1.6. Конструкционный износ и критический риск аварии объекта

Особое значение энтропия приобретает при исследовании функционирования сложных систем. Она служит наиболее общим критерием при принятии решений, поскольку при равных возможностях любая система выбирает те процессы, которые обеспечивают минимальный рост энтропии. Однако, для большинства потенциальных пользователей закона деградации показатель «энтропия» является малопонятным, сложным для вычисления и практического применения. Вместе с тем существует физический аналог малопонятного термина «энтропия» – конструкционный износ объекта, который, как и энтропия, характеризует степень деградации несущего каркаса. «Энтропия» и износ несущего каркаса являются тесно коррелированными величинами. Поэтому целесообразно закон деградации строительного объекта отыскивать в виде диаграммы, показывающей взаимосвязь конструкционного износа несущего каркаса объекта и величины его среднего риска аварии.

Попытки построения кумулятивных (необратимых в течение жизни) моделей оценки конструкционного износа несущего каркаса объекта неизбежно приводят к сложным зависимостям с большим числом параметров. Их практическое использование затруднено, поскольку кумулятивные повреждения связаны с поведением материалов на атомном или молекулярном уровне. В такой ситуации следует обратиться к феноменологическим вероятностным моделям, основанным на логико-вероятностном подходе. К требованиям, предъявляемым к построению модели, относятся простота с сохранением достаточной достоверности, а также удобство численной реализации. Ниже приводятся две гипотезы, позволяющие удовлетворить вышеназванным требованиям.

Первая из них: – формой математической модели роста конструкционного износа объекта в процессе его эксплуатации является экспонента, а ее представительным параметром служит величина среднего риска аварии объекта. Вторая гипотеза: – в момент перехода объекта в ветхо-аварийное состояние ресурс его несущего каркаса по конструкционному износу составляет 5%. Обоснованием первой гипотезы может служить форма кривой роста энтропии в зависимости от величины среднего риска аварии, показанная на рис. 2. Вторая гипотеза подтверждается исследованиями ресурса конструкций в теории надежности [4].

Принятым гипотезам и условию нулевого конструкционного износа на момент начала строительства объекта, когда его риск аварии еще теоретический (R=1), отвечает математическая модель: Ј(R) = 1 – ехр [– k (R – 1)], а входящий в нее коэффициент k определяется подстановкой порогового значения риска аварии, соответствующего переходу здания в ветхо-аварийное состояние и величины износа, равной 95%. Найденный таким образом коэффициент составил величину 0,0365 и закрепил окончательный вид математической модели оценки конструкционного износа строительного объекта.

В интервале между пороговыми значениями риска аварии, показанном на рис.3, интенсивность скорости роста энтропии, а, следовательно, и износа, изменяется по линейному закону. В пределах этого интервала техническое состояние объекта считается аварийным, но в зависимости от величины риска аварии имеет различную степень опасности; приемлемую в начале интервала и высокую перед переходом объекта в ветхо-аварийное состояние. Целесообразно интервал между пороговыми значениями риска аварии разделить на два участка; в одном из них состояние объекта обозначить как предаварийное, а в другом как аварийное. Стыковая точка этих участков найдена в работе [59] и ее положение соответствует накопленному опыту эксплуатации строительных объектов. В частности, как следует из [46], капитальный ремонт здания (сооружения) производится, как правило, при величине износа примерно 60–70%, при котором они (здания) признаются находящимися в аварийном состоянии. С этой же целью в [59] выполнен анализ результатов, полученных при исследованиях конструкционной безопасности большого числа эксплуатируемых зданий. Часть из них была оценена экспертами как находящаяся в аварийном состоянии. Она выявлена по наличию и характеру трещин в конструкциях несущего каркаса объекта. При анализе аварийные объекты разделялись на группы по виду аварийного состояния. Состояние объекта считалось предаварийным (объект ограниченно работоспособный), если в несущих конструкциях объекта имели место волосяные хаотично направленные трещины. При заметной ширине раскрытия трещин и их ориентированной направленности вид технического состояния объекта признавался аварийным. Результатом выполненного анализа [59] явилось утверждение, что для зданий и сооружений, находящихся на стыке двух состояний – предаварийного и аварийного – значения среднего риска аварии группируются вокруг величины, равной 32. Эту величину, как и пороговые значения риска аварии, следует признать инвариантом, то есть не зависящую от конструктивного типа объекта и его этажности. Ниже будет доказано, что она для строительных объектов играет роль критического риска аварии.

Для построения модели деградации несущего каркаса объекта в процессе его эксплуатации достаточно при наличии инвариантных значений риска аварии выполнить следующие операции: По уравнению Ј(R) = 1 – ехр [–0,0365 (R – 1)] изобразить кривую, связывающую конструкционный износ каркаса с величиной среднего значения риска аварии; нанести на нее точки, соответствующие инвариантным значениям риска аварии, и соединить их отрезками прямых линий. В окончательном виде полученная таким образом модель деградации в форме диаграммы «конструкционный износ – риск аварии» показана на рис. П6. В такой форме модель деградации несущего каркаса объекта утверждает:

• В период эксплуатации объекта с момента окончания его строительства до достижения риском аварии первого пороговое значение риска аварии (R=15) трещины в конструкциях несущего каркаса отсутствуют. В этот период объект способен сопротивляться не только проектным воздействиям, но за счет проектного запаса прочности и не учтенным при проектировании нагрузкам, возникающим в чрезвычайных ситуациях (так называемые непроектные воздействия). Техническое состояние объекта на этом промежутке времени следует трактовать как безопасное, а сам объект отнести к категории новых зданий (сооружений).

• Время эксплуатации объекта с момента окончания его строительства до достижения риском аварии значения R=32 (стыковая точка В на рис. П6) определяет безопасный ресурс объекта. Техническое состояние объекта на этом промежутке времени также можно трактовать как безопасное, а величину риска аварии, равную 32, следует принять за критический риск аварии, после которого способность несущего каркаса объекта сопротивляться непроектным воздействиям практически исчерпывается. Пока фактический средний риск аварии меньше критической величины, конструкционную безопасность объекта следует считать обеспеченной. При превышении критического риска объект уже следует отнести к категории «подержанных» зданий (сооружений).

• При достижении объектом критической величины риска аварии требуются восстановительные мероприятия (капитальный ремонт здания). Если они произведены не будут, то риск аварии объекта продолжает расти и к моменту достижения порогового значения риска аварии, равного 83, способность его несущего каркаса сопротивляться любым нагрузкам теоретически исчерпывается. При этом дата наступления аварии объекта становится открытой.

• Модель деградации несущего каркаса дает возможность определить вид технического состояния исследуемого строительного объекта. Для этого достаточно указать участок диаграммы, на который укладывается найденное фактическое значение среднего риска аварии. Вид технического состояния объекта позволяет принять правильное управленческое решение относительно необходимости тех или иных мер (табл. 2) по регулированию конструкционной безопасности исследуемого здания.

Таблица 2

Вид технического состояния объекта

Износ несущего каркаса, %	Вид технического состояния объекта	Меры по снижению риска аварии объекта
0–40	Безопасное	Не требуются
41–68	Предаварийное	Текущий ремонт
69–79	Аварийное	Капитальный ремонт
96–100	Ветхо-аварийное	Вывод из эксплуатации

• Модель деградации служит своеобразной нормативной базой для оценки конструкционной безопасности построенных и находящихся в эксплуатации зданий и сооружений. В частности, из нее следует, что для возводимых зданий и сооружений максимально-допустимым значением риска аварии является величина, равная 2. Этот факт уже доказан в разделе 1.3. Ниже, в разделе 1.6. будет доказано, что, если риск аварии в начале эксплуатации здания (сооружения) не превышает максимально-допустимого значения, то достигается наибольшая величина безопасного ресурса объекта. Величина критического риска аварии, равная 32, тоже является нормативом. При ее достижении заканчивается безопасный срок службы строительного объекта, и он начинает переход в аварийное состояние. По этой причине значение критического риска аварии 32 используется в качестве критерия для определения безопасного остаточного ресурса эксплуатируемого объекта.