ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ШЕВЧЕНКО ТЕТЯНА ЮРІЇВНА

УДК 624.01

ПРОГНОЗУВАННЯ НАДІЙНОСТІ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

ЛОГІКО - ІМОВІРНІСНИМИ МЕТОДАМИ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Савицький Микола Васильович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, проректор з наукової роботи, завідуючий кафедрою залізобетонних і кам'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бамбура Андрій Миколайович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідуючий відділу надійності будівельних конструкцій;

доктор технічних наук, професор Бараненко Валерій Олексійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідуючий кафедрою нарисної геометрії та графіки.

Захист відбудеться “ 22 ” травня  08 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою:

49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а).

Автореферат розісланий “ 17 ” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кваша Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема надійності будівельних конструкцій відноситься до числа першочергових, оскільки безперервно збільшуються об'єми будівництва і підвищуються вимоги до його якості.

Статистика відмов будівельних конструкцій свідчить, що вони обумовлені здебільшого наявністю помилок при проектуванні, виготовленні і монтажу конструкцій, порушеннями правил їх експлуатації, тобто впливом суб'єктивного фактора.

Сучасна нормативна база проектування при визначенні рівня надійності конструкцій дозволяє враховувати зовнішні навантаження і впливи, мінливість геометричних параметрів конструкцій і міцнісних характеристик матеріалів. Вплив на надійність залізобетонних конструкцій суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій, діючими нормами не враховується.

У зв'язку з цим розвиток методології прогнозування надійності залізобетонних конструкцій з врахуванням суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій, є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій ПДАБА в рамках держбюджетної науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки України: "Діагностика та моніторинг залізобетонних конструкцій будівель і споруд із урахуванням екстремальної дії зовнішнього середовища" 2006-2010 р. (державний реєстраційний номер теми 0106U005338).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток методології прогнозування надійності залізобетонних конструкцій з врахуванням впливу їх мінливих параметрів та суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.

Сформульована мета дисертаційної роботи обумовила необхідність вирішення таких задач:

- розробити загальні положення, принцип розрахунку і методологію вирішення задач врахування впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на основі логіко-імовірнісного підходу до прогнозування їх надійності;

- виконати аналіз впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій шляхом оцінки рівня якості діяльності учасників процесу створення та процесу експлуатації конструкцій і розробити метод кількісної оцінки його впливу на надійність конструкцій, базуючись на теорії нечітких множин і нечіткій логіці;

- провести апробацію запропонованого логіко-імовірнісного підходу на прикладі прогнозування надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються.

Об'єкт дослідження – залізобетонні конструкції.

Предмет дослідження – закономірності, що характеризують надійність залізобетонних конструкцій з врахуванням суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.

Методи дослідження: системний аналіз, теорія ймовірностей, теорія надійності будівельних конструкцій, теорія опору залізобетонних конструкцій, теорія нечітких множин і нечітка логіка, методи експертних оцінок.

Інформаційною базою дослідження є актуальні нормативні документи з проектування залізобетонних конструкцій, статистичні дані обстежень залізобетонних конструкцій будівель і споруд, дані українських будівельних порталів, монографії, статті і матеріали науково-практичних конференцій, спеціальна література вітчизняних і зарубіжних авторів.

Наукова новизна одержаних результатв полягає в наступному:

- вперше запропоновано загальні положення, принцип розрахунку і методологію вирішення задач врахування впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на основі логіко-імовірнісного підходу до прогнозування їх надійності;

- вперше запропоновано основні показники і кількісні моделі оцінки якості діяльності учасників процесу створення та процесу експлуатації залізобетонних конструкцій, що базуються на теорії нечітких множин і нечіткій логіці;

- з використанням запропонованого логіко-імовірнісного підходу проведено дослідження рівня надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблений алгоритм та програмне забезпечення для прогнозування надійності залізобетонних конструкцій з врахуванням впливу їх мінливих параметрів та суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.

Результати досліджень використані при виконанні обстежень та прогнозуванні надійності залізобетонних конструкцій реальних об'єктів та в навчальному процесі, при підготовці магістерських робіт в ПДАБА.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- на основі логіко-імовірнісного підходу запропоновано загальні положення, принцип розрахунку і методологію вирішення задач врахування впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій;

- запропоновано показники якості і кількісні моделі оцінки якості діяльності учасників процесу створення та процесу експлуатації залізобетонних конструкцій;

- з використанням розробленого логіко-імовірнісного підходу виконано аналіз та отримано дані про рівень надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються.

Наукові результати, висновки та рекомендації, які наведено у дисертації та виносяться на захист отримані особисто автором.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися: на міжнародній конференції "Інноваційні технології життєвого циклу об’єктів житлового, цивільного, промислового та транспортного призначення" (Крим, 2004 р., 2007 р.); на Польсько-Українському семінарі "Теоретичні основи будівництва" (Дніпропетровськ, 2005 р.); на міжнародних науково-практичних конференціях «Реконструкция Санкт – Петербург  » (Санкт – Петербург, 2005 р.); "Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов" (Республика Беларусь, Могильов, 2006 р.); "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт – Петербург, р.); на наукових семінарах кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій ПДАБА (2004 –  рр.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 11 друкованих працях, у т.ч. 9 – в збірниках наукових праць, 2 – у тезах доповідей міжнародних конференцій (8 статей надруковані у виданнях, що входять до переліку фахових видань, затвердженого ВАК України).

Робота виконувалась протягом 2004 – 7 р. у Придніпровській державній академії будівництва та архітектури під керівництвом д.т.н., професора Савицького М.В.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, термінів та визначень, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 174 сторінки тексту, у тому числі 30 рисунків, 26 таблиць, 4 додатки на 17 сторінках. Список використаних джерел містить 167 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені мета і задачі дослідження, сформульовані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведено основні положення, що подаються на захист, а також дані про впровадження результатів досліджень.

У першому розділі виконано аналіз існуючих методів розрахунку надійності залізобетонних конструкцій, а також найбільш розповсюджених причин відмов конструкцій.

Розглянуто процес розвитку методів оцінки надійності будівельних конструкцій. Загальним питанням надійності будівельних конструкцій присвячені роботи В.В. Болотіна, А.В. Геммерлінга, О.Р. Ржаніцина, М.С. Стрелецького, А.Г. Ройтмана та інших науковців.

Результати досліджень в галузі надійності будівельних конструкцій представлені у працях: А.Я. Барашикова, Б.І. Бєляєва, Є.А. Єгорова, М.М. Застави, А.Я Ісайкіна, Р.І. Кінаша, О.С. Личова, А.В. Перельмутера, С.Ф. Пічугіна, В.Г Пошивача, В.Д. Райзера, М.В. Савицького, О.В. Семко, Б.І. Снарскіса, К.Е. Таля, С.А. Тімашева, С.Б. Усаковського, В.П. Чіркова, Г. Шпете та ін.

Існуюча нормативна база в області проектування враховує вплив на надійність залізобетонних конструкцій багатьох факторів, серед яких: мінливість міцнісних характеристик матеріалів і геометричних розмірів елементів; атмосферні, сейсмічні та техногенні навантаження і впливи; вплив агресивних середовищ та ін.

Вплив на надійність мінливих параметрів конструкцій враховується при їх розрахунку імовірнісними методами. В галузі використання цих методів найбільш відомі праці: М.Б. Краковського, А.П. Кудзіса, М.М. Складнєва, В.В. Судакова та ін.

Статистика свідчить, що близько 80% відмов будівельних конструкцій відбуваються через помилкові рішення учасників процесу створення та експлуатації конструкцій. Тому врахування впливу суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій, є важливим аспектом забезпечення їх надійності.

В проекті нормативного документа України «Бетонні та залізобетонні конструкції» відмічено, що безвідмовна робота конструкцій протягом встановленого терміну забезпечується, якщо:

- конструкції проектуються персоналом відповідної кваліфікації;

- забезпечується відповідний нагляд і контроль якості на підприємствах і будівельному майданчику;

- будівництво здійснює персонал, що має необхідні навики та досвід;

- конструкційні матеріали та вироби застосовуються таким чином, як визначено у відповідних нормативах;

- забезпечується відповідний нагляд за експлуатацією споруди;

- споруда буде експлуатуватися згідно з призначенням за проектом.

В інших випадках надійна робота конструкцій не гарантується. Тобто фактично вплив суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій в діючих нормативних документах в області будівництва не враховується.

Аналіз літературних джерел засвідчує, що за кордоном існують методи врахування впливу на надійність суб'єктивного фактора. Для цього використовуються методи теорії ймовірностей, теорії нечітких множин і нечітка логіка. Основні положення теорії нечітких множин були запропоновані Л. Заде. Найбільш значущими в цій галузі є роботи: А. Кофмана, Е. Мамдані, М. Сугено, Р. Ягера та ін.

Дослідженнями в області застосування нечітких технологій при вирішенні задач будівельної галузі на Україні займаються Є.В. Горохов, О.Д. Панкевич, О.В. Шеліхова та ін.

На основі нечітких технологій вітчизняними науковцями створені: система підтримки прийняття рішень при діагностиці технічного стану цегляних конструкцій, методика нормування конструктивних ризиків по результатам оцінки технічного стану будівельних об'єктів та ін.

Дослідження, присвячені розробці методології оцінки впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій, в Україні не проводились.

Таким чином, необхідно розробити методологію прогнозування надійності залізобетонних конструкцій для врахування впливу їх мінливих параметрів та суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій. З врахуванням стану проблеми визначена мета і основні задачі досліджень.

В другому розділі запропоновані загальні положення, принцип розрахунку і методологія вирішення задач врахування впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на основі логіко-імовірнісного підходу до прогнозування їх надійності.

Для оцінки надійності залізобетонних конструкцій з врахуванням впливу їх мінливих параметрів і суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу залізобетонних конструкцій, запропоновано залежність:

, (1)

де - повна імовірність безвідмовної роботи конструкцій;

– імовірність безвідмовної роботи конструкцій, що визначена з врахуванням впливу на надійність мінливих параметрів конструкцій;

- імовірність безвідмовної роботи конструкцій, що визначена з врахуванням впливу на надійність суб'єктивного фактора.

Імовірність безвідмовної роботи залізобетонних конструкцій з врахуванням впливу на надійність їх мінливих параметрів визначається загальноприйнятими методами теорії надійності будівельних конструкцій.

Для визначення імовірності безвідмовної роботи конструкцій необхідно кількісно оцінити вплив на надійність суб'єктивного фактора.

На основі статистики відмов виконаний аналіз впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на всіх стадіях їх життєвого циклу. Встановлено, що саме низька якість діяльності учасників процесу створення і процесу експлуатації конструкцій є загальною причиною появи організаційних і технологічних помилок, а саме помилок на стадії інженерних досліджень, на стадії проектування і на стадії зведення конструкцій; помилок контролю; помилок в процесі експлуатації конструкцій.

На основі кількісних даних про статистику відмов конструкцій і експертних оцінок якості діяльності учасників життєвого циклу конструкцій запропонована диференціація їх діяльності на п'ять категорій якості: I категорія – високий (B) рівень; II категорія – рівень вище середнього (BC); III категорія – середній рівень (C); IV категорія – рівень нижче середнього (HC); V категорія – низький рівень (H).

Суб'єктивний фактор може впливати на надійність конструкцій на кожній стадії їх життєвого циклу. Для кількісної оцінки цього впливу була розроблена імовірнісна модель життєвого циклу конструкцій.

Дослідження свідчать, що імовірнісна модель формування відмов на стадіях життєвого циклу залізобетонних конструкцій може бути заснована на таких подіях: помилки на стадії проектно-вишукувальних робіт; помилки на стадії зведення; помилки контролю; помилки в процесі експлуатації; використання неякісних матеріалів заводського виготовлення; перевантаження конструкції.

Модель базується на наступних положеннях: життєвий цикл залізобетонних конструкцій розглядається як послідовність операцій, що виконують його учасники; діяльність учасників життєвого циклу конструкцій може супроводжуватись помилками з різною імовірністю появи; помилка будь-якого з учасників життєвого циклу конструкцій не може мати практичних наслідків, якщо не допущена помилка особою, що здійснює контроль. Кожному процесу ставиться у відповідність подія (поява помилки при виконанні процесу) з певною імовірністю реалізації. Користуючись вищенаведеним, була сформована таблиця (див. табл. ) початкових даних для моделювання.

В табл. 1 наведені події, які призводять до відмови конструкції, а також актуальні дані щодо імовірності відмов конструкцій залежно від реалізації тієї чи іншої події, отримані в результаті аналізу актуальної статистики відмов. Дані зі статистики відмов шляхом експертних оцінок були диференційовані в залежності від категорій якості діяльності учасників процесів життєвого циклу конструкції.

Таблиця 1

Імовірність реалізації подій в залежності від рівня якості

Події | Імовірність реалізації подій

категорія якості

рівень якості

A | помилки на стадії проектно-вишукувальних робіт | 0,02 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4

B | помилки на стадії зведення | 0,02 | 0,05 | 0,1 | 0,2 | 0,3

I | помилки контролю | 0,005 | 0,01 | 0,05 | 0,08 | 0,1

U | помилки в процесі експлуатації | 0,005 | 0,01 | 0,05 | 0,08 | 0,1

M | використання неякісних конструкцій

заводського виготовлення | 0,05

S | перевантаження конструкції | 0,05

Результати досліджень дозволяють зробити висновок, що найбільш розповсюдженими причинами відмов залізобетонних конструкцій є: порушення технічних умов при виконанні будівельних робіт (проектування, зведення); недосконала організація або повна відсутність контролю якості будівництва; недотримання регламенту експлуатації конструкцій. Відмова в роботі конструкцій, як свідчить статистика відмов, частіше за все наступає в результаті сумісної дії декількох вищезгаданих причин. В більшості випадків відмова відбувається в результаті перетину двох негативних подій: одна з них визначається зовнішнім впливом (додаткові процеси - події U, M, S), інша полягає в тому, що при проектуванні, зведенні і/чи експлуатації об'єкту допущена певна сукупність помилок (базові процеси - події A, B, I).

Основні положення розрахунку наступні:

1) використовується класичний апарат теорії ймовірностей;

2) події, що розглядаються, вважаються незалежними;

3) поява одиничної помилки не викликає відмову конструкції;

4) критерій відмови конструкції:

(2)

де - число помилок, допущених при виконанні базових процесів;

- число негативних впливів при виконанні додаткових процесів.

Імовірнісне моделювання життєвого циклу залізобетонних конструкцій виконується в наступній послідовності:

1. Визначення категорій якості діяльності учасників процесу створення і процесу експлуатації конструкцій шляхом моделювання рівня якості їх діяльності при нечіткій початковій інформації (див. розділ 3).

2. Вибір ймовірностей реалізації подій в залежності від рівня якості (табл. ).

3. Визначення ймовірностей всіх можливих комбінацій подій, що характеризують базові процеси (група  ймовірностей комбінацій подій):

4. Визначення імовірності всіх можливих комбінацій подій, що характеризують вплив додаткових процесів (група 2 ймовірностей комбінацій подій):

5. Визначення імовірності всіх можливих поєднань комбінацій подій з груп 1 і 2:

6. Формування можливих комбінацій подій, що визначають сумарну імовірність відмови конструкцій (табл. 2).

7. Аналіз наслідків від всіх можливих поєднань комбінацій подій з груп 1 і 2 з використанням залежності (2), що виражає критерій відмови конструкцій.

За формулою (2), при = 2 конструкції не відмовлять, якщо = 0; якщо = 1,2,3 - конструкції відмовлять. У таблиці 2 дані, при яких конструкції відмовлять, виділені. По аналогії були проаналізовані випадки, коли = 1 і 0 відповідно.

8. Визначення сумарної імовірності відмови конструкцій від впливу суб'єктивного фактора.

Таблиця 2

Можливі комбінації подій, що визначають імовірність відмови конструкцій |

Комбінації подій | Відповідні залежності, що визначають імовірність

появи

комбінації подій | Відповідні залежності, що визначають імовірність поєднання комбінацій подій з числом подій | Комбінації подій, що визначають сумарну

імовірність відмови конструкцій

=0 | =1 | =2 | =3

2 | AI та BI | (5) | (11) | (12) | (13) | (14) | (12)+(13)+(14)

1 | AI | (3) | (7) | (8) | (9) | (10) | (9)+(10)

1 | BI | (4) | (15) | (16) | (17) | (18) | (17)+(18)

0 | Помилок нема | (6) | (19) | (20) | (21) | (22) | (22)

У | (12)+(13)+(14)+

+(9)+(10)+

+(17)+(18)+(22)

Таким чином, результатом розрахунку є імовірність відмови (P fail  ) конструкції з врахуванням впливу суб'єктивного фактора.

За теорією ймовірностей безвідмовна робота конструкції з імовірністю реалізації (Psuc-2) визначається за формулою (23):

(23)

Запропоновані граничні значення імовірності безвідмовної роботи залізобетонних конструкцій залежно від категорій якості діяльності учасників життєвого циклу конструкцій (див. табл. 3).

Таблиця 3

Граничні значення імовірності безвідмовної роботи залізобетонних конструкцій

Категорії

якості діяльності

учасників

всіх

процесів | Рівень

якості діяльності учасників

всіх

процесів | Імовірність

безвідмовної роботи конструкцій

з врахуванням впливу

суб'єктивного фактора

I категорія | високий | 0,99999

II категорія | вище середнього | 0,99997

III категорія | середній | 0,99977

IV категорія | нижче середнього | 0,99941

V категорія | низький | 0,99896

Розроблена інженерна методика врахування категорій якості діяльності учасників життєвого циклу конструкцій при прогнозуванні надійності їх функціонування.

У третьому розділі на основі експертних оцінок встановлено основні показники та розроблені моделі оцінки рівня якості діяльності учасників процесу створення та процесу експлуатації залізобетонних конструкцій в залежності від деякої множини факторів-показників якості.

Для побудови моделей використовувалися нормативні документи з галузі якості, рекомендації експертів в галузі будівельних конструкцій, а також дані експертних висновків про технічний стан будівельних конструкцій, запозичених зі звітів обстежень конструкцій.

На основі експертних оцінок запропоновані основні показники якості діяльності учасників процесу створення конструкцій (наявність у організації відповідної ліцензії; кваліфікація персоналу організації; наявність у організації функціонуючої на належному рівні системи менеджменту якості відповідно регламенту сімейства стандартів ISO 9000; термін функціонування організації; стан матеріально-технічної бази організації), а також процесу їх експлуатації (дотримання правил технічної експлуатації конструкцій; наявність пошкоджень від силових і агресивних впливів; наявність пошкоджень від механічних впливів; розвиток дефектів, що виникли при виготовленні і монтажі конструкцій).

Більшість з наведених показників якості діяльності оцінити можливо тільки якісно, суб'єктивно. Тому при моделюванні рівня якості діяльності учасників процесу створення і експлуатації залізобетонних конструкцій використана логіко-лінгвістична експертна інформація.

Задача моделювання рівня якості діяльності учасників процесу створення і процесу експлуатації зводиться до рішення задачі ідентифікації багатовимірної залежності "фактори-показники якості – рівень якості".

Для вирішення поставленої задачі був використаний метод двохетапної ідентифікації нечіткими базами знань.

На першому етапі проводиться структурна ідентифікація залежності "фактори-показники якості – рівень якості" шляхом формування нечіткої бази знань, яка грубо відображає нелінійний взаємозв'язок "входи – вихід" за допомогою лінгвістичних правил "якщо - то", що генерується експертами.

Наприклад, Якщо рівень технічного обслуговування високий і пошкоджень від механічних впливів немає і пошкоджень від силових та агресивних впливів немає і розвиток дефектів виготовлення і монтажу середній, або рівень технічного обслуговування високий і пошкоджень від механічних впливів є і пошкоджень від силових та агресивних впливів немає і розвиток дефектів виготовлення і монтажу низький, то рівень якості діяльності учасників процесу експлуатації середній.

Ідентифікація залежності проводиться на основі логічного висновку за базою знань Мамдані оскільки в рамках вирішення поставленої задачі він має ряд переваг над іншими алгоритмами.

Нечіткий висновок проводиться за системою нечітких логічних рівнянь, які формуються за базою знань шляхом заміни лінгвістичних термів відповідними функціями належності та логічних операцій "або" і "і" на операції знаходження максимуму () і мінімуму () відповідно.

За системою нечітких рівнянь розраховується значення вихідної змінної при фіксованих значеннях вхідних змінних.

Модель оцінки рівня якості діяльності учасників процесу експлуатації залізобетонних конструкцій в залежності від змінних () у загальному виді описується виразом:

, (24)

де - вихідна змінна залежності; - вхідні змінні залежності (див. табл. 4).

Для побудови моделі (24) в явному вигляді відома інформація (висновки експертів, дані з літературного аналізу) про вхідні змінні , які впливають на вихідну змінну , формалізується у вигляді бази знань, в якій відображена логіко-лінгвістична експертна інформація про закономірності і зв'язки в (24).

Для цього діапазони, в яких змінюються вхідні змінні, розбиваються на декілька частин (термів), що відповідають лінгвістичним оцінкам. Наприклад, для вхідної змінної - рівень технічної експлуатації: низький (Н), середній (С), високий (В). Діапазон вихідної змінної розбивається на такі частини (терми): низький (Н), нижче середнього (НС), середній (С), вище середнього (ВС), високий (В).

Повна інформація про вхідні та вихідну змінні залежності (24) наведена у таблиці 4.

Лінгвістичні якісні оцінки вхідних змінних, отримані на основі експертного опитування, перетворюються в кількісну форму за допомогою стандартної гаусової функції належності, яка задається аналітичним виразом (25):

(25)

де - функція належності змінної до терма , число в діапазоні [0,1], що характеризує суб'єктивну міру відповідності значення нечіткому терму (низький, середній, високий та ін.);

c, b – відповідно коефіцієнт концентрації та координата максимуму функції .

З використанням нечітких термів з табл. 4 була побудована база знань, що ілюструє зв’язки між вхідними та вихідною змінними залежності (24). На основі аналізу предметної області моделювання визначено, що загальна кількість правил в базі знань дорівнює 28. Коефіцієнт визначеності правила , що відповідає впевненості експерта в достовірності цього правила, був прийнятий рівним одиниці для всіх правил з побудованої бази знань (див. табл. ).

Фрагмент побудованої бази знань наведений у таблиці 5. В табл.  знаком “_” позначені змінні, що можуть приймати довільні значення без порушення істинності відповідного правила.

Застосування правил в неповному форматі дозволяє значно скоротити необхідний обсяг бази знань при збереженні адекватності і достовірності моделі.

Нижче наведені нечіткі логічні рівняння (26-30), що відповідають фрагменту бази знань з табл. 5.

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

де - операція знаходження максимуму; - операція знаходження мінімуму.

Таблиця 4

Лінгвістичні змінні залежності (24)

Лінгвістичні

змінні |

Змістовна

інтерпретація

лінгвістичних змінних | Універсальна

множина |

Терми

(можливі значення

лінгвістичних змінних) | Терми в

символь-

ному

вигляді

Вхідні змінні

Х1- Рівень технічного

обслуговування | Ступінь дотримання вимог технічного обслуговування

конструкції | [0, 100] % | Високий від 60 до 100%

Середній від 30 до 60%

Низький від 0 до 30% | В

С

Н

Х2 - Пошкодження від механічних впливів | Наявність у конструкції

механічних пошкоджень |

[0, 1] | Є - 1

Нема - 0 | Є

Н

Х3 - Пошкодження від силових і

агресивних впливів | Наявність у конструкції

пошкоджень від силових і

агресивних впливів | [0, 1] | Є - 1

Нема - 0 | Є

Н

Х4 - Розвиток дефектів, що

виникли при виготовленні і монтажу | Ступінь впливу розвитку дефектів, що

виникли при виготовленні і монтажу на експлуатацію

конструкції | [0, 100]% | Високе від 60 до 100%

Середнє від 30 до 60%

Низьке від 0 до 30% | В

С

Н

Вихідна змінна

Y - Рівень якості | Ступінь дотримання вимог по експлуатації і технічному обслуговуванню конструкції |

Реальний

[0, 100]%

Штучно розширений

[-100, 200]% | Високий від 80 до 100%

Вище середнього від 60 до 80%

Середній від 40 до 60%

Нижче середнього від 20 до 40%

Низький від 0 до 20% | В

BC

С

HC

Н

Таблиця 5

Фрагмент бази знань, що відповідає залежності (24)

Н | H | H | В | 1 | Н

Н | H | H | Н | 1 | НС

С | H | H | С | 1 | НС

С | H | H | Н | 1 | ВС

В | H | H | С | 1 | С

В | H | H | Н | 1 | В

- | Є | Є | - | 1 | Н

В | Є | H | В | 1 | Н

… | … | … | … | … | …

Алгоритм визначення рівня якості діяльності учасників процесу експлуатації конкретних залізобетонних конструкцій наступний:

1. Визначення значень факторів-показників для конструкцій, що розглядаються.

2. Визначення ступенів належності факторів-показників лінгвістичним термам (табл. 4).

3. Підстановка отриманих в пункті 2 ступенів належності в нечіткі логічні рівняння (26-30) і визначення ступенів належності змінної до термів H, HC, С, BC, B відповідно.

4. Вибір терма з максимальним ступенем належності як лінгвістичної характеристики рівня якості діяльності учасників процесу експлуатації конструкцій, що розглядаються.

5. Визначення чіткого значення вихідної змінної для отримання кількісної характеристики рівня якості діяльності учасників процесу експлуатації конкретних конструкцій.

На другому етапі відбувається параметрична ідентифікація досліджуваної залежності шляхом підбору таких параметрів функцій належності нечітких термів і бази знань, які мінімізують розбіжність між модельними та експериментальними даними.

Для реалізації етапу параметричної ідентифікації використовувалися дані аналізу експертних висновків з обстеження залізобетонних конструкцій об'єктів, запозичені з архівних матеріалів науково дослідної частини ПДАБА.

Загалом було проаналізовано 60 експертних висновків. Кожний висновок містить фіксацію дефектів конструкцій (карту дефектів) і їх докладний опис, а також висновок про те, до якої категорії технічного стану належать обстежені конструкції.

Ціль аналізу кожного експертного висновку – сформувати пару даних "входи - вихід". Входи - це значення вхідних змінних, що визначаються по карті дефектів. Вихід - це значення вихідної змінної, яке визначається залежно від категорії технічного стану вказаної у експертному висновку, а саме: п'яти категоріям технічного стану залізобетонних конструкцій, приведеним в табл. 6, ставляться у відповідність п'ять можливих значень вихідної змінної (див. табл. 4).

Таблиця 

Співвідношення рівнів якості та категорій технічного стану залізобетонних конструкцій

Рівні якості

(значення вихідної

змінної) | Категорія і

відповідний технічний стан залізобетонних

конструкцій | Показники надійності залізобетонних конструкцій

Імовірність безвідмовної роботи | Характеристика безпеки г

B- високий | 1. Справне | 0,99865 | 3,0

BC – вище середнього | 2. Працездатне | 0,99865 – 0,99 | 3,0 – 2,33

C - середній | 3. Обмежено працездатне | 0,99 – 0,95 | 2,33 – 1,64

HC – нижче середнього | 4. Непрацездатне | 0,95 – 0,5 | 1,64 - 0

H - низький | 5. Аварійне | 0,5 | 0

На основі вищевикладеного були сформовані: навчальна вибірка з 40 пар даних "входи - вихід" і тестова вибірка з 20 пар даних "входи - вихід". Пари даних з тестової вибірки в навчальну вибірку не входять.

Поверхні "входи - вихід" отриманої нечіткої моделі до реалізації етапу параметричної ідентифікації приведені на рис. 1, а після реалізації - на рис. 2. До реалізації етапу параметричної ідентифікації результат моделювання співпадає з експериментальними даними в 80% випадків. Після реалізації етапу параметричної ідентифікації результат моделювання співпадає з експериментальними даними в 95% випадків.

Рис. 1. Поверхні "входи - вихід" нечіткої моделі до реалізації етапу параметричної ідентифікації |

Рис. 2. Поверхні "входи - вихід" нечіткої моделі після реалізації етапу параметричної ідентифікації

За аналогією була побудована модель оцінки рівня якості діяльності учасників процесу створення залізобетонних конструкцій. Точність моделювання оцінки рівня якості діяльності учасників процесу створення залізобетонних конструкцій аналогічна точності моделювання рівня якості діяльності учасників процесу експлуатації.

У четвертому розділі з використанням норм проектування залізобетонних конструкцій проведена апробація запропонованого логіко-імовірнісного підходу, на прикладі оцінки надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються.

Були розглянуті залізобетонні елементи прямокутного перерізу при наступних параметрах: висота 40 см, ширина 20 см, захисний шар 2 см, крок поперечної арматури - від 5 до 15 см, площа поперечної арматури - від 0 до 3,08 см2, бетон класу В 25, подовжня арматура 2 Ш  А400.

Для кожної умови міцності похилих перерізів, наведеної в нормах проектування, виконано три варіанти розрахунку міцності. При першому варіанті розрахунку в якості мінливих параметрів були прийняті тільки міцнісні характеристики бетону і арматури. Цей варіант розрахунку відповідає підходу, прийнятому для забезпечення безвідмовності елементів при їх проектуванні за діючими нормами. Другий варіант розрахунку характеризується врахуванням нормованої мінливості міцнісних характеристик матеріалів і геометричних характеристик елемента. При розрахунку по третьому варіанту враховувалася фактична мінливість міцнісних і геометричних параметрів елемента.

Дані аналізу надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, розрахованих за діючими нормами проектування, показали, що елементи істотно нерівнонадійні. При цьому залізобетонні елементи за надійністю міцності похилих перерізів диференціюються на: елементи, які мають запас міцності; елементи, надійність яких достатня; елементи, які мають недостатню надійність. За достатній рівень надійності прийнята забезпеченість розрахункових значень міцності матеріалів (=3, забезпеченість P = 0,99865).

Проведено ранжування параметрів залізобетонних елементів, що згинаються, за критерієм внеску в дисперсію міцності похилих перерізів: визначальними параметрами в забезпеченні міцності похилих перерізів залізобетонного елемента, що згинається, є фізико-механічні характеристики бетону і арматури. При врахуванні фактичної мінливості параметрів внесок решти параметрів - s, h, a, b, Asw (позначення відповідно СНіП 2.03.01-84*) в дисперсію міцності похилих перерізів складає від 10 до 32%. Отже, для забезпечення надійності міцності похилих перерізів елементів, що згинаються, необхідний контроль як якості матеріалів, так і відповідності геометричних параметрів залізобетонних елементів проектним.

З використанням запропонованого логіко-імовірнісного підходу виконано прогнозування надійності міцності похилих перерізів залізобетонних балок з врахуванням граничних рівнів якості діяльності учасників процесу їх створення і експлуатації, а також визначені показники надійності експлуатаційних властивостей залізобетонних конструкцій для різних категорій їх технічного стану.

1) 2)

Рис. . Результати оцінки надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, при розрахунку за варіантами: 1- першим; 2-другим; 3-третім

Рис. 4. Ранжування параметрів залізобетонних елементів, що згинаються, за критерієм внеску в дисперсію міцності похилих перерізів: крок поперечної арматури а, г, к – 5 см; б, ж, м – 10 см; в, з, н – 15 см; при розрахунку за варіантами: а,б,в - першим; г,ж,з - другим; к,м,н - третім

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі викладено рішення актуальної науково-технічної задачі: розвиток методології прогнозування надійності залізобетонних конструкцій з врахуванням впливу їх мінливих параметрів конструкцій та суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.

Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. Запропоновано логіко-імовірнісний підхід до прогнозування надійності залізобетонних конструкцій, що дозволяє врахувати вплив мінливих параметрів і суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.

2. На основі статистики відмов виконано аналіз впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на всіх стадіях їх життєвого циклу. Встановлено, що саме низька якість учасників процесу створення і процесу експлуатації конструкцій є загальною причиною появи організаційних і технологічних помилок, а саме помилок на стадії інженерних досліджень, на стадії проектування і на стадії зведення конструкцій; помилок контролю; помилок в процесі експлуатації конструкцій.

3. Запропоновано загальні положення, принцип розрахунку і методологію вирішення задач врахування впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на основі логіко-імовірнісного підходу до прогнозування їх надійності, а також розроблена інженерна методика врахування категорій якості діяльності учасників життєвого циклу конструкцій при прогнозуванні надійності їх функціонування.

4. На основі експертних оцінок запропоновано основні показники якості діяльності учасників процесу створення конструкцій (наявність у організації відповідної ліцензії; кваліфікація персоналу організації; наявність у організації функціонуючої на належному рівні системи менеджменту якості відповідно регламенту сімейства стандартів ISO 9000; термін функціонування організації; стан матеріально-технічної бази організації), а також процесу їх експлуатації (дотримання правил технічної експлуатації конструкцій; наявність пошкоджень від силових і агресивних впливів; наявність пошкоджень від механічних впливів; розвиток дефектів, що виникли при виготовленні і монтажу конструкцій).

5. Запропоновано моделі, що відображають залежність рівня якості діяльності учасників процесу створення та процесу експлуатації залізобетонних конструкцій від визначеної множини факторів-показників якості. Результати моделювання за встановленими залежностями співпадають з експериментальними даними в 95% випадків.

6. Проведено апробацію запропонованого логіко-імовірнісного підходу, на прикладі оцінки надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються. Отримані дані аналізу надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, розрахованих за діючими нормами проектування, свідчать, що елементи істотно нерівнонадійні. При цьому залізобетонні елементи по надійності міцності похилих перерізів диференціюються на: елементи, які мають запас міцності; елементи, надійність яких достатня; елементи, які мають недостатню надійність.

7. Проведено ранжування параметрів залізобетонних елементів, що згинаються, за критерієм внеску в дисперсію міцності похилих перерізів. Результати ранжування свідчать, що визначальними параметрами в забезпеченні міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, є фізико-механічні характеристики бетону і арматури. При врахуванні фактичної мінливості параметрів внесок решти параметрів - s, h, a, b, Asw (позначення відповідно СНіП 2.03.01-84*) в дисперсію міцності похилих перерізів складає від 10 до 32%. Таким чином, для забезпечення надійності міцності похилих перерізів елементів, що згинаються, необхідний контроль як якості матеріалів, так і відповідності геометричних параметрів залізобетонних елементів проектним.

8. З використанням запропонованого логіко-імовірнісного підходу виконано прогнозування надійності міцності похилих перерізів залізобетонних балок, що згинаються, з врахуванням граничних рівнів якості діяльності учасників процесу створення і експлуатації конструкцій.

9. Визначені показники надійності експлуатаційних властивостей залізобетонних конструкцій для різних категорій їх технічного стану з використанням запропонованого логіко-імовірнісного підходу.

10. Результати досліджень можуть бути використані при виконанні моніторингу для прогнозування надійності будівельних конструкцій, оцінці залишкового ресурсу конструкцій для прийняття рішення про їх підсилення чи ремонт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Шевченко Т.Ю. Оценка надежности изгибаемых железобетонных элементов по прочности сечений, наклонных к продольной оси / Н.В. Савицкий, К.В. Баташева, А.А. Тытюк, Т.Ю. Шевченко // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. научн. тр. - Дн-ск., 2004.- Вып. 29.-С. 98-101. (здобувачеві належать результати досліджень надійності міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються).

2. Шевченко Т.Ю. Диагностика железобетонных конструкций с использованием логико-вероятностных методов / Савицкий Н.В., Шевченко Т.Ю., Худолей Е.Ю. // Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону: збірник наукових праць. - К., 2005.-Вип. 62.- Т.2.- С. 288-291. (здобувачеві належить обґрунтування необхідності врахування впливу суб'єктивного фактора при прогнозуванні надійності залізобетонних конструкцій).

3. Шевченко Т.Ю. Использование логико-вероятностных методов в ходе диагностики строительных конструкций / Савицкий Н., Шевченко Т. // Theoretical foundations of civil engineering.-Warsaw-Vilnius, 2005.-№13. – С. 249-252. (здобувачеві належать основні положення і принцип розрахунку кількісної оцінки впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій).

4. Шевченко Т.Ю. Использование методов нечеткой логики при диагностике железобетонных зданий и сооружений / Шевченко Т.Ю., Савицкий Н.В. // Вісник ОДАБА. - Одеса, 2006. - Вип. 21.- С. 277-280. (здобувачеві належить обґрунтування можливості використання нечіткої логіки при прогнозуванні надійності залізобетонних конструкцій).

5. Шевченко Т.Ю. Применение логико-вероятностных методов при диагностике железобетонных зданий и сооружений / Савицкий Н., Шевченко Т. // Theoretical foundations of civil engineering. - Warsaw-Vilnius, 2006. - №14. – С. 683–686. (здобувачеві належить розробка методології вирішення задач врахування впливу на надійність мінливих параметрів конструкцій та суб'єктивного фактора).

6. Шевченко Т.Ю. Управление надежностью строительного объекта / Савицкий Н.В., Шевченко Т.Ю. // Науковий вісник Будівництва. - Харків, 2006. - Вип. 38.- С. 77-80. (здобувачеві належать принципи керування надійністю будівельного об'єкта).

7. Шевченко Т.Ю. Моделирование фактического риска строительных объектов/ Шевченко Т.Ю., Савицкий Н.В. // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. – Луганськ, 2007 - №71(94). – С. 309-315. (здобувачеві належить розробка кількісної моделі оцінки якості діяльності учасників процесу створення будівельних об'єктів).

8. Шевченко Т.Ю. Надежность наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов/ Савицкий Н.В., Тытюк А.А., Шевченко Т.Ю. // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. научн. тр. - Дн-ск., 2007.- Вып. №43. - С. 486-492. (здобувачеві належать результати дослідження надійності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються).

9. Шевченко Т.Ю. Диагностика и оценка технического состояния несущих железобетонных конструкций вероятностным методом / Савицкий Н.В., Пшинько А.Н., Никифорова Т.Д., Савицкий А.Н., Шевченко Т.Ю. // Реконструкция Санкт - Петербург - 2005: сборник трудов международной научно-практической конференции. - СПб., 2005.- С. 160-163. (здобувачеві належить дослідження показників надійності залізобетонних конструкцій).

10. Шевченко Т.Ю. Диагностика строительных объектов с применением методов нечеткой логики / Савицкий Н.В., Шевченко Т.Ю., Тытюк А.А. // Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов: сборник трудов международной научно-технической конференции.- Могилев, 2006.- С. 286-288. (здобувачеві належить нечітка модель діагностики будівельних об'єктів).

11. Шевченко Т.Ю. Компьютерное моделирование рисков объектов строительства/ Шевченко Т.Ю., Савицкий Н.В., Тытюк А.А. // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: сборник трудов международной научно-практической конференции.-СПб., 2007.-Т.8.– С. 247-248. (здобувачеві належить методика визначення ризиків будівельного об'єкта при використанні суб'єктивної, якісної інформації).

Анотація

Шевченко Т.Ю. Прогнозування надійності залізобетонних конструкцій логіко - імовірнісними методами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2007.

У дисертації викладений логіко-імовірнісний підхід до прогнозування надійності залізобетонних конструкцій, що дозволяє врахувати вплив їх мінливих параметрів і суб'єктивного фактора, обумовленого діяльністю людини на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій.

На основі статистики відмов виконаний аналіз впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій. Запропоновані загальні положення, принцип розрахунку і методологія вирішення задач врахування впливу суб'єктивного фактора на надійність залізобетонних конструкцій на основі логіко-імовірнісного підходу до прогнозування їх надійності. Розроблена інженерна методика врахування категорій якості діяльності учасників життєвого циклу конструкцій при прогнозуванні надійності їх функціонування.

На основі експертних оцінок запропоновані основні показники якості діяльності учасників процесу створення конструкцій, а також процесу їх експлуатації. Запропоновані моделі, що відображають залежність рівня якості діяльності учасників процесу створення та процесу експлуатації залізобетонних конструкцій від визначеної множини факторів-показників якості. Результати