ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

СОЛОМКА ВАЛЕНТИНА ІВАНІВНА

УДК 624.21:625.1

ЕКСПЛУАТАЦІЙНА НАДІЙНІСТЬ БАЛОЧНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ

ПРОГОНОВИХ СПОРУД ЗАЛІЗНИЧНИХ МОСТІВ

Спеціальність 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту Міністерства транспорту України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Ейхе Георгій Миколайович, доцент кафедри “Реконструкція та експлуатація залізниць і споруд”, Київський університет економіки і технологій транспорту Міністерства транспорту України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пічугін Сергій Федорович, завідувач кафедри “Конструкції з металу, дерева та пластмас”, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, доцент Коваль Петро Миколайович, директор, Державний дорожній науково-дослідний інститут ім. М.П. Шульгіна “ДерждорНДІ” Державної служби автомобільних доріг України (м. Київ).

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Державного комітету будівництва, архітектури та житлової політики України (м. Київ), відділ надійності будівельних конструкцій.

Захист відбудеться “_27_ “ лютого 2003 р. о _1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд.202

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий “_24_”___січня______2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кваша Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В даний час основна маса штучних споруд на шляхах сполучення досягла віку близького до вичерпання фізичної або моральної довговічності. Внаслідок цього набула значної актуальності проблема оцінки надійності та довговічності штучних споруд з метою одержання практичних рекомендацій по плануванню і організації їх поточного утримання.

Актуальність теми. Не одне десятиріччя спеціалісти з будівельних конструкцій шукають нові шляхи для продовження строку служби конструкцій та споруд на основі наукових розробок по нормуванню параметрів надійності і довговічності, створенню систем по керуванню станом конструкцій та споруд і методів прогнозування поведінки конструкцій і споруд на протязі всього часу експлуатації. До недавнього часу оцінка довговічності мостів, як однієї з галузей будівельних конструкцій, провадилась на основі феноменологічного підходу, тобто з інтуїтивної точки зору спеціалістів. Завдяки широкому впровадженню комп’ютерної техніки і розробці нових комп’ютерних технологій, стає можливим провадити оцінку технічного стану споруд, їх надійності та довговічності з наукової точки зору, тобто шляхом імовірнісного аналізу даних про стан споруд за весь час їх експлуатації, а також прогнозувати поведінку споруд в майбутньому. Тому дана робота, що пов’язана з визначенням впливу різних факторів на появу дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів, а також визначенням ймовірності появи дефектів з урахуванням різних строків проведення ремонтів, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень зв’язаний з виконанням науково-дослідних робіт в Дніпропетровському державному технічному університеті залізничного транспорту (ДІІТі), а саме з роботою за темою “Розробка теоретичних основ та методів визначення критеріїв нормування строку служби залізобетонних залізничних мостів”, за темою “Розробка інформаційно-експертно-прогнозуючої системи оцінки стану інженерних споруд та комплексних заходів по подовженню їх строку служби” [НДР 0198U005998], та за темою “Вибір системи критеріїв для нормування надійності і довговічності залізобетонних прогонових споруд з ненапруженою арматурою залізничних мостів” [НДР 0101U002585].

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення експлуатаційної надійності балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів шляхом впровадження науково-обгрунтованої методики визначення ймовірності появи дефектів при різних строках проведення ремонтних робіт.

Об’єктом дослідження є технічний стан будівельних конструкцій з урахуванням дефектів проектування, будівництва, утримання та впливу навколишнього середовища.

Предметом дослідження є балочні залізобетонні прогонові споруди мостів, що експлуатуються на залізницях України.

Методи дослідження. Для кількісного аналізу дефектів та оцінки значимості факторів, що впливають на появу дефектів використані методи теорії ймовірності та математичної статистики. Для розробки методики визначення ймовірності появи дефектів при різних строках проведення ремонтних робіт використані методи теорії надійності. Ефективність виконання досліджень забезпечена використанням широкого масиву фактичних даних про дефекти балочних залізобетонних прогонових споруд мостів, що експлуатуються на залізницях України.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

- проаналізована існуюча система збору та накопичення інформації про дефекти мостів. Розроблені форми збору даних про балочні залізобетонні прогонові споруди залізничних мостів та створена електронна база даних;

- визначено склад факторів, що впливають на довговічність мостів та виконана оцінка їх значимості за впливом на виникнення дефектів. Характерні дефекти балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів класифіковані за групами факторів. Визначена середня довговічність балочних залізобетонних прогонових споруд мостів, що експлуатуються на залізницях України;

- виконано статистичне дослідження даних і визначені функціональні залежності частоти появи дефектів від строку служби та типу прогонових споруд;

- розроблена методика визначення ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтних робіт.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше вирішена задача кількісного обгрунтування (методами математичної статистики) класифікації деяких груп факторів, що впливають на появу дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів;

- вперше для балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів одержано математичний опис процесу накопичення дефектів за довготривалий період часу.

- вперше визначені ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтних робіт на основі широкого масиву практичних даних про дефекти.

Результати роботи відкривають можливість раціонального управління станом залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів з ціллю максимального подовження їх довговічності.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика визначення ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтних робіт

Розроблені заходи по вдосконаленню системи нагляду і поточного утримання мостів на основі запропонованої структури бази даних.

Створено базу даних дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів, яка може бути використана службами експлуатації і утримання штучних споруд Укрзалізниці для зберігання і зміни інформації, а також аналізу дефектів з послідуючим прогнозуванням стану споруди в процесі її експлуатації.

Одержані результати дозволять тим же службам планувати своєчасне проведення ремонтів для підвищення надійності і довговічності балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів.

Впровадження результатів роботи. База даних штучних споруд, на основі якої розроблена методика визначення ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтних робіт встановлена на ЕОМ відділу штучних споруд ЦП Укрзалізниці та Київської мостовипробної станції Головного управління колійного господарства Укрзалізниці.

Особистий внесок здобувача. Виконана кількісна оцінка складу і якості характерних дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів [4, 6, 7]; визначені основні фактори, що впливають на появу дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів і виконана оцінка їх значимості [1]; виведена функціональна залежність частоти появи дефектів від впливу зазначених факторів [2]; розроблена методика визначення ймовірності появи дефектів методом теорії надійності при заданих строках ремонтних робіт [5].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на трьох українських міжгалузевих науково-практичних семінарах “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення”, які відбулися в м. Києві в Українському Транспортному Університеті в 1996, 1998 та 2000 роках та на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми", що відбулася в м. Києві в 2001 році.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 5 наукових виданнях, що затверджені переліком ВАК України [1-5].

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та 2 додатків. Загальний обсяг 184 сторінки комп’ютерного тексту, в тому числі 129 основного тексту, 98 рисунків і таблиць, 113 найменувань використаних джерел та два додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність вибраної теми дисертації, визначені ціль та методи дослідження, а також практична та наукова цінність отриманих результатів.

В першому розділі на основі огляду літературних джерел за темою дисертаційного дослідження розглядається стан проблеми на сьогоднішній день.

Сьогодні, коли більшість будівельних конструкцій досягла віку близького до вичерпання фізичної або моральної довговічності, гостро постає питання подовження їх строку служби та підвищення надійності. Завдяки вивченню факторів, що впливають на поведінку конструкції в реальних умовах експлуатації, вчені нашої країни та за її рубежами прийшли висновку, що розрахунок надійності та довговічності будівельних конструкцій необхідно провадити на основі імовірнісних методів.

Теоретичною основою для вирішення цих питань служать фундаментальні труди відомих вчених М.С. Стрелецкого, А.Р. Ржаніцина, В.В. Болотіна надруковані ще в 30 – 50-і роки минулого століття.

На сьогоднішній день відомі вчені нашої країни в сфері будівельних конструкцій досягли значних результатів в вирішенні проблеми визначення надійності та довговічності конструкцій на основі методів теорії надійності та ймовірності. Роботи д.т.н., професора М.В. Савицького, д.т.н., професора С.Ф. Пічугіна, д.т.н. Р.І. Кінаша, д.т.н. А.В. Перельмутера, д.т.н. В.А. Пашинського, д.т.н. В.А. Пермякова, д.т.н. Є.В. Горохова, д.т.н. А.Я. Барашикова вносять вклад в розробку методів нормування параметрів надійності та довговічності будівельних конструкцій, дають змогу оцінювати технічний стан конструкцій на основі реальних даних, що безперечно дозволить подовжити строк служби будівельних конструкцій, які знаходяться в експлуатації.

Мостобудування є окремою специфічною галуззю будівельних конструкцій, тому застосування методів теорії ймовірності для розв’язання задач з подовження довговічності та підвищення надійності мостових конструкцій пов’язане з рядом складностей. Серед них такі, як врахування впливу випадкових факторів на поведінку споруд в процесі їх експлуатації та виникнення дефектів, що не викликають раптової втрати несучої здатності споруд, але без проведення належного і своєчасного ремонту загрожують зниженню їх довговічності.

Нормативні документи з проектування, будівництва та утримання мостів на сьогодні не встановлюють чітко регламентованих параметрів їх надійності та довговічності. Над вирішенням проблеми оцінки технічного стану споруд, підвищення надійності та подовження їх довговічності сьогодні в Україні працюють: д.т.н., професор А.І. Лантух-Лященко, д.т.н., професор М.І. Казакевич, д.т.н., професор Й.Й. Лучко, к.т.н., професор А.О. Шкуратовський, к.т.н., доцент Н.Є. Страхова, к.т.н., доцент П.М. Коваль і інші спеціалісти.

Щоб отримати реальну оцінку надійності і довговічності необхідно володіти вичерпною інформацією про стан споруд, що знаходяться в експлуатації. Підхід до цієї інформації з наукової точки зору та за допомогою методів теорії ймовірності дозволить проаналізувати вірогідність появи дефектів, прогнозувати їх розвиток з часом, а також враховувати одержані результати при проектуванні нових споруд. На основі аналізу широкого масиву даних про стан споруд можливе нормування показників надійності і довговічності, що дозволить раціонально керувати їх утриманням. Тут важливе значення має досвід російських вчених, спеціалістів в сфері мостобудування: д.т.н. В.О. Осіпова, д.т.н. Л.І. Іосилевського, д.т.н. А.А. Петропавловського, д.т.н. І.Г. Овчіннікова, д.т.н. В.П. Чиркова, д.т.н. А.В. Носарева, к.т.н. О.І. Васильєва і інших.

В Україні питання нормування надійності і довговічності мостових споруд до цього часу залишаються остаточно не вирішеними із-за відсутності вичерпної інформації про стан споруд, що знаходяться в експлуатації. На сьогодні в галузевій науково-дослідній лабораторії штучних споруд Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, за участю автора даної дисертації, створена база даних про дефекти залізобетонних залізничних мостів. На основі неї і виконано дане дослідження.

В другому розділі на основі фактичних даних про дефекти балочних залізобетонних прогонових споруд мостів на залізницях України виконано класифікацію і оцінку факторів, що впливають на появу дефектів.

Період від початку проектування до виходу з експлуатації будь-якого моста можна розділити на три якісно різні стадії: проектування, будівництво, експлуатація.

Під терміном “дефекти” в даному дисертаційному дослідженні розуміються дефекти та пошкодження мостів, що виникають на різних стадіях життєвого циклу моста.

На основі багаторічного досвіду оглядів і випробувань мостів ГНДЛ штучних споруд ДІІТу і знайомства з досвідом інших дослідників можна стверджувати, що більшість дефектів і пошкоджень накопичених до моменту виходу моста з експлуатації можуть бути віднесені до впливу факторів, що діють на тій чи іншій стадії служби моста. Практично рідкі випадки коли причину руйнування або заміни споруди неможливо визначити. Вигляд конструкції до моменту виникнення граничного стану в концентрованій формі відображає набір пошкоджувальних впливів.

В роботі всі характерні дефекти балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів розділені на чотири групи, за причинами їх появи:

- недоліки проектування;

- недоліки будівництва і монтажу;

- недоліки утримання;

- вплив навколишнього середовища.

За цими чотирма групами визначені і чотири фактори, що впливають на появу дефектів.

Розглянуто 15 типів балочних залізобетонних прогонових споруд, що експлуатуються в теперішній час на залізницях України, які об’єднані в чотири групи: плитні, реберні, попередньо напружені та інші.

Головною задачею кількісного аналізу дефектів залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів є виявлення залежності між строком служби, типом прогонових споруд і частотою появи дефектів.

На основі бази даних про дефекти для подальшого аналізу підраховані частоти появи дефектів за строком служби та типами прогонових споруд за формулою

,

де - число прогонових споруд, що мають дефекти;

- загальна кількість прогонових споруд.

В результаті подальшого статистичного аналізу отримано кількісне обгрунтування факторів, що впливають на появу дефектів (табл. 1).

Згідно з таблицею 49,05% дефектів з’явилися внаслідок недоліків утримання та експлуатації, 30,20% дефектів внаслідок недоліків будівництва і монтажу і 22,17% внаслідок впливу навколишнього середовища, та всього 2,7% внаслідок недоліків проектування.

Таблиця 1

Фактори і їх кількісне обгрунтування в %

Фактори

1-й фактор | 255 | 2,7 | 4,15

2-й фактор | 2836 | 30,20 | 46,20

3-й фактор | 4606 | 49,05 | 75,02

4-й фактор | 2082 | 22,17 | 33,91

де = 9392 шт – загальна кількість прогонових споруд;

– кількість дефектних прогонових споруд за факторами;

шт – загальна кількість дефектних прогонових споруд.

У зв’язку з різною кількістю дефектів у споруд довоєнного і післявоєнного будівництва та з ціллю визначення причин цієї різниці, весь масив даних про дефекти поділено на дві групи, згідно з періодами будівництва: довоєнний і післявоєнний.

Весь подальший аналіз виконано з урахуванням цього розподілу.

В табл. 2 наведено кількісне обгрунтування факторів, що впливають на появу дефектів для двох груп споруд за періодами будівництва.

Таблиця 2

Фактори і їх кількісне обгрунтування в % за періодами будівництва

Фактори | Період будівництва

До 1945 року | Після 1945 року

шт |

шт |

% |

% |

шт |

шт |

% |

%

1-й фактор | 1567 | 20 | 1,28 | 2,07 | 7825 | 235 | 3,0 | 4,54

2-й фактор | 1567 | 306 | 19,53 | 31,68 | 7825 | 2530 | 32,33 | 48,89

3-й фактор | 1567 | 658 | 41,99 | 68,12 | 7825 | 3948 | 50,45 | 76,30

4-й фактор | 1567 | 519 | 33,12 | 53,73 | 7825 | 1563 | 19,97 | 30,21

Всього | 1567 | 966 | 61,65 | - | 7825 | 5174 | 66,12 | -

де – загальна кількість прогонових споруд;

– кількість дефектних прогонових споруд за факторами;

шт, шт – загальна кількість дефектних прогонових споруд за періодами будівництва.

Згідно таблиці найбільше дефектів з’явилося внаслідок недоліків експлуатації та поточного утримання, як в довоєнний період (41,99%), так і в післявоєнний (50,45%). Другим значимим фактором для споруд довоєнної побудови є вплив навколишнього середовища (33,12%), а післявоєнної побудови – недоліки будівництва і монтажу (32,33%). Третім значимим фактором для споруд довоєнної побудови є недоліки будівництва і монтажу (19,53%), а післявоєнної – вплив навколишнього середовища (19,97%).

Всього проаналізовано 9 392 штук залізобетонних прогонових споруд мостів, що експлуатуються в теперішній час на залізницях України. З них 65% мають дефекти, 16% споруд довоєнного будівництва і 84% післявоєнного будівництва. Середній строк служби складає 49 років. Всього 16% споруд досягають розрахункового строку служби, тобто 80 років. Середній строк служби споруд післявоєнної побудови складає 32 роки.

Для перевірки значимості визначених факторів виконано дисперсійний аналіз (табл. 3, 4).

Таблиця 3

Результати дисперсійного аналізу при групуванні за строком служби

Дефекти за групами |

похибка |

похибка |

похибка

1-а група | 7,99 | 100 | 0,7999 | 240,08 | 9291 | 0,0258 | 3,0957

2-а група | 156,88 | 100 | 1,5688 | 1822,77 | 9291 | 0,1962 | 7,9963*

3-я група | 190,02 | 100 | 1,9002 | 2157,12 | 9291 | 0,2322 | 8,1842*

4-а група | 168,03 | 100 | 1,6803 | 1452,44 | 9291 | 0,1563 | 10,748*

де - сума квадратів відхилень відносно середнього;

- число степенів свободи;

– середній квадрат або оцінка дисперсії;

- критерій для перевірки значимості оцінки дисперсії.

В таблиці виділені коефіцієнти значимі на рівні .

Для перевірки значимості отриманих оцінок статистики F виконано їх порівняння зі значеннями статистики F, знайденими за допомогою математико-статистичних таблиць, згідно яких 99 % точка F(1, 100, 0,99) = 6,927. Розрахункові значення для 2-го, 3-го та 4-го факторів вищі критичних (F = 7,9963 > 6,927; F = 8,1842 > 6,927; F = 10,748 > 6,927). З цього слідує, що залежність частоти появи дефектів від строку служби балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів з урахуванням впливу трьох значимих факторів підтверджується з ймовірністю 99%.

Таблиця 4

Результати дисперсійного аналізу при групуванні за типами прогонових споруд

Дефекти за групами |

похибка |

похибка |

похибка

1-а група | 4,506 | 3 | 1,502 | 243,570 | 9388 | 0,0259 | 57,8963*

2-а група | 34,285 | 3 | 11,428 | 1945,359 | 9388 | 0,2072 | 55,1511*

3-я група | 59,975 | 3 | 19,992 | 2287,163 | 9388 | 0,2436 | 82,0587*

4-а група | 13,569 | 3 | 4,523 | 1606,897 | 9388 | 0,1712 | 26,4246

де - сума квадратів відхилень відносно середнього;

- число степенів свободи;

– середній квадрат або оцінка дисперсії;

- критерій для перевірки значимості оцінки дисперсії;

В таблиці виділені коефіцієнти значимі на ріні .

Згідно математико-статистичних таблиць 99 % точка F(1, 3, 0,99) = 34,12. Розрахункові значення для 1-го, 2-го, та 3-го факторів вищі критичних (F = 57,8963 > 34,12; F = 55,1511 > 34,12; F = 82,0587 > 34,12). З цього слідує залежність частоти появи дефектів від типу прогону балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів від впливу трьох значимих факторів підтверджується з ймовірністю 99%.

Для визначення характеру залежності частоти появи дефектів від строку служби і типу прогонових споруд виконано кореляційний аналіз (табл. 5).

Таблиця 5

Результати кореляційного аналізу

Змінна | Частота | Частота 1 | Частота 2 | Частота 3 | Частота 4

Строк служби | 0,15 | - 0,24 | - 0,16 | - 0,03 | 0,54 *

Тип 1 | 0,14 | 0,01 | 0,06 | 0,18 | 0,07

Тип 2 | 0,07 | 0,09 | - 0,08 | 0,07 | 0,18

Тип 3 | 0,19 | 0.15 | 0,32 | 0,02 | 0,44

Тип 4 | 0,02 | - 0,33 | - 0,26 | 0,08 | 0,09

де виділені кореляції значимі на рівні ;

тип1, 2, 3,4 – типи прогонових споруд;

частота 1, 2, 3, 4 – частота появи дефектів від впливу чотирьох факторів;

частота – частота появи дефектів від сумісного впливу чотирьох факторів.

Значимим при є коефіцієнт кореляції для випадку “строк служби – частота 4”, тобто частота появи дефектів в результаті впливу зовнішнього середовища.

За допомогою регресійного аналізу методом найменших квадратів підібрана лінійна модель розподілу частоти появи дефектів від впливу навколишнього середовища, яка описується рівнянням

.

Отже, чим більше строк служби споруди, тим вище частота появи дефектів від впливу навколишнього середовища, тобто залежність прямо пропорційна.

В третьому розділі визначені типи залежності частоти появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів від впливу 4-х факторів, що розглядаються в даній дисертаційній роботі, при групуванні за строком служби та типом прогонових споруд. Побудовані графіки залежності окремо для споруд довоєнної і післявоєнної побудови. Для всіх графіків виведені рівняння. Всього в розділі 7 рисунків на кожному з яких зображено по 4 графіки (наприклад рис.1 і рис.2), що відображають дію 4-х факторів.

На рисунках цифрами 1, 2, 3, 4 позначені графіки залежності дефектів від строку служби внаслідок дії 1-го, 2-го, 3-го та 4-го факторів.

Окремо винесені рівняння, що описують функції розподілу.

Рис. 1. Графіки залежності та функції розподілу дефектів за строком служби для споруд довоєнного будівництва

Всі графіки для прогонових споруд довоєнної побудови, а також для 4-го типу, при групуванні за типом прогонових споруд, мають хаотичний характер. Це можна пояснити багатьма причинами. По-перше розглядається невелика кількість мостів зі строком служби більше 50-и років, що збереглися в експлуатації. По-друге впливає людський фактор на збір і фіксування інформації про дефекти, та багато інших випадкових факторів, які не можливо перерахувати і врахувати при аналізі. Всі ці графіки мають квадратичний та логарифмічний тип з відповідними їм рівняннями.

Рис. 2. Графіки залежності та функції розподілу дефектів за строком служби для споруд післявоєнного будівництва

Для балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів післявоєнного будівництва залежність частоти появи дефектів при групуванні за строком служби від дії 2-го та 3-го факторів має логарифмічний тип, як при групуванні за строком служби, так і при групуванні за типами прогонових споруд.

Для випадку дії 1-го фактора (помилки проектування ) та 4-го фактора (вплив навколишнього середовища) на частоту появи дефектів, як при групуванні за строком служби, так і при групуванні за типами прогонових споруд залежність має лінійний характер. Згідно з результатами, отриманими в третьому розділі, аналіз дефектів окремо для споруд довоєнного і післявоєнного будівництва - є виправданим.

При групуванні за строком служби та типом прогонових споруд з’ясувалось, що значущими за впливом на частоту появи дефектів, як і в попередньому розділі є три основні фактори, наведені нижче в порядку значимості:

- недоліки поточного утримання;

- недоліки будівництва і монтажу;

- вплив навколишнього середовища.

В четвертому розділі на основі методу теорії надійності розроблена методика визначення ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтів.

Дослідження, висвітлені в цьому розділі, виконані при науковому консультуванні співробітників кафедри будівельна механіка ДІІТу: к.т.н. О.І. Паламаренко і к.т.н. В.Л. Горобця, а також в співробітництві з інженером Одеської залізниці О.П. Вишкварок. Аналіз виконано на основі даних, що зібрані старшим науковим співробітником ГНДЛ штучних споруд, к.т.н. В.І. Борщовим в рамках науково-дослідної роботи, яка виконувалася лабораторією ДІІТу.

Розглянуті в роботі дефекти балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів відносяться до II-ої групи граничних станів. Поява дефектів розглядається як відмова споруди. Час появи дефекту, його виявлення і усунення характеризується як знаходження моста в стані дефектності.

Згідно з результатами отриманими в попередніх розділах цього дослідження, майже всі відмови викликані впливом випадкових факторів, які або закладені в споруду при її виготовлені і будівництві, або діють на неї в процесі експлуатації. Тому відмови, як правило, носять випадковий характер і трактуються як випадкова подія, а надійність – як імовірнісна характеристика системи.

За головний показник надійності споруди приймається ймовірність безвідмовної роботи на протязі всього строку служби, тобто ймовірність того, що на протязі встановленого проміжку часу при заданих умовах експлуатації не відбудеться ні однієї відмови. Ця ймовірність називається надійністю системи і позначається через . Надійність - є функція часу . Для мостової конструкції умова надійності споруди протягом її експлуатації описується виразом

де - ймовірність безвідмовної роботи конструкції в період її експлуатації ,

- нормоване значення ймовірності безвідмовної роботи конструкції.

Розрахунок надійності мостової конструкції виконується за припущення, що міст є ремонтопридатною і відновлюваною системою. Після кожного відновлення, тобто усунення дефектів, приймає значення рівне , після чого знову відбувається його зменшення в процесі подальшої експлуатації до появи нової відмови.

В роботі розрахована інтенсивність відмов - характеристика зменшення надійності споруди в часі. Припускається що інтенсивність відмов постійна в часі, тобто , а потік відмов є найпростішим потоком, звідси час відновлення працездатності споруди розподілено за експоненціальним законом

.

Оскільки в жодному із діючих нормативних документів у галузі мостів не обумовлено, яким має бути рівень надійності для мостів, що експлуатуються. На основі аналізу наукових розробок спеціалістів в галузі будівельних конструкцій та мостобудування, в даній роботі прийнято рівень надійності , який характеризує настання стану непридатності моста до експлуатації без втрати несучої здатності.

Для визначення середнього часу появи відмови мостової конструкції, як приклад, розглянуті дефекти групи споруд, зафіксовані при оглядах через заданий проміжок часу і підраховані інтенсивності їх відмов. За якими визначені:

- середній час появи відмови моста

років;

- середній час проведення ремонтів

років.

Для розробки методики визначення ймовірності появи дефектів проаналізовані дефекти для двох груп, що складаються з 6-и та 12-и балочних залізобетонних мостів, які експлуатуються на Придніпровській залізниці.

Ці групи мостів мають наступні характеристики:

- всі прогонові споруди монолітні реберні, запроектовані за нормами 1907 року;

- знаходяться на одній лінії з однаковою вантажонапруженістю;

- експлуатуються практично в однакових кліматичних умовах;

- середня періодичність суцільних обстежень складає 4,4 роки;

- всі ці мости обстежувались однією і тією ж людиною починаючи з 1957 року.

Проаналізовано 5 груп дефектів:

- руйнування захисного шару бетону з оголенням арматури;

- корозія арматури;

- знаходження стиків колії в зоні шкафної стінки стояна;

- порушення гідроізоляції баластного корита зі слідами вилуговування цементного каменю із мікротріщин прогонової споруди на консолях;

- порушення гідроізоляції баластного корита зі слідами вилуговування цементного каменю із мікротріщин прогонової споруди між балками.

Поява хоч би однієї з цих груп тракується як відмова споруди.

Методика визначення ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів полягає в наступному:

- на основі дефектів споруд складені часові діаграми стану споруд, на яких відображена зміна станів мостів і перехід зі стану в стан для строків усунення виявлених дефектів на протязі 1-го, 2-х і 3-х років (наприклад рис. 3);

Рис. 3. Часова діаграма стану споруд для групи з 6-и мостів при строках усунення дефектів на протязі 1-го року

- підраховані інтенсивності відмов за формулою

,

де - середній час знаходження споруди в стані дефектності;

- побудовані графи переходу споруд із стану в стан з інтенсивностями відмов (наприклад рис. 4);

- на основі графів складені диференційні рівняння слідуючих типів:

а) знаходження мостів в безде-фектному стані та стані дефектності при комбінації різних груп дефектів

, де

б) знаходження мостів в стані де-фектності однієї групи дефектів

, де

в момент часу система зна-ходиться в стані , то , , для усіх інших станів;

- рівняння вирішені шляхом диференціювання на ЕОМ. Знайдені ймовірності бездефектного та дефектного станів для однієї групи дефектів та при комбінації різних груп.

- побудовані і проаналізовані графіки ймовірності знаходження мостів в бездефектному та дефектному станах (наприклад рис. 5-6).

Рис. 5. Графік ймовірності знаходження мостів в бездефектному стані |

Рис. 6. Графіки ймовірності знаходження мостів в стані одночасної появи дефектів 1-ої, 2-ої та 3-ої груп

На рис. 5 наведено приклад для групи з 6 мостів при усуненні дефектів на протязі року після їх виявлення.

На рис. 6 цифрами 1, 2, 3 позначені графіки для строків усунення дефектів на протязі 1-го, 2-х і 3-х років після їх виявлення.

Завдяки отриманим в цьому розділі результатам доведено можливість прогнозування стану споруд і складення оптимального плану їх поточного утримання.

На основі здійсненого в дисертаційній роботі дослідження пропонуються такі рекомендації по подовженню довговічності балочних залізобетонних прогонових споруд мостів, що експлуатуються на залізницях України:

1. Необхідно створити єдину систему з обліку дефектів мостів, що експлуатуються на залізницях України з центром в ЦП колії “Укрзалізниці” куди по загальним комп’ютерним мережам буде поступати вся необхідна інформація. При цьому дефекти повинні фіксуватися за весь період служби споруди з самого початку введення її в дію. Після усунення дефекту, в базі даних повинна бути зроблена відповідна помітка, а інформація про те, що дефект був, зберігається.

2. Згідно з статистичними дослідженнями дефектів, проведеними в цій дисертаційній роботі, рекомендується суцільні огляди залізобетонних залізничних мостів, що встановлені як не менше 1-го разу в 5-10 років “Інструкцією по утриманню штучних споруд”, затвердженою Головним управлінням колійного господарства Державної адміністрації залізничного транспорту України, провадити не менше 1-го разу в 5 років. Всю інформацію про виявлені дефекти зберігати на протязі всього строку служби мосту.

3. На основі такої інформації за допомогою розробленої в даній роботі методики визначення ймовірності бездефектного стану та стану дефектності мостів, рекомендується:

- прогнозувати появу дефектів або груп дефектів на протязі всього строку експлуатації споруди;

- визначати надійність споруди в поточний час шляхом порівняння отриманих величин ймовірності та надійності з мінімально допустимими;

- планувати проведення малих та капітальних ремонтів.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що на сьогодні із всієї кількості балочних залізобетонних прогонових споруд, що знаходяться в експлуатації на залізницях України, 65 % мають дефекти. В тому числі споруди довоєнного будівництва становлять 61,6 % дефектних від загальної кількості прогонових споруд (середній строк служби 80 років) і споруди післявоєнного будівництва становлять 66,1 % дефектних від загальної кількості прогонових споруд (середній строк служби 32 роки).

2. Встановлено, що середній строк служби балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів на сьогоднішній день складає 49 років. Всього 17% залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів мають строк служби близький до розрахункового.

3. Встановлено, що на частоту появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів впливають 4 основні фактори. Значимими, згідно проведеного в даній роботі дослідження, є 3 фактори:

- фактор поточного утримання (49% прогонових споруд мають дефекти від впливу цього фактора).

- фактор будівництва і монтування (30%).

- вплив навколишнього середовища (22%).

Звідси випливає, що фактори природного зносу прогонових споруд мають незначну вагу, а більшу частину (79%) складають дефекти, поява яких обумовлена неефективною діяльністю людей на стадіях будівництва та експлуатації.

4. Підтверджено, що частота появи дефектів, які з’являються внаслідок впливу навколишнього середовища (4-й фактор), прямо пропорційно залежить від строку служби. Частота появи дефектів від впливу останніх 3-х факторів, з урахуванням строку служби споруди і типів прогонових споруд, має квадратичну і логарифмічну залежність.

5. Різний рівень частоти появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів довоєнного і післявоєнного будівництва можна пояснити декількома причинами:

- масовими відновленнями в післявоєнний період, де часто із-за поспіху не дотримувалися технічних вимог;

- розрахунком за різними нормами проектування;

- впливом фактора людини на фіксування дефектів залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів.

6. Встановлено, що визначення ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтів допомагає ефективному плануванню ремонтів, подовженню таким чином міжремонтних строків, а також довговічності споруд.

7. На основі виконаного в цій дисертаційній роботі аналізу дефектів та оцінки факторів, що впливають на появу дефектів у балочних залізобетонних прогонових споруд мостів, що експлуатуються на залізницях України розроблені заходи по подовженню довговічності цих споруд.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

АНОТАЦІЯ

Соломка В.І. Експлуатаційна надійність балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2003.

В дисертації на основі широкого масиву даних про дефекти балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів поставлена і вирішена методами математичної статистики задача кількісного обгрунтування класифікації факторів, що впливають на появу дефектів. Для балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів одержано математичний опис процесу накопичення дефектів за довготривалий період часу. Визначені функціональні залежності частоти появи дефектів при групуванні за строком служби та типами прогонових споруд від дії зазначених в роботі основних факторів. Розроблена методика визначені ймовірності появи дефектів балочних залізобетонних прогонових споруд залізничних мостів при різних строках проведення ремонтних робіт. Розроблені заходи по вдосконаленню системи нагляду і поточного утримання мостів на основі запропонованої структури бази даних.

Ключові слова: прогонова споруда, дефекти, фактори, ймовірність появи дефектів, частота появи дефектів, тип прогонової споруди, функціональна залежність, довговічність, надійність.

АННОТАЦИЯ

Соломка В. И. Эксплуатационная надежность балочных железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2003.

В диссертации на основе обширного массива данных о дефектах железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов выполнен статистический анализ дефектов, оценка факторов, влияющих на появление дефектов, разработана методика определения вероятности появления дефектов при различных сроках проведения ремонтов и разработаны мероприятия по продлению долговечности балочных железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов.

Во введении обоснована актуальность избранной темы диссертации, определены цели и задачи исследования, дана оценка основным полученным результатам.

В первом разделе рассмотрены публикации, посвященные вопросам надежности и долговечности железобетонных конструкций. Рассмотрены вероятностные методы определения надежности и долговечности железобетонных конструкций, в частности мостов.

Во втором разделе все характерные дефекты балочных железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов разделены на четыре группы, по причинам их появления: ошибки проектирования, недостатки строительства и монтажа, недостатки содержания, влияние окружающей среды. По этим группам определенны четыре фактора, оказывающие влияние на появление дефектов. Путем статистического, дисперсионного и корреляционного анализов выполнена оценка факторов. Это, в порядке значимости, текущее содержание (49 % пролетных строений имеют дефекты в результате влияния этого фактора), строительство и монтаж (30 %), влияние окружающей среды (22%).

Рассмотрено 15 типов балочных железобетонных пролетных строений, которые эксплуатируются на железных дорогах Украины. Они объединены в четыре группы: плитные, ребристые, предварительно напряженные и прочие.

Всего проанализировано 9 392 штук железобетонных пролетных строений мостов, которые эксплуатируются на железных дорогах Украины. Из них 65 % имеют дефекты. Причем 16 % сооружений довоенного строительства и 84 % послевоенного строительства. Средний срок службы составляет 49 лет. Всего 17 % сооружений достигают расчетного срока службы, то есть 80-и лет. Средний срок службы сооружений послевоенной постройки составляет 32 года.

В третьем разделе на основе проведенных группирований по сроку службы и типам пролетных строений определен характер зависимости частоты появления дефектов от