Поняття широко вживається в техніці та в побуті, а тому на інтуїтивно-описовому рівні усім відоме й зрозуміле. Ми говоримо про надійну чи ненадійну техніку, надійну чи ненадійну людину, розуміючи під надійністю здатність до виконання певних функцій чи зобов’язань. Актуальність проблеми забезпечення надійності технічних об’єктів, у тому числі будівель, споруд та будівельних конструкцій є очевидною, адже нікому не потрібна ненадійна техніка, відмови якої будуть призводити до матеріальних збитків та соціальних втрат до людського життя включно.
На перший погляд здається, що надійність технічних об’єктів повинна бути якомога вищою; найкраще робити їх абсолютно безвідмовними. Одначе досвід вказує на неможливість такого рішення.
- Навряд, чи можна назвати якийсь технічний пристрій, який нескінченно довго повною мірою виконує свої функції.
- Не зважаючи на найвищий рівень кадрового, матеріально-технічного і фінансового забезпечення космічної галузі, нерідко трапляються невдалі запуски чи стиковки, а також відмови обладнання на борту.
Ці та інші подібні факти свідчать про неможливість забезпечення абсолютної надійності технічних об’єктів. Для вияснення причини цього розглянемо найпростіший приклад центрально розтягнутого стержня, необхідна площа поперечного перерізу якого визначається за формулою
[latex]A={N}/{R}\;\[/latex], (1.1)
- N – зусилля в стержні;
- R – характеристика міцності.
Очевидно, що надійним буде стержень, площа перерізу якого не менша за формулою (1.1).
[latex]A={N}/{R}\;\[/latex], (1.1)
- N – зусилля в стержні;
- R – характеристика міцності.
Переважна більшість навантажень на будівельні конструкції є випадковими величинами чи процесами, які не мають фізичного обмеження зверху (наприклад, атмосферні навантаження). Тому з певною (хоча й дуже малою) імовірністю зусилля N може приймати дуже великі значення, практично наближаючись до нескінченості. Характеристика міцності матеріалу R також є випадковою величиною, фізично обмеженою знизу нулем. Тоді в ряді випадків для забезпечення надійної роботи стержня потрібно, щоб його площа поперечного перерізу наближалася до нескінченно великої. Оскільки це фізично неможливо, забезпечити абсолютно надійну роботу стержня при усіх можливих комбінаціях зусилля й міцності також неможливо; при будь-якому перерізі існуватиме певна ймовірність відмови.
Ті ж самі проблеми виникають і в інших галузях техніки. Випадкові властивості електронних пристроїв, умов їх експлуатації, напруги та сили струму також обумовлюють випадковий характер їх роботи й відмов. Отже, в межах матеріального світу нічого абсолютно надійного створити неможливо.
Реально можна лише встановлювати певний рівень надійності технічних об’єктів, регулюючи співвідношення між їх властивостями та впливами експлуатаційного середовища. Очевидно, що підвищити рівень надійності можна лише за рахунок збільшення вартості об’єкта (більші перерізи елементів, якісніші матеріали, резервування, контроль експлуатаційних впливів за допомогою додаткових пристроїв тощо). Залежність початкової вартості ВП від рівня надійності зображена на рисунку 1.1 зростаючою кривою.
З іншого боку, зростання рівня надійності зменшує експлуатаційні видатки ВЕ на технічне обслуговування й ремонти та втрати від імовірних відмов (відновлення об’єкта, збитки від простоїв, неекономічні втрати). Сума початкової вартості об’єкта ВП та вартості його експлуатації, включаючи збитки від відмов ВЕ, звичайно утворює криву ВС, яка має мінімум. Цей мінімум відповідає оптимальному рівню надійності даного об’єкта в певних умовах експлуатації. Зміна окремих складових вартості відповідним чином змінює оптимальний рівень надійності. Задача пошуку оптимального рівня надійності математично вирішувалася лише з урахуванням фінансових збитків і витрат на даному рівні розвитку суспільства і техніки. Соціальні втрати практично неможливо виразити у вартісному еквіваленті, тому ця задача розв’язується в основному на підставі інженерного досвіду.
- зростання вимог до якості функціонування об’єктів;
- зростання ступеню відповідальності об’єктів;
- зростання складності об’єктів і конструкцій;
- підвищення інтенсивності режимів експлуатації.
Огляд історії розвитку теорії надійності показує, що розуміння ймовірнісної природи властивостей конструкцій та умов їх експлуатації вперше зародилося саме в галузі будівельних конструкцій. Перші спроби визначення та регулювання рівня надійності конструкцій зроблені в роботах М. Майєра і Н.Ф. Хоціалова. Основні завдання та концептуальні підходи до імовірнісних розрахунків будівельних конструкцій сформульовані М.С. Стрілецьким, а математичні методи розрахункового визначення рівня їх надійності вперше розроблені
Значний розвиток дослідження надійності отримали в галузі електроніки, радіофізики та інших суміжних галузей, для яких вони відігравали вирішальну роль у забезпеченні працездатності відповідних технічних систем.Подальші дослідження в галузі надійності будівельних конструкцій велися В.В. Болотіним [] та його учнями, але вони мали математико-теоретичний характер і далеко не повною мірою враховували реальні особливості роботи конструкцій та впливів експлуатаційного середовища.
Таким чином сформувалася нова наукова дисципліна – теорія надійності технічних систем, яка вивчає закономірності зміни показників якості технічних систем і розробляє методи, що забезпечують достатню безвідмовність і довговічність їх роботи з мінімальними витратами. Зокрема, теорія надійності будівельних конструкцій вивчає методи ймовірнісного оцінювання, регулювання та забезпечення необхідного рівня надійності конструкцій на усіх етапах їх життєвого циклу з урахуванням випадкового характеру впливів експлуатаційного середовища та властивостей самих конструкцій.
До 80-тих років минулого століття практично орієнтовані дослідження в галузі надійності будівельних конструкцій переважно виконувалися на базі спрощеного математичного апарату випадкових величин, який не міг адекватно відобразити всі особливості поведінки конструкцій під дією випадкових впливів експлуатаційного середовища. Разом з тим, у цей час отримані важливі результати в галузі нормування навантажень на будівельні конструкції та порівняльного аналізу рівня їх безвідмовності. Подальший розвиток теорія надійності будівельних конструкцій отримала в , які базуються на використанні адекватних математичних моделей випадкових процесів, але разом з тим доведені до конкретних числових рішень, що дозволило вдосконалити норми проектування будівельних конструкцій та розробити нормативні документи України [1, 2] та інші.
- ДБН В.1.2-14-2009. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об’єктів. Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель, споруд, будівельних конструкцій та основ. К.: Мінрегіонбуд України, 2009.- 30 с.
- ДБН В.1.2-2:2006. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об’єктів. Навантаження і впливи. Норми проектування. К.: Мінбуд України, 2007.- 60 с.
На сучасному етапі розвитку теорії надійності імовірнісні розрахунки з метою оцінювання імовірності відмови чи безвідмовної роботи виконуються лише для унікальних будівельних об’єктів. У випадку масового будівництва теорія надійності звичайно використовується в якості засобу регулювання рівня надійності при розробленні норм проектування, які встановлюють вихідні дані та способи розрахунків конструкцій усіх видів.
