§ 4.2. Основные понятия теории надежности

При реконструкции здания в проектах должен предусматриваться уровень его надежности до и после реконструкции. В зависимости от качества конструкций и узлов здания выбирается тот или иной проект реконструкции. Заметим, что уже в проект нового здания закладывается определенный уровень надежности его элементов (фундаментов, несущих и ограждающих конструкций и т.п.). Обычно начальная надежность здания несколько меньше теоретической. Как уже отмечалось, с первого дня существования здания в отдельных узлах и конструкциях начинают происходить изменения, выражающиеся в ухудшении характеристик и показателей. Эти изменения по важности и интенсивности различны: одни приводят к ухудшению комфорта помещений, другие - к авариям и разрушению всего здания; одни можно быстро устранить, другие - устранить вообще невозможно; одни протекают во времени постепенно, другие - возникают внезапно, без видимых причин.

Нет нужды говорить о том, что при решении вопроса о целесообразности реконструкции необходим тщательный анализ состояния здания с точки зрения надежности его узлов и конструкций, а в случае принятия положительного решения - анализ проекта реконструкции, позволяющий оценить, какой будет надежность реконструированного здания.

Таким образом, с позиции надежности при реконструкции зданий возникают две основные проблемы:

оценка надежности элементов старого здания;

оценка надежности реконструированного здания при принятии того или иного проекта.

Для дальнейшего нам необходим ряд простейших понятий из теории надежности.

Как и в других областях науки, основные понятия теории надежности воспринимаются путем описания соотношений между ними.

Под изделием понимаются элемент, система или ее часть и т.д. Эксплуатация изделия - совокупность всех фаз его существования. Понятие надежности существенным образом связано с понятием качества.

Качеством изделия называется совокупность свойств, определяющих степень пригодности изделия для использования по назначению.

Качество сложных изделий, например здания (или его элементов), как правило, определяется весьма большим набором свойств. С течением времени свойства, составляющие качество изделия, видоизменяются, и чаще всего в нежелательную сторону.

Надежность изделия - это его способность сохранять качество при определенных условиях эксплуатации.

Следующие из основных понятий теории надежности - отказ и безотказность. Под безотказностью понимается способность изделия сохранять работоспособность в течение определенного интервала времени в определенных условиях эксплуатации. Отказ - это частичная или полная утрата или видоизменение таких свойств изделия, которые существенным образом снижают или приводят к полной потере работоспособности. Несмотря на всю относительность, понятие отказа является полезной и содержательной характеристикой надежности, так как оно позволяет вводить различные численные характеристики надежности, а это, в свою очередь, позволяет сравнивать различные проекты реконструкции с позиции надежности будущего здания.

Для таких объектов, как здания и другие строительные сооружения, важнейшим понятием надежности является долговечность. Под долговечностью изделия понимают его способность к длительной эксплуатации при необходимом техническом обслуживании, в которое могут входить и различные виды ремонтов. В конце срока, определяющего долговечность, в изделии появляются такие процессы, связанные с износом или старением, устранение которых либо невозможно, либо экономически нецелесообразно.

Для тех изделий, в которых работоспособность поддерживается с помощью ремонтов, важным показателем является ремонтопригодность. Ремонтопригодностью изделия называется его приспособленность к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. К показателям ремонтопригодности относятся вероятность восстановления в заданное время, среднее время ремонта, удельная трудоемкость ремонтов, стоимость и т.п.

Рассмотрим, как работают введенные понятия в такой системе, как здание. В настоящее время жилые и общественные здания, как и другие промышленные изделия, переживают значительное изменение масштабов сложности. Современное здание с полной уверенностью можно отнести к большим системам. Большие технические системы - это соединение значительного числа разнообразных компонент, имеющих сложную переплетающуюся связь и переменные изменяющиеся нагрузки. Среди части инженеров и ученых, занимающихся проектированием сложных систем, распространено мнение, что понятие теории надежности неприемлемо для сложных систем. Утверждается тезис, что понятие надежности сложной системы лишено смысла и надо говорить только об эффективности таких систем. Действительно, понятие качества сложной системы (например, здания), созданной для работы в меняющейся обстановке, включает в себя совокупность многих десятков, а иногда и сотен свойств, определяющих качество. Потому понятие отказа, связанное с полной или существенной потерей работоспособности системы, выглядит весьма искусственно. Более приемлемым является введение сводного показателя качества - эффективности, являющейся мерой производительности системы с учетом внешней обстановки и способа применения. На самом деле понятие эффективности не зависит от понятия надежности. Можно говорить об эффективности абсолютно надежных систем. Однако если составные части системы не являются абсолютно надежными, то их качество существенным образом сказывается на эффективности. Другое возражение применению методов теории надежности при проектировании новых и реконструировании старых зданий состоит в следующем. Каждое здание - сложная система, состоящая из большого числа элементов, скажем п. Если P_i - надежность i-го элемента, т.е. вероятность того, что в течение данного промежутка времени элемент не выйдет из строя, то надежность здания определяется как .

Если п велико, то даже при P_i ≈1, P_i < 1 надежность всего здания Р << 1, что противоречит практике домостроения. В этих рассуждениях много погрешностей. Во-первых, предлагается слишком упрощенная математическая модель. Во-вторых, формула (4.1) верна, если только элементы сложной системы выходят из строя независимо друг от друга. Это предположение абсолютно неприемлемо для строительных сооружений. Следовательно, проблема состоит не в неприемлемости идей теории надежности, а в трудностях построения адекватной математической модели. Обычно она оказывается чрезвычайно сложной, и возникают новые трудности - в получении решения с помощью модели. Есть еще один круг проблем, которого мы не будем касаться в данной работе. Это - сбор и обработка статистического материала, необходимого для оценки параметров модели.

В заключение параграфа заметим, что часто применительно к зданиям под надежностью понимают только прочностные свойства. Это не совсем верно. Например, наружные ограждающие конструкции чаще оказываются ненадежными при выполнении ограждающих функций, чем прочностных.