Глава 1. Теория конструкционной безопасности зданий и сооружений

«Научное воображение всегда ограничивает

себя в рамках вероятности». Томас Гексли

1.1. Концепция, методология и термины теории.

В основу концепции конструкционной безопасности зданий и сооружений положена следующая гипотеза:

Вероятность аварийного обрушения строительных объектов практически полностью зависит от человеческих ошибок, допущенных при устройстве оснований, возведении несущих конструкций и изготовления примененных в них материалов и изделий.

Гипотеза подтверждается фактами из раздела «Введение» и состоит из следующих аксиом:

–Аксиома 1. Отступления от требований СНиП при устройстве оснований, возведении несущих конструкций и изготовлении материалов (изделий) вносят в объект дополнительный к обусловленной строительными нормами величине риск аварии.

–Аксиома 2. Конструкционная безопасность здания (сооружения) считается обеспеченной, если величина его риска аварии не превышает максимально-допустимого значения

Из проблемы обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений концепция выделяет два основных аспекта: – информационный, требующий умения прогнозировать риск аварии строительного объекта, и нормативный, связанный с необходимостью назначения с учетом неизбежности человеческих ошибок при его создании максимально-допустимого значения риска аварии.

Методология теории базируется на утверждении, что любое строящееся или уже построенное здание (сооружение) может оказаться в аварийном состоянии, поскольку нулевая вероятность аварии достигается лишь в системах, лишенных запасенной (потенциальной) энергии. Основная задача тех, кто разрабатывал действующие ныне строительные нормы, состояла в том, чтобы вероятность аварии в правильно запроектированном здании или сооружении была настолько мала, чтобы затраты на создание строительных объектов оставались бы в разумных пределах. Численные значения проектных рисков теоретически никогда и никем не определялись, но, по мнению ряда ученых, они находятся в интервале от 10^-8 до 10^-5 , что соответствует международным стандартам. Любое значение на этом интервале, в зависимости от типа здания (рис.1), относится к проектной величине (Р_Т), реализуемой лишь при полном соответствии выполненных на объекте работ требованиям СНиП. Фактический риск аварии построенного здания значительно выше проектного значения из-за допущенных при его создании человеческих ошибок. Действительно, с уменьшением величины риска аварии,

закладываемого в нормы, затраты на его обеспечение резко возрастают (Рис.1). Однако существует такое значение риска, после которого вкладывать средства на повышение безопасности становится бессмысленным; начинает возрастать социальный риск за счет перекачки средств в строительную сферу в ущерб другим социальным проблемам общества, которое всегда ограничено в средствах.

Вероятность аварии, заложенная в нормах проектирования и вносимая по умолчанию в проекты зданий и сооружений, трактуется как теоретическая. От величины превышения фактической вероятностью аварии Р_Ф ее теоретического аналога Р_Т и зависит конструкционная безопасность построенного объекта. Иллюстрация, как формируется вероятность Р_Ф, приведена на рис. П5.

Показателем конструкционной безопасности строительного объекта является величина его риска аварии. Случайное число в виде отношения величин Р_Ф и Р_Т может быть принято за риск аварии объекта, если в соответствии с современным представлением риска будет доказано, что это число отражает в себе не только вероятность наступления аварии, но и объем последствий этой аварии (потери, ущерб, убытки). Только в этом случае субъект, строя комбинации этих двух элементарных мер, адекватных сложившейся ситуации, сможет оценить уровень опасности и принять управленческое решение о необходимых действиях. В приложении книги, на рис. П4, приведена построенная на основе логики и здравого смысла зависимость ущерба при аварии от величины отношения Р_Ф к Р_Т. Из нее следует, что, если риск аварии находится в зоне приемлемых значений, то в общем случае убытки от гипотетической аварии этого объекта будут сравнимы с затратами на его возведение. Но самое важное состоит в том, что этот рисунок демонстрирует тесную связь риска аварии в форме отношения величин Р_Ф и Р_Т с размером ущерба от аварии.

Прямое определение величин Р_Ф и Р_Т на основе методов классической теории вероятностей и математической статистики невозможно, так как аварии зданий и сооружений – редкие события, а анализ таких событий можно выполнить только в рамках теории редких событий. Вместе с тем, столь малые вероятности, каковыми являются величины Р_Ф и Р_Т, могут быть поняты строительными специалистами лишь через свое отношение, являющееся целочисленной величиной. Здесь важно, что вероятность Р_Т как концепт существует и гипотетически достигается в случае, если при возведении несущего каркаса объекта не будут нарушены требования проекта. Поскольку на практике объективно такие нарушения имеют место, то отношение величин Р_Ф и Р_Т всегда больше единицы.

Сейчас стало очевидным, что величину риска аварии строительного объекта кроме как на основе логико-вероятностного подхода, не определить. Такой подход базируется на основных теоремах теории вероятностей (теорема гипотез, теорема полной вероятности), методах теории размытых множеств и приемах нечеткой логики. Это те методы, которые позволяют принять решение в условиях неопределенности технического состояния строительного объекта, а риск аварии и неопределенность – это тесно связанные сущности.

Наибольшую неопределенность в реакцию несущего каркаса объекта от внешнего воздействия и, следовательно, в величину риска аварии вносят человеческие ошибки, допущенные при проектировании и возведении объекта. Знание закона, показывающего распределение плотности вероятностей риска аварии объекта, в теории конструкционной безопасности очень важно, так как по показателю его важнейшей характеристики – информационной энтропии можно судить о степени неопределенности технического состояния несущего каркаса объекта. Кроме того, знание закона позволяет обоснованно назначить для строительного объекта величину максимально-допустимого риска аварии.

Следует различать максимально-допустимый риск аварии для строящихся и для

эксплуатируемых зданий и сооружений. Для вновь возводимых объектов величина

максимально-допустимого риска аварии не должна быть выше значения, при котором ожидаемый безопасный ресурс построенного здания (сооружения) не будет соответствовать нормативной долговечности (сроку службы). Для зданий и сооружений, находящихся в эксплуатации, максимально-допустимый риск аварии не может быть выше критического значения риска аварии, при достижении которого способность строительного объекта сопротивляться непроектным на него воздействиям исчерпывается, и, следовательно, в объекте отсутствует главный признак его конструкционной безопасности.

В разделе методология нельзя не сказать о том, что риск аварии строительного объекта и показатель конструкционной надежности его несущего каркаса – тоже взаимосвязанные величины, так как, и этот факт совершенно очевиден: чем выше конструкционная надежность несущего каркаса объекта, тем меньше величина его риска аварии, и наоборот.

Основные термины и определения, используемые в теории конструкционной зданий и сооружений, следующие:

Безопасность конструкционная – качественное свойство здания (сооружения), характеризующее его защищенность от аварийного обрушения при непроектных и непредвиденных воздействиях на объект.

Авария – полная потеря работоспособности объекта из-за разрушения и/или потери устойчивости его несущих конструкций.

Аварийное состояние – состояние объекта, когда в его несущих конструкциях есть дефекты и повреждения; при этом здание (сооружение) своих функций еще не утратило, но противостоять непроектным воздействиям оно уже не способно.

Риск аварии строительного объекта – число, равное отношению фактической вероятности аварии к обусловленной нормами проектирования теоретической вероятности аварии объекта.

Конструкционная надежность объекта – свойство несущего каркаса объекта, состоящее в его способностях: а) противостоять разрушению (прочность); б) сохранять под внешним воздействием форму с допустимыми деформациями (жесткость); в) возвращаться в первоначальное положение при снятии внешних воздействий (устойчивость).

Надежность проектного решения или возведенной конструкции – соответствие проектного решения или возведенной конструкции требованиям норм.

Естественный риск аварии объекта – среднее значение риска аварии на неограниченном множестве новых зданий и сооружений.

Максимально-допустимый риск аварии объекта – ограничение на величину риска аварии при создании строительного объекта.

Критический риск аварии объекта – ограничение на величину риска аварии для находящихся в эксплуатации зданий и сооружений. При достижении этого риска объект начинает переход в аварийное состояние.

Безопасный остаточный ресурс объекта – интервал времени эксплуатации строительного объекта от текущего момента времени до момента достижения им критического значения риска аварии.

Мониторинг конструкционной безопасности объекта – осуществляемая в процессе строительства здания (сооружения) процедура поэтапной оценки и контроля риска аварии для возведенных частей объекта.

Техническая диагностика – исследование в фиксированный момент времени эксплуатации здания (сооружения) физического состояния несущих и других конструкций с целью количественной оценки текущего риска аварии объекта и его безопасного остаточного ресурса.

Суммируя вышесказанное можно сформулировать научные положения теории конструкционной безопасности строительных объектов:

• Абсолютно безопасных зданий и сооружений не существует. Уже на стадии проектирования в них в соответствии с нормами и по умолчанию закладывается так называемая теоретическая вероятность аварии. При этом фактическая вероятность аварии построенного объекта всегда выше теоретической, поскольку полное исключение ошибок людей при реализации инвестиционных строительных проектов невозможно.

• Отношение фактической и теоретической вероятностей аварии может служить показателем конструкционной безопасности строительного объекта, т.е. исполнять роль его риска аварии. От величины этого отношения существенным образом зависит не только возможность появления негативного события под названием «авария», но и размер ущерба в случае реализации этого события.

• В правильно запроектированном и построенном объекте величина риска аварии после завершения на нем строительно-монтажных работ не должна превышать величины максимально-допустимого риска аварии, которая, в свою очередь, не должна превышать величины естественного риска аварии, вычисленного на неограниченном множестве новых зданий и сооружений. При этом условии безопасный ресурс построенного объекта не будет ниже нормативного срока службы здания (сооружения).

• Существует критическое значение риска аварии, при достижении которого конструкционная безопасность находящегося в эксплуатации строительного объекта исчерпывается. Он переходит в аварийное состояние и уже не способен противостоять непредусмотренным проектом воздействиям.