CC BY
246
Научно-технические разработки
УДК 551.22+614.8
В.А. Пшеничкина, В.Н. Соснов (ГУ МЧС России по Волгоградской области)
МЕТОДЫ АНАЛИЗА РИСКА В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Изложены основные положения метода анализа техноприродного риска, позволяющего получить интегральную оценку безопасности строительных объектов при проведении мониторинга технического состояния зданий и сооружений
В.Н. Соснов
Мониторинг строительных конструкций зданий и сооружений предполагает систематическое проведение циклов наблюдения, оценки и прогноза их технического состояния для своевременного принятия мер, обеспечивающих предотвращение чрезвычайных ситуаций. Главными задачами службы мониторинга являются [1]:
• определение значения ущерба в зависимости от вероятной степени повреждения зданий;
• анализ реакции объекта при различных сочетаниях ЧС;
• оценка и разработка рекомендаций по управлению уязвимостью объектов, подверженных различным видам ЧС;
• реализация требований по безопасности в строительных нормах и правилах;
• прогнозирование живучести строительных объектов с учетом их повреждений при штатных и аварийных ситуациях;
• декларирование безопасности строительных объектов.
Традиционно существующий порядок мониторинга и оценки технического состояния зданий и сооружений в целом или их отдельных элементов и технических систем, цели, задачи, периодичность плановых осмотров, а также перечень контролируемых параметров регламентируется инструкциями.
Так, система технических экспертиз жилых зданий включает следующие виды контроля в зависимости от целей обследования и периода эксплуатации здания:
• обследование при приеме капитально отремонтированных (реконструированных) жилых зданий;
• обследование с целью определения совокупного технического состояния и остаточного ресурса;
• обследование зданий и их конструктивных элементов, подвергшихся внешним воздействиям, не предусмотренным при проектировании (техногенные воздействия, технологические воздействия, строительство подземных частей и сооружений в непосредственной близости от существующих и др.);
• периодические обследования зданий и их конструкций в процессе плановых и внеочередных осмотров (профилактический контроль), а также в ходе сплошного технического обследования жилищного фонда;
• техническое обследование зданий для проектирования капитального ремонта, модернизации и реконструкции;
• обследование зданий при возобновлении прерванного строительства.
• Внеплановые обследования строительных объектов проводятся в следующих случаях:
• при обнаружении значительных или критических повреждений и дефектов в процессе эксплуатации;
• после стихийных бедствий и аварий техногенного характера;
• при изменении внешних и внутренних условий эксплуатации;
• при принятии решения о дальнейшем использовании строительного объекта в целом или его отдельных элементов и технических систем (при реконструкции, перепрофилировании, изменении рас-
четной модели воздействия, при введении в действие новых нормативных документов, ужесточающих требования нормативной базы, а также в других случаях по решениям заказчика).
Основные этапы обследования зданий и сооружений:
• изучение проектно-технической документации и архивных материалов;
• предварительное ознакомленение с объектом исследования, составление программы обследований;
• предварительное обследование;
• детальное обследование;
• техническое заключение.
На этапе предварительного ознакомления с объектом исследования производится его осмотр, уточняются условия эксплуатации: природно-климатические воздействия на строительные конструкции, гидрогеологические характеристики участка застройки, нагрузки на конструкции, не предусмотренные проектом, или превышающие проектные, нарушение правил эксплуатации строительных конструкций. Проводится проверка обеспечения пространствен -ной жесткости несущей системы здания и соответствия его расчетной схемы проекту, предварительно выявляются наиболее характерные дефекты и повреждения, вероятные причины их возникновения.
При аварийном состоянии конструкций разрабатываются конструктивные меры по их временному усилению и обеспечению безопасного доступа к конструкциям.
Предварительное обследование зданий и сооружений выполняется для общей оценки технического состояния строительных конструкций и инженерных систем (в основном по внешним признакам), разработки рекомендаций и технических решений по исправлению дефектов в процессе ремонта, реновации и реконструкции для выявления необходимости выполнения детального инструментального обследования.
Детальное обследование зданий выполняют для уточнения конструктивной схемы здания, размеров элементов и деталей, определения фактического технического состояния материалов и конструкций. При этом проводятся работы по вскрытию конструкций; испытанию отобранных проб; проверке и оценке деформаций; определению физико-механических характеристик конструкций, материалов, грунтов и т.п. с использованием приборов, инструментов, оборудования для испытаний; расчету несущей способности конструкций. Проводится анализ результатов обследования и экономический анализ с оценкой необходимости и целесообразности прогнозирования срока службы здания и его элементов. Разрабатываются необходимые рекомендации и техническая документация. Детальное обследование строительных объектов позволяет получить исчерпывающую информацию для оценки безопасности объекта в целом или его отдельных элементов и технических систем.
Поверочные расчеты несущей способности и
устойчивости строительных конструкций с учетом фактических нагрузок и воздействий, повреждений и дефектов, уточненных расчетных схем и расчетных характеристик конструкционных материалов производится в соответствии с требованиями СНиП [2-4].
Оценка технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений проводится путем сопоставления предельно допустимых (расчетных или нормативных) и фактических значений критериев, характеризующих прочность, устойчивость, де-формативность и эксплуатационные характеристики строительных конструкций.
При оценке технического состояния объектов необходимо учитывать, что свойства строительных материалов, грунтов оснований, нагрузок и воздействий, условия эксплуатации являются случайными величинами или случайными функциями. Метод предельных состояний, заложенный в основу расчета конструкций и учитывающий статистический характер показателей, вводимых в расчет, предполагает учет воздействия различных эксплуатационных факторов за счет использования соответствующих коэффициентов надежности. Основная формула метода расчета по предельному состоянию имеет вид
где F,R — соответственно реакция конструкции на действующие нагрузки и ее предельно допустимое значение; Qi — нормативные нагрузки, действующие на конструкции; у^ — коэффициенты надежности по нагрузкам; ут. — коэффициенты надежности по материалам; Ri — нормативные пределы прочности или пределы текучести материалов конструкций.
Метод предельных состояний является полуве-роятностным методом расчета на надежность, при котором для нормирования прочности материалов, действующих нагрузок, а также коэффициентов надежности используются вероятностные методы, а прочностной расчет ведется в детерминированной форме. Поэтому метод предельных состояний не дает ответа на основной вопрос — какова величина надежности (риска) проектируемого или эксплуатируемого здания или сооружения. Оценка надежности в виде предельного неравенства (1) реализует концепцию «нулевого риска», что сформировало устойчивое представление у проектировщиков и специалистов в области расчета конструкций о возможности добиться абсолютной надежности путем уточнения исходных данных, расчетных схем и методов расчета. Вместе с тем, оставаясь в рамках детерминированного подхода, невозможно учесть все разнообразие условий эксплуатации конструкций: разброс механических свойств материалов и параметров формы конструкций; ошибки при проектировании, строительстве, контроле качества и эксплуатации; непроектные сочетания нагрузок. Все эти факторы имеют вероятностный характер и оказывают непосредственное влияние на работоспособность конструкций, особенно при чрезвычайных ситуациях и экстремальных нагрузках, и продолжительность их эксплуатации.
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Как показывает практика, реальная величина риска нарушения работоспособного состояния (отказа) сооружений значительно выше, чем предсказанная на основе критерия предельных состояний. По ориентировочным оценкам специалистов, вероятность отказа зданий и сооружений составляет примерно 10-3 для предельных состояний второй группы и 10-5 для состояний с катастрофическими последствиями. В действительности вероятность катастрофических отказов для промышленных объектов бывшего СССР за последние 20 лет составляет 510-4 для многоэтажных зданий и 510-4 для сооружений. Указанная аварийность существенно выше в зонах развития техноп-риродных ЧС, где даже небольшие по интенсивности воздействия практически мгновенно выявляют все упущения инженерных изысканий, проектных решений и дефекты строительства.
Перспективным направлением развития метода предельных состояний является переход на вероятностную концепцию, применение вероятностных моделей и методов теории надежности. Комплексная проблема обеспечения надежности и долговечности зданий и сооружений, их рационального проектирования и технического обследования, особенно при экстремальных воздействиях, включает в себя количественную оценку риска и управление риском (минимизацию до социально приемлемого уровня и страхование). Под риском понимается вероятностная мера опасности, установленная для данного объекта в виде возможных потерь за определенный период времени. Если обозначить вероятность возникновения негативного воздействия как Р^), а реакцию объекта на это воздействие (уязвимость) в виде P(F|Q), то риск отказа, обусловленного воздействием Q определенной интенсивности, находится по формуле
Р(Б) = Р^) Р(Б^). (2)
Тогда в терминах анализа риска предельное неравенство (1) приобретает вид
(3)
где Рааш — допустимый риск.
При определении величины допустимого риска учитываются технические, экономические, социальные, психологические и другими последствия отказов строительных конструкций и объектов в целом.
В последние годы в связи с возросшим числом аварий (в том числе на строительных объектах), вызванных природными и техногенными воздействиями, и необходимостью разработки превентивных и компенсационных мер для смягчения их последствий, методы анализа риска приобрели особую актуальность. Результаты анализа риска используются при декларировании промышленной безопасности опасных производственных объектов, экспертизе промышленной безопасности, обосновании технических решений по обеспечению безопасности, страховании, экономическом анализе безопасности по критериям «стоимость-безопасность-выгода», оценке воздействия хозяйственной деятельности на
окружающую природную среду и при других процедурах, связанных с анализом безопасности.
Обеспечить полную безопасность невозможно, однако для техногенных ЧС можно снизить риск до практически нулевого значения за счет наращивания ступеней защиты, повышения надежности, эффективного контроля и своевременного выполнения регламентных работ. Что касается ЧС природного характера, при анализе риска основная задача заключается в предупреждении или ослаблении их вредного воздействия, или, если это не удается, в обеспечении быстрой и эффективной ликвидации последствий.
Существующие методы проведения анализа и оценки риска [5] имеют, в основном, качественный характер вследствие недостатка статистических данных. Применяемые методы направлены на оценку вероятности возникновения аварийной ситуации или экстремального воздействия и анализ возможных последствий на людей, имущество и окружающую природную среду. В качестве последствий рассматриваются отказы и разрушения технических устройств, зданий и сооружений, пожары, взрывы, выбросы токсичных веществ и т.д. При этом рекомендуется выявлять связь масштаба последствий с частотой их возникновения.
На практике рекомендуется использовать экспертные оценки и методы ранжирования риска, основанные на упрощенных методах количественного анализа риска. В этих подходах рассматриваемые события или элементы обычно разбиваются по величине вероятности и тяжести последствий на несколько групп (категорий, рангов), например, с высоким, промежуточным, низким и незначительным уровнями риска. При таком подходе высокий уровень риска может считаться неприемлемым (или требующим особого рассмотрения), промежуточный уровень требует выполнения программы работ по уменьшению уровня риска, низкий уровень считается приемлемым, а незначительный вообще может не рассматриваться.
Крупные аварии, как правило, характеризуются комбинацией случайных событий, возникающих с различной частотой на разных стадиях возникновения и развития аварии. Для выявления причинно-следственной связи между этими событиями используются логико-графические методы анализа «деревьев отказов» и «деревьев событий».
Для количественного анализа риска требуется применение методов теории надежности, имитационного и статистического моделирования, теории случайных процессов, а также закономерности возникновения и развития аварий и ЧС.
Вероятность хотя бы одной аварии на объекте за время т оценивается при помощи функции риска для редких событий
Р(Н) = 1-ехр(-ют), (4)
где ю — параметр потока аварий (опасностей); ют — математическое ожидание числа аварий на объекте за время т.
Опасность возникновения аварии на проектируемом или действующем объекте можно приближенно оценить по имеющейся статистике аварий однотипных объектов, т.е. на основе фиксированного опыта.
Что касается второго множителя в формуле (2), то задача оценки уязвимости объекта является достаточно сложной, и ее решение определяется особенностями конкретного объекта и вида воздействия.
Общий подход определения количественной оценки уязвимости зданий и сооружений при действии случайных экстремальных нагрузок и воздействий включает в себя следующие этапы:
1. Описание структурных и конструктивных особенностей здания (сооружения), его несущих конструкций, материалов, узлов.
2. Моделирование прогнозируемых нагрузок и воздействий окружающей среды. В общем случае нагрузки и воздействия представляют собой пространственно-временные случайные функции. Поэтому, учитывая продолжительность сроков эксплуатации сооружений и высокую изменчивость нагрузок и воздействий, исходная информация должна рассматриваться с учетом фактора времени.
3. Классификация возможных отказов и предельных состояний по степеням их критичности с учетом последствий предполагаемого отказа.
4. Выбор предельных состояний и их формализация для соответствующих типов отказов. Форма представления критериев предельных состояний определяется типом связанной с данным критерием прочностной, динамической или статической задачи, выбранными для реализации механико-математическими моделями конструкций, действующих нагрузок и воздействий.
5. Определение напряженно-деформированного состояния конструкций зданий и сооружений. Принятые
расчетные схемы, математические модели и методы решения определяются конструктивными особенностями здания, характером нагрузок и воздействий, критериями отказов и предельных состояний. Для получения количественных значений показателей надежности (риска) расчетные модели должны быть вероятностными.
Задача вероятностного расчета зданий заключается в нахождении вероятностных характеристик усилий, напряжений, деформаций и др. в зависимости от вероятностных характеристик входных параметров: действующих нагрузок, физико-механических и прочностных характеристик материалов, геометрии конструктивных элементов. Для решения вероятностной задачи расчета зданий и сооружений используют следующие подходы:
• применение упрощенных аналитических моделей. Расчет ведется поэтапно на основе нескольких расчетных моделей, позволяющих рассмотреть характерные особенности работы как здания в целом, так и его отдельных конструктивных элементов. Так, в работе [6] при вероятностном расчете здания на 1м этапе оно моделируется в виде пространственной коробчатой конструкции на неоднородно деформированном основании, на 2-м этапе рассматривается наиболее нагруженная стена как плоский составной стрежень, на 3-м этапе проводится дальнейшая детализация при расчете узлов сопряжения стен, перемычек и т.д. Такой подход позволяет использовать хорошо разработанные классические аналитические методы вероятностного расчета;
• применение моделей МКЭ. Дискретные модели МКЭ позволяют проводить расчеты зданий и сооружений различных конструктивных схем, любой степени сложности, получать пространственную картину НДС всех его несущих элементов, использовать
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
для решения типовые программные комплексы. Но дискретные модели плохо приспособлены для вероятностных расчетов. Вероятностные характеристики дискретной системы на выходе могут быть получены только с помощью метода статистических испытаний, что требует многократных (порядка 103—105) вариантов расчета на ЭВМ по заданному детерминированному алгоритму. Различные модифицированные варианты этого метода позволяют уменьшить количество расчетов на 1—2 порядка, но даже в этом случае его применение для практических задач малоэффективно. В настоящее время актуальным вопросом является разработка практических методов вероятностного расчета дискретных систем с использованием метода планирования эксперимента;
• применение методов оценки надежности сложных систем. Для этого расчетные элементы сооружения разбивается на группы с однородными характеристиками по заданным параметрам. Параметры, учитываемые при разбиении, определяются видом конструкций, характером действующих нагрузок, видом предполагаемых расчетов, типом возможных отказов и предельных состояний. При невозможности обеспечить однородность по всем требуемым параметрам расчетные элементы разбивают на блоки, в которых обеспечивается одно-
родность по ограниченному числу параметров. По отношению к остальным параметрам поступают следующим образом. Определяют наиболее неблагоприятное значение рассматриваемого параметра в пределах выбранного блока, принимают его в качестве расчетного для всех элементов и проводят оценку его надежности. Расчетная модель сооружения представляется в виде системы последовательно и параллельно соединенных блоков, для каждого из которых определена функция надежности (риска). Тогда на основании известных формул определяется надежность системы в целом.
6. Оценка показателей надежности.
Концепция допустимого техноприродного риска, основные положения которой изложены в настоящей работе, может быть реализована при проведении традиционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений. В отличие от концепции «абсолютной надежности» она позволяет: установить безопасность зданий и сооружений исходя из единого критерия допустимого риска, учитывая при этом все возможные воздействия техноприродных ЧС; обосновать величину ущерба с учетом социальных, экономических и других последствий; перейти от существующей практики фиксации опасностей и ликвидации их последствий к анализу и управлению риском.
Литература
1. Снижение рисков в строительстве при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера / Булгаков С.Н., Тармазян А.Г., Рахман И.А., Степанов А.Ю. Под общ.ред. Тармазяна А.Г.— М: МАКС Пресс, 2004. - 304 с.
2. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений.
3. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции.
4. СНиП 11.23-81*. Стальные конструкции.
5. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. РД 03-418-01.
6. Пшеничкин А.П. Вероятностный расчет бескаркасных жилых зданий на неоднородно деформируемых основаниях // Известия вузов. Строительство. - № 12. - 1996. - С. 109-114.
