А.П.Мельчаков

КОНСТРУКЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Теория и технологии

обеспечения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУНИВЕРСИТЕТ

69.05

М487

Мельчаков А.П.

КОНСТРУКЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Теория и технологии

обеспечения

Челябинск,

Издательство ЮУрГУ

2011

Рецензенты: проф. Аугусти Г., д.т.н. Никонов Н.Н.

УДК 69.059 М487

Мельчаков, А.П. Конструкционная безопасность зданий и сооружений. Теория и технологии обеспечения. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. – 181 с.

В книге изложена теория конструкционной безопасности зданий и сооружений. Доказана взаимосвязь величины риска аварии объекта и показателя надежности его несущего каркаса. Выявлен закон распределения риска аварии. Найдены пороговые инвариантные значения риска аварии при переходе объекта в иное техническое состояние. На момент окончания строительства объекта с учетом неизбежности ошибок людей в процессе его создания определена и обоснована величина максимально-допустимого риска аварии. Предложены технологии для контроля величины риска аварии объекта: на предстроительной стадии объекта – технология контроля проектного риска аварии; на стадии его возведения – контроля строительного риска аварии; на стадии эксплуатации – текущего риска аварии с определением по его величине безопасного остаточного ресурса объекта. Показано, что гарантией конструкционной безопасности построенных и эксплуатируемых зданий и сооружений может служить не только сертификат соответствия требованиям на величину риска аварии, но и страховой полис, подтверждающий, что объект застрахован на случай его аварии. Приведены примеры инженерного приложения теории.

Книга направлена на реализацию Закона №184 «О техническом регулировании» и ориентирована на процессы модернизации строительной отрасли: – обучение или повышение квалификации инженеров и руководящих работников, подготовка специалистов для контроля риска аварии и подтверждения конструкционной безопасности возведенных объектов. Она будет востребована образовательными учреждениями по направлению «Строительство» и не останется без внимания страховыми компаниями и экспертными организациями.

Страниц – 181, таблиц – 27, рисунков и фотодокументов – 41, источников – 65.

Автор выражает глубокую признательность Мельчакову Е.А. за предоставление полезной информации по рассматриваемой в книге проблеме.

Отпечатано с авторского оригинала.

ISBN –

© Мельчаков А.П., 2011, © Издательство ЮУрГУ.

Оглавление

Введение. Состояние строительного комплекса России. Значимость проблемы обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений ..…………....4

Предисловие автора и предыстория вопроса…………………………………….8

Глава 1. Теория конструкционной безопасности зданий и сооружений

1.1. Концепция, методология и термины теории … 12

1.2. Риск аварии и конструкционная надежность объекта 15

1.3. Показатели надежности возведенных конструкций 17

1.4. Максимально-допустимый риск аварии объекта 20

1.5. Пороговые риски аварии и закон деградации объекта 22

1.6. Конструкционный износ и критический риск аварии объекта 24

1.7. Безопасный ресурс как показатель долговечности объекта 28

Глава 2. Контроль риска аварии зданий и сооружений

2.1. Контроль проектного риска аварии объекта 31

2.2. Контроль риска аварии при возведении объекта 43

2.3. Контроль риска аварии эксплуатируемого объекта 53

2.4. Экспертная система контроля риска аварии объекта 77

Глава 3. Гарантии конструкционной безопасности зданий и сооружений

3.1.Сертификат, как гарантия конструкционной безопасности объекта 93

3.2.Страховое гарантирование конструкционной безопасности объекта 95

3.3.Восстановление гарантии конструкционной безопасности объекта 106

3.4.Априорное гарантирование конструкционной безопасности объекта…..….111

Заключение. Конструкционная безопасность зданий и сооружений как

результат качественной модернизации строительной отрасли…..……..………114

Библиографический список 122

Приложение. Демонстрационные материалы 127

Введение. Состояние строительного комплекса России. Значимость проблемы обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений

«С приблизительным уменьем плохо сварганенный дом может отомстить немедля, иль обрушиться потом»

Роберт Рождественский

Состояние строительного комплекса России. За последние 20 лет в нашей стране произошли революционные изменения, связанные со сменой социально-экономической формации. Тотальный уход государства из экономики кардинально изменил некогда единый в бывшем СССР строительный комплекс – вместо 8 государственных советских строительных министерств за это время на постсоветском пространстве было зарегистрировано порядка 800 тысяч частных предприятий, имеющих отношение к строительству. Изменилось и само содержание их деятельности. Если раньше в результате освоения капитальных вложений выполнялся план по производству квадратных метров, то теперь главная цель – извлечение прибыли. В условиях отсутствия централизованного финансирования она до сих пор извлекается за счёт эксплуатации материально-технической базы, доставшейся в наследство от советского времени. В результате, страна прозевала очередную смену технологического уклада строительства, и теперь на возведение своего квадратного метра тратим в 2 раза больше металла и цемента, чем в развитых странах мира, а на обогрев кубического метра своих зданий и сооружений тратим в 4 раза больше энергии. До советских объёмов производства строительной продукции так и не дошли, но себестоимость, например, 1 км. автомобильной дороги у нас примерно в 7 раз выше чем у лучших мировых аналогов. Этот феномен действующие руководители строительства объясняют не низкой производительностью труда, а устаревшими строительными нормами. Действительно, нормативно-правовая база в валютно-финансовой, бюджетной, налоговой, таможенной и других сферах хозяйственной жизни изменилась. Однако технологическое законодательство осталось прежним.

Стихийные природные и техногенные катастрофы, а в последнее время и террористические акты, продолжают уносить человеческие жизни во всех странах, разрушая среду обитания и причиняя все возрастающий ущерб их экономикам. Особенно уязвимыми являются жители крупных промышленных центров – вероятность катастроф и величина возможного ущерба резко возрастают при их расширении, росте объемов хозяйственной деятельности и концентрации промышленных объектов. Развитые страны мира считают обеспечение устойчивости искусственной среды обитания человека главным критерием своего дальнейшего развития. Поэтому с конца 1986 года они приняли на вооружение концепцию риска, изложенную академиком В.А.Легасовым в своём докладе на внеочередной, «чернобыльской» сессии МАГАТЭ. С началом III тысячелетия эти страны перешли на использование новой нормативной базы, в основу которой положен риск-менеджмент. При этом не снижаются расходы на научные исследования, направленные на тщательное изучение всех факторов, влияющих на величину разнообразных рисков. Результаты научных исследований позволяют государствам стран ВТО, развивая на основе действующей концепции риска своё законодательство, принимать эффективные меры по противодействию угрозам, перераспределять риски во времени и пространстве. Например, законодательно закреплены обязанности участников инвестиционных проектов по страхованию строительных и эксплуатационных рисков. При этом, специальная строительная полиция наделена государством полномочиями инспектировать объект на любой стадии его жизненного цикла.

Количество чрезвычайных ситуаций на территории Российской федерации ежегодно возрастает, а их структура говорит о том, что тяжесть последствий большинства из них зависит от степени разрушений попавших в зону бедствия зданий и сооружений. Отсутствие государственной системы сертификации строительных объектов на соответствие нормам безопасности, вместе с отсутствием самих этих норм, нарушают право потребителей на получение достоверной информации о безопасности конечной строительной продукции. Нынешняя «система» государственной сертификации в строительстве – это в основном фиктивные центры, которые демонстрируют, что имеют договоры на обслуживание с испытательными лабораториями. Но их либо нет, либо их техническая база не обновлялась с советского периода. Аккредитацией таких центров и надзором зачастую занимаются одни и те же люди, что дискредитирует всю надзорную деятельности как таковую. В результате, предприниматели (особенно в регионах) вообще перестали подчиняться каким-либо государственным требованиям, производя самозахваты земли и повсеместно практикуя самовольное строительство. При этом все документы оформляются «постфактум» через расплодившиеся по всей стране «центры качества», созданные для учёта интересов многочисленных чиновников от строительства. Развитие «диких» рыночных отношений в строительстве резко увеличило число хозяйствующих субъектов, производящих потенциально опасную строительную продукцию без каких-либо гарантий по её безопасности. Это требует от государства срочной реформы функции надзора на основе внедрения в практику риск-менеджмента, эффективно связывающего возрастающую энтропию частного предпринимательства. Регулирование рыночных отношений, возникающих в процессе производства и последующей эксплуатации строительной продукции, со стороны Государства практически отсутствует, что приводит к исчезновению его главной функции – обеспечение безопасной жизнедеятельности граждан страны. В такой ситуации реформирование строительной отрасли, напрямую связанное с ее модернизацией, стало объективной необходимостью.

Значимость проблемы обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений. В словах поэта – «С приблизительным уменьем плохо сварганенный дом может отомстить немедля иль обрушиться потом», приведенных в качестве эпиграфа к разделу «Введение», практически точно отражена значимость проблемы обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений. Надо лишь в этом высказывании слово «сварганить» понимать как объединение двух слов: «спроектировать» и «построить». Действительно, авария объекта – это почти всегда результат пересечения двух негативных событий. Одно из них состоит в том, что при создании объекта проектировщики и строители допустили ряд грубых ошибок, которые в совокупности «обеспечили» конструкционную опасность объекта. Второе событие – это не учтенное в проекте (непроектное) воздействие на объект, способное спровоцировать его аварию. Сценарий наступления строительной аварии демонстрирует рис. П1, помещенный в приложении книги.

В последние 20-ть лет средства массовой информации, и отечественные и зарубежные тоже, почти ежедневно сообщают о случаях аварий строительных объектов, и эти сообщения сродни сводкам с мест боевых действий: столько-то погибло, столько-то пострадало. Вот, например, сообщения только за одну неделю 1997г. (с 14 по 19 июля): понедельник – в г. Котласе Архангельской области в спортзале «Салют» во время соревнований обрушился балкон со зрителями. Пострадало 115 зрителей, 14 человек погибло; вторник – в г. Саратове обрушилась наружная стена 5-этажного жилого дома из крупноразмерных кирпичных блоков, запланированного к капитальному ремонту. Дом расселен. Погиб 1 человек, единственный, не выехавший из расселенного дома; среда – в г. Томске обрушились плиты перекрытия спальни казармы высшего военно-командного училища связи. Дом кирпичный, трехэтажный (третий этаж надстроен в 1955г.), эксплуатировался с 1953г. Перекрытие держалось на подпорках, убранных за два дня до аварии в связи с приездом комиссии из Минобороны. Пострадало 42 курсанта, погибло 12 человек; четверг – в г. Якутске (Республика Саха) из-за потопления рухнуло здание речного училища. К счастью, жертв нет; пятница – в Израиле обрушился 63-метровый пролет моста во время прохода по нему группы спортсменов – участников Всемирной Еврейской олимпиады. Пострадало 57, погибло 3 человека; суббота – в г. Пермь от взрыва баллонов с газом обрушилось здание конторы АО «Лукойл». Погибло 17 человек, ранено 17 человек.

Через те же средства информации чиновники, в основном из министерства по чрезвычайным ситуациям, пытаются доказать народу, который «хочет знать», что главная причина обрушения зданий и сооружений – непредсказуемое непроектное воздействие на объект. Это действительно так, но лишь в случае, если непроектное воздействие на объект сверхмощное, вызванное, например, 9-и бальным землетрясением. При «обычных» же непроектных воздействиях, малой и средней мощности, и из которых наиболее распространенным является «врыв бытового газа», истинными «виновниками» аварии объекта являются те участники строительного процесса, которые при проектировании и/или возведении объекта допустили грубые ошибки. Например, значительное обрушение жилого дома в г. Березники (Пермская область, декабрь 1995 г.) с трагическими последствиями, вызванное взрывом газа в одной из квартир. Казалось бы, что разрушения дома должны носить локальный характер, поскольку строительные объекты – это высоконадежные технические системы. Так кто виноват? С другой стороны, даже при землетрясениях отмечается наличие почти не разрушенных зданий (Армения 1986 г., Курилы 1994 г., и др.). Опыт ликвидаторов последствий строительных аварий подтверждает, что почти не разрушаются те здания, в которых количество допущенных при строительстве грубых ошибок почти нет или невелико. Можно утверждать, что массовое обрушение всегда является следствием чрезмерно большого числа неликвидированных в процессе строительства дефектов, которые активно проявляются при наступлении аварии.

Непроектные воздействия на объект управлению практически не поддаются. Чтобы реально обеспечить конструкционную безопасность зданий и сооружений, необходимо свести до минимума негативное влияние на эту безопасность человеческого фактора. 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. В таких условиях остается единственный, но весьма 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.

Реальной защитой зданий и сооружений от аварии при непроектных воздействиях на объект является их конструкционная безопасность. Сам термин «конструкционная безопасность» – правильный и емкий. Он учитывает не только прочность, жёсткость и устойчивость конструкций несущего каркаса объекта, но и их способность противостоять внешним воздействиям, не предусмотренным в проекте. В Федеральном Законе № 184 «О техническом регулировании» использован другой термин – «механическая безопасность», но для строительной отрасли он неверный. Авторы закона видимо связали его с прародительницей этого словосочетания – строительной механикой, поскольку именно эта дисциплина изучает «принципы и методы расчета сооружений на прочность, жесткость и устойчивость», но не учли, что предмет ее интересов – объекты, не находящиеся в движении.

В завершение раздела «Введение» целесообразно привести многократно подтвержденный на практике факт: – тяжесть последствий и размер ущерба от чрезвычайных ситуаций, «регулярно» возникающих на той или иной территории страны, зависит, главным образом, от степени обрушения зданий и сооружений, попавших в зону бедствия. Учитывая этот факт, а также факт, что наилучшей защитой строительных объектов от аварийного обрушения является их конструкционная безопасность, обеспечение для зданий и сооружений такого вида безопасности – это не только важнейшая государственная задача, но и главное требование при модернизации строительной отрасли. Лишь при выполнении этого требования модернизацию строительной отрасли можно будет считать успешной. При этом важно не только обеспечить конструкционную безопасность построенного объекта, но и доказать (гарантировать) собственнику недвижимости, что такая безопасность здания (сооружения) обеспечена. Поэтому технологии гарантирования конструкционной безопасности вновь возведенных и находящихся в эксплуатации строительных объектов (сертификация, страхование и др.) – это тема, которой посвящена отдельная глава книги.

Предисловие автора и предыстория вопроса

«Безопасность – это если знаешь, как увернуться от опасности»

(из романа Эрнеста Хемингуэя "По ком звонит колокол")

Выдающийся ученый в области промышленной безопасности академик Валерий Алексеевич Легасов любил озвучивать слова из этого романа. Он был убежден, что каждый вид безопасности единственный в своем роде, а опасностей для любого вида безопасности предостаточно. Для конструкционной безопасности строительных объектов факторы опасности можно разделить на две группы. Одна из них – это ошибки людей при реализации строительных проектов. При определенных условиях они поддаются управлению. Примерное распределение человеческих ошибок показано на рис. П2 (здесь и далее буква П в нумерации рисунка означает, что этот рисунок находится в приложении книги). Вторая группа, приведенная на рис. П3 и являющаяся основным источником непроектных воздействий на строительный объект – это внешние, практически неуправляемые факторы опасности природно-климатического, техногенного и др. характера.

Наиболее опасные из человеческих ошибок – это ошибки проектировщиков. Они формируют проектный риск аварии объекта. Пока проектный риск аварии на «бумаге», опасности он не представляет. Но при возведении объекта, и особенно при его эксплуатации, опасность проектного риска возрастает. По-существу, проектный риск – это «бомба» замедленного действия. Достаточно вспомнить резонансные обрушения зданий аквапарка «Трансвааль» и «Басманного рынка» в Москве (см. рис. П15). Причины этих аварий были тщательно расследованы и проанализированы экспертами. Было доказано, что фатальная причина обрушения этих зданий – нарушение при их проектировании основных положений строительной механики, а если быть более точным, то конструктивные схемы каркасов и аквапарка, и рынка оказались близкими к мгновенно изменяемым системам, применение которых в качестве несущих систем строительных объектов сопряжено с высоким риском их аварийного обрушения.

Существуют и так называемые скрытые факторы опасности. Как правило, они содержатся в директивных документах. Например, Федеральный закон № 94-ФЗ «О размещении заказов на поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг для государственных и муниципальных нужд» построен таким образом, что без нарушения требований конструкционной безопасности стройбизнес не сможет выполнить «выигранные» по заведомо заниженным в цене сметам контракты на строительство зданий и сооружений.

Возведенные здания и сооружения считаются высоконадежными техническими системами. Их надежность обеспечивают строительные нормы и правила (СНиП), в создание которых вложен труд многих ученых и строителей. Действительно, если при проектировании здания (сооружения) расчет его несущих конструкций выполнен в полном соответствии с основными положениями СНиП, то обеспечивается достаточный «запас прочности» в виде совокупности так называемых коэффициентов надежности, компенсирующих целый ряд опасных воздействий на объект. Но это не означает, что риск аварии исключен. Вне поля зрения действующих строительных норм остается человеческий фактор опасности, который вообще не может быть компенсирован никаким «запасом прочности».

Отечественные строительные нормы и правила (СНиП) были созданы еще в начале 50-х годов прошлого столетия. Базовой научной дисциплиной при их создании была теория надежности, используемая для обоснования основных положений СНиП. С позиций этой теории сделаны попытки оценить вероятность аварийного обрушения строительных конструкций (Н.С. Стрелецкий, В.В. Болотин, А.Р.Ржаницин), но эти оценки были произведены без учёта влияния ошибок людей. Сейчас же основной интерес представляет безопасность не отдельных несущих конструкций, а конструкционная безопасность объекта в целом.

Несмотря на наличие вроде бы добротных СНиП, число строительных аварий в стране постоянно растет. Их анализ показал, что главная причина обрушения зданий и сооружений – человеческий фактор опасности. Вывод о доминантной роли ошибок людей как факторов опасности подтверждается приведенными в работе [2] сведениями из зарубежной строительной практики. При этом считается, что ошибки людей носят случайный характер. Однако, они не всегда случайные; в последнее время они стали носить преднамеренный характер. На рис. П4 приведена зависимость величины риска аварии, достигаемого при возведении объекта, от затрат на обеспечение конструкционной безопасности этого объекта. Из нее следует, что «экономить» на квалификации персонала и/или на качестве используемых для строительства материалов и изделий – «выгодно», и этим нередко пользуются недобросовестные производители конечной строительной продукции, демонстрируя этим предельно «наплевательское» отношение к конструкционной безопасности возведенных ими зданий и сооружений.

Здесь следует особо отметить, что в отличие от массовой промышленной продукции строительная продукция (здания и сооружения) – это изделия единичного производства, и она практически не может быть отбракована. Более того, изготавливается она на открытых «всем ветрам» площадках, как правило, подверженных факторам опасности природно-климатического и техногенного характера. Естественно, в таких условиях влияние человеческого фактора на качественные свойства конечной строительной продукции – конструкционную безопасность и долговечность, будет ощутимым.

Здания и сооружения, в аспекте конструкционной безопасности, следует считать социо - техническими системами, поскольку проектируют их, возводят, а затем и эксплуатируют, люди, которые, как известно, склонны к совершению ошибок. Поэтому чисто технократический подход к решению проблемы конструкционной безопасности строительства сам по себе является тупиковым. Действительно, большое число исследований по таким дисциплинам как строительные материалы, железобетонные и металлические конструкции и т.д., в которых математический аппарат дополняется значительным объемом эмпирических данных, связанных с их поведением под нагрузкой, на практике, как правило, в полной мере не реализуются. Например, совершенно бесполезно прогнозировать безопасный срок службы (ресурс) строительного объекта с использованием сложных физических и вероятностных моделей, на основе знания текущей степени износа конструкций, если этот объект вообще не собираются правильно эксплуатировать.

Поворотным пунктом в переосмыслении отношения людей к безопасности стала Чернобыльская катастрофа и последующий за ней доклад академика В.Легасова на экстренном совещании в Вене (1986г.), где он изложил мировому сообществу свою теорию риска. После этого события развитые страны мира заменили господствовавший в индустриальную эру принцип «реагировать и исправлять», на новый принцип – «предвидеть и предупреждать». Но настоящий «момент истины» наступил через два года после Чернобыльской трагедии. Тогда в СССР, на территории Армении, произошла крупнейшая за историю страны строительная катастрофа, спровоцированная землетрясением интенсивностью ~ 7 баллов по шкале Рихтера. Ее последствия по истине трагические: – разрушено более 304 населённых пункта, 25 682 человека погибли, 128 705 получили ранения или увечья различной тяжести, 514 826 человек осталось без крыши над головой.

Правительственная комиссия (председатель Ю. П. Баталин), расследовавшая причины этой катастрофы, пришла к однозначному выводу: основная причина трагедии – грубые отступления при строительстве от требований СНиП. Среди причин: – "бесцементное" возведение домов, "скирдование" панельных зданий. Землетрясение же лишь спровоцировало аварийные обрушения зданий. И все же были предприняты попытки (МЧС и его «научное окружение») представить эту строительную катастрофу как природную. Кому-то это было очень нужно. Якобы, причина катастрофы не в человеческом факторе, а в особом характере произошедшего землетрясения, когда длина волны колебаний земли совпала с периодом собственных колебаний построек и вызвала резонанс. Была еще и попытка обвинить дагестанских проектировщиков; мол, запроектированные вами панельные здания не совсем надежны. Но дагестанские проектировщики провели натурный эксперимент и доказали, что если бы здания были бы построены в полном соответствии с требованиями СНиП – дома по их проекту не разрушились бы даже при 9-ти балльном землетрясении. В 90-е годы прошлого столетия эти факты были подтверждены (например, в отчетных документах Российской академии архитектуры и строительных наук), а выводы правительственной комиссии дали мощный толчок, чтобы всерьез заняться "человеческим" фактором опасности. Именно «благодаря» выводам правительственной комиссии, Совет Министров СССР, в 1988 г., поставил перед учеными страны задачу – создать систему предупреждения аварий в строительстве, и этот момент времени можно зафиксировать как начало зарождения теории конструкционной безопасности зданий и сооружений.

И последнее. Случайно или специально, но в том же 1988 году в СССР издается книга известных во всем мире итальянских проектировщиков Г.Аугусти, А.Баратта и Ф.Кашиати: «Вероятностные методы в строительном проектировании». Именно она послужила импульсом для решения задач, напрямую связанных с проблемой обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений. В частности, постановка задач этой проблемы базируется на утверждение авторов книги, что заложенная в объект при проектировании теоретическая вероятность обрушения конструкций к окончанию строительства объекта за счёт человеческих ошибок увеличивается, по меньшей мере, на порядок. Пророческим оказался и абзац книги, приведенный на 483 стр.: – «хотя применяемые в настоящее время вероятностные процедуры инженерного исследования строительных конструкций и основанные на них нормы проектирования не учитывают непосредственно возможность грубых ошибок, есть все основания ожидать, что в ближайшем будущем этот вопрос будет объектом многих исследований».