Бетонні структури споруджують уже понад 100 років. Спочатку залізобетон застосовували для будівель і мостів, особливо якщо вони мали великі прольоти. Внаслідок відсутності методів розрахунку будівельних конструкцій проектування здійснювали з великим запасом міцності та надійності. Застосування попередньо напруженого залізобетону почалося в 40-х рр. і досягло значного розвитку в 60-х рр. Прольоти мостів та інші конструкції, такі як зали, промислові споруди, стенди тощо, ставали значно більшими. У той час знань про поведінку, міцність та загальні технологічні якості матеріалу було значно менше, ніж сьогодні. У багатьох країнах були розроблені статично визначені системи з уразливою поведінкою для монолітних та збірних конструкцій. Відсутність альтернативних можливостей призвела до низького рівня експлуатаційної надійності систем будівельних конструкцій споруд. Крім того, технічний рівень окремих технологій (наприклад, цементації попередньо напружених кабелів) був нижчим, ніж сьогодні. Кількість бетонних конструкцій, у тому числі попередньо напружених, надзвичайно велика. З часом навантаження збільшилися, тому неможливо підтримувати параметри безпеки та технологічності без ретельного технічного обслуговування, вузькопрофільних заходів для запобігання аварійних ситуацій, зміцнення та, особливо, значних реконструкцій. Хоча дехто і заявляє, що незадовільні структури повинні бути замінені новими, проте це часто неможливо, оскільки влада, як правило, має лише обмежені ресурси. Більшість структур доводиться залишати в експлуатації, ймовірно, навіть довше, ніж спочатку очікувалося.

Для збереження існуючих бетонних конструкцій у прийнятному стані необхідна розробка методів моніторингу, обстеження та оцінки, структурної ідентифікації, нелінійного аналізу, оцінки життєвого циклу, безпеки та прогнозування майбутньої поведінки тощо. Відхилення окремих вхідних параметрів необхідно розглядати в цілому. Для цього потрібні імовірнісні підходи до окремих часткових проблем та до загального аналізу. Члени Робочої групи fib 2.8 “Концепції безпеки та ефективності” створили, виходячи з фактичних знань та досвіду, всеосяжний документ, який надаючи важливі знання про існуючі структури, може також застосовуватися до нових структур. Цей посібник з належної практики розділений на 10 основних розділів, присвячених окремим проблемам, критичним для діяльності, переважно пов'язаної з існуючими бетонними конструкціями.

Бюлетень 86 починається з конкретизації вимог щодо параметрів протягом усього життєвого циклу. Питання ризиків описані у другій главі. Велика частина присвячена надійності конструкцій, включаючи практичні інженерні методи та оцінку надійності існуючих конструкцій. Концепції безпеки для проектування враховують термін експлуатації конструкцій та узагальнюють формати безпеки від простих часткових факторів безпеки до розробки підходів, придатних для застосування в складних, імовірнісних, нелінійних розрахунках. Проектні випробування та визначення розрахункових значень з випробувань є надзвичайно важливим питанням. Особливо це стосується оцінки існуючих структур. Огляд та моніторинг існуючих конструкцій мають важливе значення для технічного обслуговування, прогнозування терміну служби, що залишився, та планування заходів. У главі дев'яті представлені імовірнісні моделі процесів деградації матеріалів. Нарешті, в десятій главі представлені конкретні приклади. Показані результати моніторингу бетонних конструкцій та їх застосування для оцінки й прогнозування майбутньої поведінки конструкцій. Аналіз ризиків для автотранспортних мостів базувався на всебічному моніторингу та програмах чисельних оцінок. Аналіз конкретних прикладів прекрасно ілюструє застосування методів, представлених у Бюлетені. Інформація, представлена у цьому посібнику, дуже корисна для практиків і вчених. Вона знайомить читача із загальними процедурами, від конкретизації вимог, моніторингу, оцінки до передбачення довговічності конструкцій. Однак, для правильного використання цих методів потрібно мати достатньо велику кількість експериментальних та інших даних (наприклад, досвід будівництва). Крім усього, ці дані дозволяють проводити статистичну оцінку. Як показано в аналізі конкретних прикладів, необхідні розгорнуті програми моніторингу. Сподіваємося, що публікація цього посібника та інших документів, розроблених в рамках fib, переконає владу, відповідальну за безпечний і швидкий рух на мостах та інших спорудах, що витрати на моніторинг, по-перше, досить невеликі, а по-друге, вони окупляться у вигляді серйозних оцінок, що забезпечать необхідну інформацію для прийняття рішень про технічне обслуговування та майбутнє важливих конструкцій.

Передмова i

Вступ iii

1. Вимоги до функціонального проектування для забезпечення повного строку експлуатації Performance-based design requirements ensuring the life-cycle 1

1.1 Вступ 1

1.2 Безпека компонентів Component safety 2

1.3 Безпека конструктивної системи будівлі Structural system safety 2

1.4 Залежність надійності від строку експлуатації та часу Life-cycle & time dependent reliability 2

1.5 Експлуатаційна придатність Serviceability 3

1.6 Довговічність Durability 3

1.7 Втомленість Fatigue 4

1.8 Конструкційний резерв, експлуатаційна надійність та прогресивне обрушення Structural redundancy, and progressive collapse 4

1.9 Стійкість Resiliency 7

1.10 Мережева надійність Network reliability 7

2. Проблеми ризиків Risk issues 8

2.1 Загальний огляд категорій ризиків General overview of risk categories 8

2.2 Нормативні посилання Normative references 10

2.3 Терміни та визначення Terms and definitions 10

2.4 Загальні принципи оцінки ризиків для конструкцій General framework of risk assessment for structures 12

2.5 Оцінка ризиків – жахливий вплив на функціонування громади dire impact on the functioning of a community 13

2.6 Оцінка ризиків – системна ідентифікація system identification 14

2.7 Розрахунок ризиків – оцінка Risk estimation - evaluation 14

3. Методи забезпечення надійності конструкцій Methods of structural reliability 21

3.1 Основні принципи та методи Main principles and methods 21

3.1.1 Загальні положення General 21

3.1.2 Теорія імовірностей Probability theory 22

3.1.3 Надійність конструкцій Structural reliability 27

3.1.4 Приклад застосування: обрушення плоского каркаса Application example: Collapse of a plane frame 34

3.2 Методи забезпечення надійності в інженерній практиці Reliability methods in engineering practice 37

3.2.1 Стадії концепції безпеки Stages of the safety concept 37

3.2.2 Імовірність відмов та показник надійності Failure probability and reliability index 38

3.2.3 Частинні коефіцієнти безпеки для інженерної практики Partial safety factors for engineering practice 40

3.3 Оцінка надійності існуючих конструкцій Reliability assessment of existing structures 41

3.3.1 Загальні аспекти General aspects 41

3.3.2 Процес прийняття рішень про оцінку Assessment decision process 42viii 

3.3.3 Дерево пошуку рішень Decision tree 43

3.3.4 Імовірнісне моделювання Probabilistic modelling 44

3.3.5 Функції граничних станів для оцінки Limit state functions for assessment 44

3.3.6 Оцінка вигод і наслідків Evaluation of benefits and consequences 45

3.3.7 Уточнення імовірностей Updating of probabilities 45

3.3.8 Уточнення випадкових змінних величин Updating of random variables 46

3.3.9 Інженерні аспекти Engineering aspects 47

4. Безпекові концепції для проєктування Safety concepts for design 52

4.1 Проектування, орієнтоване на строк служби, та поточний ресурс стійкості Lifetime orientated design and remaining lifetime 52

4.1.1 Вступ 52

4.1.2 Концепції проектування Design concepts 53

4.1.3 Поточний ресурс стійкості Remaining lifetime 54

4.2 Формати коефіцієнта міцності Safety factor formats 55

4.2.1 Introduction 55

4.2.2 Показники загальної безпеки Global safety factors 55

4.2.3 Коефіцієнти запасу міцності Partial safety factors 56

4.2.4 Максимально допустиме навантаженняProof loading 64

4.3 Формати безпеки для нелінійного аналізу Safety formats for non-linear analysis 65

4.3.1 Вступ 65

4.3.2 Формати безпеки Safety formats 66

4.3.3 Методи перевірки загальної безпеки Methods of global safety verification 68

4.3.4 Метод часткових коефіцієнтів Partial factor method 70

4.3.5 Нелінійний аналіз Nonlinear analysis 71

4.3.6 Приклади застосування Examples of application 71

4.3.7 Заключні зауваження Concluding remarks 74

5. Випробування для оцінки і проектування Testing for assessment and design 75

5.1 Випробування для проектування Testing for design 75

5.1.1 Проєктування і планування Design and planning 75

5.1.2 Виведення проєктних величин Derivation of design values 76

5.1.3 Перевірка на викиди Outlier test 76

5.1.4 Проєктні величини Design values 77

5.1.5 Пряме визначення проєктних величин Direct determination of design values 80

5.1.6 Статистична оцінка відбору проб Probabilistic-based assessment of sampling 94

5.2 Стохастичні моделі для проєктування Stochastic models for design 98

5.2.1 Стохастичні моделі стійкості для проєктування будівельних конструкцій  Stochastic models for the resistance of structural engineering 98

6. Обстеження і моніторингInspection and monitoring 104

6.1 Вступ 104

6.2 Теоретичні основи обстеження для експлуатації конструкцій Inspection framework for maintenance of structures 105ix

6.2.1 Загальні зауваження General remarks 105

6.2.2 Ієрархічна будова баз даних Hierarchical structure of databases 105

6.3 Контроль несучої здатності будівельних конструкцій Structural monitoring 106

6.3.1 Загальні зауваження General remarks 106

6.3.2 Вступ 107

6.3.3 Основи контролю конструкцій Principles of monitoring structures 107

6.3.4 Моніторинг, пов'язаний з удосконаленням моделі Monitoring associated model updating 110

6.3.5 Датчики для систем моніторингу: Короткий огляд  Sensors for monitoring systems: A brief review 111

6.3.6 Моделі вартості для систем моніторингу Cost models for monitoring systems 117

6.3.7 Стратегії обстеження і моніторингу Strategies for inspection and monitoring 117

6.3.8 Похибки моделювання в результаті обстеженні технічного стану будівлі Model uncertainties resulting from the structural inspection 120

6.4 Оцінка надійності за даними моніторингу Monitoring based reliability assessment 124

6.4.1 Загальні зауваження General remarks 124

6.4.2 Вступ 124

6.4.3 Проєктування систем моніторингу Design of monitoring systems 124

6.4.4 Приймання за показниками якості Acceptance by attributes 124

6.4.5 Приймання за значеннями змінних Acceptance by variables 126

6.4.6 Розподіл екстремальних значень для прогнозування на основі моніторингу Extreme value distributions for monitoring based predictions 127

6.4.7 Оцінка надійності на підставі моніторингової інформації  Reliability assessment based on monitoring information 132

6.5 Експлуатаційні показники на основі моніторингу Monitoring based performance indicators 135

6.5.1 Специфічні для коду задані граничні стани і пов’язані з ними контрольовані величини Code specific given limit states and associated monitored quantities 136

6.5.2 Характеристики системи моніторингу і пов’язаних з нею датчиків Properties of monitoring systems and associated sensors 136

6.5.3 Оптимізація моніторингових систем і властивостей датчиків відповідно до експлуатаційних показників Optimizing monitoring systems and sensor properties with respect to performance indicators 137

6.5.4 Визначення експлуатаційних показників, отриманих шляхом моніторингу Definition of monitoring based performance indicators 137

6.5.5 Сучасна система моніторингу Advanced monitoring system 137

6.6 Обстеження з урахуванням ризиків Risk based inspections 138

6.6.1 Загальні зауваження General remarks 138

6.6.2 Вступ 138

6.6.3 Планування обстеження конструкцій з урахуванням ризиків Risk based inspection planning for structures 139

6.6.4 Оптимізація стратегій обстежень Optimization of inspection strategies 141

6.6.5 Приклад погіршення характеристик з використанням моделі обстеження з урахуванням ризиків (RBI) Example on deterioration using Risk Based Inspection (RBI) modelling 143

6.6.6 Загальні підходи до обстежень з урахуванням ризиків (RBI)  to risk based inspection (RBI) 146

6.6.7 Системні впливи при обстеженні з урахуванням ризиків System effects in risk based inspection 147

6.6.8 Висновки Conclusions 148

7. Експлуатаційні характеристики протягом життєвого циклу Life cycle performance 150

7.1 Загальні зауваження General 150

7.2 Прогнозування роботи протягом життєвого циклу Prediction of life-cycle performance 150x 

7.2.1 Надійність на конкретний момент часу Point-in-time reliability 151

7.2.2 Відсутність можливостей Unavailability 152

7.3 Оптимізація технічного обслуговування Optimization of maintenance 153

7.3.1 Вступ 153

7.3.2 Типи операцій з технічного обслуговування Types of maintenance actions 158

7.3.3 Оптимізація обов’язкового технічного обслуговування Optimization of essential maintenance 160

7.3.4 Оптимізація профілактичного технічного обслуговування Optimization of preventive maintenance 162

7.3.5 Оптимізація комплексного технічного обслуговування Optimization of combined maintenance 165

8. Ідентифікація конструкції та методи прогнозування Structural identification and prediction methods 167

8.1 Вступ 167

8.2 Сучасний рівень розвитку State of the art 169

8.2.1 Методи на основі зміни базових модальних параметрів Methods based on changes of basic modal parameters 170

8.2.2 Методи на основі покращення параметрів конструкцій Methods based on updating of structural parameters 174

8.3 Метод ідентифікації на основі штучної нейронної мережі Identification method based on artificial neural network 176

8.3.1 Вступ 176

8.3.2 Статистичне моделювання з вибіркою латинського гіперкуба Latin Hypercube Sampling statistical simulation 177

8.3.3 Статистична кореляція Statistical correlation 178

8.3.4 Аналіз чутливості Sensitivity analysis 178

8.3.5 Штучні нейронні мережі Artificial neural networks 179

8.3.6 Базові поняття методу ідентифікації Basic concept of the identification method 180

8.3.7 Програмні засоби Software tools 181

8.4 Метод прямої ідентифікації жорсткості Direct stiffness identification method 182

8.4.1 Вступ 182

8.4.2 Елементи систем моніторингу і системної ідентифікації (MIS) Elements of a monitoring and system-identification system (MIS) 183

8.4.3 Модель конструкції Structural model 184

8.4.4 Ідентифікація системиSystem identification 185

8.4.5 Прямий розрахунок жорсткості Direct stiffness calculation 186

8.4.6 Системи ідентифікації, орієнтовані на лінії впливу  Influence-line oriented identification systems 188

8.5 Інші методи ідентифікації Other identification methods 193

8.6 Метод коефіцієнта чутливості Sensitivity factor method 193

8.6.1 Загальні відомості General aspects 193

8.6.2 Вступ 193

8.6.3 Лінійні системи Linear systems 194

8.6.4 Підсумок Summary 196

8.7 Метод гамма-прогнозування Gamma prediction method 196

8.7.1 Загальні зауваження General Remarks 196

8.7.2 Гамма-процеси для опису характеристик деградації Gamma processes for describing the degradation properties 198

8.7.3 Характеристики стохастичних процесів Characteristics of stochastic processes 198

8.7.4 Моделювання гамма-процесів Modelling of gamma processes 199xi 

8.7.5 Застосування гамма-процесів до процесів руйнування Application of gamma processes for deterioration processes 200

8.7.6 Вибір методів обстеження Selection of inspection methods 203

9. Моделі на основі теорії імовірностей для процесів деградації Probabilistic based models for material degradation processes 205

9.1 Вступ 205

9.2 Деградація і граничні стани  Degradation and limit states 206

9.2.1 Граничні стани: Загальні відомості   Limit states: General 206

9.2.2 Проектування з урахуванням строку експлуатації Design for durability 208

9.2.3 Граничні стани протягом строку експлуатації Durability limit states 209

9.2.4 Початковий період Initiation period 210

9.2.5 Період розповсюдження Propagation period 211

9.3 Деградація бетонних конструкцій Deterioration of concrete structures 213

9.3.1 Карбонізація Carbonation 213

9.3.2 Проникнення хлорид-іонів Chloride ion ingress 214

9.3.3 Корозія Corrosion 215

9.3.4 Морозні впливи Frost attack 215

9.3.5 Вогневий удар Fire attack 217

9.3.6 Alkali-aggregate reaction 217

9.4 Analytical models for degradation 218

9.4.1 Карбонізація Аналітичні моделі деградації Carbonation 219

9.4.2 Проникнення хлорид-іонів Chloride ion ingress 224

9.4.3 Корозія Corrosion 227

9.4.4 Морозні впливи Frost attack 231

9.4.5 Вогневий удар Fire attack 231

9.4.6 Реакція між лугом і заповнювачем Alkali-aggregate reaction 234

9.5 Програмне забезпечення Software 235

9.6 Ілюстративні приклади проєктування/оцінки з урахуванням вимог довговічності Illustrative examples of Durability Design/Assessment 236

9.6.1 Депасивація арматури – оцінка періоду появи перших ознак Reinforcement depassivation – assessment of initiation period 237

9.6.2 Втрата арматури через корозію Loss of reinforcement due to corrosion 238

10. Використання конкретних прикладів Case studies applications 241

10.1 Оцінка на основі надійності мостів зі збірних коробчатих сегментів– Австрія Reliability based assessment of a segmental bridge – Austria 241

10.2 Оцінка на основі надійності попередньо напружених балочних мостів з прогонами коробчатого перерізу – Італія Reliability based assessment of a prestressed box girder bridge – Italy 243

10.2.1 Детермінована модель Deterministic model 243

10.2.2 Імовірнісний аналіз Probabilistic analysis 246

10.2.3 Критичний граничний стан ULS/Структура Ultimate Limit State ULS/Structure 248

10.2.4 Аналіз залежної від часу деградації Time dependent degradation considerations 249

10.2.5 Заходи для укріплення Strengthening measures 249xii 

10.3 Розрахунок надійності будівельних конструкцій та їх довговічності для попередньо напруженого збірного мосту із V-подібними балками – Італія  Reliability based structural and durability analysis of a prestressed-precast V-beam bridge - Italy 250

10.3.1 Вступ 251

10.3.2 Міст в м. Ноймаркт Neumarkt Bridge 252

10.3.3 Обстеження Inspection 252

10.3.4 Оцінка експлуатаційних характеристик Performance assessment activities 254

10.4 Моніторинг і аналіз для оцінки стійкості до втомленості існуючих бетонних мостів, напружених після бетонування Monitoring and analysis for the evaluation of the existing post-tensioned concrete bridges fatigue resistance 271

10.4.1 Історія питання – Поведінка попередньо напружених мостів, навантаження яких викликає втомленість  Background – Behaviour of prestressed concrete bridges subject to fatigue loading 271

10.4.2 Моніторинг Monitoring 272

10.4.3 Комплект вимірювального обладнання Measuring set-up 273

10.4.4 Аналіз деформацій бетону і ширина тріщин Analysis of the concrete strains and the crack width 274

10.4.5 Контроль за областю робочих напружень у блоках приєднання до натяжних елементів   Verification of the service stress range of the tendon coupler assemblies 276

10.4.6 Висновки Conclusions 277

10.5 Моніторинг і оцінка надійності мостових конструкцій без деформаційних швів – Австрія Monitoring and reliability assessment of a jointless bridge structure – Austria 277 

10.5.1 Вступ 277

10.5.2 Загальні відомості про об’єкт S33.24 - міст Marktwasser (Нижня Австрія). Загальний опис мосту Marktwasser Bridge, S33.24     278

10.5.3 Системи моніторингу, застосовані у мості Marktwasser - Monitoring systems applied on the 279

10.5.4 Контроль аналітичної моделі усадки від повзучості Verification of an analytical creep shrinkage model 290

10.5.5 Аналіз деталей плити Analysis of the slab detail 292

10.5.6 Висновки Conclusion 294

10.5.7 Подяка Acknowledgement 294

10.6 Автомагістраль Egnatia, Північна Греція: Оцінка ризиків мостів на основі моніторингу: Northern Greece: Monitoring based risk assessment of bridges 294

10.6.1 Вступ 295

10.6.2 Оцінка ризиків мостів Risk assessment of bridges 295

10.6.3 Основні ризики для мостів на автомагістралі Egnatia  Major risks for Egnatia bridges 296

10.6.4 Візуальне обстеження мосту і реєстрація у базі даних Bridge visual inspection and data base recording 299

10.6.5 Моніторинг цілісності мосту Bridge health monitoring activities 302

10.6.6 Висновки Conclusions 308

11 Список літератури References 310