Значимость проблемы, ее специфика и терминология
В высказывании поэта, приведенного в качестве эпиграфа к главе, точно отражена значимость проблемы конструкционной безопасности. Слово «сварганить» в нем следует понимать как объединение двух слов: – «спроектировать и построить» объект. Действительно, строительная авария – это почти всегда есть результат пересечения как минимум двух негативных событий. Одно из них состоит в том, что при создании объекта проектировщики и/или строители допустили грубые ошибки, в результате конструкционная безопасность объекта оказалась необеспеченной. Другое событие – это неожиданное проявление непредусмотренного проектом воздействия на этот объект, провоцирующее его аварию. Сценарий наступления аварии строительного объекта демонстрирует рис. ДМ 1 (см. прил.1).
Непроектные воздействия на объект управлению практически не поддаются. Чтобы реально обеспечить конструкционную безопасность строительного объекта, необходимо свести до минимума негативное влияние на эту безопасность человеческого фактора опасности. Однако, в строительных нормах такой термин вообще не фигурирует. Он существует как бы сам по себе. Не компенсирует этот фактор и излишний запас прочности несущих конструкций, зачастую закладываемый в проектную документацию. Очевидно, что в таких условиях остается единственный, но эффективный способ обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений – жесткий, независимый контроль величины риска аварии, как при создании строительных объектов, так и на стадии их эксплуатации. Введение такого контроля невозможно без идентификации риска аварии строительных объектов и его нормирования.
Для прогноза риска существует достаточно широкий спектр теорий [13,14] – от научных (теория вероятностей и математической статистики, теория надежности, теория редких событий, теория самоорганизованной критичности, нечеткая логика, комбинации всего перечисленного и пр.) до астрологических. Главная особенность этих теорий – невозможность их экспериментального подтверждения, что естественно порождает массу спекуляций на тему «что делать?». Поэтому прогресс в этой области знаний всегда остается открытым для разного рода «неконструктивной» критики. Более того, существует стереотип в понимании теории надежности, как единственной из теорий, способной решить проблему безопасности строительства.
Действительно, базовой дисциплиной при создании строительных норм (СНиП) была теория надежности, позволявшая обосновывать основные положения СНиП. Создателем современной теории надежности считается академик В.В.Болотин. В 70 и 80-е годы ХХ века через его «Школу надежности больших механических систем» прошло несчетное число слушателей, в числе которых почти всегда был и автор этой книги. Известность Школы не ограничивалась территорией СССР. Она была известна и за рубежом. Ежегодно академик Болотин читал лекции по теории надежности в США, а его многочисленные ученики до сих пор продолжают развивать его учение (Махутов Н.А.,Тимашев С.А.,Теличенко В.И. и др.). С позиций теории надежности были сделаны попытки оценить вероятность обрушения строительных конструкций (Н.С.Стрелецкий, А.Р.Ржаницин), но эти оценки были произведеныбез учёта влияния ошибок людей. Сегодня же на повестке дня уже не надежность отдельных несущих конструкций строительного объекта, а его конструкционная безопасность в целом с учетом негативного влияния на нее человеческого фактора опасности. Хотя понятия надёжность и безопасность – тесно связанные между собой сущности, при решении этой проблемы одной теорией надежности уже не обойтись. Ивсе потому, что вне поля зрения теории надежности остались ошибки людей. В теории конструкционной безопасности на первый план выходят уже методы теории редких событий, поскольку авария строительного объекта относится именно к таким событиям. Основоположник этой теории – академик С.П. Курдюмов, возглавлявший Московский Институт прикладной математики. Как один из создателей синергетики, он любил приглашать на свои научные семинары представителей различных прикладных наук для нестандартного решения важных государственных задач. Участие в них принимал и автор этой книги, но понимание значимости конструкционной безопасности к нему пришло не сразу. Этому предшествовало два события. Одно негативное – это строительная катастрофа на территории Армении, спровоцированная землетрясением. Она, за всю историю СССР, – самая крупная. Наиболее реалистичный сценарий этой трагедии такой: к моменту землетрясения конструкционная безопасность большинства построек из-за дефектов и многочисленных грубых человеческих ошибок не была обеспечена; отсюда и соответствующий «результат». Сценарий подтверждается известным фактом 90-х годов. Проектировщиков из Дагестана «обвинили» в ненадежности построенных по их проекту в Армении панельных зданий. Тогда они провели натурный эксперимент. В полном соответствии со СНиП ими был возведен каркас панельного здания и произведена имитация землетрясения с постепенным увеличением его мощности до 9,4 баллов по шкале Рихтера. Экспериментом было доказано: правильно построенный по их проекту дом при землетрясении, какое было в Армении, не разрушился бы. Первые видимые разрушения дома при эксперименте стали наблюдаться в районе 9 баллов. Можно и иначе объяснить причину трагедии: из-за многочисленных грубых человеческих ошибок у подавляющего большинства построек на территории Армении статическое равновесие было неустойчивое. Землетрясение кардинально нарушило их равновесие, что и послужило причиной массового обрушения зданий. Второе событие, которое подвигло автора книги заняться проблемой конструкционной безопасности строительства, позитивное. В том же 1988 году, когда произошла Армянская трагедия, в СССР издается книга известных итальянских строительных специалистов «Вероятностные методы в строительном проектировании» [2]. Ее авторы три профессора – из Флоренции, Неаполя и Павии: Г.Аугусти, А.Баратта и Ф.Кашиати. Именно она послужила импульсом для решения проблемы обеспечения конструкционной безопасности строительных объектов. В частности, постановка задач этой проблемы базируется на утверждение авторов книги, что теоретическая вероятность обрушения конструкций, заложенная в объект при его проектировании, после реализации проекта за счёт человеческих ошибок увеличивается на порядок. В разделе «анализ надежности в рамках норм проектирования» авторы книги отмечают: – методы определения вероятности отказов учитывают лишь случайную природу нагрузок и сопротивлений им, пренебрегая такими источниками отказов, как ошибки и небрежности, которые могут проявлять себя во время проектирования, возведения и эксплуатации сооружений. Поэтому фактическая вероятность отказов больше ее теоретического аналога. При этом авторы книги констатируют, что на современном уровне знаний этот вопрос остается открытым. Но вместе с тем на 483 стр. они пишут: – «хотя применяемые в настоящее время вероятностные процедуры инженерного исследования строительных конструкций и основанные на них нормы не учитывают непосредственно возможность грубых ошибок, есть все основания ожидать, что в ближайшем будущем этот вопрос будет объектом многих исследований». Приведенный здесь абзац книги оказался не только пророческим; он еще показал путь, по которому должны пройти разработчики теории риска аварии строительных объектов.
В завершение раздела главы о значимости проблемы обеспечения конструкционной безопасности строительных объектов целесообразно привести многократно подтвержденный на практике факт: – тяжесть последствий и размер экономического ущерба при чрезвычайных ситуациях, возникающих на той или иной территории страны, зависит, главным образом, от степени обрушения зданий и сооружений, попавших в зону бедствия. Поэтому обеспечение конструкционной безопасности сооружений – это не только главное требование при модернизации строительной отрасли России, но и важнейшая государственная задача. Важно не только обеспечить эту безопасность, но и доказательно гарантировать собственнику недвижимости, что такая безопасность принадлежащего ему здания или сооружения обеспечена. Разработка технологий гарантирования конструкционной безопасности как для вновь возведенных объектов, так и для находящихся в эксплуатации сооружений (сертификация, страхование и др.) – тема, которой посвящена отдельная глава книги.
О специфике проблемы
К специфике проблемы следует отнести тот факт, что конечная строительная продукция изготавливается на открытых «всем ветрам» и всегда на уникальных в геологическом разрезе площадках, подверженных разным факторам опасности природного, техногенного и др. характера. Кроме этого особый отпечаток на проблему накладывает специфика конечной строительной продукции. С позиции Федерального Закона «О техническом регулировании» ее восприятие как «объекта технического регулирования» отличается от восприятия промышленной продукции, так как здания и сооружения – это изделия единичного производства и практически не могут быть отбракованы.
Естественно, в таких условиях влияние человеческого фактора на базовые свойства качества строительной продукции (конструкционную безопасность и ресурс) будет ощутимым, а поскольку строительные объекты проектируют, возводят и эксплуатируют люди, которые, как известно, склонны к совершению ошибок, то они (здания, строения, сооружения) являются не совсем техническими системами. Они – социо-технические системы и, следовательно, чисто технократический подход к решению проблемы конструкционной безопасности зданий и сооружений является тупиковым. Более того, результаты большого числа исследований по таким дисциплинам как строительная механика, строительные материалы, железобетонные и металлические конструкции и т.д., в которых математический аппарат дополняется эмпирическими данными, на практике, как правило, в полной мере не реализуются. Например, совершенно бесполезно прогнозировать безопасный срок службы строительного объекта с использованием сложных физических и вероятностных моделей, если этот объект вообще не собираются правильно эксплуатировать.
О терминологии.
Каждая проблема имеет право оперировать собственной терминологией. В данной проблеме ключевыми терминами являются: – «строительный объект», «конструкционная безопасность», «риск аварии» и «менеджмент риска» в совокупности образующие название этой книги. По мнению ее автора, наиболее корректное их описание следующее:
Строительный объект – это геометрически неизменяемая система несущих и ограждающих конструкций, образующих единое замкнутое пространство для жизнедеятельности людей и в которой всякое изменение физического состояния конструктивных элементов изменяет ее реакцию на внешнее воздействие, повышая или понижая величину риска аварии.
Примечание. На «строительном языке» этот термин имеет ряд синонимов: здание, строение, сооружение. Они часто используются в директивных документах по строительной отрасли; в этой книги они тоже применяются.
Конструкционная безопасность – свойство качества строительного объекта, отвечающее за прочность, жёсткость и устойчивость системы «основание - несущий каркас», и за способность объекта противостоять не предусмотренным в проекте воздействиям, ее фундамент – физическое состояние основания и несущих конструкций объекта.
Примечание. В Федеральном Законе «О техническом регулировании» использован другой термин, а именно – «механическая безопасность», но для строительной отрасли он неверный. Видимо, авторы закона при его введении исходили из термина «строительная механика», дисциплины, связанной с расчетом строительных систем на прочность, жесткость и устойчивость,но ошиблись, так как предмет интересов строительной механики – это объекты, не находящиеся в движении.
Риск (risk) аварии строительного объекта–интегральнаямеранеопределенностифизического состояния строительного объекта; мерой служит число в виде отношения фактической вероятности аварии объекта к теоретической вероятности, обусловленной строительными нормами; он напрямую зависит от количества и степени опасности человеческих ошибок, допущенных при создании объекта.
Примечание. Неопределенностьфизического состояния строительного объекта характеризуется информационной энтропией - показателя закона распределения для плотности вероятностей риска аварии строительного объекта.
Менеджмент риска (risk management) [82].– скоординированные действия поуправлению риском аварии строительного объекта и его контролю. Примечание. Менеджмент рискавключает в себя идентификацию риска аварии, его оценивание и регулирование. Если проще, то этот термин следует понимать как контроль конструкционной безопасности объекта.
Другие, используемые в книге термины:
∙Аварийное состояние – состояние объекта, когда в его несущих конструкциях уже есть дефекты и повреждения; в этом состоянии объект еще сохраняет свои основные функции, но его способность противостоять непроектным воздействиям уже утрачена.
∙Авария – полная потеря работоспособности объекта из-за разрушения и/или потери устойчивости его несущих конструкций.
∙Надежность– соответствие требованиям норм (проекта); для системы «основание - несущий каркас» объекта в целом и для ее конструкций в отдельности надежность – это способность: а) противостоять разрушению (прочность); б) сохранять под нагрузкой свою форму с допустимыми деформациями (жесткость); в) возвращаться в исходное положение при снятии внешних воздействий (устойчивость).
∙Максимально допустимый риск аварии– ограничение на величину риска аварии для завершенного строительством объекта.
∙Критический риск аварии– инварианта риска аварии для объекта, находящегося в эксплуатации; при его достижении объект начинает переход в аварийное состояние.
∙Безопасный остаточный ресурс– интервал времени эксплуатации объекта от текущего момента времени до момента достижения им критического значения риска аварии.
∙Диагностика – исследование физического состояния основания и конструктивных элементов несущего каркаса строительного объекта; применяется как при возведении, так и при эксплуатации зданий и сооружений.