CC BY
90
Место человеческого фактора в классификации техногенных катастроф железобетонных
сооружений Скоробогатов С. М.
Аннотация
Статья посвящена роли человеческого фактора в проявлении катастроф в соответствии с предложенной классификацией техногенных катастроф.
Скоробогатов Семен Макеевич
Доктор технических наук, профессор, член - корр. РААСН Уральская государственная академия путей сообщения, зав. каф. строительных конструкций и строительного производства
В соответствии с предложенной автором классификацией техногенных катастроф |1] человеческий фактор можно подразделить на три группы, вытекающие из трех определений техногенных катастроф: «тренд», «экстремум* и «срыв». Термины предложенной классификации техногенных катастроф заимствованы из одной классификаций природных катастроф [2].
Напомним, что катастрофы в самом общем виде подразделяются на медленные (предсказуемые) и быстрые (непредсказуемые). К медленным катастрофам относятся типы, «тренд* и «экстремум», а к быстрым
- «срыв*. Использованная классификация оказалась более обоснованной и предметной для техногенных катастроф, чем для природных. Стадии работы и расчета из обеих известных групп расчетных предельных состояний строительных конструкций использованы как компоненты для распознавания и установления как можно более четких признаков и более выпуклого формулирования новых понятий о техногенных строительных катастрофах при наличии расплывчатых границ между медленными катастрофами типов «тренд» и «экстремум».
По главному признаку - предсказуемости - и другим сопутствующим физическим свойствам предлагаемая автором классификация развернуто представлена в виде двух таблиц в работе [1].
Отметим кратко наиболее важные признаки трех типов катастроф.
1. Физический очаг катастрофы типа «Тренд* - это неожидаемые. но прогнозиру-
емые после обнаружения пластические деформации рабочей арматуры в изгибаемых и растянутых элементах. Визуальный предвестник катастрофы определяется как превышение допустимых прогибов и ширины раскрытия трещин в изгибаемых или растянутых элементах. Причину катастрофы «тренд» можно установить с помощью расчетов по второй группе предельных состояний (прогибы, трещины), гак как они позволяют проверить величину действующей нагрузки и сопоставить ее с нормативной (эксплуатационной), расчетной (проектной) и особенно с теоретической разрушающей нагрузками.
Естественно, катастрофа типа тренд может быть легко предсказуемой эксплуатационниками и тем более смотрителем здания. Например, нарастание прогибов несущих конструкций более предельной величины 1/50 пролета или раскрытие трещин под длительной нагрузкой более 0.3 мм может быть хорошо замечено. Постепенное нарастание прогибов и раскрытия трещин с годами приводит к чрезмерному увеличению напряжений как в рабочей арматуре, так и в сжатой зоне бетона. В конечном итоге это приводит к недопустимому провисанию и пластическому обрушению конструкций вследствие текучести в рабочей продольной арматуре. Степень предсказуемости момента времени обрушения повышается, если проводится систематическое обследование или мониторинг, основанные на анализе исходных экспериментальных данных.
В качестве наиболее ярких примеров мед-
ленно надвигающихся катастроф типа тренд можно привести состояние следующих сооружений:
- пологая железобетонная оболочка покрытия (66 х 36 м) над зданием спортивного зала с ледовым катком с опасными диагональными трещинами (до 2 мм) в угловых зонах оболочки;
- опорное растянутое кольцо (О = 80 м) с опасными поперечными (нормальными) трещинами до 0.4 мм под стрельчатым металлическим куполом над зданием спортивного дворца.
Как видно из предыдущего пояснения, роль человеческого фактора непосредственно в проявлении катастрофы типа треид связана с проблемами эксплуатационников здания, т. е. с несоблюдением правил эксплуатации сооружений и пренебрежением ими. Эти проблемы.скорее всего, относятся к организационным и затрагивают уровень профессиональной подготовки смотрителя здания.
2. Физический очаг второго типа медленной катастрофы «экстремум» - это неожидаемое и непредсказуемое накапливание повреждений в растянутом и сжатом бетоне. Например, при чрезмерном раскрытии наклонных трещин от главных растягивающих усилий, раскрытии вертикальных трещин от смятия бетона над опорными частями мостовых балок и от перенапряжения сжатой зоны бетона в изгибаемых элементах (недостаточная продольная трещипостой-кость). При этом напряжение в рабочей продольной арматуре остается в упругой стадии. Однако завершение таких процессов повреждений обусловлено хрупким внезапным разрушением бетона. Конструкции с такими повреждениями мало провисают, поэтому их аварийное состояние может быть определено только снециалистами-обследователями. Предвестники катастроф типа экстремум, таким образом, слабо предсказуемы. Катастрофы типа экстремум также вызваны несоответствием требованиям второй группы предельных состояний (наклонные трешины. продольная трещиностойкость).
Поясним влияние перенапряжения в сжатой зоне для изгибаемых элементов со средним и большим процентом армирования на характеристику их живучести или на продольную трещиностойкость. Напряжения в крайних сжатых волокнах даже под расчетной нагрузкой могут превышать величину расчетного сопротивления КЬ, если эпюру напряжений принимать не в виде прямоугольника, а в виде, приближающемся к фактической эпюре. Перенапряжение крайних сжатых волокон может вызвать дальнейшее развитие уже имеющихся в структуре бетона микротрещин и перерастание их в продольное мезо. а также макротрешин, приводящих к хрупким разрушениям. и, следовательно, внезапным разрушениям конструкции. Агрессивная среда в процессе эксплуатации дополнительно ухудшает структуру бетона, уменьшая его прочность, и усугубляет напряженное состояние в сжатой зоне сечения изгибаемого элемента.
К надвигающейся катастрофе типа «Экстремум» следует отнести опасное напряженное состояние тонких стенок толщиной 200 мм в высоких балках высотой сечения 3.36-3.66 м и пролётом 7-10 м в покрытии фойе здания цнрка. Ударно-волновое воздействие от близко расположенного источника взрыва вызвало в стенке наклонные трешины шириной раскрытия 0.1 -1,0 мм, соответствующие
действию главных растягивающих напряжений. При этом сжатые и растягивающие пояса сечением 600 х 300 мм и 800 х 450 мм оказались не затронутыми трещинами. Основная рабочая продольная арматура в растянутых поясах находилась в упругой стадии работы. Появилась опасность разрушения по сжатым наклонным поясам. Высокие несущие балки не давали заметного провисания, кроме того, они были скрыты подвесным потолком. Наклонные трешины были обнаружены случайно. Возможность разрушения по сжатому бетону, упругая работа бетона продольной арматуры и слабая предсказуемость из-за отсутствия заметного провисания позволяют отнести этот вид разрушения к надвигающейся катастрофе типа экстремум.
Роль человеческого фактора непосредственно в проявлении катастрофы типа экстремум связана с научно-техническими проблемами, которые заключаются в незнании свойств материала и его поведения в работе конструкций при длительной, циклической, резонансно-колебательной или ударно-волновой нагрузке. Необычные признаки надвигающейся катастрофы могут быть замечены смотрителем здания, но состояние нредкатастрофы может быть определено только снециалистом-обследователем. Научно-тех-ническая проблема заключается в необходимости изучения свойств материала при его работе в массивных. крупноразмерных конструкциях, которые, находясь в стадии предразрушения. превращаются в систему вложенных друг в друга блоков с большой неопределенностью в трещинообразовании. Для анализа предсказания такого специфического состояния автор данной работы разработал и предлагает методику живучести |3], определяющую предел продольной трешиностойкости в сжатой зоне бетона для изгибаемых элементов.
3. Физический очаг катастрофы типа «срыв» объясняется перенапряжением бетона, возникающим от смятия в стыках между колоннами, от сжатия в оболочках покрытий и в сильно нагруженных балках, от длительной нагрузки и концентрации напряжений в арматуре, от усталости или коррозионного растрескивания при ее работе в упругой стадии. Визуальный предвестник катастрофы отсутствует, так как разрушение по сжатому бетону или рабочей арматуре происходит непредсказуемо, внезапно и хрупко. Заметное провисание конструкций отсутствует. Конструкции могут успешно работать несколько лет под нормативной эксплуатационной нагрузкой, вплоть до расчетной проектной, далекой от теоретической разрушающей.
Такая картина скрытостн физического очага катастрофы без ее визуального предвестника обнаружилась в бетонных швах между сжатыми сборными плитами верхнего пояса металло-железобетонного моста через реку Пышма. Вместо бетона марки 600 швы толщиной около 100 мм были заполнены, скорее всего, штукатурным раствором. Тем не менее мост несколько лет успешно эксплуатировался при небольшой железнодорожной нагрузке, а разрушился при нагрузке, не превышающей расчетную.
Наличие слабого раствора в стыках сборных колонн при передаче продольного усилия с бетона на бетон привело к внезапному обрушению почти полностью построенного многоэтажного здания (В.И. Вейц. 1984).
Ошибка при выборе расчетной схемы для пространственного железобетонного покрытия привела к быстрой катастрофе от перенапряжения в сжатом бетоне в известном здании аквапарка. Катастрофа произошла после длительного периода эксплуатации.
Известны случаи внезапного разрушения стропильных железобетонных балок от концентрации напряжений в сварной арматуре во время температурного перепада окружающей среды в северных районах страны.
Особого внимания требуют железобетонные покрытия над плавательными бассейнами и ледовыми катками, где вредные испарения могут привести к коррозионному растрескиванию рабочей арматуры, особенно высокопрочной.
Роль человеческого фактора непосредственно в проявлении катастрофы типа срыв связана с организационными проблемами строителей на различных переделах (этапах) строительства. Эти проблемы возникают в связи с явными или неявными ошибочными решениями, появляющимися во время проектирования, изготовления, эксплуатации и ведущие к непредсказуемой быстрой катастрофе в условиях, казалось бы. нормальной эксплуатации.
4. Для предотвращения катастроф различных типов. уменьшения их числа в статье [1] предлагаются соответствующие их типам организационные и научно-технические мероприятия.
На проявление человеческого фактора влияют и формируют его многочисленные ГОСТы (в основном. для отраслей машиностроения) и многие муниципальные и территориальные строительные нормы, правила, рекомендации по обследованию и пособия для строительного эксперта. Роль человеческого фактора при проявлении катастроф различного типа во многом закладывается в процессе проектирования новых зданий, в процессе выбора так называемых сертифицированных программных комплексов, мало отражающих действительную работу железобетона.
Текст некоторых новых современных норм по конструкциям усовершенствован в направлении организации мероприятий по предотвращению катастроф. В этом отношении заметен значительный сдвиг против текста известного ГОСТа 27751-88 |4] по надежности строительных конструкций и оснований. Этот ГОСТ не учитывает современных тенденций в проектировании высотных зданий. Зарубежный, иногда печальный опыт проектирования высотных зданий вынужденно учитывается пока в региональных нормах Москвы и С.-Петербурга. Наиболее значительные рекомендации по проектированию каркасов высотных зданий помещены в нормах ТСН 31-332-2006 г. С.-Петербурга [5]. Главное достижение этих региональных норм заключается в том. что они относят высотные здания к первому уровню ответственности. Согласно этим нормам коэффициент надежности первого уровня ответственности следует принимать для надземных частей зданий равным
1.1 при высоте от 75 до 100 м: 1.15 - от 100 до 125 м:
1.2 - от 125 до 150 м. Очень важно, что при подсчёте временных нагрузок не следует вводить понижающий коэффициент сочетания по этажам. Расчеты каркасов следует выполнять не менее чем по двум сертифицированным независимым программам с
использованием разных расчетных моделей. Для обеспечения требуемой огнестойкости перекрытий следует применять конструктивное армирование в верхней зоне плит. При определении ветровых нагрузок в зависимости от рельефа местности желательно использовать физическое моделирование в аэродинамической трубе. В нормах ТСН 31-332-2006 в качестве приложений приводятся рекомендации по защите от прогрессирующего обрушения, огнезащите. определению сейсмических и ветровых нагрузок. В качестве особых нагрузок предусматривается воздействие горизонтальной нагрузки на вертикальные несущие конструкции - 35 кн для колонн и 10 КПа на поверхности стен в пределах одного этажа.
5. Традиционная строительная экспертиза направлена. в основном, на проверку соответствия архитектурно-планировочного решения проекта нормативным документам и не затраг ивает при этом вопросы соответствия принятой расчетной схемы действительной работе сооружения. Естественно, строительным экспертизам нужно поставить заслон будущим авариям и катастрофам, вызванным ошибками при проектировании и строительстве.
Предотвращение или уменьшение количества аварий и катастроф возможно при расширении и регламентации деятельности строительного эксперта. Однако регламентация деятельности строительного эксперта носит узкий, неглубокий характер и рассчитана на уровень среднего инженера, а не крупного ученого. В этом отношении характерно слишком объемное практическое пособие за 2005 г. [6]. Надо сказать, что в целом данное пособие своевременно поднимает проблему качества строительных работ, предотвращающих или уменьшающих количество аварий и катастроф первого типа. Однако деятельность эксперта определяется не через его узкую и глубокую подготовку, а через повышение его ответственности, в виде перечисления его прав и обязанностей. Указанное пособие носит, скорее всего, юридический характер и с помощью общеизвестных положений сводит содержание обязанностей строительного эксперта к градостроительству. Основное внимание в этом пособии уделяется проверке соответствия строительного объекта его проекту на основе существующих устаревших общих норм по строительству.
Между тем очаги катастроф первого и второго типов в большинстве случаев появляются во время проектирования, когда не проводится должная работа по соответствию принятой принципиальной схемы сооружения его действительной схеме. Мало того, принципы и допущения, заложенные в выбранном сертифицированном программном комплексе, не должны оказывать влияние на компоновку расчетной схемы. Этой проблеме, о повышении качества расчетных обоснований проектных решений строительных конструкций, посвящено письмо Главгосэкспертизы России (№24-10-3 / 1281 от 28.05.2004). Оно обращено к филиалам в субъектах РФ. Согласно статье |7| содержание письма сводится к тому, чтобы осуществлять расчеты не менее чем по двум сертифицированным. независимо разработанным и проверенным на практике программным комплексам, проводить сопоставительный анализ полученных результатов. Авторы работы [7| справедливо отмечают. что при осуществлении этих рекомендаций не
решены вопросы верификации программных комплексов и повышения квалификации расчетчиков по интерпретации результатов вычислений. Далее в этой работе отмечается, что ядро расчетного программного комплекса ориентировано на определение параметров напряженно деформированного состояния. а эта функция принципиально ненормируема. Здесь интересно вспомнить, что в европейских нормах |8| имеются новые ограничительные параметры напряжения и величин относительных деформаций материалов конструкций. Эти ограничительные параметры являются серьезными рекомендациями по повышению надежности конструкций и по предотвращению аварий и катастроф.
Возможность сопоставительного анализа различных вычислений может быть организована при компоновке модели сооружения. Модель сооружения солидно обсуждается в работе |9|. Чтобы не использовать термин «модель» неадекватно, авторы |9] предлагают использовать следующие понятия: физическая модель, расчетная модель и математическая модель. Известно, что для сложного уникального сооружения можно предложить не одну физическую модель. Это вызовет несколько вариантов расчетной математической модели. Обеспеченность в безопасности при проектировании при этом кардинально повысится, особенно в сочетании с методикой за-проектного или запредельного проектирования.
Большой вклад в приближение математической и расчетной моделей к физической внесен в ООО «ЦНИИиромзданий» (Э.Н. Кодыш, А.М. Мамин и др. Г10)). Дискретно-связевая модель с учетом многоуровневой дискретизации позволяет учесть главный параметр железобетона - это наличие иерархии в трешинообразовании.
6. Необходимо расширить деятельность традиционных областных и городских строительных экспертиз в сторону анализа расчетных схем уникальных сооружений с помощью методов строительной механики стержневых систем и строительной механики пространственных конструкций (оболочек). В крупных областных центрах имеется достаточное количество известных специалистов, докторов наук по строительной механике, теории оболочек, теории железобетона, представляющих передовой отряд мировой науки. Они не привлекаются или почти не привлекаются к экспертизе проектов уникальных сооружений. Боязнь возможной приостановки длительного процесса проектирования и строительства предопределяет обращение к более «удобным» экспертам, не учитывающим современные научно-технические тенденции, отраженные в существующих нормах. В борьбе с медленными и быстрыми катастрофами использование так называемых постоянных ведомственных зависимых экспертов иногда является необъективным и бесполезным мероприятием. Для эффективной работы по предотвращению катастроф. особенно быстрых, необходимо эпизодически или систематически привлекать для предварительной или заключительной экспертизы независимых ученых одной базовой специальности, но разных узких направлений или специализаций: строительной механики, теории оболочек, теории пластичности, сейсмической устойчивости, усталости и выносливости, металловедов, бетоноведов. химиков по агрессивным средам.
Выводы
Роль человеческого фактора в проявлении катастроф различного типа в соответствии с предложенной классификацией катастроф можно условно подразделить на три группы:
1. Проблемы эксплуатационннков. Несоблюдение или пренебрежение правилами эксплуатации сооружений.
2. Научно-технические проблемы. Иезнаниесвойств и поведения материала в работе массивных или протяженных конструкций при длительной динамической нагрузке или в условиях агрессивной среды.
3. Организационные проблемы строителен на различных строительных переделах (этапах). Явные или неявные грубые скрытые ошибочные решения, допущенные во время проектирования, изготовления и эксплуатации, ведущие к быстрой непредсказуемой катастрофе, в условиях, казалось бы, нормальной предшествующей эксплуатации.
Resume:
Skorobogatov S. M. Place of the human factor in classification of the technogenic accidents offerro -concrete constructions
The article is devoted to a role of the humanfactor in display of accidents according to the offered classification of technogenic accidents.
Список использованной литературы
1. Скоробогатов С.М. Основы классификации техногенных строительных катастроф железобетонных сооружений и конструкций по степени предска-зуемости // Вестник ОСН, выпуск 10. Владивосток: РААСН. 2006. С. 231-237.
2. Кузнецов В. И.. Писаренко В. Ф., Родкин М. В. К проблеме классификации катастроф: параметризация воздействий и ущерба // Геоэкология. 1998. №1. С. 16-29.
3. Скоробогатов С. М. Принцип информационной энтропии в механике разрушения инженерных сооружений и горных пластов. -Екатеринбург УрГУПС. 2000. 419 с.
4. ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384 - 87). Надежность строительных конструкций зданий и сооружений. М.: Госстрой России, 1995. 26
с.
5. Жилые и общественные высотные здания. ТСН 31-332-2006. С.-Петербург: Правительство С-Петербурга. 2006.56 с.
6. Практическое пособие строительного эксперта // Под ред. Вершининой О. С. - М.: Компания Спутник +, 2005. - 645 с.
7. Перельмутер А. В., Сливкер В. И. Повышение качества расчётных обос-нований проектов // Бюллетень строительной техники. 2005. № 10. С. 59 - 62.
К. Eurorode2: Design ol concrete structure. Part 1.1. General Rules and Rules for Buildings. Brussels: CEN. 2003. 225 pp.
9. Бондаренко В.М.. Боровских А.В.. Марков СВ.. Римшин В.И. Элементы теории конструкции железобетона. Москва II Новгород. РААСН. 2002.190 с.
10. Кодыш А.М., Мамин А.М., Кобзарь К.В. Разработка дискретно-связевой мо-дели для расчётов плоских элементов зданий и сооружений //Транспортноестроительства 2003.N911.С.6-8.
