Риски при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений

ФГБВОУ ВПО «Военно-технический университет»

Современный период развития общества в области формирования среды жизнедеятельности характеризуется созданием уникальных сооружений и архитектурно-строительных комплексов, образуя все более сложные строительно-эксплуатационные системы. Подземная урбанистика, высотное строительство, оригинальные планировочные и конструктивные решения сооружений, основанные на достижениях высоких технологий и современных инженерных решениях, представляют прогрессивные тенденции современного строительного комплекса.

С ростом сложности строительных систем возрастает и мера ответственности при их создании, а также неопределенность их поведения на различных стадиях - при проектировании и эксплуатации при разнообразных внешних воздействиях и их сочетаниях. Между тем увеличивается степень и частота внешних запроектных воздействий на здания и сооружения со стороны окружающей среды. Растет число техногенных аварий и катастроф, террористических актов. Все это в совокупности с массовым снижением качества строительства является фактором, провоцирующим аварийные ситуации зданий и сооружений.

Причины носят следующий характер:

- природный (влияние внешней среды);

- социальный (условия эксплуатации, ошибки в проектировании, вызванные неполными знаниями проектировщиков об используемых материалах и работе конструкций, коррумпируемостью, проявляющейся на этапе сдачи-приемки строительных объектов и др.).

Снижение качества по второй вышеуказанной причине ведут к тому, что возникшие вероятные дефекты ухудшают не только условия эксплуатации строительных объектов, а в первую очередь снижают несущую их способность. Для оценки разрушений конструкций необходимо знать их возможные повреждения, несоответствия строительства строительным нормам и правилам, имеющим место при ведении строительных работ.

Очевидно, что проблема разрушений зданий и сооружений в результате различных факторов напрямую связана с обеспечением надежности и безаварийности строительных объектов. Несмотря на то, что современные технологии строительства «улучшаются», по последнему слову научных достижений вводятся новые материалы, создается впечатление даже у простого обывателя, что качество строительных объектов оставляет желать лучшего. Вопрос оценки объемов разрушений строительных объектов с учетом их возможных дефектов продиктован участившимися за последнее десятилетие авариями «новостроек». Это - спортивный комплекс «Трансвааль парк», рынок на Басманной (г. Москва) и др.

Учет дефектов при строительстве впервые был предпринят 1895г. М.Н. Герсевановым. В связи с участившимися авариями вновь возводимых строительных объектов, в 1937г. всем проектным организациям по решению Главстройпрома НК ТП СССР было приказано организовать учет дефектов и аварий строительных комплексов. Так как все проведенные исследования проходили под грифом «Секретно», то практически ни один из результатов исследований не нашел практического применения. Только в период хрущевской оттепели в 1953г. обобщенные сведения о крупных авариях были опубликованы Ф.Д. Федоровым. К сожалению, эти сведения касались аварий только за рубежом.

Вопросу исследования аварий промышленных зданий и сооружений в СССР и России посвящены труды Б.И.Беляева, В.С.Корниенко, М.Н.Лащенко, Б.Н.Мизернюка, В.А.Клевцова, И.А.Физделя, А.Н.Добромыслова и др., а за рубежом - Митцела, Мак-Кейга, Хэмонда, Агустина, Рибицки и др. На основании этих исследований корректировались современные СНиПы и различные Требования к ведению строительных работ.

Для исследования проблемы аварий строительных объектов, в США создан международный центр по их прогнозированию и предупреждению (центр по авариям), который выдает рекомендации по их предотвращению после тщательного изучения и анализа предыдущих аварий.

В настоящее время в строительной литературе нет четкого понятия отказа конструкции строительного сооружения. Как правило, на прочность конструкций оказывают влияние разрушения, заметные визуально, которые при достижения критического значения, ведут к аварии всего сооружения. Мерой надежности сооружения служит вероятность его разрушения (частота вероятного разрушения в год), т.е. риск.

В настоящее время при расчете строительных конструкций (СК) не требуется вычислять вероятность их отказа т.к. при оценке случаев отказа важна не только частота их появления, но и тяжесть последствия, т.е. риск. Исследования риска проводят прежде всего для того, чтобы сравнить риск новых технологий с риском уже существующих.

Риск рекомендуется оценивать по формуле:

[Q] = Q ∙ w,

где Q - вероятность отказа;

w - коэффициент последствия отказа.

Коэффициент последствия отказа принимается в зависимости последствий для жизни и здоровья людей. Экономических потерь с учетом упущенной прибыли, последствий для окружающей среды и культурных ценностей. В этом случае японцы говорят так: «Самому дешевому изделию соответствует наибольший риск, а варианты с ограниченным риском стоят дороже».

Понятие «риск» связано с условием неопределенности, влекущего за собой определенные последствия. Ряд авторов под риском понимают вероятность отказа конструкции.

Современное состояние теории риска можно охарактеризовать как зарождающееся. В основе официального (финансируемого МЧС) подхода лежит «объективная» основа для построения теории - внешняя схожесть эмпирических законов, описывающих катастрофические явления в различных областях и принципы нелинейной динамики. Существуют также и другие, не совпадающие с официальной, точки зрения на решение проблемы безопасности. Создание единой методологии сталкивается с многочисленными проблемами как научного, так и ненаучного характера - отраслевая специфика, субъективность. Несмотря на это многие исследователи сходятся во мнении, что основой управления рисками должен быть прогноз.

Прогнозировать можно, применяя широчайший спектр инструментов - от универсальных или узкоспециализированных научных (теория вероятностей и математическая статистика, теория режимов с обострениями, теория самоорганизованной критичности, нейронные сети, экспертные оценки, различная логика, комбинации перечисленного и пр.) до астрологических и религиозных. В целом можно резюмировать, что главной особенностью ситуации является невозможность прямой экспериментальной проверки теорий, что значительно сдерживает реальный, а не мнимый прогресс в данной области знаний и порождает массу спекуляций на тему «что будет?».

Существующая нормативная и построенная на ее основе методическая база по управлению безопасностью строительных объектов на ранних стадиях инвестиционно-строительного процесса (также ввиду отсутствия должной системности) не в полной мере справляется с возложенными на нее задачами и оставляет открытым вопрос прогнозирования конструкционной безопасности строительных объектов.

Таким образом, формирование системных процедур и методик, позволяющих устанавливать степени конструкционной безопасности элементов и конструкционной надежности сооружений в целом на ранних стадиях инвестиционно-строительного процесса (предшествующих физической реализации объекта), а также разработка моделей и критериев более обоснованной системы принятия решений и прогноза с учетом риска являются весьма актуальными потребностями строительного комплекса.

На основе результатов социально - психологических исследований, в таблице 1 приведем величины приемлемого риска, которые отражают реакцию общественного мнения на аварии.

Таблица 1

Величины приемлемого риска

№ п/п	Оценка риска	Описание появления риска	Величина риска
1	Совершенно неприемлем	Вероятность случаев со смертельным исходом в год (сопоставима с ездой на мотоцикле)	10^-3
2	Требует принятия мероприятий и может быть принят только в том случае, если другого выхода нет	Соответствует риску со смертельным исходом в год при автомобильных авариях	10^-4
3	Естественные случайные события	Соответствует несчастным случаям пи купании в море	10^-5
4	Риск, который можно избежать	Соответствует форсмажорным обстоятельствам, например, удар молнией, появление акулы в пляжной акватории и пр.	10^-6

Графическая интерпретация способов оценки риска при аварии зданий и сооружений представлена на рис. 1.

Рис. 1. Способы оценки риска

Не стоит сбрасывать со счетов то, что экономический и социально - психологический факторы имеют достаточно высокие показатели корреляции. Опыт наблюдений за социально-психологическим состоянием общества показывает, что он напрямую связан с экономическим состоянием общества. Подтверждением тому являются одни из немногих великих слов основоположника марксизма-ленинизма: «Бытие определяет сознание». Человек (социум) не сможет приобрести что-либо, что превосходит его покупательские возможности и сделать больше того, что он знает. Этот тезис может во многом определить явление многих социальных явлений в обществе. Его не стоит сбрасывать со счетов, не смотря на то, что речь всегда, как правило, идет о строительных рисках.

Рассмотрим риск возникновения повреждения при проектировании. В настоящее время все большее распространение получает автоматизированное проектирование, расчеты конструкций, выполненные на компьютерах с использованием готовых расчетных программ. По мнению автора, при этом инженеры не всегда представляют действительную работу конструкции под нагрузкой и подстерегающие при этом опасности при реализации проекта.

Рассмотри зависимость оценки риска в год на основе гипотезы о «приемлемой потере» п-ой суммы в год.

[Q] = n/C ,

где С - стоимость сооружения с учетом ущерба от его отказа, (в стоимость ущерба входят потери от гибели людей).

В настоящее время коэффициенты надежности, устанавливаются на основе:

- опыта;

- интуиции;

- экспертных исследований;

- данных других технических отраслей;

- анализа зарубежных норм;

- рекомендаций международных организаций.

Ниже приведем наиболее часто встречающиеся на этапе эксплуатации повреждения строительных конструкций (данные международных организаций):

- коррозии стальных и железобетонных конструкций;

- загнивание деревянных конструкций;

-размораживание бетона и каменной кладки;

-промасливание бетона;

- усталостные разрушения стальных конструкций;

- изменение грунтовых условий оснований и фундаментов;

- образование трещин в железобетонных и каменных конструкциях;

- повышение деформации конструкции (прогибы, потеря устойчивости, колебания).

Очевидно, что указанные повреждения не могут не оказывать значительного влияния на объем вероятных разрушений при воздействии оружия во время ведения военных действий. Ранее исследования в этом направлении не проводились.

Автор предлагает собственную классификацию оценки надежности строительных конструкций, противопоставляя ему «Свод правил по проектированию и строительству. Правила обследования несущих строительных конструкций. СП 13-102-2003» таблица 2).

Таблица 2

Оценка надежности по состоянию конструкции

Классификация		y₀	Относительная
Автор	СП 13-102-2003		надежность
Хорошее	Исправное	1,75	1,0
Удовлетворительное	Работоспособное	1,66	0,95
Не вполне	Ограниченно	1,48	0,85
удовлетворительное	работоспособное
Неудовлетворительное	Недопустимое	1,31	0,75
Аварийное	Аварийное	1,13	0,65

Здесь заслуживает внимания утверждение автора о том, что одной из причин риска конструкции является то, что проектировщик «вслепую» доверяет табличным данным. По нашему мнению, это освобождают его от ответственности за принятое решение, гарантируя ему определенную юридическую защиту.

Практика показала, что, несмотря на выполнении всех нормативных требований при проектировании зданий и сооружений, полностью избежать отказа невозможно.

Причиной этому является:

- ошибки (часто арифметические);

- неверный выбор расчетной схемы (тип связей);

- неучтенность нагрузок (снеговой, ледовой).

Ярким примером этого является разрушение многих опор во время ледяного дождя в декабре 2010 года. Этот вид нагрузки (ледовая) по нормам СНиП рекомендуется принимать для районов Сибири, Севера и Дальнего Востока.

Часто разрушения одних элементов конструкций ведут к обрушению других конструкций и сооружений в целом. Приближенно это влияние может быть оценено коэффициентом значимости элементов. Например, обрушение сборной плиты перекрытия первого этажа многоэтажного здания мало влияет на работоспособность других конструкций. С другой стороны, обрушение ригеля этого же перекрытия вызовет обрушение уже нескольких плит, а обрушение колонны первого этажа приведет к обрушению части перекрытия всех этажей.

Принято считать, что если количество повреждений конструкции более 60 % к их общему количеству, то ремонт такого строительного сооружения нецелесообразен.

Проведенный анализ позволил выявить и проанализировать причины риска при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.

Литература:

1. МСН 20-01-2013. Надежность строительных конструкций и оснований.

(MHTKC). 2012.

2. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения

и требования. Москва. Стандартинформ. 2011.

3. Свод правил по проектированию и строительству. Правила обследования несущих строительных конструкций. СП 13-102-2003.