Категории технических состояний зданий и сооружений

Для оценки технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений в некоторых отраслях промышленности, на основе опыта работ, разработаны категории состояний конструкций зданий и сооружений (см. МУ 34-70-105-85, МУ 34-70-116-85 и др.). Для технологического оборудования промышленных предприятий аналогичные оценки производят по критериям отказов и предельных состояний, устанавливаемых на основе стандартов системы «Надежность в технике» (ГОСТ 16468-79, ГОСТ 16504-81, ГОСТ 19919-74 и др.).

Так, согласно МУ 34-70-105-85 и МУ 34-70-116-85, установлены 4 категории технического состояния строительных конструкций (рис. 1.1): исправное, работоспособное, неработоспособное, предельное. Для каждой категории состояний разработаны уровни основных дефектов и повреждений, пользуясь которыми, специалист, по совокупности измеряемых параметров технического контроля (а геодезист – по геометрическим параметрам), сможет сделать предварительное заключение о состоянии

контролируемого объекта.

Рис. 1.1. Общая схема технических состояний и событий: 1 – повреждение; 2 – отказ; 3 – переход объекта в предельное состояние из-за нарушения требований техники безопасности, снижения эффективности эксплуатации, морального старения и других факторов; 4 – ремонт

Однако следует заметить, что для некоторых уникальных объектов, строящихся по индивидуальным проектам (высотные плотины, головные образцы нового сложного оборудования и др.), такие уровни не всегда определены и их работу и техническое состояние определяют, исходя из специальных исследований и испытаний.

Терминология теории надежности

Надежность - один из самых важных параметров техники. Ее показатели необходимы для оценки, качества техники, ее эффективности, безотказности, живучести, риска. Надежность зависит от многих внешних и внутренних факторов и оценивается многими критериями и показателями. Все это привело к появлению в теории надежности большого числа различных терминов н их определений. Далее приводятся некоторые из них, часто применяемые на практике и в теории.

Элемент - объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом свойств, внутреннее строение (содержание) которого значения не имеет.

В теории надежности под элементом понимают элемент, узел, блок, имеющий показатель надежности, самостоятельно учитываемый при расчете показателей надежности системы. Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от решаемой задачи. Например, станок при оценке его надежности рассматривается как система, состоящая из элементов - деталей, механизмов, узлов и т. п. При оценке надежности технологической линии станок является элементом системы.

Система — совокупность связанных между собой элементов, обладающая свойством (назначением, функцией), отличным от свойств отдельных ее элементов.

Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система. Системой с точки зрения механики являются, например, собранная из стержней стрела крана или труба газопровода. Элементами последней будут ее участки между сварными швами или опорами. Связи в данном случае имеют силовой (энергетический) характер— каждый элемент действует на соседний.

Структура системы — взаимосвязи и взаиморасположение составных частей системы, ее устройство. Расчленение системы на группы элементов может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу. Структура сборного моста состоит из его отдельных, собираемых на месте секций. Грубая структурная схема укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер. Пример функциональной структуры - это деление двигателя внутреннего сгорания на подсистемы питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента.

Обычно понятие структура связывают с ее графическим отображением. В зависимости от связей между элементами различают следующие виды структур: последовательные, параллельные, с обратной связью, сетевые и иерархические.

Процесс - это набор состояний системы, соответствующий упорядоченному (непрерывному или дискретному) изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.

Процесс изменения системы во времени называется динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, линейные и угловые координаты и другие физические величины, которые, однако, сами зависят от времени.

Технический объект в процессе функционирования может находиться в различных состояниях, оцениваемых численными показателями. Приведем термины состояния объекта и их оценки.

Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных НТД.

Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.

Понятие исправности шире, чем понятие работоспособности. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях:

- при неустранимом нарушении безопасности;

- при неустранимом отклонении величин заданных параметров;

- при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т. е. объект снимается с эксплуатации, для других объектов - определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.

В связи с этим, объекты могут быть:

- невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению;

- восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например, подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т. п. Объекты, состоящие из многих элементов, например станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены.

В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

Восстановление может быть полностью ограниченным, когда обслуживание системы производится одной ремонтной единицей, ограниченным, если имеется более одной ремонтной единицы, но при этом может образоваться очередь на обслуживание вследствие нехватки ремонтных единиц. Восстановление может быть неограниченным, если ремонтных единиц достаточно для одновременного обслуживания всех отказавших элементов.

Наработка — продолжительность или объем работы объекта, измеряемые единицами времени, числом циклов нагружения, километрами пробега и т. п.

Наработка до отказа — наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

Наработка между отказами — наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа.

Технический ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации (или ее возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние. Технический ресурс может быть также регламентирован, например, от начала эксплуатации до среднего или капитального ремонта, или от среднего до капитального ремонта, после которого требуется продление технического ресурса. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов.

Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации (в том числе хранение, ремонт и т. п.) от ее начала до наступления предельного состояния.

Для большинства объектов электромеханики в качестве критерия долговечности чаще всего используется технический ресурс.

Время восстановления работоспособного Состояния — продолжительность восстановления работоспособного состояния объекта.

В теории надежности важную роль играют такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Часто ошибочно считают эти понятия— составляющие надежности и определяют их как физические свойства. Уточним эти понятия.

Безотказность — это способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Часто безотказность отождествляют с понятием "надежность" и характеризуют теми же показателями: вероятностью безотказной работы, средней наработкой до отказа, средней наработкой на отказ, интенсивностью отказов, параметром потока отказов.

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

Долговечность определяется следующими показателями:

- средний ресурс - математическое ожидание технического ресурса;

- гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах;

- средний срок службы - математическое ожидание срока службы;

- гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта, в течение которой он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Ремонтопригодность — способность объекта, заключающаяся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

К показателям ремонтопригодности относятся вероятность восстановления работоспособного состояния в течение заданного времени и среднее время восстановления работоспособного состояния.

Понятие "отказ". Классификация и характеристики отказов

Отказом называется событие, после возникновения которого характеристики технического объекта (параметры) выходят за допустимые пределы.

Это понятие субъективно, т. к. допуск на параметры объекта устанавливает пользователь. Вот один из примеров. Математическая система Мар1е имеет в своем составе около 3000 функций. Предположим, что перестала функционировать одна из них, например функция вычисления логарифма действительного числа. Является это отказом компьютера или, вернее, системы Мар1е или нет? Ответ здесь не однозначный, субъективный.

Отказ — фундаментальное понятие теории надежности. Критерий отказа — отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.

По типу отказы подразделяются на:

- отказы функционирования, при которых прекращается выполнение объектом основных функций (например, поломка зубьев шестерни);

- отказы параметрические, при которых параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности измерения напряжения вольтметром).

По своей природе отказы могут быть:

- случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала, сбоями системы управления и т. п.;

- систематические, обусловленные закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия материалов и т. п.

Основными признаками классификации отказов являются:

- характер возникновения;

- причина возникновения;

- последствия отказов;

- дальнейшее использование объекта;

- легкость обнаружения;

- время возникновения.

Рассмотрим подробнее каждый из классификационных признаков.

По характеру возникновения отказы могут быть внезапные, постепенные и перемежающиеся. Внезапный отказ - это отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта. Постепенный отказ - отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения характеристик объекта из-за износа и старения материалов. Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы. Перемежающимся называется отказ самоустраняющийся (возникающий/исчезающий). Типичным примером перемежающегося отказа является сбой компьютера.

По причине возникновения отказы могут быть конструкционные, производственные и эксплуатационные. Конструкционным отказ появляется в результате недостатков и неудачной конструкции объекта. Производственный отказ связан с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии. Эксплуатационный отказ вызывается нарушением правил эксплуатации объекта.

По признаку дальнейшего использования объекта отказы могут быть полные или частичные. Полный отказ исключает возможность работы объекта до его устранения. При возникновении частичного отказа объект может частично использоваться.

По признаку легкости обнаружения отказы бывают очевидные (явные) и скрытые (неявные).

По времени возникновения отказы подразделяются на приработочные, возникающие в начальный период эксплуатации, отказы при нормальной эксплуатации, износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и т. п.

Анализ сведений об отказах оборудования при эксплуатации сложных систем показывает, что с течением времени происходит старение элементов и увеличение их отказов, что приводит к значительному росту затрат (материальных, временных, финансовых) ресурсов. Многолетняя практика эксплуатации сложных систем показывает, что важной задачей при поддержании объектов в состоянии работоспособности является организация и проведение технического обслуживания и различных видов ремонтов (восстановлений) элементов систем. Исключительно важна проблема продления ресурса стареющих систем с учетом критериев надежности и уменьшения техногенного риска.