3324

1 способ – измерение периода тона собственных колебаний непосредственно после завершения строительства, при условии, что здание или сооружение соответствует нормативному техническому состоянию;

2 способ – расчетный, с использованием моделей, построенных по методу конечных элементов.

В большинстве случаев за исключением уникальных зданий и сооружений измерение периода тона собственных колебаний непосредственно после завершения строительства не производилось и не производится, следовательно, остается единственная возможность получить исходное значение параметра расчетным способом. Например, согласно «Методике оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений», аттестованной Правительственной комиссией по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, и обеспечению пожарной безопасности (Протокол от 25.02.03 № 1) нормативное значение периодов собственных колебаний здания определяется по формуле:

(4)

где n – количество этажей в здании; а – коэффициент, зависящий от конструкции здания и вида его основания.

Представленный формулой (4) подход к определению периода тона собственный колебаний на взгляд авторов статьи является слишком упрощенным.

Общеизвестно, что основной динамический параметр – период собственных колебаний конструктивной системы Т связан с жесткостью ЕJ . Математически зависимость периода собственных колебаний Т от жесткости ЕJ выражается формулой:

где Т – собственные колебания здания (сооружения); k – коэффициент, учитывающий тип конструктивной системы; m – масса, E- модуль упругости; J – момент инерции.

Таким образом, период тона собственных колебаний Т косвенно характеризует жесткость системы ЕJ. Однако справедливость выражения (5) не прослеживается на зданиях ниже 5 этажей. С позиции действующих строительных норм, таких как СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» колебательные процессы, связанные с ветровой нагрузкой в зданиях, удовлетворяющих условию h/d ≤ 10, к которым относятся здания малой и средней этажности, в том числе и 5-ти этажные в принципе не рассматриваются; здесь h – высота сооружения, d – его характерный поперечный размер в направлении, перпендикулярном средней скорости ветра. Ориентировочные данные о границах диапазона периода собственных колебаний для зданий не относящихся к аварийным, приведенные в ГОСТ Р 54859-2011 также представлены для зданий высотой 5 этажей и выше.

На достоверность расчетного значения периода тона собственных колебаний влияет тот факт, что модуль упругости Е материалов, использованных при возведении зданий из природного и искусственного камня, в том числе и бетона, а, следовательно, и жесткость системы величина не постоянная, изначально зависящая от нагрузки, поскольку бетон и кирпич обладают нелинейными характеристиками. Кроме того, на жесткость здания и на частоту его собственных колебаний влияет и податливость основания.

В работе Р. Галиуллина [5] с целью определения факторов, влияющих на расчетную частоту собственных колебаний зданий fp, представлен многофакторный численный эксперимент, в котором варьировались следующие факторы:

податливость грунтового основания;

работа временных нагрузок;

дефекты и повреждения;

податливость стыков;

-11 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

остаточные деформации.

Для реализации численного эксперимента автором работы [5] было выполнено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния несущих систем зданий на примере здания с железобетонным каркасом при статических и динамических нагрузках, что позволило установить наиболее значимые факторы, влияющие на расчетную частоту собственных колебаний, и установить величину отклонений расчетных величин от фактических. Для оценки влияния различных факторов на динамические характеристики здания в работе [5], рассматривались абсолютно идентичные каркасы: 6-ти этажного здания, 16-ти и 17-ти этажных зданий и варьировались их жесткостные характеристики. Результаты численного эксперимента показаны на рис. 1.

а)

б)

Рис. 1 – График изменения частоты собственных колебаний здания по направлениям буквенных осей здания: а) по оси X; б) по оси Y[5]

Анализ результатов численного эксперимента Р. Галиуллина, представленных на рис. 1 показывает, что при рассмотрении монолитной конструкции 6-ти этажного здания

- 12 -

расчетные частоты оказались выше фактических (экспериментальных) на 48 %. Для 16-ти этажного и 17-ти этажного зданий получены диаметрально противоположные результаты по отношению к 6-ти этажному зданию – расчетные частоты 16-ти и 17-ти этажных зданий ниже фактических на 27,5 % и 34,6 % соответственно.

Вполученных результатах не прослеживается какая-либо закономерность, объясняющая, почему в одном случае расчетные частоты превышают фактические, а в другом меньше фактических. То есть имеет место несовершенство расчетной модели.

Вработе [5] также показано, что расчетные частоты собственных колебаний (fр) зависят не только от жесткости самого здания, но и от податливости грунтового основания. При этом, чем выше податливость основания, тем ниже частоты собственных колебаний здания (рис. 2).

Рис. 2 – Влияние податливости основания на изменение частот колебаний здания [5]

Выбор метода учета податливости грунтового основания накладывает отпечаток на погрешность оценки частоты собственных колебаний. При расчете сооружений, которые взаимодействуют с податливым основанием, постоянно возникает проблема представления основания в общей расчетной модели сооружения и задания информации о механических свойствах грунтового массива [6].

Одной из наиболее востребованных расчетных моделей является плита, работающая на грунтовом основании, подчиняющемся основным положениям теории упругого (линейно деформируемого) полупространства. Но при этом возникает проблема выбора коэффициентов постели основания, более или менее адекватно отражающих реальные свойства грунтового массива. К сожалению, ни один нормативный документ не дает рекомендаций по определению коэффициентов постели даже в простейшем случае однородного грунтового массива, не говоря уже о наиболее часто встречающемся многослойном основании [6].

Поскольку расчетный метод определения эталонного значения периода тона собственных колебаний основан на использовании определенной модели, а построение такой модели связано с допущениями, упрощениями и игнорированием множества значимых факторов, то на стадии формирования модели в нормативное (эталонное) значение частоты

- 13 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

собственных колебаний объекта закладывается погрешность, значение которой сложно оценить.

Заключение:

1)период тона собственных колебаний для оценки изменений напряженнодеформированного состояния здания или сооружения, как параметр, определяющий его техническое состояние, не может быть использован на практике, из-за несовершенства способов его определения, вызывающих значительные погрешности;

2)диагностика технического состояния по значению периода тона собственных колебаний в зданиях, не оборудованных системой автоматического технического мониторинга, из-за высокой степени неопределенности результатов, из разряда инструментальных методов переходит в разряд экспертных методов;

3)в нормативно-технический документ ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга зданий и сооружений» необходимо внести изменения, допускающие отказ от измерения периода тона собственных колебаний в зданиях высотой до 16 этажей, поскольку стоимость процесса измерения многократно превышает стоимость инженерного обследования, а получаемый результат не гарантирует однозначных и достоверных выводов по фактическому техническому состоянию исследуемого объекта;

4)в нормативно-технический документ ГОСТ Р 54859-2011 «Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний» следует внести изменения, касающиеся подробного описания методики проведения вибро-динамических испытаний зданий и сооружений, при проведении оценки соответствующих характеристик исследуемого здания или сооружения;

5)применение метода вибро-диагностики по значениям периода тона собственных колебаний возможно для зданий, имеющих встроенную систему автоматизированного технического мониторинга.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Клаф, Р. Динамика сооружений / Р. Клаф, Дж. Пензиен. – М.: Стройиздат, 1979. –

320 с.

2.Шахраманьян, М. А. Локализация мест изменения напряженно-деформирован- ного состояния строительных конструкций на основе данных вибро-диагностических измерений / М. А. Шахраманьян // Вестник МГСУ. – 2014. – № 9. – С. 54-66.

3.Капустян, Н. К. Сейсмометрические методы определения состояния сооружений

идопустимых нагрузок от вибродействий / Н. К. Капустян // Жилищное строительство. –

2013. – № 9. – С. 30-33.

4.Шаблинский, Г. Э. Экспериментальные исследования динамических явлений в строительных конструкциях атомных электростанций / Г. Э. Шаблинский, Д. А. Зубков. – М.: Изд-во Ассоц. строительных вузов, 2009. – 191 с.

5.Галиуллин, Р. Р. Оценка технического состояния несущих систем зданий на основе динамических критериев / Галиуллин Ринат Равилевич // диссертация на соискание ученой степени канд. тех. наук. – Казань, 2012. – 156 с.

6.Колясина, С. А. Исследование влияния вариантов расчета грунтового основания

иметодов расчета коэффициентов постели на напряженно-деформированное состояние здания / С. А. Колясина, П. И. Егоров // электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». – 2014. – Том 5. – № 2. – С. 21-34.

-14 -

В настоящее время существует довольно большое количество методов оценки и прогнозирования остаточного ресурса строительных конструкций эксплуатируемых зданий. Согласно [11], все существующие методы оценки и прогнозирования ресурса сложных систем, к которым можно отнести строительные конструкции, подразделяются на четыре группы: статистические, детерминированные, физико-статистические (комбинированные) и экспертные.

К статистическим относятся методы, основанные на сборе данных при длительном наблюдении за поведением строительных конструкций на достаточном количестве жилых зданий. Метод довольно точен, но в условиях эксплуатации, как правило, полная информация об объекте исследования отсутствует, что делает невозможным применение методик данной группы.

При детерминированном (физическом) подходе оценки ресурса используют аналитические зависимости, связывающие время до разрушения объекта с характеристиками эксплуатационных нагрузок и параметрами физико-химических процессов в конструкционных материалах. Но при использовании данной группы методов необходимо иметь в виду, что влияние случайных воздействий эксплуатационных нагрузок и, как следствие, случайные изменения в конструкционных материалах не учитываются.

Физико-статистические методы учитывают влияние разнообразных физикохимических факторов, при этом несущая способность конструкций и эксплуатационные нагрузки анализируются с позиции математической статистики. Данный подход позволяет получать наиболее точные результаты.

Экспертные методы заключаются в опросе группы специалистов (экспертов). Результат оценки довольно быстр, но важно отметить, что точность оценки зависит от уровня подготовки специалиста и не всегда бывает объективным.

Для количественной оценки уровня безопасности существует ряд методик по прогнозированию остаточного ресурса строительных конструкций, но в соответствие с современными требованиями помимо данных расчетов необходимо рассчитывать и показатель технического риска.

Оценка риска включает в себя анализ частоты, анализ последствий и их сочетание. Анализ риска проводится с соблюдением следующих этапов [10]:

1.Планирование и организация.

2.Идентификация опасностей.

2.1.Выявление опасностей.

2.2.Предварительная оценка характеристик опасностей.

3.Оценка риска.

3.1.Анализ частоты.

3.2.Анализ последствий.

3.3. Анализ неопределенностей

4. Разработка рекомендаций по управлению риском.

Применяемые методы (методики) должны удовлетворять следующим требованиям:

быть научно-обоснованными и соответствовать рассматриваемой технической системе;

основываться на принципах и критериях, установленных в действующих нормативных документах;

давать результаты в виде, позволяющем понимать характер опасности, выявлять наиболее «слабые» места и процессы в системе функционирования объекта и намечать пути управления риском.

Первое, с чего рекомендуют начинать любой анализ риска [2], – это планирование и организация работ. Поэтому на первом этапе необходимо:

указать причины и проблемы, вызывавшие необходимость проведения рисканализа;

-17 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

определить анализируемую систему и дать ее описание;

подобрать соответствующую команду для проведения анализа;

установить источники информации о безопасности системы;

указать исходные данные и ограничения, обуславливающие пределы риск-анализа;

четко определить цели риск-анализа и критерий приемлемого риска.

Следующий этап анализа риска – идентификация опасностей. Основная задача этого этапа – выявление (на основе информации о данном объекте, результатов экспертизы и опыта работы подобных систем) и четкое описание всех присущих системе опасностей [10]. Здесь же проводится предварительная оценка опасностей с целью выбора дальнейшего направления деятельности из следующих вариантов:

–прекратить дальнейший анализ ввиду незначительности опасностей;

–провести более детальный анализ риска;

–выработать рекомендации по уменьшению опасностей.

Вся описанная выше процедура анализа риска для зданий и сооружений должна основываться на постоянных наблюдениях (мониторинге) или проводимых с определенной периодичностью технических обследованиях строительных конструкций. В соответствии с требованиями ГОСТ 31937-2011 к мониторингу общей безопасности объектов (с комплексной оценкой риска) на случай возникновения аварийных воздействий природного и техногенного характера уровень риска здания (сооружения) проверяют по формуле:

где Р – риск нанесения зданию (сооружению) ущерба определенного уровня при опасном воздействии данной интенсивности за срок службы объекта; [Р] – допустимый уровень риска (фоновый уровень для Российской Федерации), принимается равным 5·10-6 .

где Р(Н) – вероятность возникновения опасности; Р(А/Н) и Р(Т/Н) – вероятности встречи опасности с рассматриваемым объектом в пространстве и времени соответственно; Р(D/Н)

– вероятность нанесения ущерба данного уровня; С – относительный ущерб (отношение стоимости ущерба к стоимости объекта).

Риск ниже фонового уровня, равного 5·10-6, в соответствии с указаниями ГОСТ 31937-2011 является приемлемым (не требует мероприятий по его снижению); риск свыше 5·10-5 – является недопустимым (требует принятия срочных мер для его снижения); риск в интервале от 5·10-6 до 5·10-5 – для снижения уровня риска требуется система мер, полнота и сроки реализации которой устанавливаются с учетом экономических и социальных аспектов.

Как отмечалось выше использование этого метода возможно при постоянном мониторинге здания и получении значительного объема исходной информации об объекте. Но зачастую на практике эти данные отсутствуют. Таким образом, необходимо решить задачу по определению технического риска строительных конструкций при минимальном объеме исходной информации. Предлагаемый экспресс-метод позволяет оперативно определить величину риска и незамедлительно принять меры по его снижению, если это необходимо.

Согласно [10] количественная оценка риска представляет собой процесс оценки численных значений вероятности и последствий нежелательных процессов, явлений, событий. При оценке риска его характеризуют двумя величинами – вероятностью события Р и последствиями С, которые в выражении математического ожидания выступают как

нежелательного события, так и величину последствий в виде ущерба U:

R = P·U, (4)

Если каждому нежелательному событию, происходящему с вероятностью Pi, соответствует ущерб Ui, то величина риска будет представлять собой величину:

i 1

За вероятность события может быть принято не что иное, как вероятность отказа, а величина ущерба – цена данного отказа, которое может выражаться в стоимости его устранения.

При проведении оценки риска аварии здание рассматривается как система элементов каркаса (фундамент, стены, колонны, перекрытия) для каждого элемента рассчитывается вероятность и стоимость возможного устранения отказа (ремонт или замена конструкции), а далее расчет производится по формуле оценки техногенного риска (5).

На основании расчета возможны три варианта принимаемых решений:

–риск приемлем полностью;

–риск приемлем частично;

–риск неприемлем полностью.

В работе [10] указывается, что уровень пренебрежимого предела риска обычно устанавливают, как 1 % от максимально допустимого. После получения результатов принимается решение о дальнейших проводимых мероприятиях.

Автором предлагается следующий подход к оценке риска аварии в любом здании:

1.На первом этапе здание условно разбивается на группы однотипных элементов, представляющие единую совокупность.

2.На втором этапе оценивается техническое состояние группы однотипных конструкций, выделяются наиболее и наименее поврежденные конструкции.

3.Для наиболее поврежденной конструкции в каждой группе расписываются все возможные сценарии ее обрушения и все сценарии возможных последствий от ее обрушения (строится дерево вероятных событий).

4.Внутри дерева рассчитываются вероятности движения по каждой ветви и оценивается стоимость последствий на каждом этапе.

5.На основании полученных деревьев вероятных событий, для каждого из них (для каждой группы конструкций) определяется наиболее вероятная ветвь, которая принимается за наиболее вероятное прогнозируемое прохождение аварии.

6.По каждой наиболее вероятной ветви вычисляются вероятности и стоимости последствий обрушения конструкции.

7.На конечном этапе для каждой группы конструкций вычисляется значение риска по формуле (2) или (3) выполняется анализ полученных рисков обрушения всех наиболее поврежденных конструкций.

Заключение.

Предложенный метод позволит произвести анализ риска аварии с целью срочного диагностирования опасности без проведения сложных расчетов.

Разработанный подход к задаче оценки технических рисков при проведении обследований зданий и сооружений позволит упростить процедуру проведения анализа риска обрушения строительных конструкций, поскольку основная масса зданий является типовыми, построенными по небольшому набору проектов.

Таким образом, построенное один раз для типового здания дерево развития аварии

-19 -