Влияние качества строительства на риск аварий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624: 001: 25

В. Г. тишин

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА НА РИСК АВАРИЙ

Рассмотрены принципы описания факторов влияния качества проектирования, строительства и эксплуатации здании и сооруэ/сении па риск аварии в процессе э/сшнедеятельности строительных объектов.

За последнее время участились случаи аварий строительных объектов, которые построены 1-2 года назад. Анализируя это положение, отмечаем, что эти аварии приходятся на так называемый «период приработки» [1], когда уровень риска повышается. В этот период комплексно обостряются опасности, связанные и с недостатками проектирования объекта в целом, конструкторских проработок, и с недостатками, связанными с реализацией строительного процесса.

Низкое качество производства работ при

0

возведении зданий и сооружений является причиной свыше 70% аварий. При этом около половины аварий происходит во время строительства объектов, (что ,как правило, в статистику аварий не попадает), а 20% - на готовых, но не сданных в эксплуатацию, по тем или иным причинам, объектах.

Основными причинами аварий являются: низкое качество строительно-монтажных работ; ошибки, допущенные в проектных решениях; неоправданная экономия материалов; низкая квалификация проектировщиков, производителей работ, авторского надзора и эксплуатационного технического персонала; неучтённые при проектировании нерегламентированные воздействия (стихийные бедствия и др.).

Факторы, вызывающие деформации зданий и сооружений, могут быть двух видов:

- потеря общей устойчивости;

- повреждение отдельных элементов.

Производственные факторы первого вида

заключаются в несоблюдении технических условий и правил производства работ на строительстве, которые вызывают деформации сооружения в целом.

Производственные факторы второго вида определяются преимущественно поставкой конструкций, изделий, полуфабрикатов и материалов, качество которых не соответствует требованиям государственных стандартов, и низким ка-

чеством монтажа конструктивных элементов сооружения, которые деформируются во время строительных работ или при эксплуатации сооружения.

Следует иметь в виду, что даже некоторые допускаемые строительными нормами отклонения могут привести к нежелательным последствиям. К таким отклонениям можно отнести относительно незначительные неравномерные отступления от проектных решений, требований строительных норм и государственных стандартов, снижающие качество строительства объекта. Накопление отклонений и отдельные значительные отклонения могут привести к разрушению части конструкций или всего объекта в целом.

Увеличение числа аварий зданий и сооружений, вызванных дефектами строительства, проектирования, эксплуатации и экстремальными внешними воздействиями, требует глубокого анализа и принятия действенных мер, позволяющих сократить количество аварий или хотя бы облегчить последствия.

Несмотря на значительное количество документов, нормирующих проектирование (конструктивное и технологическое), нередки ещё случаи нерасчётных ситуаций. Эти ситуации обусловлены различными причинами. Для того чтобы их предусмотреть и принять соответствующие меры (особенно на сложных и уникальных объектах), требуется проведение экспертизы безопасности, наряду с экспертизой экологической.

В процессе проведения экспертизы безопасности основное внимание должно уделяться анализу возможных сценариев возникновения чрезвычайных ситуаций.

При выявлении возможных источников опасности, определении критериев приемлемого риска и готовности эксплуатирующей организации к ликвидации аварийной ситуации необходимо провести:

В. Г. Тишин, 2004

• анализ факторов и источников, обусловливающих аварии природного и техногенного характера, схем и процессов протекания аварий, имевших место на объектах-аналогах;

• обоснование методов (физико-математических моделей и методов расчёта), применяемых для оценки опасностей и прогнозирования развития аварийных ситуаций;

• оценку прогнозируемого риска для различных сценариев развития аварий и комплексной оценки рисков аварий в целом;

© определение возможных негативных последствий аварий с учётом их вероятности;

• общую оценку безопасности на основе комплексного анализа результатов инженерных расчётов с использованием вероятностных методов или методов экспертных оценок.

Выбор рационального конструктивного варианта объекта по критерию риска имеет смысл в том случае, если этот критерий неоднозначно реагирует на изменение аргументов в допустимых пределах.

Обобщающим аргументом меры риска, очевидно, можно представить затраты С0, идущие на строительство здания (сооружения), в том числе на обеспечение его безопасности, и затраты Си идущие на снижение ущерба в случае возникновения аварийной ситуации. При этом подходе вопрос управления риском следует рассмотреть как решение оптимизационной задачи распределения средств [2].

В качестве целевой функции при этом рассмотрении принимаем величину риска в виде отношения прямых и косвенных затрат, с учётом затрат на предотвращение ущерба, к экономической полезности объекта.

I г

С0,+О(Г,С0)\Се(х)с1х+ ¡С, (х)ск

Я(С0,С^)=-5-7-*-+

О

I э /

О

В формуле (1) приняты следующие обозначения:

С0- затраты на строительство; Сь 1:- расходы на предотвращение ожидаемого ущерба; Сс(1)

- эксплуатационные расходы на момент 1:; иСр (1;)

- доля прибыли, которую можно израсходовать на обеспечение безопасности объекта; М(1) - потенциальны й ущерб, наносимый окружающей среде, населению и экономике; т(С]. О - стои-

мость предотвращённого ущерба; 0(t,C0) - вероятность возникновения аварии на объекте (ненадёжность, уязвимость); P(t,C°) - вероятность безотказной работы объекта в течение времени t (надёжность); W (t,C0) - вероятность нанесения ущерба M(t) при аварии на момент t (период эксплуатации).

S(t) (C0)+C3(t)+C|(t) - необходимые затраты на строительство, эксплуатацию объекта, на ликвидацию последствий аварий, если они перерастут в чрезвычайную ситуации.

Суть этой рассматриваемой оптимизационной задачи сводится к нахождению оптимального соотношения между Cit и С0> которое составит минимум величины риска R (t,Ci,C0), с учётом времени эксплуатации (t), надёжности конструкций в зависимости от качества их изготовления и качества монтажа О (t,C0).

Оценим большинство аварий в строительстве как относительный потенциальный экономический ущерб заказчика (инвестора), которые произошли но причинам, связанным с качеством на разных стадиях создания объекта:

• при инженерных изысканиях (недостаточно детальное изучение геоэкологических условий площадки строительства);

® при проектировании (недостаточный учёт отклонений при формировании нагрузок и воздействий, принимаемых в расчётах, и неучёт характера эксплуатации этих объектов);

© при изготовлении строительных конструкций в заводских и построечных условиях;

© при монтаже на строительной площадке (низкое качества монтажа и других видов строительных работ);

о неучёт при проектировании сооружения уровня эксплуатации создаваемого объекта.

Риск в этих случаях имеет право на количественную оценку только в том случае, если рассматривается стохастический процесс и лицо, принимающее решение, имеет возможность выбора того или иного варианта принятия решения, в том числе и отказа от него.

Таким образом, в рассматриваемом контексте стохастичность процесса будет определяться, вероятностью О (t, к) выхода конкретного параметра или К-параметров за установленные пределы в течение времени t, отсчитываемого от начала строительства (функция ненадёжности или уязвимости).

В условиях принятых допущений математическое ожидание дополнительных затрат на ремонт или замену конструкций определяется функцией

Ср (t, С0, к) = О (t,k)- Cp(S0k), (2)

где

Cp(Sok)

сто и м ость рем о итно-

восстановительных работ; Эо _ предел (допуск) смещения; { - текущее время; к - допустимое число случаев выхода смещений за установленные пределы при монтаже и по другим причинам.

Рассмотрим вопросы качества проектирования, связанные с использованием совершенных и более достоверных методик. Обозначим через Рм (См) вероятность того, что в ходе научных исследований и проектирования была использована новая расчётная система с высокой степенью достоверности Рм (См) = 1, степень её совершенства зависит от количества средств СМ) выделенных на разработку проекта; Рг (Сг) - достоверность инженерно-геологических изысканий и физико-механических свойств грунтов площадки строительства, которые определяются средствами Сг выделяемыми на изыскательские работы; Рс (Сс) - вероятность того, что строительно-монтажные работы выполнены в соответствии с проектной документацией. Значение этой вероятности зависит от средств Сс выделенных на строительно-монтажные работы.

Таким образом, оценку затрат заказчика, определяемых недостаточным количеством работ по всем, исполнителям объекта, от которых зависит живучесть строительной системы, можно записать: г п г п

с *0 = См [1 - Р„ (С.„)] + С, [1 - Я, (С,)]+ + Сс[1-Рс(Сс)]. (3)

Определим целевую функцию риска Фг(1:, Эо, К) в виде количественной меры при фиксированных $0 и К

ф (0 =

с +с т °р

с +с

^ ^Р

+ Cr(l-PrCr) + Ce(\-PcCc) + Q(t)-C

Р

(4)

Анализируя формулу (4), видим, что числитель её представляет из себя математическое ожидание ущерба, наносимого заказчику в аварийной ситуации, а знаменатель - затраты на строительство и затраты на ремонтно-восстановительные работы.

Предположим, что инвестор располагает средствами в объёме УС, которые формируются следующим образом:

С = С0+СР = См + Сг+ Сс+ Ср. (5)

С целью минимизации риска рассмотрим подход к оптимальному распределению для конкретного параметра 1; — времени от начала

строительства. При этом минимум функции ФГ(Ч, См СГ| Сс) можно записать:

0>r(t, С*м* С*, С"с) - mm Or(t, См ■ С, Сс), (б) где С*м t С*, С*е - реальные затраты при конкретном значении t.

Проводя минимизацию затрат по формуле (6), необходимо помнить, что цена излишней экономии приводит к снижению качества, для реализации которого впоследствии потребуются значительные затраты, в отдельных случаях грозящие потерей объекта.

Проанализируем функцию 0(t), входящую в формулу (4), которая определяет вероятность возникновения аварийной ситуации в различные моменты периода эксплуатации здания (сооружения).

Эта функция является функцией риска аварии - нанесение ущерба Q(t) = 1 - P(t), дополняющая P(t) до единицы и характеризующая вероятность отказа (разрушения) конструкции, части объекта или всего объекта.

Опыт показывает, что после небольшого начального периода эксплуатации (приработки) функция надёжности может быть описана в виде экспоненциального распределения [1,2]

P(t) = ехр[Х(т)], (7)

где А.(т) - интенсивность отказов, равная вероятности того, что по истечению времени т-нормативного ресурса авария произойдёт в последующем малом отрезке времени.

На практике также выявлено, что после приработки функции A.(t) длительный период она достаточно стабильна (A.(t) = const).

Математическое ожидание нормативного срока службы здания (сооружения) - ресурса (или наработки на отказ) можно записать

0 - 1/ЭД.

Функцию риска можно записать в виде

Q(t)= 1 - ехр(1 - л/0 ). (8)

При функции надёжность в виде (7) частота отказов в системе однотипных конструкций (поток случайных событий) соответствует дискретному распределению Пуассона:

А/и"

<2(N, X, т) = —— ехр(-Хт);

N\

N = 0, 1,2,3,.......Хт>0. (9)

Согласно этой формуле аварии на временном интервале x(t, t + т) произойдут N раз с вероятностью Q(N, Ад), а отсутствие аварийных ситуаций (отсутствие отказов) соответствует вероятности.

Q(N, at) = ехр(-лт). (10)

Рассмотрим подход к формированию отказов с привлечением модели, учитывающей неко-

торые физические процессы, полагая, что аварии на строящемся и эксплуатирующемся объекте могут возникнуть в результате накопления отдельных повреждений - У, при достижении некоторого предельно допустимого состояния М.

Процесс накопления повреждений, например, фиксируется функцией т] ({:), а отказ наступает при условии т](1) > М, при числе элементарно М

ных повреждении Z = —.

У

Для объектов с высокой однородностью начального (после начала строительства) качества, которое определяется жёстким контролем состояния материалов и технологий строительства, что обычно реализуется при строительстве однотипных конструкций в одинаковых условиях, расчёт вероятности отказа (аварий) возможен с использованием модели монотонно стареющих систем, т. е. с накапливающимися повреждениями, на основе гамма-распределения по времени (Т) функционирования:

= —7— А,2 Г ехр(ХГ), (11)

Г(2)

где Г(г) - гамма-функция,

X = у"1 • с!М [л(1)]/с11 - скорость износа ответственных несущих элементов здания (соо-оружения).

Для целых значений (г) гамма-функцию запишем Г(г) - (2-1)!, X - средняя скорость износа и функция гамма-распределения имеет вид

2(ЛГД, Д) = 1 - ^ Ц^ехр(ХТ) =

*=о !

= 1 - ехр(-А,Т)[1 + аТ + (ХТ)2 /2!+....

+ )!], (12)

при 2=1 выражение (12) соответствует плотности экспоненциального распределения (мгновенный выход конструкции из строя при однократном повреждении).

Один из методов определения параметров X и ъ основан на данных о времени безотказной работы х\ для N однотипных объектов.

Прогноз аварийности объектов, эксплуатируемых после истечения срока службы, возможен и на основе распределения Вейбулла

Щ = ехр[(Хтр) % при ((З>0)3 (13)

обобщающего экспоненциального распределения при (3=1; здесь параметр (3 характеризует

изменение интенсивности отказов, например, за счёт старения конструкций. Сложность практического применения формулы (13) заключается в ограниченности данных по параметру (3, что будет рассмотрено в других работах.

Параметр (3 характеризует изменение интенсивности отказов, например, за счёт старения конструкций зданий и сооружений, качества монтажа и эксплуатации во времени.

В заключение отметим, что критическими параметрами состояния являются предельные деформации (Э пр), которые являются границей риска. Определение вероятности 0(1) возникновения опасных (аварийных) ситуаций для различных заданных пределов (в том числе стареющих систем, т. е. с накапливающимися повреждениями во времени).

Аварии на строительном объекте образуются в результате накопления числа повреждений как отдельных элементов, при достижении ими некоторого предельного допустимого износа, так и суммарного износа. Процесс накопления повреждений может фиксироваться функцией ухудшения параметров отдельных элементов, что вызванного качеством изготовления, монтажа и режимом эксплуатации, а также достоверностью некоторых данных, используемых при проектировании.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ЬТишин, В. Г. Обоснование применимости нечётких множеств при оценке и прогнозировании повреждений и степени риска эксплуатируемых зданий и сооружений // Вестник УлГТУ. -2003. -№ 3-4. - С. 69-74.

2. Альхименко, А. И. Безопасность морских гидротехнических сооружений / А. И. Альхименко, Н. Д. Беляев, Ю. Н. Фомин. -СПб.: Изд-во «Лань», 2003. - 288 с.

Тши ин Вал ер и й Гр агор ь ев и ч, кандидат технических наук доцент. доцент кафедры «БЖД} экология и химия» УлГТУ. Имеет монографию, учебное пособие, отраслевые нормативные документы, изобретения и статьи в области обеспечения надёжности и безопасности при эксплуатации зданий и сооружений, возводимых в. сложных геоэкологических условиях.