VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Существующие методы оценки надежности электросетевых конструкцій исключают из оценочных процедур анализ риска и качество работы сооружения, которые все чаще становятся предметом строительного проектирования.

Учет различных видов несовершенств элементов опор высоковольтных линий в проверочных расчетах соответствующими коэффициентами надежности приводят к резкому увеличению их числа и не являются выходом из положения вследствие большого разнообразия конструкций и самих несовершенств.

Необходимость разработки методики расчетной оценки риска аварии по результатам обследований обусловлена значительным износом существующего парка электросетевых конструкций, требованиями гарантий качества эксплуатации в рыночных условиях, ужесточением требований к безопасности конструкций.

В основу методики расчетной оценки риска аварии (нарушения целостности конструкции) положены принципы учета ранжированных по степени опасности критических дефектов и повреждений, накопленных в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций. Такая интегральная оценка критических дефектов и повреждений является наиболее комплексным показателем конструктивной безопасности. Безопасность конструкции в целом сводится к определению показателей безопасности ее отдельных элементов, обусловленной изменением их механических и геометрических характеристик.

Заложенные при проектировании конструкций энергетических сетей теоретические вероятности аварий могут значительно отличаться от действительных вследствие появления дефектов и повреждений конструктивных элементов. Поскольку на практике достаточно сложно уловить различие в весьма малых величинах, определяемых вероятностными или полувероятностными методами, оценку риска целесообразно проводить не по численным характеристикам надежности (значениям вероятности безотказной работы), а относительным показателем, позволяющим оценить резервы несущей способности конструктивных элементов с несовершенствами.

Для расчетной оценки конструктивного риска элемента принято отношение действительного значения несущей способности к несущей способности бездефектного элемента конструкции. Если запроектированная конструкция имеет оптимальную величину риска аварии, то в результате появления дефектов в процессе изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатационных повреждений, действительный риск аварии увеличивается по отношению к проектному. Значение риска аварии может быть определено по результатам натурных обследований конструкции в любой момент времени.

Из многогранной проблемы обеспечения безаварийной работы строительных конструкций выделим два ее основных аспекта:

• информационный, связанный с анализом и оценкой конструктивных рисков;

• нормативный, требующий установления для эксплуатируемого объекта допустимого уровня конструктивной безопасности.

Как отмечалось выше, выявленные в процессе обследования конструкций дефекты и повреждения имеют самую разнообразную природу и физическую сущность. Поэтому влияние совокупности несовершенств на несущую способность элементов конструкции требует представления показателей поврежденности в относительной форме. При этом допустимое снижение конструктивной безопасности следует назначать в виде коэффициента:

_, (1)

где – коэффициент относительного риска аварии; - величина несущей способности, заложенной в проект для бездефектного элемента конструкции; - величина несущей способности элемента с несовершенствами; k - коэффициент снижения несущей способности, определяющий относительное качество элемента.

Коэффициент изменяется в пределах 0  k  1. Если критических дефектов и повреждений нет, то k  1. Из формулы (1) следует, что определение уровня конструктивной безопасности сводится к анализу поврежденности элементов конструкции на момент оценки технического состояния.

Принимая за меру конструктивного риска аварии несущих конструкций определенный уровень снижения несущей способности, можно считать, что последствия аварий и разрушений строительных конструкций будут приемлемыми и носить локальный характер, если снижение заложенного при проектировании значения конструктивной безопасности не превысит определенного, допустимого для рассматриваемой конструкции значения.

Таким образом, ставится задача нормирования конструктивного риска эксплуатируемых строительных конструкций.

Для оценки и нормирования необходимо располагать законом распределения случайной величины конструктивного риска . Построение кривой распределения плотности вероятностей коэффициента риска позволяет оценить предельные значения снижения несущей способности конструктивного элемента, вызванные изменением геометрических, жесткостных и механических характеристик. Поскольку построить кривую распределения плотности вероятностей величины обычными в инженерной практике методами математической статистики невозможно из-за отсутствия статистических данных (необходимой выборки данных об аварийных отказах нет), судить о характере распределения можно, основываясь на следующих логических заключениях:

- вероятность значений  1 равна нулю, т.к. значение фактического риска аварии конструкции или ее элементов, как правило, не ниже проектного;

- кривая распределения плотности вероятностей является асимметричной, причем значения с максимальной плотностью вероятностей смещены влево от среднего значения, что обусловлено естественным желанием проектировщиков обеспечить как можно большую безопасность конструкции;

- случайная непрерывная величина имеет однопараметрическое распределение, поскольку зависит от одного параметра – несущей способности элемента конструкции, определяемой в свою очередь изменением ряда параметров.

Очевидно, что величина определяется в интервале значений 1; и ее распределение вполне логично описывается однопараметрическим распределением Рэлея 1.

Для области изменения случайной величины х в пределах 0; в обычном виде распределение Рэлея имеет вид:

, (2)

где х – непрерывная случайная переменная величина;  - стандарт случайной величины х.

Поскольку значения исследуемой величины лежат в пределах 1;, то дифференциальную однопараметрическую функцию распределения плотности вероятностей представим в виде:

, (3)

Для однопараметрического распределения Рэлея зависимости между стандартом, математическим ожиданием и модой случайной величины имеют вид:

, (4)

. (5)

То есть достаточно определить одну из трех величин: стандарт, математическое ожидание или моду (; М; _m). Для характеристики формы кривой распределения определим математическое ожидание случайной непрерывной величины в заданных границах изменения 1;. Из формулы (1) следует:

, (6)

где M(A_qп) и M(A_qд) – математические ожидания проектного и действительного риска аварии.

Математическое ожидание коэффициента k может быть получено на основе определенности пределов его изменения 0  k 1. Если для очень большого числа выборок однотипных конструктивных элементов с одинаковым дефектом построить закон распределения плотности вероятностей величины k, изменяющейся в пределах 0;1, то получим соответствующую кривую распределения, симметричную относительно значения Р(k) = 0,5. Математическое ожидание, характеризующее центр распределения случайных величин в данном случае равно 0,5. Тогда

, (7)

, (8)

. (9)

Выражения (7-9) полностью описывают закон распределения плотности вероятностей случайной величины конструктивного риска. Кривая распределения, построенная с помощью метода численного интегрирования, приведена на рисунке. Полученный закон распределения является теоретической основой нормирования коэффициента риска. Из (7) следует, что математическое ожидание конструктивного риска, соответствующее предельному снижению несущей способности элемента в результате влияния дефектов и повреждений не превышает значения М(A_q)=2. Однако, наибольшая плотность вероятностей соответствует значению моды Х_m(A_q)=1,8. Эта величина и принимается за предельное значение коэффициента конструктивного риска A_q =1,8.

Очевидно, что различным по степени ответственности объектам, должны соответствовать свои предельные значения конструктивных рисков.

Классы ответственности зданий и сооружений определяются уровнем возможного материального и (или) социального ущерба, связанного с прекращением эксплуатации или потерей целостности объекта. Введение соответствующих математических моделей в методы оценки конструктивных рисков позволяет компенсировать субъективность экспертных оценок и повысить уровень адекватности расчетной схемы сооружения.

Для назначения предельных значений конструктивного риска использована предложенная L.A. Zadeh теория лингвистических переменных 2, которая существенно расширяет область применения нечеткой информации качественного характера в формализованных процедурах оценки технического состояния. В строительном проектировании основные положения теории лингвистических переменных использовались, например, для учета промежуточных значений между жестким и шарнирным защемлением узловых связей при нечеткой информации о допускаемой гибкости элементов, принимаемых ранее априорно 3,10 и ряде других.

Учет степени ответственности объекта при оценке риска производится введением коэффициента ответственности сооружения _k. Назначение коэффициента _kпостроено на понятии лингвистической переменной и ее приложениях к операциям типа «очень», «очень-очень» или других субъективных человеческих представлений, путем его выбора из нечеткого (лингвистического) множества и лексикографического упорядочения.

За основание лингвистической переменной в соответствии с 4 принято отношение:

(10)

В качестве численного аналога лингвистической переменной принимается ряд натуральных чисел n=0,1,2,...,n. Значению n = 0 соответствуют ограниченные по степени социальной и экономической значимости объекты в соответствии с классификацией, принятой в 5 и с увеличением числа n, степень ответственности объекта возрастает.

Тогда предельное значение конструктивного риска с учетом степени ответственности сооружения определится как A_q=A_q_k, где

(11)

Полученные на основе зависимости (11) предельные значения конструктивных рисков для разных по степени ответственности объектов, должны быть увязаны с классификацией, предложенной в 6 (табл. 1).

Таблица 1

Классификация объектов по степени ответственности

Класс объекта	Предельное состояние первой группы	Предельное состояние второй группы
І	Не влечет опасности для людей и тяжелых экономических последствий	Связано с незначительным экономическим ущербом и влечет несущественные затруднения в эксплуатации
II	Связано с опасностью для людей и влечет серьезные экономические последствия	Влечет заметные экономические последствия и существенные затруднения в эксплуатации
III	Может оказать существенное негативное влияние в масштабах страны	Влечет серьезные экономические последствия и очень большие затруднения в эксплуатации

Поскольку классификация строительных объектов не может быть построена только по одному признаку, в проекте национального нормативного документа 6 предлагается выполнять ее независимо по каждой приведенной в табл. 2 характеристике возможного ущерба от отказов. Зданию или сооружению в целом присваивается при этом наивысший из полученных классов.

Исходя из приведенной классификации, для электросетевых объектов в зависимости от их степени ответственности (табл. 2) рекомендованы значения допустимых конструктивных рисков (табл. 3).

Таблица 2

Классификация объектов по уровню социального и экономического ущерба

Класс ответствен-ности здания, сооружения	Характеристика ущерба от отказа
	Опасность для здоровья и жизни, чел.			Прекращение функциониро-вания сетей транспорта, энергоснабже-ния, связи	Параметр эконо-мического ущерба L**
	Постоянно находящихся на объекте	Периодически посещающих объект	Находящихся вблизи от объекта
1- особо от-ветственные	Свыше 100	Свыше 1000	Свыше 10000	Общегосударственных	Свыше 250
2- имеющие весьма важное значение	От 10 до 100	От 100 до 1000	От 1000 до 10000	Региональных	От 25 до 250
3- имеющие важное значение	От 2 до 10	От 20 до 100	От 200 до 1000	-	От 2,5 до 25
4- имеющие ограниченное значение	До 2	До 20	До 200	-	До 2,5

**Параметр экономического ущерба L определяется как отношение общих потерь к стоимости возведения нового аналогичного объекта [8].

Таблица 3

Классификация электросетевых объектов по требованиям

конструктивной безопасности

Характеристика объекта	Параметр n
Объекты распределительных сетей 110-150 кВ внутри отдельных энергорайонов	0	1,800
Объекты магистральных электрических сетей 220кВ и выше системного и регионального значения	1	1,620
Особо ответственные электросетевые объекты, обеспечивающие выдачу мощности АЭС	2	1,458

Превышение расчетных над предельными значениями коэффициента риска характеризует опасность отказа поврежденных элементов опор высоковольтных линий.

В связи со значительным износом существующего парка электросетевых конструкций, ужесточением требований гарантий качества эксплуатации в рыночных условиях и требований к безопасности конструкций, разработка методики расчетной оценки риска аварии по результатам обследований является необходимым мероприятием.

В основу методики расчетной оценки риска аварии (нарушения целостности конструкции) положены принципы учета ранжированных по степени опасности критических дефектов и повреждений, накопленных в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций [7,9]. Такая интегральная оценка критических дефектов и повреждений является наиболее комплексным показателем конструктивной безопасности. Безопасность конструкции в целом сводится к определению показателей безопасности ее отдельных элементов, обусловленной изменением их механических и геометрических характеристик.

Классы ответственности зданий и сооружений определяются уровнем возможного материального и (или) социального ущерба, связанного с прекращением эксплуатации или потерей целостности объекта [11]. Введение соответствующих математических моделей в методы оценки конструктивных рисков позволяет компенсировать субъективность экспертных оценок и повысить уровень адекватности расчетной схемы сооружения. Превышение расчетных над предельными значениями коэффициента риска характеризует опасность отказа поврежденных элементов опор высоковольтных линий.

Библиографический список

1.Горохов, Е.В. Диагностика, выявление резервов несущей способности и усиление металлоконструкций промзданий при реконструкции / Е.В. Горохов. – Киев: КИСИ. – 1987. – 85 с.

2. Выскирка, А.С. Повышение надежности ВЛ распределительных сетей при гололедно-ветровых загрузках / А.С. Выскирка, М.К. Головатюк, С.Я. Княжевская, Н.А. Лебедева, В.Б. Нарожный, Е.Д. Голованова // Энергетическое строительство за рубежом. – 1988. - № 6. - С.34-43.

3. Губанов, В.В. Обеспечение долговечности решетчатых башен. Дис… канд. техн. наук: 05.23.01 / ДонГАСА. – Макеевка, 1995. – 204 с.

4. Дривинг, А.Я. Вероятностно-экономический метод в нормах расчета строительных конструкций/ А.Я. Дривинг // Строительная механика и расчет сооружений. – 1987. - № 3. – С. 7-11.

5.Добромыслов, А.Н. Анализ аварий промышленных зданий и инженерных сооружений/ А.Н. Добромыслов // Промышленное строительство. - 1990. - № 9. – С. 9-10.

6. Горохов, Е.В. Оптимальное проектирование металлических конструкций по критерию эксплуатационной надежности / Е.В. Горохов // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 1987. - № 4. – С. 9-15.

7. Переславцева, И.И. Оценка пожарного риска объекта строительства и разработка методов его снижения / И.И. Переславцева, И.В. Нартова, А.С. Немчилов //Инновации в науке. - 2014. - № 29. - С. 76-80.

8. Жидко, Е.А. Управление техносферной безопасностью / Е.А. Жидко. - Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2013. - 159 с.

9. Лапшина, К.Н. Оптимизация системы технического обслуживания потенциально опасных промышленных объектов / К.Н. Лапшина, К.А. Скляров, А.А. Чухлебов // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. - № 4 (13). - С. 33-42.

10. Кузнецова, Л.В. Энергосберегающая эксплуатация сооружений при эффективной пассивной защите строительных конструкций / Л.В. Кузнецова, О.А. Сотникова // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - № 10. - С. 9-11.

11. Лапшина, К.Н. Исследование методов оценки безопасности эксплуатируемых электросетевых конструкций / К.Н. Лапшина, Н.А. Сотников, А.А. Никулин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2014. - № 1 (14). - С. 46-52.

Код для цитирования: Скопировать