От относительного остаточного срока службы сооружения

Характеристика	Оценочные показатели в зависимости от относительного остаточного срока службы сооружения
0,85	0,85 > 0,42	0,42 > 0,05	< 0,05
Категория дефекта	-	I	II	III
Остаточный срок службы базового элемента , лет	>50	25 50	3 25	<3
Показатель качества по долговечности	Отлично	Хорошо	Удовлетворительно	Неудовлетворительно

Относительный остаточный срок службы конструкций определяют в зависимости от категории дефектов по выражению [5]:

= , (1.13)

где – остаточный срок службы (остаточный ресурс) базового элемента сооружения; – нормативный срок службы базового элемента сооружения.

Обобщенную оценку технического стояния определяют по приведенному коэффициенту [4]

, (1.14)

где – балльные оценки соответственно по безопасности, грузоподъемности, ремонтопригодности и долговечности; – соответствующие весовые коэффициенты, равные 0,3; 0,2; 0,3; 0,2.

Абсолютные характеристики показателей надежности эксплуатируемых искусственных сооружений определяют с применением математических методов теории надежности.

Оценку технического состояния предлагается производить с применением параметрического подхода, на основании которого сформированы граничные значения дефектов и повреждений с учетом категорий состояния по безопасности, грузоподъемности, ремонтопригодности и долговечности [4].

Методики ДВГУПС. Для практического использования представляют интерес следующие методики.

В настоящее время для технической диагностики мостов и труб, эксплуатируемых в условиях северной строительно-климатической зоны, актуальными являются методы оценки эксплуатационной надежности малых искусственных сооружений при воздействии природно-клима­ти­ческих и геофизических факторов (наледи, морозное пучение грунтов оснований и др.), а также модель «износа технического состояния» [23].

Методика оценки эксплуатационной надежности по модели «износа технического состояния». В основу расчетов заложена динамическая модель «износа технического состояния» [23]:

, (1.15)

где – текущее значение обобщенного параметра технического состояния сооружения; a – параметр, характеризующий интенсивность «износа технического состояния»; b – параметр, характеризующий временной характер экспоненты; t – рассматриваемый момент времени.

Принято, что текущие значения обобщенного параметра технического состояния сооружения характеризуют вероятность безотказной работы на момент времени t по отношению к исправному техническому состоянию. Среднее время безотказной работы M(t) определяют из условия [23]

, (1.16)

где Г – гамма-функция, определяемая как [23]

. (1.17)

Среднее время наработки на нормируемое техническое состояние определяют по выражению [23]

. (1.18)

где – нормируемое значение обобщенного параметра технического состояния, принимаемое для исправного состояния 0,875, для неисправного – 0,5, для предельного – 0,125 [23].

Расчетные значения Т_i сравнивают с контролируемыми сроками выполнения ремонтных работ Т_кр и нормативными сроками службы Т_ксл, представленными в таблицах [23].

В современных условиях находят применение методики, основанные на использовании математических методов моделирования и прогнозирования показателей надежности эксплуатируемых искусственных сооружений. Рассмотрим две такие методики.

1. Методика моделирования и прогнозирования наработки сооружений на ремонт, остаточного срока службы и вероятности безотказной работы по параметру фактического состояния.

Данная методика включает в себя следующие основные положения [21].

Функциональное изменение поведения искусственных сооружений, эксплуатируемых в реальных условиях, в масштабе времени описывают в виде случайного процесса. Случайный процесс представляет собой переходы конструкции из одного технического состояния в другое.

Каждое состояние эксплуатируемого сооружения характеризуют степенью развития параметров фактического состояния, фиксирующих признаки поведения конструкций (см. подразд. 1.4).

За параметр фактического состояния принимают дефект или повреждение, при развитии которого его численное значение выходит за
номинальный порог. При этом считают, что параметр фактического
состояния является конечной реализацией события, произошедшего в результате воздействия природно-климатических факторов окружающей среды, внешних нагрузок и деструктивных процессов в самом сооружении.

Случайный процесс динамики параметра фактического состояния определяют работоспособностью конструктивных элементов или сооружений в целом. С учетом контроля работоспособности сооружения в момент времени все пространство его состояний разбивают на отдельные части с характеристиками параметра фактического состояния , численные значения которых соответствуют допускаемым критериям категорий технического состояния (см. подразд. 1.4 ирис. 1.69).

Рис. 1.69. Структура состояний эксплуатируемых сооружений: ТС – техническое состояние; – пороговые значения параметра фактического состояния соответственно I, II, III категорий

Если , то сооружение работоспособно и его относят к первой категории, – частично работоспособно и соответствует второй категории, – неработоспособно и соответствует третьей категории технического состояния.

Случайную величину параметра фактического состояния в виде функции элементарного события , зафиксированную в реальных условиях эксплуатации, описывают случайным процессом в виде функции двух аргументов – времени и элементарного события [21]:

(1.19)

где – элементарное событие, описываемое численным значением параметра фактического состояния; – пространство элементарных событий; – область значений аргумента функции ; – множество возможных значений случайного процесса .

Рис. 1.70. Распределение средней интенсивности развития параметра фактического состояния (ПФС) эксплуатируемых сооружений: mi (t) – график скорости развития случайного процесса ПФС в масштабе времени t

Согласно экспериментальным данным установлено, что случайный процесс изменения параметра фактического состояния в масштабе времени при воздействии спектра реальных нагрузок в процессе эксплуатации искусственных сооружений определяют главным образом скоростью его развития m на этапе предыстории (рис. 1.70) [21].

Моделирование изменения поведения сооружения по параметру фактического состояния в виде случайного про­цесса производят с учетом следующих математических мо­делей [21]:

а) при линейном законе изменения параметра

= 1, 2, 3…; (1.20)

б) при нелинейном законе изменения параметра

; (1.21)

, (1.22)

где – величина параметра фактического состояния сооружения, зафиксированная при периодическом осмотре или обследовании; – климатический коэффициент, учитывающий особенности развития параметра состояния эксплуатируемого сооружения в рассматриваемом регионе [21]; – показатель степени, определяемый в зависимости от ремонтируемости (ранее производимых ремонтов) искусственных сооружений [21].

Формализованное описание поведения стареющего сооружения в пространстве времени с учетом изменения его фактического состояния математическими моделями (1.20)–(1.22) и анализ их с помощью приемов теории надежности позволяют прогнозировать потенциальные сроки наступления различных технических состояний [21].

Для оценки показателей надежности эксплуатируемых сооружений вводят понятие потока событий, при котором случайное событие – реализация состояния соответствующей категории технического состояния, – определяют не только скоростью развития параметра фактического состояния, но и вероятностью его наступления. Используя математические приемы теории надежности, и допуская, что случайные величины параметров фактического состояния сооружений с достаточной степенью достоверности подчиняются нормальному закону распределения, определяют показатели эксплуатационной надежности сооружений. Результаты расчета представляют в виде графика вероятности безотказной работы сооружения при развитии в нем параметра фактического состояния (рис. 1.71) [21].

С помощью графика вероятности безотказной работы сооружения, построенного по динамике развития в нем параметра фактического состояния, устанавливают надежность на любой момент времени от начала прогноза , а также предельную наработку – предельно-допускаемый остаточный срок службы с учетом риска рассматриваемой ответственности (технической, экономической и др.) (рис. 1.72).

Учитывая сложность указанных расчетов, для практических целей разработан программный комплекс МПЭН ИССО [22].

Рис. 1.71. Прогнозируемые наработки сооружения на ремонты и предельное состояние: 1 – процесс Х(t) по линейной зависимости изменения ПФС; 2 – процесс Х(t) по нелинейной зависимости изменения ПФС; ТС – техническое состояние; х_ф – значение ПФС, зафиксированное при осмотре или обследовании; х₁, х₂ – пороговая величина ПФС по категориям ТС; T_II,T_III – наработка сооружения соответственно на техническое состояние II и III категории

Рис. 1.72. График вероятности безотказной работы сооружения F(t) (эксплуатационной надежности): Т_пред – предельно-допускаемый остаточный срок службы сооружения

2. Методика прогнозирования периодичности производства ремонтов искусственных сооружений [21].

Качество эксплуатации искусственных сооружений зависит от таких характеристик надежности, как безотказность и ремонтопригодность. В общем виде система содержания и ремонта сооружений может быть представлена как упрощенная схема (рис. 1.73) [21].

Проведение ремонтно-восстановительных работ обновляет сооружение и является моментом перехода его из одного состояния в другое. Этот переход происходит под воздействием потоков событий: поток отказов, поток восстановлений.

Рис. 1.73. Схема содержания и ремонта сооружений: е₁, е₂ – участки безотказной работы; Т_ро1,Т_ро2 – моменты отказов; Т_р1,Т_р2 – моменты ремонтов; ТС, КР – ремонтные работы соответственно текущего содержания и капитального ремонта

Моменты регенерации являются моментами восстановления – проведения ремонтных работ текущего содержания и капитального ремонта (рис. 1.73). При этом допускают, что при производстве ремонтно-восстановительных работ текущего содержания или капитального ремонта конструктивные элементы не полностью восстанавливаются. Переход их из одного состояния в другое сопровождается остаточными явлениями, связанными с утратой качеств и свойств материала, необратимостью процессов, а также невозможностью восстановления некоторых нарушений. Эти явления называют остаточным износом сооружения. Принято, что вероятность величины остаточного износа в периоде регенерации составляет [21].

Таким образом, с учетом модели динамики развития параметра фактического состояния (1.16)–(1.18) и использования моментов регенерации строят график прогнозируемой периодичности ремонтов сооружения (рис. 1.74) [21]. Методика прогнозирования периодичности производства ремонтов искусственных сооружений позволяет решать вопрос о принятии наиболее приемлемой стратегии их дальнейшей эксплуатации.

Указанная концепция легла в основу разработанного программного комплекса моделирования и прогнозирования периодичности ремонтов искусственных сооружений с учетом их фактического состояния (МПР) [22]. Он позволяет получать серию моделей прогнозируемой периодичности ремонтов для рассматриваемого сооружения и устанавливать наиболее оптимальную стратегию дальнейшей эксплуатации.

Рис. 1.74. График прогнозируемой периодичности ремонтов сооруженияпо параметру фактического состояния: ТС – текущее содержание; КР – капитальный ремонт; – математическая модель случайного процесса развития ПФС; , , – прогнозируемые наработки сооружения соответственно на ремонт текущего содержания, капитальный ремонт, предельное состояние; х_ф – значение ПФС, зафиксированное при осмотре или обследовании; х₁, х₂ – пороговая величина ПФС по категориям ТС; х_ост – остаточная величина износа ПФС

Следовательно, рассмотренные методики позволяют определять основные показатели эксплуатационной надежности мостовых сооружений, а также устанавливать оптимальную стратегию технического содержания и ремонта рассматриваемого сооружения с учетом его остаточного ресурса в перспективе.

В зарубежной практике для установления приоритетности проведения ремонтов с требуемым объемом ремонтно-восстановительных работ наряду с оценкой технического состояния используют требуемый при этом уровень финансовых затрат. В странах Европы критерием выбора стратегии эксплуатации моста с учетом обеспечения его заданного срока службы являются суммарные финансовые затраты (рис. 1.75) [35]. Виды работ для каждой стратегии определяют в зависимости от степени износа конструкций моста и прогноза изменения состояния. Прогноз производят на 20–25-летний период (рис. 1.75) [35].

Рис. 1.75. Пример выбора стратегии эксплуатации в системе управления мостами (Дания): а – сопоставления различных стратегий эксплуатации; б – принципиальная модель старения моста; 1, 2, 3 – стратегии эксплуатации; Т_сл – срок службы конструкции

В странах ЕС (Германия, Франция, Швеция, Дания, Великобритания и др.), США большое внимание уделяют оценке технического состояния мостов. При этом имеет место схема технической диагностики эксплуатируемых мостов, включающая оценку текущего состояния, моделирование и прогноз его изменения в перспективе. Далее разрабатывают несколько вариантов технических решений по улучшению состояния мостов и, как правило, проводят анализ альтернативных решений в целях оптимизации затрат. Это позволяет определять очередность ремонта мостовых сооружений в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Кроме того, в США при определении оптимальной стратегии эксплуатации мостов учитывают потери, вызванные их износом. При окончательном выборе стратегии дальнейшей эксплуатации моста также используют экспертную оценку. Таким образом, в зарубежной практике обоснования стратегии дальнейшей эксплуатации мостов получила распространение комплексная оценка технического состояния, включающая в себя не только оценочные критерии для установления требуемого вида ремонта, но и моделирование и прогнозирование изменения состояния с течением определенного времени, разработку различных решений по улучшению эксплуатационных показателей в контексте экономических затрат. При этом оптимальность стратегии дальнейшей эксплуатации обосновывается техническими и экономическими показателями.