 |  | |||||
 УДК 699.8 О методике оценки живучести зданий и сооружений
Рассматривается методика применения экспертных систем для оценки живучести зданий и сооружений как геотехнических систем. В настоящее время десятки тысяч существующих гражданских и производственных объектов в стране остро нуждаются в реконструкции, модернизации, восстановлении в связи с высоким физическим и моральным износом, многие из них находятся в аварийном состоянии. При этом значительная часть сооружений эксплуатируется в зонах, подверженных ЧС природного и техногенного характера. Для таких объектов последствия ЧС могут оказаться катастрофическими. Поэтому разработка методики оценки живучести существующих зданий и сооружений по степени их повреждения, а также эффективных методов усиления объектов, поврежденных при ЧС, является весьма актуальной задачей. При этом под "живучестью" понимается способность здания и сооружения при получении повреждений сохранять свои эксплуатационные качества. В данном смысле "живучесть" используется как антоним термина "риск". Применительно к несущим системам в строительстве расчет конструкции на основе теории риска - суть расчет повышения ее живучести (надежности) путем снижения риска разрушения от различных воздействий. Новая техническая политика в строительстве предусматривает переход на международные стандарты, основным требованием которых является безопасность конечной продукции, то есть системы в целом. Принцип комплексной функциональной безопасности конечной продукции основан на универсальном подходе к оценке безопасности, закрепленном в международных стандартах. Таким образом, проблема живучести здания (сооружения) должна рассматриваться в рамках определенной геотехнической системы. Под "геотехнической системой" понимается совокупность взаимосвязанных на стадии проектирования и строительства, а также в процессе эксплуатации элементов - основания, фундаментов и надземной части здания (сооружения). Для существующих геотехнических систем наиболее актуальным является обеспечение их живучести в условиях уже заданного уровня теоретической, физической и нормативной надежности. Живучесть является одной из важнейших и наиболее сложных характеристик геотехнической системы. Она во многом определяется условиями эксплуатации системы и обусловливается изменчивостью во времени: внутренних свойств (материалов) и внешних условий (нагрузок и воздействий). Полное время эксплуатации геотехнической системы можно разделить на три периода: приработки, нормальной эксплуатации, интенсивного износа. Интенсивность отказов системы является при этом функцией времени ее эксплуатации. Мерой живучести рассматриваемой системы является вероятность ее безотказной работы в течение всего заданного срока - срока эксплуатации здания, сооружения. Так как элементы системы изначально имеют различную физическую надежность и к тому же находятся в различных условиях в процессе эксплуатации, обеспечить одинаковый уровень их безотказности на весь эксплуатационный период, заданный для данного типа сооружения практически невозможно. Безотказность характеризуется техническим состоянием системы и ее отдельных частей на момент специализированного обследования. В нормативных и методических материалах по обследованию зданий и сооружений техническое состояние строительных конструкций в основном определяется как:
Каждое из этих состояний характеризуется определенной совокупностью значений, параметров, качественных признаков. Основными факторами, которые позволяют объективно оценить уровень живучести геотехнической системы, являются полнота, точность и достоверность исходных данных для сравнительного анализа изменений в ее проектном и фактическом состоянии. Эти данные также необходимы учета в поверочных расчетах и проектировании капитального ремонта, усиления или реконструкции системы и включают:
Одной из наиболее острых проблем в проектировании и эксплуатации любой геотехнической системы является отсутствие четких критериев оценки ее живучести. Существующие методы проектирования не позволяют оценивать живучесть конструкции, а также проектировать их с заданным уровнем живучести. Применяемый при разработке проектов принцип проектирования элементов конструкций по равнопрочности приводит к опасному характеру разрушения конструкций в целом. В основу конструирования и расчета геотехнической системы должно быть положено не требование равнопрочности, а надежность каждого элемента в зависимости от его значимости в обеспечении безопасности системы в целом. Основываясь на опыте исследования работы сооружений, можно утверждать, что существуют зависимости между параметрами здания и вероятностными характеристиками реакций (математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение и т.д.). Это позволяет рассчитать реакции аналитически на базе экспериментальных данных. Живучесть зданий и сооружений при воздействиях ЧС природного и техногенного характера обеспечивается на основе комплексной оценки риска с учетом фактического износа конструкций, дефектов, повреждений и нелинейной работы материалов конструкций. Важно при обследовании поврежденных зданий и сооружений объективно оценить фактическое напряженно деформированное состояние конструкций и здания (сооружения). Разработка методики обследования конструкций по кодированной системе дефектов и повреждений позволит оперативно принимать решения по вопросам оценки технического состояния зданий и сооружений, пострадавших от последствий аварий и катастроф. В процессе специализированного обследования зданий и сооружений проводятся эксперименты в натурных условиях, включающие инженерные изыскания, испытания и измерения конструкций, анализ данных по геомониторингу, в том числе мониторингу среды эксплуатации и окружающей среды. На основе полученных данных разрабатывается модель, учитывающая реальную схему его работы, фактические геометрические и прочностные характеристики, которая позволяет выявить напряженно-деформированное состояние исследуемого объекта и закономерности изменений этого состояния на прогнозируемый период эксплуатации. В то же время зачастую необходима оперативная оценка технического состояния зданий и сооружений, позволяющая быстро принять решение по выработке и осуществлению страховочных или компенсирующих мероприятий, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности несущих конструкций. Это позволяет значительно снизить объем, уменьшить сроки и стоимость работ по специализированным обследованиям. Методика такой оперативной оценки по внешним признакам уже отработана и широко используется при экспертных обследованиях НИЦ "ТБЧМ" МЧС РК. В связи с этим требуется разработка дополнений и изменений к действующему СН РК 01.04-04-2002 "Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений", которые включат общую методику и единые критерии оценки технического состояния зданий и сооружений всех видов, включая специальные, по визуально наблюдаемым признакам. Для геотехнической системы основным видом живучести является конструкционная, характеризующая способность несущих элементов системы сопротивляться перегрузкам в чрезвычайных ситуациях и трактуемая как отсутствие в нем недопустимого риска аварии. Уровень конструкционной живучести считается достаточным, если фактический риск аварии объекта находится в области приемлемых значений. Границами такой области служат два стандартных значения риска: нормальное, являющееся допустимым значением риска аварии для новых (строящихся) зданий (сооружений), и предельно-допустимое значение, при достижении которого на объекте, находящемся в эксплуатации, следует произвести ремонтные работы с целью снижения риска аварии и продления его безопасного ресурса. Существует и третье стандартное значение риска аварии - предельное, при достижении которого физический (конструкционный) износ элементов системы становится предельным, а способность основания и/или несущего каркаса сопротивляться действующим нагрузкам практически исчерпывается. Область приемлемых значений риска аварии регламентирует уровень конструкционной живучести зданий и сооружений. Для ее практического применения необходима информация о величине фактического риска аварии, инструментом для измерения которого служит экспертная система, представляющая собой человеко-машинный комплекс, сочетающий математические методы и информационные технологии с опытом, знаниями и интуицией людей, освоивших профессию "эксперт". Инженерные приложения методик расчета риска аварии и безопасного остаточного ресурса геотехнической системы тесно связаны с процедурами оценки и регулирования уровня ее конструкционной живучести. Применение этих методик позволяет:
В 80% случаев аварии зданий и сооружений происходят в результате пересечения двух независимых негативных событий: события, состоящего в неожиданном появлении внешнего запроектного воздействия, провоцирующего аварию, и события, заключающегося в том, что при возведении и/или эксплуатации объекта допущена определенная совокупность человеческих ошибок, снизившая уровень его конструкционной безопасности. При аварии объекта размер ущерба зависит от величины внутреннего (объектного) риска аварии. Прогноз риска аварии геотехнической системы на основе классического вероятностного подхода невозможен по двум причинам. Во-первых, аварии таких систем являются весьма редкими событиями, а во-вторых, непредсказуемые человеческие ошибки, допускаемые в процессе проектирования, возведения и эксплуатации строительного объекта, вносят существенную неопределенность в реакцию (поведение) несущего каркаса объекта на внешнее воздействие. Поскольку риск аварии и степень неопределенности технического состояния геотехнической системы являются тесно связанными понятиями, оценка риска аварии должна осуществляться на основе логико-вероятностного подхода, базирующегося на теоремах теории вероятностей (теорема гипотез, теорема полной вероятности и др.), методах теории размытых множеств, приемах нечеткой логики и методах принятия решений в условиях неопределенности. Величины фактического риска аварии, физического (конструкционного) износа и безопасного ресурса геотехнической системы также взаимосвязаны. Для определения этих величин должен использоваться закон распределения риска аварии, являющийся интегральным показателем уровня живучести геотехнической системы. Если такой закон известен, то по значению его наиболее представительного показателя - информационной энтропии можно судить о степени неопределенности технического состояния системы. По изменению скорости роста этой энтропии можно отыскать такие значения риска аварии, при которых, в частности, несущий каркас строительного объекта переходит в качественно иное состояние: из безопасного в аварийное, а из аварийного в ветхо-аварийное. Прогноз и оценка риска аварии геотехнической системы осуществляются на основе экспертной системы, представляющей собой человеко-машинный комплекс, сочетающий математические методы и информационные технологии с опытом, знаниями и интуицией людей, освоивших профессию "эксперт". В рамках экспертной системы основной функцией эксперта является предоставление формализованной информации о техническом состоянии исследуемой системы. Эта функция требует от эксперта владения методами анализа предельных состояний несущих конструкций и методом принятия решений в условиях неопределенности. Важной функцией эксперта является оценка точности и достоверности результатов прогноза риска аварии, поскольку точность принятого решения о фактическом уровне конструкционной безопасности исследуемого объекта и величине его безопасного остаточного ресурса имеет прямые экономические последствия. В условиях рынка функцией эксперта становится еще и информационное обеспечение заказчика. Например, заказчику, прежде чем вкладывать деньги в реализацию технических решений по снижению риска аварии, необходимо знать, насколько повысятся уровень безопасности и ресурс принадлежащего ему объекта в результате проведенных ремонтно-восстановительных мероприятий. В случае же аварии объекта к функции эксперта относятся выяснение причин аварии и определение круга лиц, которым предстоит нести за нее ответственность. Эта функция требует от эксперта углубленных знаний законов юриспруденции. Предлагаемые методики безопасно-ориентированных расчетов живучести, и методики обследования и усиления зданий и сооружений, рассматриваемых как определенные геотехнические системы, предполагают значительный экономический эффект, так как ориентированы на снижение ущерба от аварий и катастроф, внедрение безопасных технологий, повышение инвестиционной привлекательности и безопасности проекта. По результатам исследований будут представлены программные комплексы "ЧС - ЭКСПЕРТИЗА ЗиС" для диагностирования дефектов и повреждений, "ЧС - ОЦЕНКА ЗиС" для оценки технического состояния зданий и сооружений", а так же "Рекомендации по повышению живучести ЗиС на ЧС" для оценки живучести зданий и сооружений при ЧС, "Альбом типовых решений усиления" для усиления зданий и сооружений. Указанные методики являются частью разрабатываемой общей методики оценки живучести зданий (сооружений).
| ||||||
 |  |
