодное к потреблению состояние в течение и после хранения и транспортирования. Единичными показателями сохраняемости могут быть средний срок сохраняемости и назначенный срок хранения.
Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Единичными показателями долговечности являются средний ресурс, средний срок службы.

Показатели экономичности определяют совершенство изделия по уровню затрат материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов на его производство и эксплуатацию. Это в первую очередь:

себестоимость;
цена покупки;
цена потребления;
рентабельность и пр.

показатели характеризуют систему «человек — изделие — среда использования» и учитывают комплекс таких свойств человека, как:

гигиенические;
антропометрические;
физиологические;
психологические.

показатели характеризуют:

информационно-художественную выразительность изделия;
рациональность формы;
целостность композиции.

Показатели имеют отношение к таким свойствам конструкции изделия, которые определяют его приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и восстановлении заданных значений показателей качества. Они являются определяющими для показателей экономичности. К единичным показателям технологичности относятся:

удельная трудоемкость;
материалоемкость;
энергоемкость изготовления и эксплуатации изделия;
длительность цикла технического обслуживания и ремонтов и др.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют насыщенность изделия стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями, каковыми являются входящие в него детали, узлы, агрегаты, комплекты и комплексы. К данной группе показателей относятся коэффициенты:

применяемости;
повторяемости;
унификации изделия или группы изделий.

Патентно-правовые показатели характеризуют степень патентной чистоты технических решений, использованных в изделии, определяющей ее конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынке.

показатели определяют уровень вредных воздействий на окружающую среду в процессе эксплуатации или потребления изделия. К ним относятся:

содержание вредных примесей, выбрасываемых в окружающую среду;
вероятность выброса вредных частиц, газов и излучений, уровень которых не должен превышать предельно допустимой концентрации.

Показатели характеризуют особенности продукции, обусловливающие при ее использовании безопасность человека и других объектов. Они должны отражать требования к мерам и средствам защиты человека в условиях аварийной ситуации, не санкционированной и не предусмотренной правилами эксплуатации в зоне возможной опасности.

Показатели качества продукции по количеству характеризуемых свойств

Показатель, по которому принимается решение оценивать качество продукции, называется определяющим. Свойства, учитываемые определяющим показателем, могут характеризоваться единичными, комплексными (обобщающими) и (или) интегральными показателями, которые относятся к классификационному признаку показателей качества продукции по количеству характеризуемых свойств.

Единичные показатели характеризуют одно свойство продукции, составляющее ее качество применительно к определенным условиям создания, эксплуатации и потребления.

Комплексные (обобщающие) показатели являются средней величиной, учитывающей количественные оценки основных свойств продукции и их коэффициентов весомости.

Интегральные показатели отражают соотношение полезного эффекта от эксплуатации и затрат на приобретение и эксплуатацию продукции.

Оптимальным значением показателя качества продукции является такое, при котором достигается наибольший полезный эффект от эксплуатации (потребления) продукции при заданных затратах на ее создание и эксплуатацию (потребление).

Аналогичные показатели качества определяются для предметов потребления, однако они должны учитывать специфику назначения и использования этих предметов.

В мировой практике с целью оценки степени превосходства продукции используется градация (класс, сорт) — категория или разряд, присвоенные продукции, имеющей то же самое функциональное применение, но различные требования к качеству.

При численном обозначении высшему классу обычно присваивается число 1, а при обозначении количеством каких-либо знаков, например звездочек, обычно низший класс имеет меньшее количество таких знаков.

Согласно Федеральному закону РФ «О защите прав потребителей»:

по товарам длительного пользования изготовитель обязан устанавливать срок службы;
по продуктам питания, медикаментам, товарам бытовой химии - срок годности.

Эти два показателя устанавливают сроки, по истечении которых товар представляет опасность для жизни, здоровья и имущества потребителя или становится непригодным для использования по назначению.

Особенности оценки качества продукции производственно-технического назначения и предметов потребления отражаются в отраслевой нормативно-технической документации, которая регламентирует выбор , методики их расчета и область применения.

Надежность. - это свойство машины, ее узла или детали выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели (производительность, мощность, расход энергии, точность и др.) в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки (в километрах, гектарах, кубометрах, циклах или др.)

Терминология по надежности в технике распространяется на любые технические объекты-изделия, сооружения и системы, а также их подсистемы, рассматриваемые с точки зрения надежности на этапах проектирования, производства, испытаний, эксплуатации и ремонта. В качестве подсистем могут рассматриваться сборочные единицы, детали, компоненты или элементы. При необходимости в понятие "объект" могут быть включены информация и ее носители, а также человеческий фактор (например, при рассмотрении надежности системы "машина-оператор").

На стадии разработки термин “объект” применяется к наугад выбранному представителю из генеральной совокупности объектов.

Надежность - комплексное свойство, состоящее в общем случае из безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Например, для неремонтируемых объектов основным свойством может являться безотказность. Для ремонтируемых объектов одним из важнейших свойств, составляющих понятие надежности, может быть ремонтопригодность.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Объект - техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Элемент - простейшая составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей.

Система - совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

12 .Показатели безотказности: вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, интенсивность отказов, параметр потока отказов, наработка на отказ. Закон Вейбулла для характеристики распределения отказов, типичная кривая изменения плотности вероятности отказов в процессе эксплуатации объектов.

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой

где N0 - исходное число работоспособных объектов, n(t) - число отказавших объектов за время t.

Средняя наработка до отказа Математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

Наработка до отказа - эквивалентный параметр для неремонтопригодного устройства. Поскольку устройство неремонтируемое, то это просто среднее время, которое проработает устройство до того момента, как сломается.

Наработка - продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в часах, мото-часах, гектарах, километрах пробега, циклов включений и др.

Измеряется статистически, путём испытания множества приборов, или вычисляется методами теории надёжности.

Т = 1/m * Σti где ti - наработка i-го объекта между отказами; m - число отказов.

Интенсивность отказов. Условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Интенсивностью отказов называется соотношение числа отказавших образцов аппаратуры в единицу времени к среднему числу образцов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие образцы не восстанавливаются и не заменяются исправными.

Параметр потока отказов. Отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую его наработку к значению этой наработки.

Оценка безопасности зданий и сооружений.

Техническое освидетельствование сооружений позволяет установить их надежность на момент обследования. Однако для заключения о дальнейшей эксплуатации, установления срока службы и ремонта сооружения необходимо знать изменение этих свойств с течением времени. Например, если с течением времени бетонные конструкции сохраняют свои прочностные характеристики, то многие новые синтетические материалы зачастую теряют свои строительные свойства в период 10-20 лет, что не может быть приемлемым для капитальных зданий и сооружений.

При эксплуатации сооружений для оценки технического состояния конструкций широко применяют визуальные обследования. Для этой цели существуют методические рекомендации и табличные данные для оценки результатов наблюдений, по которым устанавливается надежность обследуемых конструкций по внешним признакам их состояния и оценка повреждений. Более точные данные получают при инструментальных измерениях различными приборами на основе физических, радиологических, электромагнитных и других воздействий.

Как показали наблюдения, в процессе эксплуатации конструкций происходит циклическое изменение их надежности, что связывают с изменчивостью нагрузок и несущей способности вследствие различных повреждений.

Повреждения в конструкции могут быть двух видов в зависимости от причин их возникновения: от силовых воздействий и от воздействия внешней среды (температурные перепады, коррозионные процессы, микробиологическое воздействие и т.д.). Последний вид повреждений снижает не только прочность конструкции, но и уменьшает ее долговечность.

Особое внимание должно быть уделено опасности террористических воздействий, ставшей актуальной в последнее время. Степень зашиты от террористических и других аварийных воздействий и экономическое обоснование мер зашиты должны определяться в зависимости от значимости этих объектов для жизнедеятельности города (объекты управления и т.п.).

Прогнозирование аварийных ситуаций

Анализ экстремальных ситуаций в строительной практике показал, что аварии прямо или косвенно связаны с нарушением требований норм и правил проектирования и технологии строительства зданий и сооружений.

Соблюдение действующих норм и правил гарантирует надежность строительных объектов при различных природных воздействиях и обеспечивает безопасность человека в процессе их квалифицированной эксплуатации. Вероятность повреждений этих объектов обычно не превышает 2,4 · 10-6, что является приемлемым из условий экономической целесообразности.

Оценка риска в условиях прогноза ЧС

Исследование причин аварий послужило основанием для оценки возможности возникновения условий, влияющих на надежность сооружения. К числу этих условий относятся надежность проектных решений, качество строительства и эксплуатации.

Недостаточная надежность проекта может возникнуть вследствие:

1) несоответствия принятой расчетной модели действительной работе конструкций из-за отсутствия или неполноты использования требований норм и стандартов на проектирование, неясности расчетных схем, неправильного определения нагрузок и условий эксплуатации объекта, а также неверного учета сопротивляемости несущих и ограждающих конструкций временным и случайным воздействиям;
2) недостаточной проверки и неверной инженерной оценки принимаемого конструктивного решения в реальных условиях (отсутствие опыта эксплуатации проектируемых зданий и сооружений, значительного отличия размеров проектируемого объекта и нагрузок в сравнении с построенными ранее аналогичными сооружениями и т.д.);
3) нарушения строительных норм и правил при выполнении проектирования в части: полноты и достоверности инженерно-геологических исследований, учета агрессивности внешней среды, ошибки в определении нагрузок и воздействий, неверных допусков на изготовление конструкций и изделий, низкое качество материалов, нарушения методов строительства и правил эксплуатации и др.;
4) допущенных ошибок из-за отсутствия достаточного опыта и квалификации проектировщиков, недостатка времени или средств на детальное проектирование.

Некачественное строительство объектов может возникнуть вследствие:

- применения материалов и конструкций, не соответствующих проекту;
- низкого качества строительно-монтажных работ;
- использования необычных или неапробированных методов возведения;
- плохого контроля за качеством исполнении строительства, неудовлетворительного взаимодействия проектировщиков и строителей;
- низкой квалификации производственного персонала или их частой смены;
- неудовлетворительной обстановки на стройке: недостаток времени, средств, плохие взаимоотношения персонала;
- отступлений от строительных норм и правил строительной практики при строительстве сооружения, отступлений от первоначального проекта;

Некачественная эксплуатация может возникнуть вследствие:

- превышения нагрузок над расчетными проектными величинами;
- отсутствия контроля за состоянием сооружения и эксплуатации сооружения с неустраненными дефектами;
- отступлений от правил эксплуатации, использования сооружения не по назначению.

Анализ аварий показал, что при несоблюдении любого из указанных условий возможна авария строительного объекта.

Определение вероятности аварии производится на основании анализа объемно-планировочных и конструктивных решений, влияющих на надежность сооружений, использования экспертных оценок, а также расчетных данных или материалов натурных обследований.

Опросная анкета, на которую анонимно отвечают эксперты, содержит ряд оценочных условий, каждое из которых имеет свой удельный вес, с общей суммой всех условий, равной 1 (см. прил. 3). В этом приложении приведены типовые условия анализа надежности сооружения с учетом особенностей проектирования и условий эксплуатации.

В конкретных условиях, при необходимости, может быть проведен анализ надежности проекта с учетом дополнительных требований, а число условий может быть увеличено или изменено.

Каждое условие оценивается по балльной шкале и имеет пять вариантов ответа: 1 (неприемлемо), 2 (неудовлетворительно), 3 (удовлетворительно), 4 (хорошо), 5 (отлично).

Условную надежность здания или сооружения β определяют по формуле

где Р i - удельная оценка надежности, получаемая умножением удельного веса условия на оценку в баллах.

Полученные значения для сооружения сравнивают со шкалой оценок надежности (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Шкала оценок надежности и вероятности аварии сооружений по экспертным опенкам

Хотя определение подверженности сооружений аварии по приведенной методике может быть выполнено довольно приблизительно, однако преимуществом указанной методики является меньшая ее зависимость от субъективных оценок.

Для более достоверной оценки надежности сооружения и определения возможных аварийных ситуаций осуществляется проверка несколькими независимыми экспертами.

В случае неблагоприятного прогноза назначают дополнительные меры по проверке достоверности исходных материалов для проектирования, качества проектных решений, процессов строительства и эксплуатации с целью выявления и устранения причин возможного снижения степени надежности объекта.

Помимо экспертных оценок надежность проекта сооружения может быть установлена из анализа сооружения как конструктивной системы, состоящей из отдельных конструкций, связанных между собой в определенной последовательности и находящихся во взаимодействии с различными событиями.

Опыт строительства показал, что различные конструктивные системы сооружений одинакового назначения могут обладать различной надежностью, а аварии случаются тогда, когда один или несколько совместных отказов в составе системы приводит к опасной ситуации.

Решение сложной проблемы установления отказа всей системы производится методом ее упрощения путем построения так называемого логического древа отказов.

Древо отказов является графическим представлением взаимосвязей между исходными отказами отдельных элементов системы и событиями, приводящими к возникновению различных аварийных ситуаций, соединенных логическими знаками "и", "или".

Исходными отказами являются события, для которых имеются данные о вероятности их возникновения. Обычно это отказы элементов системы: разрушение конструкций и узлов соединения конструкций, различные инициирующие события (ошибки персонала при эксплуатации, случайные повреждения и т.п.).

Установление надежности сооружения начинают с предварительного анализа опасностей, которые затем используют при построении древа отказов.

Анализ проводят на основе изучения процесса работы и эксплуатации конструктивной системы, детального рассмотрения воздействий окружающей среды, существующих данных по отказам аналогичных сооружений.

Прежде всего определяют, что является отказом системы, и вводят необходимые ограничения на анализ. Например, устанавливают необходимость учета интенсивности и повторяемости землетрясений, аварий оборудования, рассмотрения только начального отказа сооружения (отказа в начальный срок эксплуатации) или отказа в течение всего срока службы и т.п.

Затем выявляют элементы системы, которые могут вызвать опасные состояния, например, конструкций, узлов соединений, грунтов оснований и фундаментов сооружения, внешние инициирующие события и т.д. При этом ставят вопрос, что будет с системой, если произойдет отказ какого-либо из элемента.

Для того чтобы получить количественную оценку надежности с помощью древа отказов, нужно иметь данные об исходных отказах. Эти данные могут быть получены на основе опыта эксплуатации отдельных строительных объектов, экспериментов и экспертных оценок специалистов.

Построение древа отказов производят с соблюдением определенных правил. Вершина древа обозначает конечное событие. Абстрактные события заменяют на менее абстрактные. Например, событие "авария нефтяного резервуара" заменяют на менее абстрактное событие "разрушение резервуара".

Сложные события разделяют на более элементарные. Например, "отказ резервуара" (рис. 6.1), который может произойти в течение срока его службы, разделяют на отказ в стадии испытания и отказы в первые и последующие 10 лет эксплуатации. Такое разделение вызвано различными причинами отказов: начальной надежностью сооружения и накоплением повреждений в результате длительной эксплуатации.

Рис. 6.1. Древо отказов стального нефтяного резервуара при эксплуатации

При построении древа отказов с целью упрощения обычно не включают события с очень малой вероятностью.

Количественным показателем отказа системы является вероятность (Q) возникновения одного отказа в течение принятого срока эксплуатации. Надежность системы (Р ) определяется выражением

Если система состоит из i элементов, соединенных с помощью знака "или", ее отказ будет определяться как

где q, - вероятность отказа i-го элемента системы.

При малой величине q i формулу (6.3) можно приближенно выразить как

Для системы или подсистемы из i элементов, соединенных знаком "и", отказ будет

Таким образом, исследование надежности конструктивных систем позволяет решить несколько важных для практики задач: качественно оценивать надежность запроектированного строительного объекта и в случае повышенной опасности осуществлять мероприятия для ее повышения, определять при проектировании относительную надежность сооружения для различных вариантов конструктивных схем, количественно оценивать надежность сооружений и безопасность окружающей среды.

Определение ожидаемого ущерба и дестабилизирующих факторов

Ожидаемый ущерб от природных и техногенных воздействий зависит от двух основных дестабилизирующих факторов:

- интенсивность и частота природных и техногенных воздействий на здания и сооружения;
- инженерные (количественные) знания о сопротивляемости или защищенности строительных объектов и селитебных территорий от разрушительных воздействий техногенных и природных явлений.

Алгоритм расчетов и оценки экономических последствий от ожидаемых воздействий следующий.

Для природных воздействий:

- определяют научно обоснованную возможность возникновения разрушительных природных явлений на рассматриваемой территории, способных нанести вред инженерным сооружениям (транспортные коммуникации, объекты гидротехники и энергетики), промышленным и гражданским объектам;
- оценивают вероятность возникновения каждого вида природных воздействий, их интенсивность и частоту повторяемости;
- определяют состояние грунтовой среды и устанавливают прочностные характеристики несущих и ограждающих конструкций;
- выполняют комплекс аналитических работ и инженерных расчетов по определению надежности работы фундаментов и сопротивляемости строительных конструкций нагрузкам, возникающим при природных и техногенных воздействиях за расчетный период эксплуатации;
- выполняют работы по усилению конструкций зданий и сооружений, если в этом есть необходимость, по изменению схем транспортных коммуникаций (например, в лавиноопасных районах или на селевых участках) и другие необходимые решения.

Для техногенных воздействий:

- определяют возможность возникновения техногенных аварий и вероятность их возникновения;
- оценивают влияние техногенных аварий на окружающую среду и безопасность проживания населения;
- рассматривают возможность предотвращения или предупреждения техногенных воздействий;
- выполняют работы по реконструкции и модернизации объекта для повышения уровня безопасности и надежности потенциально опасных объектов;
- разрабатывают мероприятия по локализации воздействия аварии на окружающую среду и для защиты населения и производственного персонала.

По данным ожидаемых воздействий и определению возможных повреждений и разрушений строительных объектов и наносимому вреду окружающей среде подсчитываются расчетные значения ущерба и убытков, как в сфере экономических потерь, так и в вопросах здоровья и жизнедеятельности населения. При этом рекомендации и выводы могут быть восстановительного характера либо реконструкции и модернизации, а также кардинального изменения структуры экономики района и даже переселения населения из районов с серьезными опасностями и ущербами, которые экономически развивать нецелесообразно (например, в районах сильных землетрясений, постоянных наводнений и сходов лавин). В каждом конкретном случае должны выполняться квалифицированный анализ и серьезное общественное обсуждение.

Разработка мероприятий по повышению надежности строительных объектов и жизнедеятельности населения

Для обеспечения надежности строительных объектов должны быть определены прочностные характеристики зданий и сооружений и выполнены сопоставления их со всеми видами нагрузок и воздействий, которые могут возникнуть за расчетный период эксплуатации.

При обнаружении недостаточной устойчивости и несущей способности строительных объектов по отношению к действующим нагрузкам и воздействиям должны выполняться следующие виды работ:

- обследуют с помощью приборов и инструментов все объекты, надежность которых вызывает сомнения или опасения;
- определяют прочностные характеристики несущих конструкций и оценивают состояние грунтов оснований с учетом их поведения при вибрационных и других нагрузках, способных снизить устойчивость грунтовой среды или вызвать повреждения фундаментов;
- разрабатывают проект усиления или реконструкции, исключающий повреждения или разрушения объекта либо потерю его общей устойчивости при возможных и ожидаемых нагрузках и воздействиях в чрезвычайных ситуациях;
- в соответствии с разработанным проектом выполняют необходимый комплекс усиления или реконструкции строительного объекта;
- осуществляют строгий контроль качества исполнения строительно-монтажных работ с учетом повышенных требований, предусмотренных нормами и стандартами для районов с высокими нагрузками и воздействиями;
- при выполнении строительно-монтажных работ необходимо требовать сертификат качества на используемые материалы и конструкции с гарантированными сроками долговечности в течение расчетного периода эксплуатации объектов;
- осуществляется согласно нормам и стандартам приемка в эксплуатацию усиленного либо реконструированного объекта в соответствии с материалами проекта и данными фактического исполнения;
- разрабатывают рекомендации по эксплуатации зданий и сооружений с учетом обеспечения их надежности и долговечности при максимальных расчетных нагрузках и воздействиях в течение нормативного периода.