СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НЕСУЩЕГО КАРКАСА СТРОИТЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2007 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в технологиях оценки и регулирования уровня конструкционной безопасности строящихся и находящихся в эксплуатации зданий и сооружений. От уровня конструкционной безопасности зависит способность несущего каркаса строительного объекта сопротивляться внешним воздействиям без обрушения конструкций. В заявляемом способе за показатель конструкционной безопасности здания (сооружения) принимается риск аварии в виде величины превышения принятого за единицу проектного риска аварии, вносимого по умолчанию в строительный объект при его проектировании.

Известен способ диагностики металлоконструкций сосудов и аппаратов давления и определения их остаточного ресурса (RU 2032163, G01N 3/00, заявл. 19.02.1993. опубл. 27.03.1995). В способе осуществляется определение прочности конструкции, при котором учитываются как коррозионные процессы, приводящие к уменьшению толщины элементов конструкций, так и изменение механических свойств материалов, обусловленное возникновением и распространением трещин. В контрольных точках определяют скорость коррозии металлоконструкции, производят отбор проб металла механическим путем в областях наибольшей опасности повреждения металлоконструкции, для каждой из проб определяют величину и скорость смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости. По значению скорости коррозии определяют изменение во времени максимального значения напряжения Smax(t) в областях наибольшей опасности повреждения металлоконструкции. По значению скорости смещения температурной зависимости определяют изменение критического значения напряжения Skp(t), вызывающего разрушение металлоконструкции. Остаточный ресурс эксплуатации металлоконструкции определяют по формуле Δt=t₁-t₀, где t₀ - момент обследования металлоконструкции, t₁ - момент времени, при котором Smax(t)=Skp(t).

Однако такой способ не позволяет достоверно осуществить диагностику технического состояния металлоконструкции и достаточно точно определить ее остаточный ресурс.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ оценки технического состояния металлических конструкций строительных сооружений (RU 2086741, E04G 23/00, заявл. 27.08.1996. опубл. 10.08.1997). При анализе проектной документации по этому способу в строительных сооружениях выделяют металлические конструкции для инструментального обследования, устанавливают критерии пригодности и их допустимые величины, объединяют металлические конструкции в карте замеров в группы и при инструментальном обследовании определяют и записывают в нее фактические значения параметров и нагрузки, дополнительные к нормативным, определяют фактические величины критериев, сравнивают их с допустимыми величинами и на основе их сравнения устанавливают пригодность элементов металлических конструкций для дальнейшей безопасной эксплуатации.

Описанный способ позволяет повысить качество оценки технического состояния металлоконструкций строительного сооружения при одновременном снижении трудоемкости за счет оптимизации проведения оценки и автоматизации обработки результатов инструментального обследования.

Недостатком известного способа является то, что он не осуществляет определение риска аварии, величина которого характеризует степень защищенности строительного объекта от обрушения его несущих конструкций.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в определении на любой стадии жизненного цикла строительного объекта величины текущего (фактического) риска аварии и оценке по значению риска аварии технического состояния несущего каркаса объекта и его безопасного остаточного ресурса.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе оценки технического состояния несущего каркаса строительного объекта, включающем расчеты нагрузок на металлические конструкции строительного объекта, расчеты прочности несущих конструкций, определение фактических значений параметров конструкций при инструментальном обследовании, анализ проектной документации, при которой в металлических конструкциях строительных объектов выделяют группы элементов, определяют параметры элементов конструкций для инструментального обследования, устанавливают критерии показателей для оценки технического состояния, определяют расчетным путем фактические величины критериев оценки технического состояния, сравнивают их с ранее установленными допустимыми величинами критериев и определяют безопасность дальнейшей эксплуатации объекта, согласно изобретению за показатель технического состояния несущего каркаса объекта принимают величину текущего (фактического) риска аварии R, в качестве критериев при оценке технического состояния объекта используют фиксированные значения риска аварии, к которым относят нормальный риск аварии R_н=2, предельно допустимый риск аварии R_пд=19 и предельный риск аварии R_п=83, а также стандартные уровни надежности несущих конструкций, к которым относят нормальный уровень надежности р_н=2^-1/n и предельно допустимый уровень р_пд=19^-1/n, где n - число групп однотипных конструкций несущего каркаса исследуемого объекта, при визуально-инструментальном обследовании несущего каркаса объекта в каждой группе однотипных конструкций определяют наиболее дефектную и наименее дефектную конструкции и на основе информации о техническом состоянии наиболее и наименее дефектных конструкций устанавливают уровни их опасности и ранги уровней, а по уровню опасности и рангу назначают уровень надежности p₁ наиболее дефектной в группе конструкции и уровень надежности p₂ наименее дефектной в группе конструкции, при этом для каждой группы конструкций определяют средний уровень надежности по выражению Мр=(p₂-p₁)/2 и рассчитывают фактический риск аварии объекта как R=1/П(Mp), где П(Мр) - произведение средних уровней надежности всех n групп однотипных конструкций несущего каркаса объекта, далее сопоставляют фактическое значение риска аварии R с фиксированными значениями риска аварии и относят техническое состояние объекта к одному из трех возможных: безопасному, если R_н<R<R_пд, аварийному, если R_пд<R<R_п или ветхо-аварийному, если R>R_п.

Другой особенностью способа является то, что по характеристике технического состояния дефектных конструкций устанавливают значения уровня их опасности от 0, при отсутствии дефектов, до 10, при наличии угрожающих аварией дефектов и, соответственно, ранг уровня опасности, по которым назначают уровень надежности от 1,000 - при отсутствии дефектов, 0,500 - при предельно низком соответствии конструкции требованиям проекта до 0,250 при предельном состоянии конструкции, по уровню опасности и рангу уровня назначают уровень надежности p₁ наиболее дефектной в группе конструкции и уровень надежности р₂ наименее дефектной в группе конструкции, по значениям p₁ и р₂ конкретизируют закон распределения плотности вероятностей для уровней надежности конструкций в группе: f(р)=1/(р₂-р₁), где р - уровни надежности конструкций в группе (p₁≤р≤р₂).

Для оценки точности и достоверности расчета риска аварии исследуемого объекта производят верификацию результата расчета риска аварии по следующему алгоритму: для каждой группы N раз разыгрывают случайную величину р по формуле p=p₁+q(p₂-p₁), где q - равномерно распределенная в интервале [0; 1] случайная величина; N раз испытывают случайный риск аварии объекта по формуле r_j=1/П(р)_j, где П(p)_j - произведение n разыгранных ранее значений р, включаемых в i -e испытание риска аварии (i=1, 2, ..., N; N>=10⁴); по статистическому ряду из N случайных значений риска аварии r строят гистограмму распределения фактического риска аварии и по гистограмме определяют среднее значение риска аварии R*; сравнивают R* с ранее найденной величиной риска аварии R и по проценту отклонения этих величин принимают решение о точности и достоверности результата расчета риска аварии исследуемого объекта.

Кроме того, из выражения J₀=1-exp{-0,0365(R-1)} определяют величину конструкционного (физического) износа несущего каркаса исследуемого объекта.

Отличительной особенностью способа является также то, что если R<R_пд, то прогнозируют безопасный остаточный ресурс объекта по формуле T_бо=0,657/k-(Т_с+Т_ф), где k=0,0365(R-1)/(Т_с+Т_ф) - интенсивность конструкционного износа объекта; Т_с - время возведения (строительства) объекта; Т_ф - время эксплуатации, при котором произведена оценка технического состояния объекта и рассчитан риск аварии R, если Р_пд<R<R_п, то прогнозируют ресурс исследуемого объекта до достижения им предельной величины риска аварии по формуле Т_п=2,993/k-(Т_с+Т_ф).

Для визуализации результатов оценки технического состояния строительного объекта строят диаграмму фактических средних уровней надежности Мр групп конструкций несущего каркаса с указанием на диаграмме нормального р_н и предельно допустимого р_пд уровней надежности конструкций и карту риска с указанием на ней области приемлемых значений риска аварии, границами которой являются величины R_н и R_пд, и фактической величины риска аварии.

В заявляемом способе предложен принципиально новый подход к оценке технического состояния объекта, обеспечивающий возможность измерения на любой стадии жизненного цикла объекта уникальной характеристики - величины текущего (фактического) риска аварии. Сопоставление фактического риска аварии стандартным значениям позволяет отнести техническое состояние объекта к одному из трех возможных: безопасному, аварийному или ветхо-аварийному. Знание фактического риска аварии дает возможность не только оценить уровень конструкционной безопасности исследуемого объекта, но и рассчитать для него безопасный остаточный ресурс.

Сущность заявляемого способа поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 показан график зависимости степени неопределенности (информационной энтропии) технического состояния несущего каркаса объекта от величины риска аварии R; на фиг.2 дана таблица 1, в которой приведено правило назначения уровня опасности дефектной конструкции; на фиг.3 дана таблица 2, содержащая примерный перечень опасных дефектов строительных конструкций; на фиг.4 дана таблица 3, в которой приведено правило перевода уровней опасности конструкций и рангов уровней опасности в уровни надежности.

Способ осуществляют следующим образом.

За показатель технического состояния несущего каркаса строительного объекта принимают риск аварии R. В качестве критериев технического состояния зданий и сооружений используют:

- фиксированные значения риска аварии, к которым относятся нормальный риск аварии R_н=2, предельно допустимый риск аварии R_пд=19 и предельный риск аварии R_п=83;

- стандартные уровни надежности несущих конструкций, к которым относятся нормальный уровень надежности, определяемый по формуле р_н=2^-1/n и предельно допустимый уровень, определяемый по формуле р_пд=19^-1/n, где n - число групп однотипных конструкций несущего каркаса исследуемого объекта.

Для определения фактического значения риска аварии R осуществляют визуально-инструментальное обследование несущего каркаса объекта. При обследовании основания объекта эксперты оценивают соответствие грунта основания данным проекта (по отсутствию инородных грунтов, выходов скалы и/или дресвы, заполнению выемок мало-сжимаемым образованием, растительного слоя, линз льда, снега и др.); устанавливают при разуплотнении грунта основания причины разуплотнения (замачивание, суффозия и др.) и замеряют мощность нарушенного слоя; проверяют при набухающих, элювиальных, просадочных и пучинистых грунтах уровень грунтовых вод, устанавливают зоны замачивания и замеряют глубину увлажнения. При необходимости производят отбор проб грунта для испытания в лаборатории с целью получения исходных данных для расчета осадок основания. При этом испытанию подлежат параметры, входящие в формулы для определения осадок - плотность грунта (тс/м³), модуль деформации (МПа), угол внутреннего трения (град.), удельное сцепление (кПа) и мощность слоя (м).

По результатам обследования в каждой входящей в несущий каркас группе однотипных конструкций отыскивают наиболее и наименее дефектные конструкции, для которых по специальному правилу (таблица 1) устанавливают уровни опасности с указанием их рангов, характеризующие степень принадлежности дефектной конструкции к одному из абсолютных предельных состояний, к которым относятся: местное хрупкое разрушение в ограниченном объеме или сечении конструкции; чрезмерное деформирование несущей конструкции, провоцирующее переход ее в механизм; общая или местная потеря устойчивости вида деформации конструкции.

При назначении уровней опасности используют фактическую информацию о техническом состоянии дефектных конструкций, виртуальную информацию о наиболее опасных дефектах строительных конструкций, приведенную в таблице 2. Принятое решение подтверждают расчетами и испытаниями дефектных конструкций: при динамических нагрузках производят расчет на резонанс, при наличии агрессивных сред - устанавливают их влияние на уровень опасности конструкции.

Информацию о техническом состоянии групп однотипных конструкций несущего каркаса исследуемого объекта представляют в виде документа:

Номер и наименование группы однотипных
конструкций несущего каркаса объектаОписание отклонений параметров конструкции от требований проектаУровень опасности и ранг уровнядля наиболее дефектной в группе конструкциидля наименее дефектной в группе конструкциинаиболее дефектной в группе конструкциинаименее дефектной в группе конструкции

Далее по компьютерной программе «Risk» выполняют следующие операции:

- для каждой группы конструкций по специальному правилу (таблица 3) переводят уровни опасности наиболее и наименее дефектных конструкций в уровни надежности p₁ и р₂ соответственно;

- для каждой группы конструкций определяют средний уровень надежности по формуле Мр=(р₂-р₁)/2;

- рассчитывают риск аварии объекта по формуле R=1/П(Mp), где П(Мр) - произведение средних уровней надежности всех n групп однотипных конструкций несущего каркаса объекта.

- производят верификацию результата расчета риска аварии, для чего по значениям р₁ и р₂ конкретизируют закон равномерной плотности распределения вероятностей уровней надежности р конструкций в группах - f(p)=1/(р₂-р₁); для каждой группы N раз разыгрывают случайную величину р по формуле: р=p₁+q(р₂-p₁), где q - равномерно распределенная в интервале [0; 1] случайная величина; N раз испытывают случайный риск аварии объекта по формуле (r_ф)_j=1/П(р)_j, где П(p)_j - произведение n разыгранных ранее значений p, включаемых в i-е испытание риска аварии (i=1, 2, ..., N; N>=10⁴); по статистическому ряду из N случайных значений риска аварии r_ф строят гистограмму распределения фактического риска аварии и по гистограмме определяют среднее значение риска аварии R*; сравнивают R* с ранее найденной величиной риска аварии R и по проценту отклонения этих величин принимают решение о точности и достоверности результата расчета риска аварии исследуемого объекта.

По полученным данным сопоставляют фактическое среднее значение риска аварии R с фиксированными значениями риска аварии и относят техническое состояние исследуемого объекта к одному из трех возможных: безопасному, если R_н<R<R_пд; аварийному, если R_пд<R<R_п или ветхо-аварийному, если R>R_п;

- определяют величину конструкционного (физического) износа несущего каркаса исследуемого объекта по выражению J₀=1-exp{-0,0365(R-1)}.

На основании найденного значения фактического риска аварии R и если R<R_пд, то прогнозируют безопасный остаточный ресурс исследуемого объекта по формуле Т_бо=0,657/k-(Т_с+Т_ф), где k=0,0365(R-1)/(Т_с+Т_ф) - интенсивность конструкционного износа объекта; Т_с - время возведения (строительства) объекта; Т_ф - время эксплуатации, при котором произведена оценка технического состояния объекта и рассчитан его риск аварии R, если R_пд<R<R_п, то прогнозируют ресурс исследуемого объекта до достижения им предельной величины риска аварии по формуле T_п=2,993/k-(Т_с+Т_ф).

Далее строят диаграмму фактических средних уровней надежности Мр групп конструкций несущего каркаса с указанием на диаграмме нормального р_н и предельно допустимого р_пд уровней надежности конструкций и карту риска с указанием на ней области приемлемых значений риска аварии и фактической величины риска аварии.

Способ оценки технического состояния несущего каркаса строительного объекта от прототипа отличается высокой степенью информативности и оперативностью получения результатов при минимальных затратах на проведение экспертных работ. При этом объективность и достоверность результатов оценки обеспечивается за счет использования в способе современного математического аппарата и компьютерных технологий.

Способ оценки технического состояния несущего каркаса строительного объекта в отличии от прототипа позволяет:

- определять интегральный показатель технического состояния несущего каркаса объекта - величину текущего (фактического) риска аварии;

- на основе сравнения фактического риска аварии и фиксированных (инвариантных) его значений относить техническое состояние объекта к одному из трех возможных: безопасному, аварийному и ветхо-аварийному;

- по величине фактического риска аварии определять физический (конструкционный) износ исследуемого объекта и его безопасный остаточный ресурс, трактуемый как время эксплуатации объекта до достижения им предельно допустимой величины риска аварии;

- по степени «вклада» в риск аварии ранжировать группы однотипных конструкций несущего каркаса объекта.

Изобретение относится к строительству. Сущность: рассчитывают нагрузки на металлические конструкции объекта и прочности несущих конструкций. Определяют фактические значения параметров конструкций при инструментальном обследовании. Проводят анализ проектной документации, при которой в металлических конструкциях строительных объектов выделяют группы конструкций. Определяют параметры элементов конструкций для инструментального обследования. Устанавливают критерии показателей для оценки технического состояния. Определяют фактические величины критериев оценки технического состояния. Сравнивают их с ранее установленными допустимыми величинами критериев и определяют безопасность дальнейшей эксплуатации объекта. За показатель технического состояния несущего каркаса объекта принимают величину текущего (фактического) риска аварии. В качестве критериев при оценке технического состояния объекта используют фиксированные значения риска аварии, к которым относят нормальный риск аварии, предельно допустимый риск аварии и предельный риск аварии, а также стандартные уровни надежности несущих конструкций, к которым относят нормальный уровень надежности и предельно допустимый уровень. При визуально-инструментальном обследовании несущего каркаса объекта в каждой группе однотипных конструкций определяют наиболее дефектную и наименее дефектную конструкции. На основе информации о техническом состоянии наиболее и наименее дефектных конструкций устанавливают уровни их опасности и ранги уровней. По уровню опасности и рангу назначают уровень надежности наиболее дефектной в группе конструкции и уровень надежности наименее дефектной в группе конструкции. Для каждой группы конструкций определяют средний уровень надежности и рассчитывают фактический риск аварии объекта. Далее сопоставляют фактическое значение риска аварии с фиксированными значениями риска аварии и относят техническое состояние объекта к одному из трех возможных: безопасному, аварийному или ветхо-аварийному. Технический результат: повышение качества оценки и снижение трудоемкости. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки технического состояния несущего каркаса строительного объекта, включающий расчеты нагрузок на металлические конструкции строительного объекта, расчеты прочности несущих конструкций, определение фактических значений параметров конструкций при инструментальном обследовании, анализ проектной документации, при которой в металлических конструкциях строительных объектов выделяют группы конструкций, определяют параметры элементов конструкций для инструментального обследования, устанавливают критерии показателей для оценки технического состояния, определяют расчетным путем фактические величины критериев оценки технического состояния, сравнивают их с ранее установленными допустимыми величинами критериев и определяют безопасность дальнейшей эксплуатации объекта, отличающийся тем, что за показатель технического состояния несущего каркаса объекта принимают величину текущего (фактического) риска аварии R, в качестве критериев при оценке технического состояния объекта используют фиксированные значения риска аварии, к которым относят нормальный риск аварии R_н=2, предельно допустимый риск аварии R_пд=19 и предельный риск аварии R_п=83, а также стандартные уровни надежности несущих конструкций, к которым относят нормальный уровень надежности p_н=2^-1/n и предельно допустимый уровень р_пд=19^-1/n, где n - число групп однотипных конструкций несущего каркаса исследуемого объекта, при визуально-инструментальном обследовании несущего каркаса объекта в каждой группе однотипных конструкций определяют наиболее дефектную и наименее дефектную конструкции и на основе информации о техническом состоянии наиболее и наименее дефектных конструкций устанавливают уровни их опасности и ранги уровней, а по уровню опасности и рангу назначают уровень надежности p₁ наиболее дефектной в группе конструкции и уровень надежности р₂ наименее дефектной в группе конструкции, при этом для каждой группы конструкций определяют средний уровень надежности по выражению Mp=(p₂-p₁)/2 и рассчитывают фактический риск аварии объекта как R=1/П(Мр), где П(Мр) - произведение средних уровней надежности всех n групп однотипных конструкций несущего каркаса объекта, далее сопоставляют фактическое значение риска аварии R с фиксированными значениями риска аварии и относят техническое состояние объекта к одному из трех возможных: безопасному, если R_н<R<R_пд; аварийному, если R_пд<R<R_п, или ветхоаварийному, если R>R_п.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по характеристике технического состояния наиболее и наименее дефектных конструкций устанавливают значения уровня опасности конструкции от 0 при отсутствии дефектов до 10 при максимальном количестве дефектов, характеризующие предельное состояние конструкции и, соответственно, ранг уровня опасности, по которым назначают уровень надежности от 1,000 при отсутствии дефектов, 0,500 при предельно низком соответствии требованиям проекта до 0,250 при состоянии конструкции, практически не соответствующем требованиям проекта, по уровню опасности и рангу уровня назначают уровень надежности p₁ наиболее дефектной в группе конструкции и уровень надежности р₂ наименее дефектной в группе конструкции, по значениям p₁ и р₂ конкретизируют закон распределения плотности вероятностей для уровней надежности групп конструкций: f(p)=1/(p₂-p₁), где р - уровни надежности конструкций в группе (p₁≤p≤p₂).3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для уточнения результата расчета риска аварии исследуемого объекта производят верификацию результата расчета риска аварии по следующему алгоритму: для каждой группы N раз разыгрывают случайную величину р по формуле p=p₁+q(p₂-p₁), где q - равномерно распределенная в интервале [0; 1], случайная величина; N раз испытывают случайный риск аварии объекта по формуле r_j=1/П(p)_j, где П(p)_j - произведение n разыгранных ранее значений p, включаемых в i-e испытание риска аварии (i=1, 2, ..., N; N≥10⁴); по статистическому ряду из N случайных значений риска аварии r строят гистограмму распределения фактического риска аварии и по гистограмме определяют среднее значение риска аварии R*; сравнивают R* с ранее найденной величиной риска аварии R и по проценту отклонения этих величин принимают решение о точности и достоверности результата расчета риска аварии исследуемого объекта.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину конструкционного (физического) износа несущего каркаса исследуемого объекта определяют из выражения J₀=1-exp{-0,0365(R-1)}.5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что если R<R_пд, то прогнозируют безопасный остаточный ресурс объекта по формуле Т_бо=0,657/k-(Т_с+Т_ф), где k=0,0365(R-1)/(Т_с+Т_ф) - интенсивность конструкционного износа объекта; Т_с - время возведения (строительства) объекта; Т_ф - время эксплуатации, при котором произведена оценка технического состояния объекта и рассчитан риск аварии R, если R_пд<R<R_п, то прогнозируют ресурс исследуемого объекта до достижения им предельной величины риска аварии по формуле T_п=2,993/k-(Т_c+Т_ф).6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для определения области значений риска аварии строят диаграмму фактических средних уровней надежности Мр групп конструкций несущего каркаса с указанием на диаграмме нормального р_н и предельно допустимого р_пд уровней надежности конструкций и карту риска с указанием на ней области приемлемых значений риска аварии, границами которой являются величины R_н и R_пд, фактической величины риска аварии и фактических показателей ресурса исследуемого объекта.