Контроль риска аварии эксплуатируемого объекта
Технологии менеджмента риска аварии для объектов, находящихся в эксплуатации, имеют свои особенности, как при идентификации риска аварии, так и при оценке их безопасного остаточного ресурса. Чтобы найти «единичные» и «комплексные» показатели конструкционной безопасности таких объектов, производится их диагностика с целью сбора первичной информации о соответствии параметров несущих конструкций каркаса требованиям проекта.
О процедуре диагностики. Обследование объекта начинается с осмотра фасада здания и определения с помощью специальных приборов пространственного положения его угловых точек. Такой осмотр преследует цель выявления возможных подвижек грунтового основания и дефектов фундамента, открытый доступ к которым, как правило, затруднен. При осмотре экспертами фиксируются все видимые трещины наружных стен, их направление и ширина раскрытия. При сплошном визуально-инструментальном осмотре технического состояния надземных конструкций применяются простые инструменты и приборы (отвес, прибор для измерения прочности бетоны, прибор для измерения глубины и ширины раскрытия трещин, линейка и др.). При осмотре фиксируются оголение арматуры, сколы бетона, повреждения защитного слоя, коррозия арматуры, закладных деталей, сварных швов, нарушения опорных устройств конструкций, их прогибы.
Осмотр технического состояния основания и фундаментов – это ответственный этап обследования. При затрудненном доступе к ним используются косвенные признаки снижения их несущей способности. Например, наличие трещин наружных стен на всю высоту здания, смещение колонн, связей, опорных устройств перекрытий, отрыв внутренних стен от наружных, неравномерные осадки фундамента и др. В случае, если доступ к основанию и фундаменту возможен, то при наличии проб грунта оценивается соответствие грунта основания данным проекта, при разуплотнении грунта устанавливаются причины разуплотнения (замачивание, суффозия и др.) и замеряется мощность нарушенного слоя. При набухающих, просадочных и пучинистых элювиальных грунтах проверяется уровень грунтовых вод, устанавливаются зоны замачивания, и замеряется глубина увлажнения. При необходимости берут пробы грунта для испытаний в лаборатории с целью получения исходных данных для расчета осадок основания; при этом испытанию подлежат параметры, входящие в формулы для определения осадок – плотность грунта (тс/м3), модуль деформации (МПа), угол внутреннего трения (град.) и удельное сцепление (КПа).
В специальной литературе изменение характеристик природных свойств грунта рекомендуется оценивать по изменению влажности, плотности и коэффициенту пористости, которые выявляются соответствующими испытаниями проб нарушенного грунта. При нарушениях естественной структуры грунта, вызванных, например, замачиванием, разуплотнением, промораживанием-оттаиванием, снижаются механические свойства и характеристики грунтов, и как следствие, увеличивается деформативность грунта основания. Повышение деформативности основания ведет к увеличению осадок фундамента и, главное, к неравномерности этих осадок (крену), что существенным образом отражается на конструкционной безопасности объекта.
При обследовании физического состояния металлических колонн оценивают соответствие проектному решению узлов сопряжения со смежными конструкциями, наличие и целостность связевых конструкций, вертикальность колонн. При осмотре железобетонных колонн проверяют зоны крепления к ним балок, вертикальность колонн и балок, их взаимное расположение на опорах.
Признаками повреждения наружных стен является наличие трещин в элементах облицовки и в самой стене, увлажнение стены, рыхлость структуры материала стены, отклонение от вертикали, коррозионные разрушения материала стены и закладных деталей. Дефекты внутренних стен и перегородок аналогичны дефектам наружных стен. Для них наиболее опасным дефектом является выпучивание, крены и трещины в местах сопряжения с наружными стенами и перекрытием.
При осмотре перекрытий фиксируются: – длина и ширина раскрытия трещин в несущих элементах и в их сопряжениях, фактическая нагрузка, несоответствие класса бетона и стали требованиям проекта. Кроме этого фиксируется наличие увлажнений на поверхности перекрытий и, как следствие, пятна ржавчины, появившихся из-за коррозии металла в конструкции, а также дефекты сварных швов и не санкционированные проектом отверстия в плитах перекрытия. Существуют и скрытые, наиболее сложно выявляемые дефекты несущих конструкций перекрытий. Для выявления таких дефектов используются методы неразрушающего контроля.
По результатам обследования в каждой группе однотипных конструкций несущего каркаса исследуемого объекта в них отыскиваются наиболее дефектные конструкции, и конкретно для них осуществляется детальное исследование их физического состояния. На этом этапе к функциям эксперта относится не только обнаружение и фиксация критических дефектов в конструкциях несущего каркаса, но и принятие мер корректирующего воздействия для снижения степени опасности этих дефектов. Если на этом этапе дефекты устранить не удается, то эксперт производит описание дефектов конструкций, приводит информацию об отклонениях ее параметров от требований проекта и по формату, показанному в табл.9 составляет ведомость наиболее дефектных конструкций.
Для каждой включенной в ведомость дефектной или поврежденной конструкции по правилу табл. 1 эксперт-исследователь устанавливает ранг опасности, а затем и показатель ее надежности. Как уже отмечалось, назначение ранга опасности дефектной конструкции – ответственная операция. Он назначается ведущим экспертом после анализа информации о физическом состоянии дефектных (поврежденных) конструкций. В ряде случаях принятое решение о ранге опасности конструкции следует подтвердить расчетами и/или испытаниями на моделях.
Таблица 9
Ведомость дефектных конструкций в группах
| Название группы | Привязка наиболее дефектной конструкции | Описание физического состояния конструкции | Эскиз (фото) дефекта |
С целью облегчения процедуры по назначению ранга опасности, в табл. 10 приведены дефекты несущих конструкций, ранг опасности которых по градации табл.1, примерно равен 6.0. Таблица составлена на информации от разных строительных специалистов, принимавших участие в тех или иных экспертизах по установлению причин аварийного состояния зданий и сооружений с последующей ее систематизацией.
Таблица 10
Перечень опасных дефектов несущих конструкций объекта
| ГРУНТОВОЕ ОСНОВАНИЕ |
| 1. Полное замачивание грунта основания на глубину более 0,5 м. 2. Замачивание просадочных, набухающих и элювиальных неводонасыщенных грунтов основания до степени влажности >50%. 3. Промораживание водонасыщенных грунтов под подошвой фундамента на глубину более 3 см. 4. Промораживание элювиальных пучинистых грунтов основания 5. Отсутствие зазора между основанием и подошвой ростверка при пучинистых грунтах |
| СБОРНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ |
| 1. Повреждения и разрушения блоков фундамента 2. Сквозные вертикальные трещины в ростверке и/или цоколе 3. Диагональные трещины по углам ж/б стеновых панелей. 4. Вертикальные трещины в стыках, местах установки балконных плит. 5. Ненормативные смещения колонн от вертикали 6. Смещения ж/б панелей, трещины в панелях, разрушение крепления. 7. Глубокие поперечные трещины в плитах перекрытия с оголением арматуры, заметный прогиб плит 8. Трещины на опорных участках плит перекрытия |
| КОНСТРУКЦИИ ИЗ КАМНЯ, КИРПИЧА И МОНОЛИТНОГО Ж-БЕТОНА |
| 1. Вертикальные трещины в колоннах, простенках, разрушение и расслоение кладки. 2. Нарушение связи отдельных участков кладки, следы увлажнения стен. 3. Трещины в различных направлениях в растянутой зоне конструкции. 4. Следы постоянного увлажнения бетона. 5. Оголение и сильная коррозия арматуры. Крупные выбоины и сколы бетона в сжатой зоне конструкции |
| КОНСТРУКЦИИ ИЗ МЕТАЛЛА |
| 1. Наличие пятен язвенной коррозии металла 2. Разрушения стыков, отсутствие креплений 3. Наличие трещин усталостного характера |
Как уже отмечалось ранее (раздел 3.1), прогноз риска аварии объекта, находящегося в эксплуатации, должен быть на статистической основе. Поэтому здесь для решения этой задачи использован метод виртуальных статистических испытаний, известный в литературе как метод Монте-Карло. Испытания осуществляются на математической модели r = 1/ПpI , связывающей случайную величину риска аварии исследуемого объекта r с показателями надежности групп однотипных конструкций р его несущего каркаса.В методе исходными данными для построения статистического ряда распределения являются случайные наборы представителей р от групп однотипных конструкций. При этом каждый набор значений р моделирует одну из возможных аварийных ситуаций объекта. В итоге задача по построению статистического распределения риска аварии объекта сводится к разыгрыванию в каждой группе конструкций случайной величины р на основе закона ее распределения (рис.6), полученного на конкретный момент времени эксплуатации исследуемого объекта.
Разыгрывание случайной величины р базируется на ее связи с другой случайной величиной, для которой в компьютере имеется устройство для ее генерации. Это – равномерно распределенная в интервале [0; 1] случайная величин q. Общая формула для разыгрывания случайной величины р отыскивается из решения интеграла ò f(p) dр = q в пределах от р1 до р. Вид функции f(р) известен, онприведен в раздела 2.5.После подстановки в нее значений «единичных» показателей р1 и k для конкретной группы конструкцийобъектаи последующего интегрирования получает формулу для разыгрывания. Она имеет следующий вид:
р = р1 + [q (1+ k)(1 – р1 )2]/(1- kp1)
Алгоритм одного испытания риска аварии исследуемого объекта состоит из следующих трех шагов:
1. Генерируется случайная величина q;
2. По формуле для разыгрывания формируется массив представителей значений надежностей р от каждой группы конструкций объекта и по формуле r = 1/Пр, определяется одно значение его риска аварии r .
3. Из N повторов позиций 1-2 алгоритма формируется статистический ряд случайной величины риска аварии r. При этом число испытаний не должно быть менее N=105.
При наличии статистического ряда случайной величины r =( r1, r2, ... , rN ) математическое ожидание Мr случайной величины r (среднее значение о риска аварии Rф определится по формуле: Rф = Мr = ( r1 + r2 +...+ rN )/N, где N – число испытаний риска аварии. Среднеквадратичное отклонение риска аварии sот его среднего значения Rф определяется по формуле: s2 = М r2 –(М r)2, где (М r2) – математическое ожидание случайной величины r2.
Конструкционная безопасность эксплуатируемого строительного объекта считается обеспеченной, если справедливо следующее неравенство:
(Rф – s) < Rкр = 32 , где Rкр = 32 – критическое значение риска аварии.Если это неравенство справедливо, то необходимо произвести оценку (в годах) безопасного остаточного ресурса Тбо объекта, который необходим для определения срока эксплуатации объекта до начала капитального ремонта.Если это неравенство не удовлетворяется, то рекомендуется построить столбчатую диаграмму показателей надежностей всех n групп однотипных конструкций несущего каркаса объекта, которая позволяет оценить «вклад» каждой группы конструкций в величину риска аварии эксплуатируемого объекта и принять управленческое решение. Для этой цели на ней проводится прямая линия с ординатой, равной виртуальному значению надежности nкр = (Rкр)–1/n,при котором еще обеспечивается выполнение вышеприведенного неравенства.
Наосновеанализа результатов исследования конструкционной безопасности находящегося в эксплуатации здания (сооружения) ведущий эксперт готовит заключение, в котором приводит рекомендации о возможном характере ремонта (текущий или капитальный) и сроке его проведения. При этом эксперт должен определить оптимальную тактику и стратегию производства ремонтно-восстановительных работ по снижению риска аварии исследуемого объекта. При высоких значениях риска аварии объекта, когда производство ремонтно-восстановительных работ по снижению риска аварии экономически не оправдано, эксперт может рекомендовать здание к ликвидации (сносу). При этом эксперт должен дать рекомендации относительно порядка его разборки, чтобы избежать неожиданного и несанкционированного обрушения конструкций этого объекта.
Наличии статистического ряда случайной величины r = (r1, r2, ... , rN) позволяет построить интегральный или дифференциальный закон распределения риска аварии объекта. Однако на практике, учитывая, что закон распределения риска аварии для эксплуатируемых объектов имеет ограниченное время действия, целесообразно оперировать не с законами, а со статистическим распределением риска аварии в форме гистограммы. Она показана на рис.7.
|
|
|
По ней несложно определить характеристики распределения, более того, простой подсчет площадей под гистограммой дает оценку вероятности того или иного события. Например, площадь под гистограммой в пределах от 1 до Rкр дает оценку вероятности события, что здание отвечает требованиям конструкционной безопасности. Если полученную таким образом площадь вычесть из единицы, получим вероятность, что здание находится в аварийном состоянии. Такие значение вероятностей представляют интерес, например, в технологиях назначения тарифа при страховании объекта на случай аварии.
|
Если неравенство (Rф – s) < Rкр = 32 справедливо, то необходимо произвести оценку (в годах) безопасного остаточного ресурса Тбо объекта, который необходим для определения срока эксплуатации объекта до начала капитального ремонта.Остаточный ресурс рассчитывается по формуле, полученной в разделе 2.5.
Тбо = [Тф • (32 – Rф)] / (Rф –1),
где Тф –фактический срок эксплуатации объекта, аRф – его текущий риска аварии. Если Rф > 32, тобезопасный ресурс объекта уже исчерпан, объект начинает терять свои первоначальные функции и постепенно переходит в аварийное состояние.
На тему «Менеджмент риска аварии эксплуатируемого строительного объекта» в книге приведено два примера (см. Прил.2, примеры 3 и 4).