CC BY
692
2/2011
ВЕСТНИК
МГСУ
MAIN PRINCIPLES OF THE ESTIMATION OF RISK AT DESIGNING OF BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ РИСКА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
А.Г. Тамразян
A.G. Tamrazyan
МГСУ
Оценка риска является актуальной проблемой, так как действующие нормативные документы не отражают всех особенностей НДС при эксплуатации сооружений и, следовательно, не позволяют достаточно строго оценить безопасность конструктивных систем.
The risk estimation is an actual problem as operating standard documents don't reflect all features of the SSC during operation of constructions, and, hence, don't allow to estimate safety of constructive systems strictly enough.
Безопасность следует рассматривать, как некую способность объектов сохранять устойчивость и функционировать, выполняя свое назначение, не переходя в опасное состояние, характеризуемое определенным уровнем риска, не превышающим предельно допустимого значения.
Метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям может быть существенно усовершенствован за счет более широкого использования методов теории риска.
Использование вероятностно-статистического аппарата позволяет количественно определить степень безопасности сооружения, здания, конструкции, а также проектировать их по критерию средневероятностных приведенных затрат.
Общий риск - это комбинированный эффект, обусловленный различными силовыми, природно-климатическими и другими воздействиями, и различным характером реакции проектируемого объекта на данные воздействия.
Общее выражение для определения суммарного риска может быть записано следующим образом [5]:
где Р[.]- вероятность указанного события; Я, - событие, состоящее в том, что система находится в г-м состоянии; $ - означает, что аварийное воздействие имеет «уровень»у; р[я / 3 ] - означает вероятность того, что состояние системы будет Я при условии, что
pR ]=£ pR / Sj ]• pis, \
(1)
имеет место воздействие S,■. В принципе S,■ может представлять собой целую последовательность характеристик воздействия во времени. В этом случае Я может иметь вид единой временной последовательности состояний системы после каждого события, например, последовательность стоимостей ремонта. На практике обычно пользуются простыми определениями $ и При проектировании Я может быть наихудшим состоянием (сохранность, убыток, реакция) сооружения после аварийного воздействия, происшедшего за время его ожидаемого срока службы.
В простейшем случае предполагается, что после аварийного воздействия здание может быть в одном из двух состояний: либо неповрежденным (состояние 0), либо поврежденным (состояние 1). Состояние 1 означает некоторую нежелательную степень повреждений. Ограничение двумя состояниями позволяет получить удобное выражение для риска, в виде вероятности того, что повреждения произойдут в период срока эксплуатации здания. Поэтому, часто употребляется следующая формулировка: в течение срока эксплуатации сооружения г относительные повреждения В произойдут с вероятностью менее Р.
Переход из состояния 0 в состояние 1 происходит при некотором пороговом уровне повреждений. На практике этот порог связан с одной из характеристик реакции сооружения, например, с межэтажным смещением, прогрессирующим обрушением. Во многих случаях, однако, этот порог выражается непосредственно в терминах некоторого параметра, описывающего интенсивность внешнего воздействия [2].
Нормативная вероятность безотказной работы по каждому виду отказа устанавливается дифференцированно в зависимости от степени опасности отказа, определяемой по затратам, связанным с ликвидацией их последствий, а также с восстановлением у сооружения способности удовлетворять первоначально заданным эксплуатационным требованиям.
Нормативную безопасность конструктивных элементов сооружения следует устанавливать в зависимости от их роли в обеспечении безотказной работы сооружения по конкретному виду отказа, а также от степени опасности данного отказа [1].
Следует выделить три уровня расчетов сооружений на безопасность.
1. На этапе выбора типа сооружения расчеты безопасности и её изменения следует выполнять при установленных законах распределения нагрузок и параметров сооружения и грунтов.
2. Расчеты сооружений с требуемой или заданной безопасностью.
3. Расчеты проектируемых сооружений на основе оптимизации приведенных затрат при достижении требуемого уровня безопасности.
Отказом принято считать такое состояние элемента, при котором не выдерживается основное условие предельных состояний, т.е.
2 = Ршш — Бшах < ° (2 )
где Бшах - максимально возможное внешнее воздействие на конструкцию или сооружение;
- минимально возможное сопротивление конструкции или сооружения этому воздействию.
Анализ отдельных подходов к риску показывает, что во всех случаях необходимо количественно оценивать уровень риска.
В общем случае реакция объекта на воздействия может характеризоваться несколькими параметрами [3].В качестве одного из признаков проявления воздействия на объект принимается интегральная характеристика Бк - степень повреждения объекта при воздействии уровня Б;.
ВЕСТНИК
_2/20ГТ_МГСУ
С позиций оценки риска рассмотрим задачу прогнозирования последствий удара по высотному зданию. Для оценки риска необходимо включать следующие этапы решения.
1. Задание механических и прочностных характеристик конструкционных элементов здания.
2. Определение начального напряженно-деформированного состояния всех элемен-
3. Расчет кратковременного ударного воздействия для определения поврежденных и разрушенных элементов здания.
4. Расчет кратковременного процесса взрыва топливно-воздушной смеси и вызванного им дополнительного разрушения и повреждения конструкционных элементов зда-
5. Расчет длительного (по сравнению со временем распространения волн вследствие удара или взрыва) процесса изменения НДС, развивающегося на протяжении нескольких минут (часов), с учетом факторов:
- наличие разрушенных и трещиноватых элементов здания;
- ослабление конструкционных элементов из-за действия повышенной температуры при горении остатков топлива и горючих материалов самого здания;
- ползучесть, которая сопровождает нагрев несущих конструкционных элементов и выход их напряженного состояния за пределы упругости;
- динамически «мягкое» ударное воздействие падающих обломков на оставшуюся часть здания.
6. Определение накопления поврежденности и последующего разрушения части зда-
Проведение такого комплекса расчетных работ представляется в настоящее время проблематичным.
Для оценки предельной несущей способности (стойкости) высотных зданий при ударе самолетом предлагается рассмотреть упрощенную постановку, которая сводится к двум задачам плоского деформированного состояния:
Задача 1. Расчет деформирования и разрушения части здания при динамическом воздействии.
Главным результатом решения такой ударно-волновой задачи должен стать расчет областей поврежденности и разрушения, являющихся исходной информацией для определения расчета полного (или частичного) разрушения здания при действии силы тяжести падающих обломков.
Задача 2. Расчет в плоском приближении величины напряженно-деформированного состояния и областей разрушения при низкоскоростном ударе по оставшейся нижней части здания другой, верхней частью здания.
Основной интерес здесь представляет оценка степени разрушения здания при заданных параметрах, к которым в первую очередь относятся:
• Размер и форма падающей верхней части здания;
• Скорость удара, определяемая размером полностью разрушенной части здания;
• Степень деградации деформационных и прочностных свойств материала конструкционных элементов при горении здания;
• Степень повреждения элементов конструкции, для которых характерна высокая концентрация напряжений и высокая степень поврежденности при действии динамических и тепловых нагрузок.
Вопросы, связанные с расчетом несущих железобетонных конструкций, находящихся под совместным воздействием динамических, ударных нагрузок и высоких температур до сих пор специально не рассматривались. Между тем, они могут оказаться наиболее неблагоприятными факторами для оценки риска при проектировании и эксплуатации высотных зданий.
Поэтому делать конъюнктурные выводы о действительных причинах обрушения Нью-Йоркских высоток (придерживаясь готовой официальной версии) без анализа такого комплекса вопросов преждевременно. Наши расчеты показывают, что башни ВТЦ не могли обрушиться только от удара самолета на такой высоте [4]. Отсутствие обоснованных методов расчета риска сдерживает рациональное проектирование высотных зданий.
Совместный анализ показателей безопасности и эффективности является необходимым условием для исследования функционирования системы в сфере безопасности, оценки качества и действенности мер, предпринимаемых с целью обеспечения безопасности и повышения её уровня.
В качестве показателя эффективности может быть выбрана величина относительного снижения риска за счет превентивных мер по обеспечению безопасности. Чем результативнее меры, тем больше будет значение показателя эффективности:
E - - (3)
s Rin '
где: Es — показатель эффективности мер по обеспечению безопасности; Rin — начальный риск без учета мер по обеспечению безопасности; Req — риск с учетом превентивных мер по обеспечению безопасности.
Представляется возможным решение следующих, имеющих определенное практическое значение, задач:
1.Обоснование необходимого объема затрат на безопасное функционирование строительного объекта при заданном уровне безопасности.
2. Определение необходимого объема затрат превентивных мер для перевода рассматриваемого объекта с одного уровня безопасности на другой, более высокий.
3. Определение уровня безопасности соответствующего наименьшему общему объему затрат, включающему расходы на превентивные меры, непосредственную защиту и восстановительные работы.
Основанная цель действующей системы обеспечения безопасности объекта -минимизация издержек от возможности проявления аварийности и иных негативных происшествий:
Mt\y + Z min , (4)
RET = f (...Mr [Y + Z ]...) > REfm
где мт [7 + 2] - математическое ожидание суммы ущербов У от техногенных происшествий на объекте и затрат на обеспечение безопасности 2 за определенный период т; ЯЕТ, ЯЕас1тт - достигнутая и приемлемая рентабельность производства за этот же период времени.
В процедуре обеспечения безопасной эксплуатации здания могут быть выделены по приоритету следующие основные задачи, которые непосредственно связаны с оптимизационным выбором и ранжированием мер предупреждения и ликвидации последствий техногенных происшествий:
lim , (5)
ВЕСТНИК
_2/20ГТ_МГСУ
Задача 1. При фиксированных ресурсах REadmT выбрать и реализовать такой набор мер безопасности {Z;} из m возможных {Zm}, внедрение которого максимально
снижает риск техногенного происшествия Rt = Mt [Y]:
ARr« f (...{Zj }...)-> max
-Z. < Z
Z UZm }
где ART - снижение риска техногенного происшествия при внедрении набора мер безопасности {Z;} на объекте;
Z. - совокупная стоимость внедрения i-oro комплекса мероприятии по обеспечению безопасности.
Задача 2. Минимизировав затратные ресурсы, выбрать такой набор мер безопасности {Z;} из m возможных, внедрение которого снижает риск техногенного происшествия RT до допустимого (приемлемого) уровня - R^nax
Zt < min
ARr= f (..., {Zj }...)< R™ (6)
{Zj bZ }
Важнейшим этапом в работе по оценке выявленных рисков в свете трактовки данного понятия законом о техническом регулировании является определение величины материального ущерба в результате возможных ЧС. Так риски ЧС можно выразить как произведение вероятности возникновения аварий на математическое ожидание связанных с ними ущербов
R ^ = Р ^ • U xc , (7)
где R4jc - интегральный риск многофакторной чрезвычайной ситуации; Р4jC - плотность распределения вероятности возникновения ЧС;
U xc - суммарный ущерб от многофакторной чрезвычайной ситуации.
Понятие «риск» для зданий и сооружений заключается в определении вероятности степени его обрушения и последствий от внешних и внутренних воздействий.
Степень обрушения сопрягается с локальным и прогрессирующим обрушениями.
Вероятность локального разрушения связана с вероятностью выхода из строя несущих конструкций. Вероятность процессов прогрессирующего обрушения связана с вероятностью разрушения несущих (ключевых) конструкций (стен, колонн и т.п.) на локальном участке. Количество и сочетания конструкций, выход из строя которых приводит сначала к локальному, а затем к непропорциональному разрушению, определяется расчетом.
Проверяются также различные сочетания выхода из строя конструкций на одном этаже, в смежных этажах, приводящие к локальному и прогрессирующему разрушений.
Вероятность локального разрушения - функция количества и сочетаний выхода из строя несущих конструкций. Вероятность прогрессирующего обрушения зданий - функция локальных разрушений.
Время от начала локальных разрушений до прогрессирующего обрушения должно обеспечить спасение и эвакуацию людей.
Ущерб от поражающего фактора может основываться на статистических данных. Одновременно с этим, учитывая то, что данных может быть недостаточно предлагается воспользоваться также функцией нормального распределения (функцией Гаусса).
/(х)= * е"^^, (8)
л12жа
где а и а- параметры распределения; х - размер ущерба; /(х) - плотность распределения вероятности ущерба х.
В этих условиях должны быть определены критерии риска (ущерба), превышение которых вызывает неприемлемое ухудшение экономических показателей деятельности предприятия. Таким образом, необходимо разрабатывать оптимальные решения по управлению рисками. В любом случае должен быть выработан такой механизм, при которой создание системы безопасности, становится не только обязательной, но и выгодной в сравнении с затратами.
При принятии решений о степени приемлемости техногенного риска следует: -оперировать не точечными оценками среднеожидаемых потерь, а доверительными интервалами вероятностей появления наиболее крупных и/или типичных техногенных происшествий или возникновения определенного прямого ущерба[7]; -наличие и использование четкого и однозначного алгоритма оценки техногенного риска с соответствующими допущениями и исходными данными;
-нормирование показателей техногенного риска с учетом фоновых значений и экономической эффективности установления более жестких критериев допустимости [6]; -целесообразность внедрения критериев допустимого и приемлемого риска в документы рекомендательного характера (стандарты, методические документы).
Мероприятия по повышению уровня безопасности объектов с учетом риска возникновения ЧС техногенного характера осуществляются в соответствии с принципами:
- приоритетной реализации противоаварийных мероприятий в проектах строительства (реконструкции) зданий и сооружений;
- локализации разрушений несущих конструкций при аварийных воздействиях и повышения общей устойчивости объекта;
- технико-экономической целесообразности проектных решений по повышению безопасности. Рациональный объем мер определяется из условия максимума отношения предотвращенного ущерба к затратам на осуществление мер защиты;
- комплексной оценки эффективности мероприятий, обеспечивающих снижение риска и смягчение последствий ЧС. В первую очередь реализуются те меры, которые приводят к наибольшему снижению риска при одинаковых затратах.
Очевидно, что соблюдение предлагаемых принципов и рекомендаций при проектировании и строительстве зданий направлено на минимизацию рисков, материального ущерба или убытков, а так же связанных с этим задержек. Из этого следует, что страхование, покрывающее строительные работы получило бы выгоду из условий, которые дают возможность Страховщикам, в случае необходимости, навязать требования рекомендаций, под угрозой приостановки или отмены денежного покрытия.
Литература
1. Булгаков С.Н., Тамразян А.Г., Рахман И.А., Степанов А.Ю. Снижение рисков в строительстве при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера. Под общей редакцией Тамразяна А.Г. Монография.- М.:МАКС Пресс, 2004.- 304стр.
2/2011 ВЕСТНИК _2/20U_МГСУ
2.ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. (Изменение № 1).
З.Онищенко В.Я. Классификация и сравнительная оценка факторов риска. //Безопасность труда в промышленности. 1997. №2.С.46-56.
4. Тамразян А.Г. Ресурс живучести - основной критерий проектных решений высотных зданий. Жилищное Строительство, №1, 2010г.стр.15-18.
5. Тамразян А.Г. «Риск анализ живучести здания при аварийных воздействиях. Известия Орловского государственного технического университета «Строительство. Транспорт» №4/16 (538) 2007г. стр. 113-115.
6.Колчунов В.И., Федоров B.C., Тамразян А.Г. и др. Безопасность объектов образования. Под общей редакцией Колчунова В.И. Монография. 0релГТУ,2010.- 316с.
7. Фролов К.В., Махутов Н.А. Проблемы безопасности сложных технических систем: Сб. избранных статей и докладов 2-й международной конференции «Безопасность и экология горных территорий», Владикавказ, 1995. - с. 12-18.
References
1. Bulgakov S.N., Tamrazyan A.G., Rahman I.A., Stepanov A.JU. Decrease of risks in building at emergency situations of natural and technogenic character. Under the general edition of Tamrazyan A.G. Monography. - M.:MAKS Press, 2004. 304p.
2. GOST 27751-88. Reliability of building designs and the bases. Substantive provisions by calculation. (Change № 1).
3. Onishchenko V. Ja. Classification and a comparative estimation of risk factors.//Safety of work in the industry. 1997. №2. p.46-56.
4. Tamrazyan A.G. Resource of Robustness - the basic criterion of design decisions of high-rise buildings. Housing construction, №1, 2010. p.15-18.
5. Tamrazyan A.G. «Risk analysis of Robustness of a building at emergency influences. News of the Oryol state technical university «Building. Transport» № 4/16 (538) 2007. p. 113-115.
6. Kolchunov V. I, Fedorov V. S, Tamrazyan A.G., etc. Safety of objects of education. Under Kolchunov V. I's general edition. Monography. Oryol GTU, 2010. 316p.
7. Frolov K.V., Mahutov N.A. Problem of safety of difficult technical systems: The collection. Selected articles and reports of 2-nd international conference «Safety and ecology of mountain territo-ries», Vladikavkaz, 1995. - p. 12-18.
Ключевые слова: риск, оценка, безопасность, стойкость, отказ, ущерб, динамические нагрузки, удар, эффективность затрат.
Keywords: risk, estimation, safety, stability, failure damage, dynamic loadings, impact, efficiency of expenses.
e-mail: tamrazian@mail.ru Рецензент: Парфенов С.Г., к.т.н., проф. БГИТА г. Брянск
