CC BY
23
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 510+621+624.001.25
В. Г. тишин
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ ПРИ ОЦЕНКЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ И СТЕПЕНИ РИСКА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Рассмотрены вопросы применимости оценивания безопасного состояния здании и сооружений на основе нечетких экспертных представлений с использованием лингвистических подходов.
При решении многих инженерных задач в процессе проектирования одной из наиболее важных проблем является достоверное прогнозирование эксплуатационного состояния зданий и сооружений во времени. Этот прогноз, в конечном итоге, должен предопределять одновременно безопасность здания и сооружения и их качество в пределах нормативных сроков эксплуатации.
Анализ результатов натурных исследований показывает, что ускоренный износ (снижение качества) зданий и сооружений часто является следствием недоработок и ошибок на этапах проектирования, строительства и эксплуатации.
В теории вероятности и теории множеств понятие качества определяется как дискретное конечное пространство, К = {аь а2, а3, .....аТ1}, в котором любому элементу, составляющему систему е К), где К - система, может быть поставлено в соответствие одно из существенных свойств.
Конечно, в состав множества, которое формирует качество, входят не все свойства проектируемого объекта, а лишь те из них, которые являются определяющими. Для строительных объектов такими свойствами являются прочность, точность размеров, морозостойкость, влагостойкость и т. д. Эти множества существенных свойств, составляющих признаки качества объекта, вообще говоря, являются конечными и относятся, как правило, к одному свойству системы (аО-
Объединение всех свойств системы (множество свойств), которые являются высшим этапом иерархии, формирует окончательное пространство качества.
Это множество свойств, которое характеризует и определяет проявление всех остальных свойств в процессе функционирования здания и сооружения - это безопасность объекта (системы),
которая, в первую очередь, подразумевает надежность составляющих систему элементов.
Таким образом, при рассмотрении проблемы безопасности системы (объекта в составе окружающей среды) мы будем подразумевать не только пространство качества отдельных конструкций под нагрузкой, но и пространство состояния всего объекта не только под действием нагрузок, принятых при проектировании, но и воздействий, которые, на взгляд проектировщика, маловероятны (возникшие в процессе эксплуатации).
Основными факторами, влияющими на безопасность зданий, и сооружений в целом, являются факторы, предопределенные на разной стадии жизнедеятельности объекта - проектные, строительные и эксплуатационные.
Анализ числа аварий и дефектов зданий в России и за рубежом показывает, что более половины случаев аварий и деформаций происходит из-за низкого качества производства работ. Важным при этом анализе является также и то, что в течение эксплуатации расчетная модель объекта (системы) перестает соответствовать действительной системе взаимодействия объекта и окружающей среды за счет изменения их состояния.
До недавнего времени в основу обеспечения безопасности зданий и сооружений при проектировании и эксплуатации была положена теория надежности [1,2,3,4], которая должна расчетными методами обозначить границы безотказной работы, а принципиально новым моментом считался количественный подход к решению этой задачи.
Для реального обеспечения безопасности строительных объектов в течение длительного времени необходимо повысить обоснованность проектных и технологических решений, особенно в части прогноза негативных воздействии техно-
природных факторов. Здесь уместно отметить, что с ошибками и недоработками проектно-изыскательского периода связаны около 30% аварий зданий и сооружений, поэтому целесообразно переходить на новые вероятностные методы проектирования, которые учитывали бы надежность конструкций и обеспечивали бы безопасность объекта в целом при регламентированных и не-регламентированных воздействиях в пределах допускаемого (приемлемого) риска.
Иерархия взаимодействия объекта с внешней средой, которую следует положить в основу создания проектной модели, приведена на рис. 1.
Согласно [1] при надежностном рассмотрении безопасности строительного объекта все расчетные величины представляются двумя группами:
- первая группа включает в себя параметры прочности, которые определяются свойствами конструкции;
- вторая группа - параметры воздействий.
В этом случае удовлетворение расчета конструкции (объекта) на безопасность предопределяется выполнением, с некоторой степенью вероятности, неравенства
Р - <2 > 0,
где Р — обобщенная прочность конструкции (объекта); р - обобщенные воздействия.
В общем случае воздействия и прочность представляются случайными функциями времени. Однако в работе [1], ограничивая процесс заданным сроком службы сооружения, время из расчета исключается, и поэтому весь процесс описывается не случайными функциями, а случайными величинами с определенными, заранее назначенными законами распределения, что является искусственным введением однозначности, означающее не что иное, как существенное огрубление исходных данных, позволяющее упорядочить множество допустимых альтернатив. Под альтернативой в рассматриваемом случае мы понимаем вариант решения, удовлетворяющий ограничениям задачи и являющийся упрощенным способом достижения поставленной цели.
При проектировании конструкций и технологии строительства проектировщик, точно не знает ни фактических нагрузок, ни воздействий на сооружение в период эксплуатации, ни действительных возможностей объекта, которые сформируются в процессе строительства. Это означает, что в процессе проектирования приходится идти на неопределенный риск, т. е. принимать решения в условиях неопределенности. Проводимый в процессе проектирования, как правило, статический расчет имеет характер прогноза, в котором отклонения теоретической модели от практического состояния могут быть значительными. Это связано с тем, что любая теоретическая модель содер-
жит ряд упрощающих предположений и сосредотачивается на наиболее существенных факторах, пренебрегая второстепенными, порой очень важными.
Каждое подобное упрощение приводит к существенному отклонению от работы реальной конструктивной системы. В большинстве своем в практических расчетах мы оперируем детерминированными системами и постоянными или переменными нагрузками и воздействиями, хотя в действительности задача носит стохастический характер.
Одновременно с этим свойства строительных материалов и конструкций в той или иной мере отклоняются от их средних значений, это в определенной мере относится к характеристикам узлов и соединений конструкций.
Особые отклонения встречаются при анализе нерегулярной изменчивости свойств грунтов оснований. Чтобы ввести в расчет информацию, содержащуюся в многочисленных результатах испытаний свойств грунтов, приходится прибегать к различным упрощающим предположениям о пространственном распределении свойств грунтов в составе основания взаимодействующего с сооружением. Эта информация о состоянии основания, должна иметь также и прогностический характер с точки зрения изменения свойств грунтов во времени.
Рассматривая соотношение адекватности между реальными объектами и их моделями (в виде проектов), носящими вербально-цифровой облик, можно прийти к выводу, что проектные состояния системы на всех этапах проектирования не в полной мере соответствуют взаимодействию объекта с вмещающей его окружающей средой в действительных условиях.
Таким образом, при проектировании сложной и многомерной системы «сооружение-окружающая среда» получить точную информацию, которая адекватно отразила бы поведение строительного объекта во времени, практически невозможно, а если и возможно, то стоимость этой информации будет несравненно больше стоимости объекта, что, естественно, неприемлемо с экономической точки зрения.
В этом случае упрощенная модель может дать более понятную информацию, чем детальная многомерная расчетная система (которую, конечно, нужно применять в исследовательских целях). Применительно к этому случаю Л. Заде [6] подчеркивал: «По мере возрастания сложности системы наша способность формулировать точные, содержащие смысл утверждения об ее поведении, уменьшается вплоть до некоторого порога, за которым точность и смысл становятся взаимоисключающими».
Безопасность тсхноприродной системы - устойчивость се ко всей совокупности возможных воздействий со стороны
окружающей среды
Живучесть системы
Риск
1
живучесть
безусл. уязвим.
Нерегламентированные воздействия среды
Л
Нерегламентированные воздействия среды
Поле недостаточности (нечеткости) V существующей У" базы знаний используемых при проектировании
Надежность техноприродной системы - внутреннее свойство системы, обеспечивающее функционирование ее при воздействии внешних регламентируемых факторов, учтенных при проектировании
Регламентированные воздействия среды на систему
Надежность основания -способность воспринимать совокупность внешних воздействий и факторов
стойкость
усл. уязвим
Регламентированные воздействия среды на систему
Надежность фундамента -
способность его воспринимать нагрузки от объекта и передавать их на основание
Надежность системы надземных
конструкций - способность обеспечить нормальные условия эксплуатации системы в течение срока его службы
Рис. 1. Иерархия взаимодействия техногенного объекта с внешней средой
Таким образом, в процессе проектирования (прогнозирования) эксплуатационного состояния зданий и сооружений во времени встречается много сложностей, связанных с правильным (адекватным) отображением условий работы сооружения в составе проекта.
В связи с этими сложностями и значительными изменениями в окружающей техноприродной среде, в процессе эксплуатации построенных объектов, «адекватизация» их состояния при проектировании представляет значительные затруднения.
Значительную трудность представляет также оценка опасности при реализации ошибок лиц, принимающих решение (ЛПР), эти факты, как правило, оказываются неучтенными, так как никто не отвечает за это. Потенциальную опасность представляют и ошибочные действия людей из-за халатности, попустительства и безответственности которых происходят аварии и катастрофы. Значительную опасность представляют также и ошибочные решения, принимаемые в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Эти решения формируются, как правило, в результате отсутствия квалифицированной системы эксплуатации и бесконтрольности со стороны надзорных служб.
В результате анализа всех существенных жизненных этапов строительного объекта от замысла до вывода из эксплуатации выявлено, что все эти этапы базируются преимущественно на предположениях «устраивает или не устраивает», «надежный» или «ненадежный».
Во всех указанных случаях, связанных с существованием объекта, ЛПР вынуждено обращаться к приближенной информации и приближенным знаниям экспертов, которыми оно должно пользоваться для принятия решений.
Использование этих нечетких словесных понятий, которыми оперирует ЛПР, позволяет ввести в употребление качественные описания с учетом некоторой неопределенности задачи принятия решений (ПР) и достигнуть корректного представления всех факторов, имеющих отношение к поставленной задаче и не поддающихся точному количественному описанию.
При решении многих практических задач, возникающих в процессе эксплуатации сооружений, с целью обеспечения безопасности, приходится определять риск, возникающий как результат влияния нерегламентируемых воздействий: подтопления, сформировавшихся техногенных карстов, оползней и т. п., которые не были учтены при проектировании и возникли как экстраординарные явления. Как учитывать ситуацию при проектировании и нужно ли? Жизнь подсказывает, что нужно. Слишком много в настоящее время зданий и сооружений, разрушающихся из-за отсутствия, недостаточности или неточности исход-
ной информации для проектирования объектов экономики или из-за желания осуществить строительство дешевле, также относится к нечеткости понимания конечной задачи лицом, принимающим решение.
Таким образом, при создании объектов экономики в сложных природных условиях весь процесс проектирования следует разделить на два этапа:
- проектирование при регламентированных воздействиях;
- прогнозное проектирование при нерегла-ментированных возможных воздействиях по вероятностному принципу при наличии нечеткой информации.
Одновременно с этим следует отметить, что прогнозное проектирование безопасности сооружений во времени становится весьма существенным в последнее время в связи с освоением ранее непригодных для строительства территорий. Проектные решения, основанные на действующих в настоящее время СНиПах, не учитывают реальных свойств грунта во всей полноте. Особенно это относится к прогнозированию деформаций обычных зданий во времени (рис. 2), что приводит к недопустимым деформациям, особенно в конде срока эксплуатации.
Здесь уместно отметить, что в зависимости от сложности условий, проектирование необходимо вести по принципу необходимости и достаточности.
Например, расчет сооружений по надежности является достаточным в условиях, когда все воздействия и проявления окружающей среды прогнозируемы и нечеткость исходной информации невысокая.
Расчет на безопасность следует проводить как собшодепие необходимых и достаточных условий при нечеткой (недостаточной) информации о воздействиях окружающей среды и технологических воздействий на сооружения во времени.
Расчет по безопасности должен включать в себя определение риска деформирования конструкций и сооружений в целом на всех стадиях его существования.
Обработка нечеткой информации в задачах ПР в процессе существования объектов экономики, в т. ч. зданий и сооружений, в течение всего периода эксплуатации осуществляете я путем применения лингвистического подхода, в рамках которого в качестве значений переменных допускаются не только числа, но и слова, и предложения естественного языка, а аппаратом их формализации является теория нечетких множеств и основанная на ней логика, которые позволяют описывать неточные категории, представления и значения, оперировать ими и делать практические выводы.
При реализации системы оценки состояния и степени повреждения существующих зданий важным является обоснование применимости и шкалы степени повреждения, где 0 соответствует отсутствию повреждения, а 1 - полному разрушению сооружения.
Вербальная интерпретация рассматриваемой шкалы может быть выражена в виде схемы, представленной на рис. 3.
При этом, рассматривая здание (сооружение) как сложную систему, состоящую из отдельных конструктивных элементов, причины нарушения их работоспособности можно сформулировать следующим образом:
- неправильный монтаж конструкций;
- расстройство соединений элементов конструкций;
- недопустимые деформации несущих конструкций;
-старение и коррозия соединений и конструктивных элементов;
-реакция системы и конструктивных элементов на действия нерегламентированных воздействий.
В этих условиях, как показывают многие исследования и практика эксплуатации зданий, довольно трудно установить границы работоспособности объекта в целом, если они определяются нормативами, экономическими и другими требованиями.
Поэтому одной из важнейших задач определения безопасности объектов является создание системы прогнозирования рисков при эксплуатации зданий и сооружений в условиях недостаточной и нечеткой информации.
А
Т, годы
Рис.2. Зависимость уровня безопасности от продолжительности эксплуатации сооружений: т 11рир - период приработки; тнор.эксп;1 - граница нормируемой безопасности; т^ - зона повышенного уровня риска; Я - показатель риска; К.нор - величина нормативного риска; - зона управления риском; Кавар -математическое ожидание аварийной ситуации
О 0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Нет
С
поврежд
Слабые повреждения
) С
J С
Умеренные разрушения
Сильные разрушения
X
—У
Аварийное состояние
3
Рис. 3. Состояние существующих зданий (сооружений) и их вербальное отображение
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Не истинно
Слабый уровень истинности
Значитель-Высокнй ный уровень
уровень
истинности
истинности
Опреле-
Почти ленно определенно
истинно
истинно
Рис.4. Вербальные представления значений истинности применения нечеткой информации
Следует отметить, что в настоящее время не существует достаточно надежного способа определения состояния повреждения и поэтому приходится прибегать к оценкам опытных инженеров (экспертов).
При этих оценках обязательно должны присутствовать следующие сведения:
- принимаемые строительные материалы и конструкции;
- высота здания и число пролетов; территория застройки (прогноз ее качества);
- форма здания (простая, сложная);
-характеристика основания и фундаментов;
- возраст сооружения;
- расчетные параметры регламентируемых и нерегламентируемых воздействий;
- состояние конструктивных элементов на время принятия решения;
- квалификация наблюдателя и др.
Важным аспектом проблемы оценки повреждения являются то, что получаемая от экспертов информация, имеет некоторую неопределенность, и окончательный ответ несет на себе этот же отпечаток.
В общем случае существует два типа данных, получаемых в результате обследования зданий и сооружений:
- первый тип - данные, полученные при наблюдениях локального характера, такого, как трещины в конструктивных элементах обследуемых объектов;
- второй тип - данные, полученные при обследовании общего пространственного состояния объекта в том числе с учетом деформирования основания и прилегающей территории.
При анализе и оценке состояний строительных объектов в процессе эксплуатации целесообразно выявить значение истинности этих состояний в виде шкалы приведенной на рис. 4.
Механизмы определения значения истинности состояния строительных конструкций или объекта в целом изложены в [7], применяя которые можно выявить уровень истинности того или
иного состояния по рис. 3, используя человеко-машинные методы анализа.
Таким образом, рассмотренный подход, основанный на использовании человеко-машинных методов анализа и алгоритмов формализации нечеткой информации, позволит более просто и объективно решить организационно-технические задачи, которые возникают при проектировании и эксплуатации строительных объектов с целью определения временных пределов безопасного существования зданий и сооружений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ржаницин А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. - М.: Стройиз-дат, 1978. -239 с.
2. Синицин А. П. Метод конечных элементов в динамике сооружений. - М.: Стройиздат, 1978. -232 с.
3. Райзер В. Д. Теория надежности в строительном проектировании. - М.: Ассоциация строительных вузов, 1998. - 304 с.
4. Рогонский В. А. и др. Эксплуатационная надежность зданий. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-е, 1983.-280 с.
5.Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1994. - 288 с.
6. Заде Л. А. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений. // Математика сегодня. - М.: Знание, 1974-С. 5-49.
7. Борисов А. Н., Алексеев А. В., Меркурьева Г. В. и др. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений. ~ М.: Радио и связь, 1989.-304 с.
Тишин Валерий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «БЖД, экология и химия» УлГТУ. Имеет монографию, учебное пособие, отраслевые нормативны е документы, изобретения и статьи в области обеспечения надежности и безопасности при эксплуатации зданий и сооружений, возводимых в сложных геоэкологических условиях.
