Обеспечение безопасности строительными методами

Обеспечение безопасности при возникновении экстремальных ситуаций в зданиях и сооружениях - задача комплексная, поэтому искомое решение должно осуществляться с учетом широкого круга вопросов, в которых роль строителей значительна.

Основная ответственность в решении этих задач ложится на плечи проектировщиков и управленцев, которые на стадии предпроектного анализа должны предусмотреть такие решения, которые при заданном уровне затрат обеспечили бы максимальную безопасность сооружения и окружающей среды. Результатом такого анализа может быть отказ от строительства вообще или разработка другого проекта, если требуемый уровень безопасности (т.е. его удаленность от границ опасности) не может быть обеспечен имеющимся ресурсом. Для отслеживания безопасности разрабатываемых проектов в крупных фирмах даже появилась должность риск-менеджеров, которые оценивают условия возможных чрезвычайных ситуаций, ожидаемых ущербов и затрат для ликвидации аварий. Особенно этот вид деятельности в составе проектных организаций важен при строительстве высотных зданий и сооружений, АЭС, подземных объектов, гидростанций, нефте- и газопроводных систем, морских нефтедобывающих платформ, при строительстве на неустойчивых грунтах оснований и т.п.

Попытки обеспечить безопасность на стадии проектирования имеют давнюю историю. Они относятся ко временам, когда была впервые осознана связь между внешними воздействиями и внутренними усилиями, характеризующими сопротивление конструкций и сооружений, и восходят ко временам Галилея и Бернулли. Эти и более поздние многочисленные исследования нашли отражение в оценке безопасности, названной критерием допускаемых напряжений, просуществовавшим до 30-х годов XX столетия. Согласно этому критерию напряжение в наиболее напряженном волокне (слое) критического (опасного) сечения конструкции σкр не должно превышать предельно допустимого напряжения σдоп, определяемого как средняя прочность R, деленная на понижающий ее коэффициент запаса у:

(1.9)

Коэффициент запаса назначался на основе опытов, но во многом принимался интуитивно (обычно у = 1,5 - 2,0) и интегрально учитывал влияние неблагоприятных факторов изменчивости параметров нагрузок, прочностных свойств материалов, геометрических размеров конструкций и т.п., имеющих место на практике.

Использование метода расчета по допускаемым напряжениям оставалось приемлемым, пока в качестве основных конструкционных материалов использовались железо и сталь, подчиняющиеся закону Гука. При этом определение напряжений (и деформаций) в простейших конструкциях методами сопротивления материалов не представляло особых трудностей. Каменные конструкции, не являясь, вообще говоря, упругими, также укладывались в рамки существовавшей расчетной процедуры.

Распространение железобетона как основного конструкционного материала, достигшее своего первого расцвета к концу 20-х годов XX столетия, потребовало иных подходов, так как стало очевидно, что железобетон является композитным материалом и обладает способностью работать за пределами упругости. Эго обстоятельство вызвало к жизни предложенный в начале 30-х годов в МИСИ проф. А.Ф. Лолейтом и развитый в ЦНИИСКе проф. А.А. Гвоздевым критерий разрушающих нагрузок. В качестве критерии безопасности устанавливалось не максимальное напряжение, определяемое по внешней нагрузке, а разрушающее усилие, вызываемое внешней нагрузкой, устанавливаемое по определенным из эксперимента предельным значениям напряжений. Метод позволял назначать общий для всего сечения коэффициент запаса. Допускаемая нагрузка находилась путем деления разрушающей нагрузки на этот коэффициент. Метод более правильно отражал действительную работу сечений, подтверждался экспериментально и явился крупным шагом вперед в развитии теории прежде всего железобетона.

Недостатком этого метода явилось использование единого коэффициента запаса, лишь приближенно учитывающего многообразие факторов, действующих на конструкцию, и их случайный (изменчивый) характер. Кроме того, предложенные критерии носили ограниченный характер, так как оценивали лишь устойчивость конструкций или сооружений к определенным видам воздействий, а возможности оценки последствий и величины ущерба исключались.

В конце 30-х годов в МИСИ проф. Н.С. Стрелецким была разработана более совершенная концепция расчета по предельным состояниям, а с 1955 г. критерий предельных состояний был введен в нормы проектирования строительных конструкций, зданий и сооружений. Под предельным понимают такое состояние конструкции или сооружения, после достижения которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери способности сопротивляться внешним нагрузкам или получения недопустимых перемещений или местных повреждений. В соответствии с этим установлены две группы предельных состояний: первая - по несущей способности, вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации.

Расчет по первой группе предельных состояний выполняют с целью предотвращения разрушения конструкции (расчет прочности), потери устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение), усталостного разрушения (расчет на выносливость).

Расчет по второй группе предельных состояний имеет цель не допустить развитие чрезмерных деформаций (прогибов и т.п.), исключить возможность локальных повреждений (трещин) или ограничить ширину их раскрытия, а также обеспечить в необходимых случаях закрытие трещин после снятия части нагрузки.

Расчет по первой группе является основным с позиций безопасности и определяет ее границу.

Из определения предельных состояний ясно, что в отличие от ранее предложенных критериев за их граничное значение принимается не один какой-либо параметр (напряжение, нагрузка), а состояние конструкции, предшествующее потере безопасности, т.е. интегральный параметр. При этом учитывается ряд исключительно важных факторов: изменчивость нагрузок и сопротивлений материалов, возможные сочетания различных нагрузок и т.п.

Основное условие (критерий безопасности) в соответствии с рассматриваемым методом может быть представлено в виде

(1.10)

где F - расчетное усилие, равное практически возможному максимальному усилию в сечении элемента при невыгоднейшей комбинации расчетных нагрузок или воздействий; Fu - расчетная несущая способность, т.е. минимально возможное сопротивление конструкции.

Большинство нагрузок, являясь случайными величинами, обычно подчиняются распределению по закону Гаусса. Опыты показывают, что этому же распределению подчиняется и прочность основных конструкционных материалов. Из математической статистики известно, что если событие (в данном случае показатель прочности или интенсивность нагрузки) имеет место не более чем в одном случае из 1000, то оно считается абсолютно невероятным (недостоверным). Наоборот, если оно проявляется в 999 случаях из тысячи и чаще, то событие считается абсолютно достоверным.

Для определения численных критериев абсолютных невероятности и достоверности существует правило "трех сигм"; например, для прочности материалов

(1.11)

где Rср - среднее значение прочности (математическое ожидание); σ - среднеквадратическое отклонение, характеризующее изменчивость случайной величины R.

Значения Rср и σ определяются зависимостями:

(1.12)

(1.13)

где Δ = Ri - Rср; пi - число наблюдений, в которых зафиксирована прочность Ri; п - общее число наблюдений.

На практике определение несущей способности осуществляется несколько иначе. За основу принимают так называемые нормативные значения материалов:

(1.14)

что соответствует тому, что прочность материала в 95 случаях из 100 будет выше Rn. Величину Rn используют в расчетах по второй группе предельных состояний, где такая высокая безопасность, как в расчете прочности, не требуется. Расчетное сопротивление R, используемое в расчетах первой группы, получают делением Rn на коэффициенты надежности (безопасности) по материалу γb, γs принимаемые равными 1,3-1,5, что уменьшает значения R до величин R - 3σ.

Величины σ получают путем выборочных испытаний образцов из используемого бетона, стали и т.п. Они зависят от применяемой технологии, качества производства и других факторов. Наряду с γb, γs при определении несущей способности вводят ряд других коэффициентов, отражающих те или иные условия изготовления и работы конструкции.

Похожим образом определяют расчетные нагрузки; их нормативные значения умножают на коэффициенты надежности (безопасности) по нагрузке γf(0,9-1,6), а также коэффициенты надежности по назначению γn учитывающие степень ответственности и капитальности зданий и сооружений (1,0 -для капитальных сооружений 1-го класса, 0,8 - для временных сооружений со сроком службы до пяти лет).

Необходимо отметить, что нагрузки подразделяются на постоянные, временные и особые. К постоянным относятся собственная масса конструкций, давление грунта и др. Временные подразделяются на длительные и кратковременные. К длительным относятся нагрузки от стационарного оборудования, книг в книгохранилищах и другие, к кратковременным - нагрузки от массы людей, снеговые, ветровые, нагрузки, возникающие при монтаже и ремонте, и др.

К особым относятся нагрузки, возникающие в чрезвычайных ситуациях (сейсмические, взрывные, ударные и т.п.). Таким образом, рассматриваемый подход позволяет решать задачи безопасности при чрезвычайных ситуациях и до настоящего времени является основным.

Очевидно, что рассматриваемые нагрузки действуют на сооружение не по отдельности, а в комплексе (сочетании). Таких сочетаний может быть несколько; различают основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок, и особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок.

Вероятность одновременного появления наибольших значений нагрузок учитывают коэффициентом сочетаний. Если в основное сочетание включается только одна кратковременная нагрузка, коэффициент сочетаний принимается равным 1,0, если две и более - последние умножаются на коэффициент 0,9, так как считается маловероятным, чтобы все они одновременно достигали наибольших значений. В особом сочетании расчетные значения кратковременных нагрузок умножаются на 0,8, при этом особые нагрузки учитываются без снижения.

С учетом сказанного выше выражение (1.10) графически может быть выражено на рис. 1.2, где заштрихованный участок представляет зону риска, т.е. тот практически невероятный случай, когда конструкция может выйти из строя.

Изложенный подход может быть назван концепцией "абсолютной надежности (или безопасности)". По сути своей он является полу вероятностным, ибо изменчивостью обладают не только нагрузки и прочность материалов, но и размеры сечений конструкций и т.п. Однако очевидно, что этот подход имеет ряд недостатков.

К этим недостаткам относится, например, тот факт, что реальная опасность выхода из строя целого ряда типов сооружений выше, чем предсказанная на основе критерия предельных состояний, поэтому используемый подход позволяет, за редким исключением, учесть лишь возможность наступления оговоренного в нормах предельного состояния и не способен оценить другие виды потерь (людские, природные и т.п.), которые могут иметь место вследствие, например, выхода из строя сооружения; кроме того, ряд особых воздействий не подчиняется закону Гаусса.

Рис. 1.2. Графическое представление условия безопасности

Перспективной альтернативой критерию предельных состояний является оценка риска (анализ риска). Под риском понимают вероятностную меру опасности, установленную для данного объекта (субъекта) в виде возможных потерь за определенный период времени.

Риск является функцией вероятности возникновения возможного воздействия (в общем случае не зависящей от объекта) и реакции объекта на это воздействие (уязвимости). Таким образом, в простейшем варианте риск негативного события (отказа), обусловленного опасностью h определенной интенсивности, может быть определен по формуле

(1.15)

где ph - вероятность (повторяемость) опасности; рFh - вероятность отказа, т.е. выхода из строя объекта при воздействии этой опасности.

Иллюстрация формулы (1.15) дана на рис. 1.3.

Таким образом, уровень безопасности p(S), который нас интересует, в вероятностных терминах может быть определен по формуле

(1.16)

Однако, имея в виду это соотношение, обычно оперируют с понятием риска p(F), предполагая, что определение безопасности по уравнению (1.16) не вызывает затруднений.

Сопоставление показало, что расчет по методу предельных состояний в вероятностных категориях соответствует оценке риска 10-5 - 10-6 разрушений в год, т.е. из миллиона однотипных зданий могут разрушиться от одного до десяти, что является практически невероятным. В действительности вероятность катастрофических отказов значительно выше. Например, для промышленных объектов за последние 20 лет она составляла 5 · 10-4 для многоэтажных зданий и 2 · 10-4 для инженерных сооружений.

Соответствующее сопоставление приведено в табл. 1.2.

Рис. 1.3. Геометрическая интерпретация понятия риска

Таблица 1.2. Сопоставление аварийных ситуаций для зданий и сооружений

Значение риска	Для зданий		Для сооружений
	одноэтажных	многоэтажных
Теоретическое	1 · 10-5	1 · 10-5	1 · 10-6
Фактическое	7 · 10-4 - 1 · 10-5	5 · 10-4	2 · 10-4
Допустимое	1 · 10-5 - 2 · 10-6	2 · 10-6	2 · 10-5

Как видим из табл. 1.2, фактические аварийные ситуации превышают величины расчетных характеристик.

К основным причинам невыполнения концепции "абсолютной надежности" можно отнести:

- ошибки изысканий;

- ошибки при проектировании;

- недостаточную исследованность поведения объектов строительства и их элементов (несовершенство норм);

- ошибки строительства;

- ошибки при контроле качества.

Статистика показывает, что основными средствами повышения безопасности является повышение качества изыскательских и строительно-монтажных работ, усиление надзора за ними или введение систем качества.

Анализ риска позволяет обеспечить интегральную оценку безопасности строительных систем с учетом вероятности поражения объекта во времени и пространстве при возникновении ЧС, а также возможных последствий. Например, для оценки риска потерь при действии природных аварий и катастроф предложена формула оценки интегрального риска R∑ в любой сфере возможных потерь:

(1.17)

где ph - повторяемость опасности h определенной интенсивности, численно равная ее статистической вероятности; рSh; Рth - вероятность поражения объекта опасностью h в пространстве S и во времени t; Poh - степень уязвимости (вероятность поражения, разрушения, гибели и т.п.) объекта при событии h; рFh - вероятность нарушения функциональных параметров объекта исследования (вероятность отказа); D - показатель оценки риска (например, площадь, стоимость объекта, численность населения и т.п.).

Очевидно, граница безопасного состояния и само безопасное состояние в терминах анализа риска будут оцениваться выражением

(1.18)

где рдоп - допустимый риск, зависящий от вида объекта, его основных параметров, характеристики места его расположения, экономических, этнопсихологических и других факторов.

Для оценки риска предложен ряд подходов. Например, для промышленных зданий и сооружений часто употребляется Вперед формула:

(1.19)

где ξ - коэффициент социальной значимости объекта, равный 0,005 для мест собрания людей и размещения плотин; 0,05 - для объектов массового промышленного и гражданского строительства; 0,5 - для мостов; 5 - для башен, мачт и сооружений на морском шельфе; t - расчетный срок службы конструкции или сооружения (в годах); N - среднее число людей, находящихся внутри сооружения или в непосредственной близости от него в течение периода, за который оценивался риск.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что методы анализа риска существенно расширяют возможности оценки границы безопасного состояния и в прямом виде позволяют учитывать социальные, экономические и экологические последствия отказов как строительных конструкций, так и объектов в целом при действии опасностей любого происхождения. Сдерживающим фактором является недостаток необходимых статистических данных.

Следует отметить, что риск - категория экономическая. Поэтому, если снизить начальные вложения (например, не предусматривая антисейсмических мер при строительстве здания в сейсмическом районе), повышая, таким образом, риск (и уровень) ущерба от землетрясения, если оно произойдет в течение срока службы сооружения, и наоборот. Таким образом, техническая оценка риска, приведенная выше, является составной частью экономической оценки риска любого проекта.

В более общем смысле риск (безопасность) представляет собой интегральную совокупность (не арифметическую) экологического, техногенного, социально-экономического и других видов рисков. Поэтому при формировании принципов управления риском с целью обеспечения безопасности человека и окружающей его среды для живущего и будущего поколений необходимо учитывать обязательное условие, что управление техническим риском является частью общего процесса безопасного состояния общества как социоэкономической системы. Следовательно, алгоритм оценки риска должен быть подчинен следующей схеме: природа возникновения ЧС, оценка воздействия на окружающую среду и строительные объекты, способы защиты.