EA018263B1 - Method of probabilistic assessment of building parts physical deterioration - Google Patents
Method of probabilistic assessment of building parts physical deterioration Download PDFInfo
- Publication number
- EA018263B1 EA018263B1 EA201000401A EA201000401A EA018263B1 EA 018263 B1 EA018263 B1 EA 018263B1 EA 201000401 A EA201000401 A EA 201000401A EA 201000401 A EA201000401 A EA 201000401A EA 018263 B1 EA018263 B1 EA 018263B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- building
- probability
- failure
- destruction
- strength
- Prior art date
Links
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
- Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
Abstract
Description
(57) Изобретение относится к исследованиям в области оценки безопасности использования зданий и их упругих элементов и предполагает разработку вероятностной шкалы оценки степени физического износа элементов зданий. Предлагается способ, включающий определение усредненной степени физического износа здания на основе количественной оценки текущего технического состояния его элементов и здания в целом по сравнению с первоначальным состоянием технических и эксплуатационных свойств конструкций и здания в целом. Согласно изобретению в качестве показателя физического износа упругого элемента здания принимают повышение вероятности его отказа или разрушения за известный промежуток времени, определяют среднюю прочность элемента в начале эксплуатации и через известный промежуток времени, устанавливают величины начальной и предельно допустимой за весь срок службы вероятности отказа или разрушения элемента, по полученным значениям путем деления разности средних значений начальной и предельно допустимой прочности на 100% и на величину срока службы элемента формируют процентную и временную шкалы, характеризующие меру износа элемента здания, на основании которых осуществляют оценку состояния элемента здания за счет роста вероятности его отказа или разрушения путем построения зависимости(57) The invention relates to research in the field of assessing the safety of the use of buildings and their elastic elements and involves the development of a probabilistic scale for assessing the degree of physical deterioration of building elements. A method is proposed that includes determining the average degree of physical deterioration of a building based on a quantitative assessment of the current technical condition of its elements and the building as a whole compared to the initial state of the technical and operational properties of structures and the building as a whole. According to the invention, an increase in the probability of its failure or destruction over a known period of time is taken as an indicator of the physical wear of an elastic element of a building, the average strength of an element at the beginning of operation is determined and after a known period of time, the values of the initial and maximum permissible probability of failure or destruction of an element for the entire service life according to the obtained values by dividing the difference between the average values of the initial and maximum permissible strength by 100% and the value of the service life the element is formed by the percentage and time scales characterizing the measure of wear of the building element, on the basis of which the state of the building element is assessed due to the increase in the probability of its failure or destruction by building the relationship
ь где ψί - интенсивность изменения вероятности отказа (разрушение) за период ΔΤ в долях 1 за единицу времени; щ и щ+ι - значение аргумента (показателя прочности), для которого необходимо определить вероятности отказа (разрушения) в начале и конце рассматриваемого периода; Р; и Рм плотности вероятности распределения в начале и конце рассматриваемого периода; Ь - верхний предел плотности вероятности распределения.l where ψί is the intensity of the change in the probability of failure (destruction) for the period ΔΤ in fractions of 1 per unit time; u and u + v are the value of the argument (strength indicator), for which it is necessary to determine the probability of failure (failure) at the beginning and end of the period under consideration; R; and P m the probability density of the distribution at the beginning and end of the period in question; B is the upper limit of the probability density of the distribution.
018263 В1018263 B1
Изобретение относится к исследованиям в области оценки безопасности использования зданий и их упругих элементов.The invention relates to research in the field of assessing the safety of the use of buildings and their elastic elements.
Известен способ оценки физического износа жилых зданий [1, 2], включающий понятие физического износа конструкции, элемента, системы инженерного оборудования и здания в целом, под которым понимается утрата первоначальных технико-эксплуатационных качеств (прочности, устойчивости, надежности и др.) в результате воздействия природно-климатических факторов и жизнедеятельности человека. Физический износ на момент его оценки в [1] выражается соотношением стоимости объективно необходимых ремонтных мероприятий, устраняющих повреждения конструкции, элемента, системы или здания в целом, и их восстановительной стоимости.A known method for assessing the physical deterioration of residential buildings [1, 2], including the concept of physical deterioration of the structure, element, engineering equipment system and the building as a whole, which is understood as the loss of the initial technical and operational qualities (strength, stability, reliability, etc.) as a result the impact of climatic factors and human life. Physical depreciation at the time of its assessment in [1] is expressed by the ratio of the cost of objectively necessary repair measures that eliminate damage to the structure, element, system or building as a whole, and their replacement cost.
Таким образом, способ оценки, приведенной в [1, 2], определяет не физический износ (уменьшение прочности, устойчивости, надежности и т.п.), а стоимостной износ, при котором 100% износа наступает при достижении стоимости объективно необходимых ремонтных мероприятий, устраняющих повреждения конструкций, элемента, системы или здания в целом, стоимости новых поврежденных объектов и их встраивания в систему или здание в период обследования. Следовательно, такая величина износа зависит от сложившихся в период обследования рыночных цен на строительные изделия, материалы и ремонтные работы. Поэтому способ оценки [1] так называемого физического износа к физике процесса потери прочности строительных изделий и конструкции имеет весьма косвенное отношение, а определение термина физический износ (здания, элемента) не соответствует содержанию смысла этого термина.Thus, the valuation method given in [1, 2] does not determine physical wear (reduction of strength, stability, reliability, etc.), but cost wear, at which 100% of wear occurs when the cost of the objectively necessary repair measures is reached, eliminating damage to structures, element, system or building as a whole, the cost of new damaged objects and their integration into the system or building during the inspection period. Therefore, this amount of depreciation depends on the prevailing market prices for construction products, materials and repair work during the survey period. Therefore, the evaluation method [1] of the so-called physical wear and tear to the physics of the process of loss of strength of building products and structures is very indirectly related, and the definition of the term physical wear (of a building, element) does not correspond to the meaning of this term.
Известен способ оценки морального износа здания (элемента) [3, приложение 1], который характеризуется степенью несоответствия основных параметров, определяющих условия проживания, объем и качество предоставляемых услуг современным требованиям. Этот способ незначительно влияет на безопасность функционирования здания, хотя зачастую играет существенную и даже решающую роль при выборе вида ремонта, модернизации и реконструкции.There is a method of assessing the obsolescence of a building (element) [3, Appendix 1], which is characterized by the degree of mismatch of the main parameters that determine living conditions, the volume and quality of services provided to modern requirements. This method slightly affects the safety of the building, although it often plays a significant and even decisive role in choosing the type of repair, modernization and reconstruction.
Известен способ оценки физического износа здания (элемента), приведенный в [3, приложение 1], где сказано, что физический износ здания (элемента) - величина, характеризующая степень ухудшения технических и связанных с ними других эксплуатационных показателей здания (элемента) на определенный момент времени. Такое определение термина физический износ имеет всеобъемлющий качественный характер без описания конкретных возможных количественных оценок, которые необходимы для принятия технических решений.A known method for assessing the physical deterioration of a building (element) is given in [3, Appendix 1], where it is said that the physical wear of a building (element) is a value that characterizes the degree of deterioration of the technical and related other operational indicators of the building (element) at a certain point time. Such a definition of the term physical deterioration has a comprehensive qualitative character without describing the specific possible quantitative estimates that are necessary for making technical decisions.
Таким образом, используемые в настоящее время [1, 2 и 3] определения понятий морального и физического износа не позволяют представить способ реальной оценки износа элемента здания и здания в целом в реальном масштабе времени.Thus, the currently used [1, 2, and 3] definitions of the concepts of moral and physical depreciation do not allow us to present a method for real-time assessment of the wear of an element of a building and the building as a whole.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения принята фундаментальная работа Е.П. Матвеева [4, с. 44], в которой физический износ характеризуется как количественная оценка технического состояния, показывающая долю ущерба по сравнению с первоначальным состоянием технических и эксплуатационных свойств конструкций и здания в целом. В [4] приведены значения усредненных степеней износа московских и санкт-петербургских домов массовой застройки, достигающих в возрасте зданий более 50 лет 40-50%. И это в условиях проведения необходимых ремонтов.As a prototype of the invention, the fundamental work of E.P. Matveeva [4, p. 44], in which physical deterioration is characterized as a quantitative assessment of the technical condition, showing the proportion of damage compared with the initial state of the technical and operational properties of the structures and the building as a whole. In [4], the values of the average degrees of wear of Moscow and St. Petersburg houses of mass development are given, reaching 40-50% at the age of buildings over 50 years old. And this is in the conditions of the necessary repairs.
Далее в [4, с. 163] для теоретической оценки уменьшения надежности системы во времени У(Т), состоящей из совокупности элементов здания, используется утверждение, что время достижения критического множества О в достаточно общих предположениях, выполненных для широкого класса практических задач, имеет экспоненциальное распределение, так что У(Т) « ехр(-Т/Ткр), где Т - текущее время и Ткр - среднее время достижения критического уровня. По мнению авторов предлагаемого изобретения, среднее время достижения критического уровня соответствует определениям капитального ремонта [3, с. 10], где говорится, что капитальный ремонт здания - это ремонт с целью восстановления его ресурса....Further in [4, p. 163] to theoretically evaluate the decrease in the reliability of the system in time Y (T), consisting of a set of building elements, the statement is used that the time to reach the critical set O under fairly general assumptions made for a wide class of practical problems has an exponential distribution, so that Y ( T) “exp (-T / T cr ), where T is the current time and T cr is the average time to reach a critical level. According to the authors of the invention, the average time to reach a critical level corresponds to the definition of overhaul [3, p. 10], which states that the overhaul of a building is a repair in order to restore its resource ....
Такой общий подход к оценке уменьшения надежности нормального функционирования здания не может характеризовать отдельные элементы, состояние которых может решительным образом повлиять на состояние всей конструкции здания или его отдельных систем. Но главным недостатком принятого в [4] понятия износа является его распространение на сравнение с первоначальным состоянием технических показателей, в том числе прочностных свойств силовых элементов здания. Значит средний износ в размере 50% в 2 раза ослабляет расчетную прочность несущих конструкций зданий, а с учетом возможных колебаний существенно больше. Тогда почему при среднем уровне износа до 50% тысячи зданий Москвы и Санкт-Петербурга до сих пор не рухнули?Such a general approach to assessing a decrease in the reliability of the normal functioning of a building cannot characterize individual elements whose state can decisively affect the state of the entire structure of the building or its individual systems. But the main drawback of the concept of wear adopted in [4] is its extension to comparison with the initial state of technical indicators, including the strength properties of the building’s power elements. This means that average wear and tear in the amount of 50% doubles the design strength of the supporting structures of buildings, and, subject to possible fluctuations, significantly more. Then why, with an average level of depreciation of up to 50%, thousands of buildings in Moscow and St. Petersburg still have not collapsed?
Следовательно, главным недостатком предложенного в [4] понятия физического износа является его отнесение к первоначальным физическим характеристикам здания и отсутствие при его (физического износа) оценке учета увеличения во времени вероятности отказа каждого элемента здания. По мнению авторов изобретения, для проведения более объективной оценки технического и эксплуатационного состояния здания его физический износ следует относить не только к первоначальным физическим характеристикам здания, но к повышению во времени вероятности отказа или разрушения каждого элемента. Эта вероятность отказа или разрушения в предельном состоянии не должна превышать Ν(Τ) = 0,5, что примерно соответствует среднему значению оцениваемого параметра без учета присущего вероятностному разбросу всех входящих в определение расчетного значения параметра величин (коэффициентов).Consequently, the main drawback of the concept of physical deterioration proposed in [4] is its attribution to the initial physical characteristics of the building and the absence of its (physical deterioration) assessment of taking into account the increase in time of the failure probability of each building element. According to the authors of the invention, to conduct a more objective assessment of the technical and operational condition of the building, its physical wear should be attributed not only to the initial physical characteristics of the building, but to an increase in time of the probability of failure or destruction of each element. This probability of failure or failure in the limiting state should not exceed Ν (Τ) = 0.5, which approximately corresponds to the average value of the estimated parameter without taking into account the inherent probabilistic spread of all quantities (coefficients) included in the determination of the calculated value of the parameter.
- 1 018263- 1 018263
Задачами предлагаемого способа оценки вероятностного износа элементов зданий являются оценка динамики значений вероятности отказа или разрушения упругого элемента здания в процессе их эксплуатации в течение срока службы;The objectives of the proposed method for assessing the probable wear of building elements are to assess the dynamics of the values of the probability of failure or destruction of the elastic element of the building during their operation during the service life;
разработка вероятностной шкалы оценки степени физического износа элементов зданий;development of a probabilistic scale for assessing the degree of physical deterioration of building elements;
пределы практически возможного значения используемого физического параметра элементов по фактору вероятности отказа или разрушения.limits of the practically possible value of the used physical parameter of the elements according to the probability factor of failure or destruction.
Технический результат, соответствующий указанным задачам изобретения, достигается посредством нового способа вероятностной оценки износа элементов зданий, включающего определение усредненной степени физического износа здания на основе количественной оценки текущего технического состояния его элементов и здания в целом по сравнению с первоначальным состоянием технических и эксплуатационных свойств конструкций и здания в целом, согласно способу по изобретению в качестве физического показателя износа упругого элемента здания принимают повышение вероятности его отказа или разрушения за известный промежуток времени, определяют среднюю прочность элемента в начале эксплуатации и через известный промежуток времени, устанавливают величины начальной и предельно допустимой вероятности отказа или разрушения за весь срок службы элемента, по полученным значениям путем деления разности средних значений начальной и предельно допустимой прочности на 100% и на величину срока службы элемента формируют процентную и временную шкалы, характеризующие меру износа элемента здания, на основании которых осуществляют оценку состояния элемента здания за счет роста вероятности его отказа или разрушения путем построения зависимостейThe technical result corresponding to the stated objectives of the invention is achieved by a new method for the probabilistic assessment of the wear of building elements, including determining the average degree of physical wear of a building based on a quantitative assessment of the current technical condition of its elements and the building as a whole compared to the initial state of technical and operational properties of structures and buildings in General, according to the method according to the invention as a physical indicator of the wear of the elastic element of the building they increase the probability of its failure or destruction over a known period of time, determine the average strength of the element at the beginning of operation and after a known period of time, establish the values of the initial and maximum permissible probability of failure or destruction over the entire life of the element, according to the values obtained by dividing the difference between the average values of the initial and the maximum permissible strength of 100% and the value of the life of the element form the percentage and time scales characterizing the measure of wear of the building element Based on which estimation is performed of the building element state due to increase in the probability of its failure or destruction by constructing dependencies
где φ1 - интенсивность изменения вероятности отказа (разрушения) за период ΔΤ в долях 1 за единицу времени;where φ 1 - the intensity of the change in the probability of failure (destruction) for the period ΔΤ in fractions of 1 per unit time;
Ф1 и Ф1+1 - вероятности отказа (разрушения) элемента здания в начале и конце рассматриваемого периода, доли 1;Ф 1 and Ф 1 + 1 - probability of failure (destruction) of a building element at the beginning and end of the period under review, share 1;
и1 и и1+1 - значение аргумента (показателя прочности), для которого необходимо определить вероятности отказа или разрушения в начале и конце рассматриваемого периода;and 1 and 1 + 1 - the value of the argument (strength indicator) for which it is necessary to determine the probability of failure or failure at the beginning and end of the period under consideration;
Р1 и Р1+1 - плотности вероятности распределения в начале и конце рассматриваемого периода;P 1 and P 1 + 1 - probability density of distribution at the beginning and end of the period in question;
Ь - верхний предел плотности вероятности распределения.B is the upper limit of the probability density of the distribution.
Элементы здания - это конструкции или инженерные системы, составляющие здание и предназначенные для выполнения заданных функций [СНБ 1.04.01-04, стр. 3].Elements of a building are structures or engineering systems that make up a building and are designed to perform specified functions [SNB 1.04.01-04, p. 3].
Способ основан на том, что в качестве физического параметра, являющегося основным в характеристиках износа элементов зданий, принимают вероятность отказа или разрушения, которая лежит в основе определения прочностных характеристик и определяет понятие надежности элемента здания. Соответственно, такой износ авторы определяют как вероятностный износ.The method is based on the fact that the probability of failure or destruction, which underlies the determination of strength characteristics and defines the concept of reliability of a building element, is taken as a physical parameter that is the main parameter in the wear characteristics of building elements. Accordingly, the authors define such wear and tear as probabilistic wear.
Сущность способа оценки вероятностного износа элементов зданий включает определение начального уровня вероятности разрушения или отказа нового элемента и его средней прочности, предельно допустимого уровня вероятности отказа или разрушения и минимально допустимой средней прочности с периодическим определением этих параметров различными экспериментальными методами в течение срока службы элемента здания и анализом динамики изменения во времени.The essence of the method for assessing the probable wear of building elements includes determining the initial level of probability of destruction or failure of a new element and its average strength, the maximum acceptable level of probability of failure or destruction and the minimum acceptable average strength with periodic determination of these parameters by various experimental methods during the life of the building element and analysis dynamics of change over time.
В результате такого мониторинга определяются текущие значения средней прочности элемента, вероятности отказа или разрушения и интенсивности их изменения.As a result of such monitoring, the current values of the average strength of the element, the probability of failure or destruction, and the intensity of their change are determined.
Для сравнения измеренных изменений средних значений прочности и вероятностей разрушения с планово-предусмотренными разрабатываются шкала средних процентных изменений прочности (МПа/%), для которой за 100% принимается предельно-допустимые уменьшение средней прочности и повышение вероятности разрушения (%/%), а также шкала изменений во времени, например за 1 год, средних величин прочности и роста вероятности отказа или разрушения (МПа/год и %/год). Шкала средних процентных изменений прочности характеризует меру вероятностного износа, а шкала изменений во времени характеризует меру временного износа.To compare the measured changes in the average strength values and fracture probabilities with the planned ones, a scale of average percent strength changes (MPa /%) is developed, for which the maximum permissible decrease in average strength and an increase in the probability of fracture (% /%) are taken as scale of changes in time, for example, for 1 year, the average values of strength and the growth of the probability of failure or failure (MPa / year and% / year). The scale of average percent changes in strength characterizes a measure of probabilistic wear, and the scale of changes in time characterizes a measure of temporary wear.
Явление физического износа любой конструкции, а также твердого и существенно ограниченного по пластичности материала в значительной мере аналогично понятию и механизму явления усталости металлов, описанному в [4, с. 585-586]. В основу этого механизма заложено представление о поликристалличности материла и неизбежность его неоднородности, за счет которой создаются возможности появления микротрещин. При этом в случае напряжений, вызванных статическими нагрузками, подобные микротрещины не опасны. Если напряжения переменны во времени, что характерно для строительных конструкции (ветровая и снеговая нагрузки, ремонтные и праздничные мероприятия жильцов и т.п.), то имеет место тенденция к развитию микротрещин, приводящих в конечном итоге к усталостному разрушению как отдельных элементов, так и целых строительных конструкций. Такой механизм разрушения аналитически описывается в теории Грифитса-Орована. Объяснение зависимости пределов усталостной выносливости металлов от размеров сечения деталей и других закономерностей и характеристикThe phenomenon of physical wear and tear of any design, as well as of a material that is hard and substantially limited in ductility, is largely analogous to the concept and mechanism of the metal fatigue phenomenon described in [4, p. 585-586]. The basis of this mechanism is the idea of the polycrystalline nature of the material and the inevitability of its heterogeneity, which creates the possibility of microcracks. Moreover, in the case of stresses caused by static loads, such microcracks are not dangerous. If stresses are time-varying, which is typical for building structures (wind and snow loads, repair and holiday events of residents, etc.), then there is a tendency to the development of microcracks, which ultimately lead to fatigue failure of both individual elements and whole building structures. Such a fracture mechanism is analytically described in the Griffiths-Orowan theory. An explanation of the dependence of the fatigue endurance limits of metals on the dimensions of the cross-section of parts and other laws and characteristics
- 2 018263 дают статистические теории усталости [4, с. 597]. В качестве основных факторов, влияющих на усталостный износ, рассматриваются [4, с. 598-601] влияние состояния поверхности, в том числе коррозии, а также микронеровностей, режимов нагружения и пауз, перегрузок, тренировки и колебаний температуры. Каждый из этих факторов и их сочетание могут оказывать существенное влияние на усталостный износ. Так, пластическая деформация поверхностного слоя может дать повышение предела выносливости на 10-20%. Наличие в поверхностном слое значительных сжимающих остаточных напряжений затрудняют образование усталостных трещин и поэтому повышают предел выносливости.- 2 018263 give statistical theory of fatigue [4, p. 597]. The main factors affecting fatigue wear are considered [4, p. 598-601] the influence of the surface condition, including corrosion, as well as microroughness, loading and pause modes, overloads, training and temperature fluctuations. Each of these factors and their combination can have a significant impact on fatigue wear. So, plastic deformation of the surface layer can give an increase in the endurance limit by 10-20%. The presence of significant compressive residual stresses in the surface layer impedes the formation of fatigue cracks and therefore increases the endurance limit.
Существенное влияние на прочностные свойства материала оказывает его однородность [5, с. 454]. Например, для стали марки Ст.З коэффициент однородности принимается в размере ко = 0,85-0,90, что примерно соответствует коэффициенту вариации прочности около Кв » 0,05 (5%). Величины коэффициентов вариации значений прочности бетона в условиях строительства составляет Кв » 0,1-0,2 (10-20%) и уменьшаются с ростом средней прочности. Для учета снеговой нагрузки в [5, с. 454] рекомендуется коэффициент перегрузки, равный 1,4, который может быть различным. Поэтому при любом методе расчета строительных конструкций, в том числе по предельным состояниям, необходимо учитывать стохастичность свойств материала и нагрузок на строительную конструкцию.A significant effect on the strength properties of a material is exerted by its homogeneity [5, p. 454]. For example, for steel grade St.Z, the uniformity coefficient is taken in the amount of k0 = 0.85-0.90, which approximately corresponds to the coefficient of variation of strength near K in »0.05 (5%). The values of the coefficients of variation in the values of concrete strength under construction conditions are K in »0.1-0.2 (10-20%) and decrease with increasing average strength. To account for snow load in [5, p. 454] a load factor of 1.4 is recommended, which may vary. Therefore, with any method of calculating building structures, including the limit states, it is necessary to take into account the stochasticity of the material properties and loads on the building structure.
Учитывая существенную стохастичность процессов разрушения материалов и изделий, следует их износ оценивать с позиции увеличения вероятности отказа или разрушения (понижения надежности) с ростом времени эксплуатации. Примером сказанному может служить случай обрушения кровли в спортзале Красно польской школы [7]. УП Стройнаука были обследованы 16 спортзалов, аналогичных аварийному, и в несущих конструкциях были обнаружены существенные дефекты и повреждения, в том числе сквозные трещины с раскрытием до 1,6 мм наклонной ориентации в опорных узлах безраскосных железобетонных ферм пролетом 24 м - основных несущих конструкций этих спортзалов. Кроме этих признаков износа обнаружено скалывание бетона оголовков удлиненных стоек ферм под опорами плит покрытий, а также горизонтальные и наклонные трещины в узлах сопряжения стоек с поясами ферм [7]. Таким образом, обрушение одной кровли из 17 дает около 6% (0,06) вероятности разрушения или 94% (0,94) надежности функционирования до рассматриваемого момента времени. Для принятого при проектировании спортзалов коэффициенте запаса 1,5 с учетом возможного превышения массы покрытия кровли на 25-30% по сравнению с проектной коэффициент вариации прочности может составлять Кв » 0,13 для реализации 1 случая из 17. Здесь также необходимо учесть, что разрушение оголовка одной из десятка или более ферм, поддерживающих кровлю спортзала, может привести к своеобразной цепной реакции разрушения и обрушению (быстрому опусканию) кровли здания, как это произошло на одном из московских рынков.Given the significant stochasticity of the processes of destruction of materials and products, their wear should be evaluated from the point of view of increasing the probability of failure or destruction (lowering reliability) with increasing operating time. An example of what has been said is the case of a roof collapse in the gym of the Red-Polish School [7]. Stroynauk Unitary Enterprise 16 gymnasiums similar to the emergency were examined, and significant defects and damages were found in the supporting structures, including through cracks with an opening of up to 1.6 mm of inclined orientation in the support nodes of dummy reinforced concrete trusses with a span of 24 m - the main supporting structures of these gyms . In addition to these signs of wear, shear of concrete was found on the heads of the elongated truss racks under the supports of the coating slabs, as well as horizontal and inclined cracks in the interface nodes of the trusses with truss belts [7]. Thus, the collapse of one roof out of 17 gives about 6% (0.06) of the probability of destruction or 94% (0.94) of the reliability of functioning up to the point in time. For the safety factor adopted during the design of gyms, taking into account a possible excess of the roof covering mass by 25-30% compared with the design coefficient of variation in strength, it can be K in »0.13 to implement 1 case out of 17. Here it is also necessary to take into account that the destruction of the head of one of a dozen or more farms supporting the gymnasium roof can lead to a peculiar chain reaction of destruction and the collapse (rapid lowering) of the roof of the building, as happened in one of the Moscow markets.
Поэтому вероятность разрушения (отказа) элемента здания может служить количественным показателем физического износа, так как зависит от изменения средней прочности.Therefore, the probability of destruction (failure) of a building element can serve as a quantitative indicator of physical wear, as it depends on changes in average strength.
Если принять изменение распределения вероятности значений прочности строительной конструкции или элемента Ν(χ), соответствующее закону Гаусса (нормальный закон распределения), что признается большинством исследователей, то для нормального распределения Ν(χ,σ2) плотность вероятности распределения Р(х) в точке х выражается [8, с. 12-14] уравнениемIf we accept the change in the probability distribution of the strength values of the building structure or the element Ν (χ), corresponding to the Gaussian law (normal distribution law), which is recognized by most researchers, then for the normal distribution Ν (χ, σ 2 ) the probability density of the distribution of P (x) at x is expressed [8, p. 12-14] equation
Р(х) =-==—ехр (2) где σ - стандартное отклонение;P (x) = - == - exp (2) where σ is the standard deviation;
σ2 - дисперсия;σ 2 is the dispersion;
X; - численное значение распределенной величины;X; - the numerical value of the distributed value;
х - среднее значение величины. x is the average value.
Тогда вероятность отказа (разрушения) элемента здания Ф(и) соответствует значению нормальной функции распределения N(0,1), определяемого из выражения (3) гдеThen the probability of failure (destruction) of the building element Ф (и) corresponds to the value of the normal distribution function N (0,1), determined from the expression (3) where
-у, ~х - y , ~ x
Если распределение значений необходимого показателя прочности элемента здания существенно отличается от нормального закона (например, описывается распределением плотности вероятности по Вейбуллу) и описывается положительной непрерывной конечной функцией Р,(х). то вероятность отказа (разрушения) Ф;(щ) элемента определяется из выражения где а - нижний предел интегрирования (начало функции плотности распределения), который может приIf the distribution of the values of the required strength indicator of a building element differs significantly from the normal law (for example, it is described by the Weibull probability density distribution) and is described by a positive continuous finite function P, (x). then the probability of failure (destruction) Ф; (щ) of an element is determined from the expression where a is the lower limit of integration (the beginning of the distribution density function), which can
-3 018263 нимать значения от -оо до любой конечной величины, включая 0;-3 018263 accept values from -oo to any final value, including 0;
Ь - верхний предел интегрирования (окончание функции плотности распределения), который может принимать значения от любой конечной величины, включая 0, до +оо;B is the upper limit of integration (the end of the distribution density function), which can take values from any finite value, including 0, to + oo;
И; - значение аргумента (показателя прочности), для которого необходимо определить вероятность отказа (разрушения) элемента здания.AND; - the value of the argument (strength indicator), for which it is necessary to determine the probability of failure (destruction) of the building element.
Если функция Р(х) описана в научно-технической литературе, то значение Φι(χ) можно определить с помощью соответствующих таблиц.If the function P (x) is described in the scientific and technical literature, then the value of Φι (χ) can be determined using the corresponding tables.
Для любой функции Р(х) значение Φι(χ) можно определить графически (отношение площади под кривой от а до Х[ к площади от а до Ь) или расчетным путем (суммирование с любой необходимой степенью точности).For any function P (x), the value Φι (χ) can be determined graphically (the ratio of the area under the curve from a to X [to the area from a to b) or by calculation (summation with any required degree of accuracy).
Авторы предлагаемого изобретения считают, что исходя из существенности вероятностной природы отказа в качестве показателя 100% износа следует принимать среднее значение х используемой величины. Тогда старые здания Санкт-Петербурга и Москвы, достигшие 30-40% износа, сохраняют надежность более 80%.The authors of the invention believe that, based on the materiality of the probabilistic nature of the failure, the average value x of the value used should be taken as an indicator of 100% wear. Then the old buildings of St. Petersburg and Moscow, which reached 30-40% wear, retain reliability of more than 80%.
Изменение вероятности отказа (разрушения) графически определяется изменением величины площади под кривой 3 в соответствии с фиг. 1, где Р(и) - плотность вероятности распределения значений прочности; Ди - относительное уменьшение среднего значения прочности в процессе эксплуатации элемента.The change in the probability of failure (failure) is graphically determined by the change in the area under the curve 3 in accordance with FIG. 1, where P (s) is the probability density of the distribution of strength values; Di - the relative decrease in the average value of strength during operation of the element.
Как видно из фиг. 1, уменьшение средней прочности на величину Ди приводит к увеличению площади 1, эквивалентной вероятности отказа новой кривой 3 плотности вероятности распределения по сравнению с площадью 2 первоначальной кривой 4.As can be seen from FIG. 1, a decrease in the average strength by the value of Di leads to an increase in area 1, which is equivalent to the probability of failure of the new distribution probability density curve 3 in comparison with the area 2 of the initial curve 4.
Все расчеты по определению вероятности отказа (разрушения) еще более упрощаются при использовании теоретической симметрии нормальной кривой плотности вероятности распределения значений прочности.All calculations to determine the probability of failure (failure) are even more simplified by using the theoretical symmetry of the normal curve of the probability density distribution of strength values.
В соответствии с [1,2] степень износа принято выражать в % от полной амортизации, принимаемой за 100% износа. Если в [1, 2] оценка износа представлена в % полной стоимости обследуемого элемента, то для физического износа возможный диапазон изменения (уменьшения) прочностного или иного физического показателя ограничивается предельно допустимой величиной с заданной предельно допустимой вероятностью отказа. Поэтому понятие 100% износа для физических показателей обозначает полное предельно допустимое исчерпание запаса определяемого параметра.In accordance with [1.2], the degree of depreciation is usually expressed as% of the total depreciation taken as 100% of depreciation. If in [1, 2] the wear assessment is presented in% of the total cost of the element being examined, then for physical wear the possible range of change (decrease) in the strength or other physical indicator is limited to the maximum allowable value with a given maximum allowable probability of failure. Therefore, the concept of 100% depreciation for physical indicators means the full maximum permissible exhaustion of the stock of the determined parameter.
Исходя из описанной особенности каждый процент вероятностного износа является показателем роста вероятности отказа (разрушения), а процент износа составляет сотую долю предельно допустимого интервала вероятности отказа от начального момента до капитального ремонта Ткр элемента здания. Кроме того, износ может характеризоваться ростом вероятности отказа за единицу времени (например, за год), что также представляет практический интерес.Based on the described feature, each percentage of probable wear is an indicator of the growth of the probability of failure (destruction), and the percentage of wear is a hundredth of the maximum permissible interval of the probability of failure from the initial moment to the overhaul T cr of a building element. In addition, depreciation can be characterized by an increase in the probability of failure per unit time (for example, per year), which is also of practical interest.
Таким образом, вследствие существенной криволинейности зависимости изменения вероятности отказа от уменьшения средней величины прочности шкалы возможного износа оказываются нелинейным, в значения делений неодинаковыми в разные периоды времени.Thus, due to the significant curvilinearity of the dependence of changes in the probability of failure to reduce the average value of strength, the scales of possible wear are non-linear, the values of the divisions are not the same at different time periods.
Необходимо отметить, что вероятность отказа или разрушения строительной конструкции или ее элемента при известном виде плотности вероятности распределения значений прочности можно количественно оценить за любой период эксплуатации ΔΤ в соответствии с выражениемIt should be noted that the probability of failure or destruction of a building structure or its element with a known type of probability density distribution of strength values can be quantified for any operation period ΔΤ in accordance with the expression
14/+|/ Ь <Ρ-, =[φ.(»ί )-φ,+ι(»ί+ι)]/Δ7 = р, (м, )би /аг(5) ц/ и14 / + | / b <Ρ-, = [ φ . (»Ί) - φ , + ι (» ί + ι)] / Δ 7 = p, (m,) bi / ar (5)
В качестве примера далее приведен расчет вероятностного износа и шкалы оценки железобетонной балки со сроком службы до капитального ремонта Ткр = 50 лет и предельно допустимой вероятностью разрушения 5% (0,05), что соответствует часто принимаемому уровню надежности в 95% (0,95). Средняя начальная прочность балки Т = 40,0 МПа при среднеквадратическом отклонении, определенном в результате стендовых испытаний, σ = 6,0 МПа, что соответствует коэффициенту вариации Кв = 0,15. Распределение плотности вероятности значений прочности балки в первом приближении соответствует закону Гаусса (нормальный закон распределения).As an example, the following is a calculation of the probable wear and tear rating of a reinforced concrete beam with a service life of up to overhaul T cr = 50 years and a maximum permissible fracture probability of 5% (0.05), which corresponds to the often accepted reliability level of 95% (0.95 ) The average initial strength of the beam T = 40.0 MPa with a standard deviation determined as a result of bench tests, σ = 6.0 MPa, which corresponds to the coefficient of variation K in = 0.15. The probability density distribution of the beam strength values in a first approximation corresponds to the Gauss law (normal distribution law).
1. Надежность балки находим по зависимости1. The reliability of the beam is found according to
(6) где и - параметр нормированного отклонения, характеризующий надежность полученных данных.(6) where and is the parameter of the normalized deviation characterizing the reliability of the obtained data.
2. В качестве начальных значений надежности работы балки принимаются величины от 140(и) = 0,999 (99,9%) до предельно допустимой ^(и) = 0,95 (95%). Для приведенных крайних значений надежности вероятности разрушений (отказов) составляют от начальной Фо(и) - 0,001 (0,1%) до конечной Фк(и) = 0,05 (5%), а по таблице функции нормального распределения [8, с. 188] легко определить и,, = 3.1 и ик = 1,64. Тогда2. The values from 14 0 (u) = 0.999 (99.9%) to the maximum allowable ^ (u) = 0.95 (95%) are taken as the initial values of the reliability of the beam. For the given extreme values of reliability, the probabilities of failures (failures) are from the initial Фо (и) - 0.001 (0.1%) to the final Ф к (и) = 0.05 (5%), and according to the table the normal distribution functions [8, from. 188] it is easy to determine and ,, = 3.1 and and k = 1.64. Then
-4 018263-4 018263
Δυ =и0 - Ик = 1,46(7) и предельно допустимое снижение прочности бетонаΔυ = and 0 - Ic = 1.46 (7) and the maximum allowable decrease in concrete strength
Δσκ = Ди-σ = 1,46-6 = 8,76 МПа.(8)Δσκ = Di-σ = 1.46-6 = 8.76 MPa. (8)
Начальная расчетная прочность балки тк - г0 -н0<7 =40,0-3,1 6 = 21,4 Мпа(9) и конечная предельно допустимая средняя прочность т* = Го - Ли4 σ = 40,0 - 8,76 = 31,24 Мпа(10)The initial design strength of the beam t to - g 0 -n 0 <7 = 40.0-3.1 6 = 21.4 MPa (9) and the final maximum permissible average strength t * = Г о - Lie 4 σ = 40.0 - 8.76 = 31.24 MPa (10)
Тогда конечная предельно допустимая расчетная прочность должна составлять ту же величинуThen the final maximum permissible design strength should be the same value
Ъ = Ц = 31,24 - 1,64 - 6 = 21,4 МПа,(11) но среднее значение прочности уменьшилось на 8,76 МПа или примерно на 22% при сохранении прежних параметров распределения.B = C = 31.24 - 1.64 - 6 = 21.4 MPa, (11) but the average value of strength decreased by 8.76 MPa or about 22% while maintaining the same distribution parameters.
3. Определяется процентная и временная шкалы износа балки путем деления разности средних значений начальной и предельно допустимой прочностей на 100% и срок службы до капитального ремонта. Так, для рассматриваемой балки мера износа в 1% составляет фк = Дак/100 = 8,76/100 = 0.0876 МПа/%, (12) и3. The percentage and time scales of beam wear are determined by dividing the difference between the average values of the initial and maximum permissible strengths by 100% and the service life before overhaul. So, for the beam under consideration, the measure of wear of 1% is f k = Yes k / 100 = 8.76 / 100 = 0.0876 MPa /%, (12) and
Фк = ак/Ър = 21,4/50 = 0,1752 МПа/год. (13)Фк = а к / бр = 21.4 / 50 = 0.1752 MPa / year. (thirteen)
Результаты расчетов для других значений Ρ(ΐ), аналогичные приведенным выше, представлены в табл. 1.The calculation results for other values of Ρ (ΐ), similar to those given above, are presented in Table. one.
Таблица 1Table 1
На фиг. 2 приведены зависимости и = ί(Ρ) - кривая 1 и Δΐ = ί(Ρ) - кривая 2, при построении которых использованы данные [8, табл. 1]. Эти графические зависимости позволяют упростить практические расчеты.In FIG. Figure 2 shows the dependences and = ί (Ρ) - curve 1 and Δΐ = ί (Ρ) - curve 2, the construction of which uses the data [8, Table. one]. These graphical dependencies simplify practical calculations.
В качестве примера применения параметров вероятностного износа для оценки состояния балки за счет роста вероятности ее отказа (разрушения) при использовании данных табл. 1 и фиг. 2 на фиг. 3 приведены зависимости и = ί(ΔΤк1) и Διι = ί(ΔΤк1), которые для данного примера оказались примерно линейными в пределах 30 <Т< 40 МПа и аналитически имеющими следующий вид:As an example of the application of the parameters of probabilistic wear to assess the condition of the beam due to the growth of the probability of its failure (destruction) when using the data in table. 1 and FIG. 2 in FIG. Figure 3 shows the dependences u = ί (ΔΤ k1 ) and Διι = ί (ΔΤ k1 ), which for this example turned out to be approximately linear within 30 <T <40 MPa and analytically having the following form:
и = 1,4 + 0,17^ -т*() (14)u = 1.4 + 0.17 ^ -t * ( ) (14)
Δη = 1,7 - 0,17(г0 -г*,) (15)Δη = 1.7 - 0.17 (g 0 -g *,) (15)
Далее рассматриваются 2 варианта расчетов износа балки: равномерное уменьшение средней прочности и равномерное увеличение вероятности отказа в течение всего срока службы. Результаты этих расчетов, методика которых аналогична приведенной выше, с использованием таблиц [8] представлены в табл. 2 и на фиг. 4, на которой сплошные линии 1 и 2 изображают зависимости равномерного уменьшения средней прочности и вероятности отказа (разрушения) Р,(Т) = Г;(Т). Пунктирные линии 3 и 4 изображают зависимости равномерного роста вероятности отказа (разрушения) за период срока службы Рк(Т) = Г;,(Т) и соответствующей этому уменьшению средней прочности Тк, = Г|(Т) во времени.Next, we consider 2 options for calculating beam wear: a uniform decrease in average strength and a uniform increase in the probability of failure over the entire service life. The results of these calculations, the methodology of which is similar to the above, using tables [8] are presented in table. 2 and in FIG. 4, in which solid lines 1 and 2 depict the dependences of a uniform decrease in average strength and the probability of failure (failure) P, (T) = G ; (T). Dashed lines 3 and 4 depict the dependences of a uniform increase in the probability of failure (failure) over the service life period P k (T) = G;, (T) and the corresponding decrease in the average strength T k , = G | (T) in time.
Таблица 2table 2
Как видно из данных, приведенных в табл. 2 и на фиг. 4, при равномерном уменьшении средней прочности балки во времени (фиг. 4, линия 1) кривая роста вероятности отказа (линия 2) имеет почти экспоненциальный вид с положительным показателем степени, что вообще характерно для развития процессов разрушения. Для обеспечения равномерного роста вероятности отказа (пунктирная линия 3) уменьшение средней прочности строительной конструкции или элемента должно происходить по кривой (пунктирная линия 4), близкой по форме к экспоненте с отрицательным показателем степени. Отсюда следует, что для длительного сохранения необходимого уровня надежности строительной конструкции интенсивность уменьшения ее средней прочности должна существенно снижаться с ростом времени эксплуатации или средняя интенсивность за весь период не должна превышать к = (То -Ск )/Ткр - 0,1752 МПа/год.As can be seen from the data given in table. 2 and in FIG. 4, with a uniform decrease in the average strength of the beam over time (Fig. 4, line 1), the growth curve of the probability of failure (line 2) has an almost exponential form with a positive exponent, which is generally characteristic of the development of fracture processes. To ensure a uniform increase in the probability of failure (dashed line 3), a decrease in the average strength of a building structure or element should occur along a curve (dashed line 4) that is close in shape to an exponent with a negative exponent. It follows that in order to maintain the necessary level of reliability of the building structure for a long time, the intensity of decreasing its average strength should significantly decrease with increasing operating time or the average intensity over the entire period should not exceed k = (T o -Sk) / T cr - 0.1752 MPa / year.
Следует отметить, что в случае существенного отличия фактической плотности распределения единичных измеренных значений прочности от нормального закона распределения расчет изменения вероятности отказа (разрушения) строительной конструкции усложняется, но всегда возможен. В зависимости от вида кривой плотности распределения могут изменяться интенсивности роста и величины достигнутых во времени вероятностей отказа (разрушения) строительных конструкций.It should be noted that in the case of a significant difference in the actual distribution density of the individual measured strength values from the normal distribution law, the calculation of the change in the probability of failure (destruction) of a building structure is complicated, but always possible. Depending on the type of the distribution density curve, the growth rates and the values of the failure (destruction) probability of building structures achieved over time can vary.
Практическое применение предлагаемого способа основано на использовании известных в настоящее время методах оценки прочности обследуемой конструкции (балки) и простом суммировании изменений нарастающим итогом. При этом определение средней величины остаточной прочности изделия (балки) производится через каждые 10% срока службы или, в случае ускоренного нарастания вероятности отказа или разрушения, через меньшие промежутки времени в результате проведения не менее 4-5 испытаний по действующим методикам или иным нормативным документам.The practical application of the proposed method is based on the use of currently known methods for assessing the strength of the structure under investigation (beams) and simple summation of the changes on an accrual basis. In this case, the average value of the residual strength of the product (beam) is determined every 10% of the service life or, in the case of an accelerated increase in the probability of failure or destruction, at shorter intervals as a result of at least 4-5 tests using current methods or other regulatory documents.
Предложенный способ не имеет отрицательных последствий и позволяет провести проектирование оптимальных технических решений ремонта, модернизации и реконструкции зданий и предотвратить аварийные ситуации и катастрофы на строительных объектах.The proposed method has no negative consequences and allows the design of optimal technical solutions for repair, modernization and reconstruction of buildings and to prevent emergencies and disasters at construction sites.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BY20091726 | 2009-12-04 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA201000401A1 EA201000401A1 (en) | 2011-06-30 |
EA018263B1 true EA018263B1 (en) | 2013-06-28 |
Family
ID=44356398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA201000401A EA018263B1 (en) | 2009-12-04 | 2010-03-30 | Method of probabilistic assessment of building parts physical deterioration |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA018263B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2704805C2 (en) * | 2017-12-25 | 2019-10-31 | Андрей Александрович Яковенко | Universal cascade multiphase axial magnetoelectric generator |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2140625C1 (en) * | 1998-02-17 | 1999-10-27 | Селезнев Виктор Сергеевич | Method determining physical condition of buildings and structures |
RU2177144C1 (en) * | 2001-04-28 | 2001-12-20 | Алмазова Наталия Михайловна | Way to construct multiparametric digital models of construction objects, to analyze and model their states ( variants ) |
-
2010
- 2010-03-30 EA EA201000401A patent/EA018263B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2140625C1 (en) * | 1998-02-17 | 1999-10-27 | Селезнев Виктор Сергеевич | Method determining physical condition of buildings and structures |
RU2177144C1 (en) * | 2001-04-28 | 2001-12-20 | Алмазова Наталия Михайловна | Way to construct multiparametric digital models of construction objects, to analyze and model their states ( variants ) |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ведомственные строительные нормы ВСН 53-86 (р). Правила оценки физического износа жилых зданий, 24.12.1986, с. 2 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2704805C2 (en) * | 2017-12-25 | 2019-10-31 | Андрей Александрович Яковенко | Universal cascade multiphase axial magnetoelectric generator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA201000401A1 (en) | 2011-06-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Guo et al. | Time-varying ultimate strength of aging tanker deck plate considering corrosion effect | |
RU2645903C1 (en) | Method of control of the stress and strain state of structural components of massive concrete structures during long-term usage | |
CN107908879B (en) | Method for evaluating fatigue performance of concrete beam bridge | |
Kwon et al. | Fatigue life assessment and lifetime management of aluminum ships using life-cycle optimization | |
Frangopol et al. | Structural performance indicators for bridges | |
RU2322663C1 (en) | Method to determine fire-resistance of building metal beam | |
Garbatov et al. | Structural maintenance planning based on historical data of corroded deck plates of tankers | |
EA018263B1 (en) | Method of probabilistic assessment of building parts physical deterioration | |
Moore et al. | Regional timber bridge girder reliability: Structural health monitoring and reliability strategies | |
RU2281482C2 (en) | Method to determine fire-resistance of compressed reinforced concrete building structure members | |
Yan et al. | Fatigue life prediction of stay cables under vehicle load considering corrosion variability | |
Le et al. | Modelling railway bridge degradation based on historical maintenance data | |
RU2674418C1 (en) | Method for assessing fire resistance of monolithic reinforced concrete beam slabs of interior surfaces of buildings | |
Das et al. | Condition assessment of superstructure component of reinforced concrete bridges through visual inspection in the Assam, India | |
CN110795798B (en) | Steel wire rope reliable life calculation method based on multiple samples | |
RU2634569C1 (en) | Method for estimating fire resistance of steel beam with corrugated wall | |
RU2678780C1 (en) | Method for determining fire resistance of reinforced concrete column of round section | |
Frangopol et al. | Bridge health monitoring | |
Pshenichkina et al. | Forecasting ofuseful life of the structures of a production building during operation | |
Radhika et al. | Bayesian analysis of acoustic emission data for prediction of fatigue crack growth in concrete | |
Casti et al. | Comparison of partial factor methods for existing concrete structures: Application to a cable-stayed bridge | |
Ziyayevna | CALCULATION METHOD FOR DETERMINING THE REMAINING RESOURCE | |
Kole et al. | Service life prediction of Prestressed Concrete Road Bridge using structural audit data and comparison of life 365 software and mathematical model | |
Shmelev | Justification for the use of physical wear in assessing the risk of accidents and predicting the service life of buildings | |
Roberts et al. | 3 Chapter Three: Estimating Reinforced Concrete Bridge Reliability With Inspection Defects Included Using Bayesian Networks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM |
|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): RU |