Обеспечение безопасности и снижение рисков в геотехническом строительстве

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И СНИЖЕНИЕ РИСКОВ В ГЕОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Д.Ю. Чунюк

В последние десятилетия в Москве активно ведутся строительные работы в пределах плотной городской застройки, застраиваются любые свободные участки земли, особенно если они находятся в центральной части города. Параллельно с возведением новых зданий проводиться снос ветхих строений, реконструкция существующих зданий, с увеличением их этажности и с развитием подземной части, а так же продолжение возведения некогда недостроенных "брошенных", не законсервированных и длительное время не эксплуатировавшихся зданий и сооружений. В связи с этим, помимо проблем экологического характера, связанных с уменьшением площади скверов, дворов, газонов, близким (зачастую недопустимым) расположением соседних зданий, возникают проблемы технические, проявления признаков новых деформаций в конструкциях ранее построенных и реконструируемых зданий, изменение свойств грунтов, гидрогеологических условий и т. д. Как правило, положение в современном строительстве складывается таким образом: "заказчик" хочет быстро и не дорого получить минимум информации по инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям, развитию неблагоприятных процессов, состоянию ближайших строений, и как можно быстрее приступить к проектированию и работе на объекте, рассчитывая, в дальнейшем, подкорректировать проект в зависимости от возникших проблем. И в процессе строительства сталкивается с проблемами, которые ведут к значительному удорожанию объекта и зачастую к потере инвестиционной привлекательности. Основная часть этих проблем связана, как раз с работами по возведению "0" циклов зданий, то есть с геотехническими работами, так как эти работы являются самыми трудоемкими и дорогостоящими.

Статистика показывает, что в 80% случаев строительных аварий с обрушением несущих конструкций объекта происходит в результате человеческих ошибок, допущенных при проектировании, возведении и эксплуатации зданий и сооружений. Эти ошибки формируют внутренний (объектный) риск аварии, от величины которого зависит не только срок службы объекта, но и размер ущерба в случае его аварии. Рост числа аварий и катастроф с участием строительных объектов требует создания адекватной потенциальной угрозе систему обеспечения безопасности в геотехническом строительстве.

Для конечной строительной продукции (зданий, строений и сооружений) основным видом безопасности является конструкционная, характеризующая способность зданий и сооружений сопротивляться перегрузкам в чрезвычайных ситуациях. В соответствии с Федеральным Законом «О техническом регулировании» такая безопасность трактуется как отсутствие недопустимого риска аварии. Уровень конструкционной безопасности считается достаточным, если фактический риск аварии объекта находится в области приемлемых значений. Границами области служат два стандартных значения риска: нормативное, являющееся максимально-допустимым значением риска аварии для строящихся зданий (сооружений), и предельно-допустимое значение, при достижении которого на эксплуатируемом объекте 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 объекта становится предельным, а способность несущего каркаса сопротивляться действующим нагрузкам исчерпывается.

Риск - векторная величина, регулируемой составляющей которой является объектный риск, формируемый за счет ошибок проектировщиков, поставщиков, строителей, контролеров и др. К нерегулируемым составляющим риска аварии относятся вероятности возникновения внешних непроектных воздействий на объект, различающиеся по частоте проявления и мощности. Экономическими составляющими риска аварии являются затраты на обеспечение конструкционной безопасности, убытки от аварии и выгода от снижения внутреннего риска.

В ~ 80% случаев аварии зданий и сооружений происходят в результате пересечения двух независимых негативных событий: события, состоящего в неожиданном появлении внешнего непроектного 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 адекватен величине внутреннего (объектного) риска аварии.

Оценка внутреннего (объектного) риска аварии на основе классического вероятностного подхода невозможна по двум причинам. Во-первых, аварии зданий и сооружений 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. Степень неопределенности и риск аварии объекта - тесно связанные понятия. 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.

Причины дефектов строительных конструкций

Механические воздействия

Целенаправле нные нарушения сплошности

Случайные нарушения сплошности

Коррозия материалов

Влажностная коррозия

Химическая

коррозия

Морозная коррозия

Электрохимическ ая коррозия

Другие виды коррозии

Нарушения расчётной схемы работы конструкции и сечения при изготовлении и эксплуатации

Изменчивость технологических параметров

Изменения условий опирания и соединения конструкций между собой при монтаже

Целенаправленное изменение расчётной схемы конструкций и сечения при ремонтах

Замена материалов и конструкций при изготовлении и эксплуатации

Замена марок и классов бетона и арматуры при изготовлении

Замена конструкций при монтаже и реконструкции

Замена материалов и

конструкций, создающих нагрузку на расчётный элемент

Неквалифицированно е решение строительных вопросов

Несоблюдение норм проектирования

Отсутствие проекта при строительстве

Строительство неквалифицированным и кадрами

Неквалифицированная эксплуатация

Величины фактического риска аварии, физического (конструкционного) износа и безопасного ресурса зданий и сооружений взаимосвязаны. Для определения этих величин используется закон распределения риска аварии, являющийся интегральным показателем уровня конструкционной безопасности строительного объекта. При известном

законе распределения фактического риска аварии степень неопределенности технического состояния объекта оценивается величиной информационной энтропии, являющейся наиболее представительным показателем этого закона. Закон распределения и показатель его информационной энтропии позволяют отыскать не зависящие от конструктивного решения здания (сооружения) стандартные (инвариантные) значения риска аварии, из которых формируется технический регламент конструкционной безопасности строительных объектов.

Все это говорит о неопределенности ситуации в современном строительстве и разобщенности процессов проектирования, непосредственно производства работ и необходимости регулирования безопасности объектов.

Цель регулирования - продление безопасного ресурса сооружения. Первым и необходимым этапом регулирования является диагностика технического состояния несущего каркаса объекта. Вначале ремонтными работами необходимо обеспечить безопасность несущих конструкций нулевого цикла, затем приступить к ликвидации критических дефектов в неблагополучных группах конструкций несущих каркасов этажей. В случае если фактический риск аварии находится в области неприемлемых рисков, необходимо прежде, чем начать ремонтные работы, предусмотреть специальные меры безопасности, обязательной из которых является приостановка эксплуатации объекта.

Основным способом снижение риска аварии является ликвидация критических дефектов в реально существующих конструкциях. Если ликвидировать дефекты в конструкции не удается по техническим причинам или экономическим соображениям, то следует применить дублер-конструкцию, заменяющую и исполняющую функции существующей конструкции в составе несущего каркаса объекта. В этом случае речь уже идет не о снижении риска, а о его поглощении дублер-конструкцией (монолитные пояса жесткости, шпренгельные системы и др.). При этом любое техническое решение по снижению или поглощению риска аварии конкретного объекта должно в обязательном порядке пройти две стадии: расчетную и проектную.

Одним из важнейших принципов регулирования уровня конструктивной безопасности является прогноз ожидаемой ситуации риска аварии объекта и его безопасного ресурса после завершения ремонтно-восстановительных работ. Такой прогноз позволяет, во-первых, убедиться в правильности принятых технических решений, а во-вторых, информирует заказчика о возможном позитивном результате регулирования и, следовательно, стимулирует его вкладывать средства в ремонтные работы.

Методика технического регулирования уровня конструкционной безопасности зданий содержит следующие основные этапы:

1. Осуществляется диагностика технического состояния конструкций несущего каркаса здания и оценка соответствия фактического риска аварии объекта предъявляемым к нему требованиям по конструкционной безопасности;

2. Проводится расследование причин снижения уровня конструкционной безопасности объекта и принимаются технические решения по усилению его конструкционных элементов. Эти решения проходят расчетную и проектную стадии, учитывающие роль усиливаемых элементов в системе «основание - несущий каркас»;

3. Формируется оптимальная стратегия ремонтно-восстановительных работ и рассчитываются ожидаемые после их проведения уровень риска аварии и безопасный ресурс.

4. Если намеченный риск аварии после восстановительных работ на объекте не достигнут, процедура технического регулирования на объекте возобновляется до достижения запланированного уровня его конструкционной безопасности.

Теория безопасности строительных объектов включает следующие понятия и определения:

1. Объекты строительные - здания, строения и сооружения, предназначенные ля безопасного пребыванияи безопасной жизнедеятельности людей. Для строительных объектов базовым видом безопасности является конструкционная, характеризующая степень защищенности объекта от обрушения его несущих конструкций при возникновении непроектных и непредвиденных внешних воздействий.

ь.

2. Безопасность-конструкционная часть промышленной безопасности, связанная с техническим состоянием конструкций несущих каркасов строительных объектов. Трактуется как отсутствие недопустимого риска аварии. Считается достаточной, если риск аварии строительного объекта находится в области приемлемых значений.

3. Авария строительного объекта - абсолютное предельное состояние объекта, соответствующее либо полному разрушению конструкций несущего каркаса, либо возникновению значительных деформаций или потере устойчивости вида деформации конструкций. Достижение таких состояний может привести к полной физической непригодности объекта, значительному материальному ущербу и даже к гибели людей.

4. Риск аварии - число, равное отношению фактической вероятности аварии к ее теоретической величине, вносимой по умолчанию в объект при его проектировании. Является мерой ожидаемого ущерба в случае аварии объекта строительства.

5. Регламент конструкционной безопасности - совокупность стандартных показателей безопасности, включающая стандартные значения риска аварии и стандартные уровни надежности конструкций несущего каркаса объекта.

6. Надежность несущей конструкции - степень соответствия конструкции требованиям проекта в части обеспечения ее прочности, жесткости и устойчивости.

7. Область приемлемых значений риска аварии - основная часть технического регламента, накладывающая ограничения на величину фактического риска аварии строительного объекта. Границами области являются стандартные значения риска аварии: нормативное и предельно-допустимое.

8. Декларирование - форма подтверждения соответствия объекта требованиям технического регламента на различных стадиях его жизненного цикла. Цель декларирования на стадии проекта - выявление в проекте грубых ошибок и последующее их устранение. Включает определение условий, при которых требованиям регламента будет отвечать конечный продукт. Применяется для технически сложных, особо опасных и уникальных зданий и сооружений.

9. Грубая ошибка - действие участника строительства (эксплуатации) объекта, заключающееся в непреднамеренном отступлении при производстве работ от обязательных требований безопасности. Следствием человеческих ошибок является снижение уровня конструкционной безопасности объекта.

10.Сертификация соответствия - процедура испытания строящегося объекта с целью подтверждения соответствия фактического риска аварии нормативному значению. При сертификации производится отслеживание и устранение грубых ошибок, допущенных при возведении конструкций несущего каркаса строительного объекта.

11. Физический (конструкционный) износ объекта - число в интервале от 0 до 1, характеризующее степень деградации конструкций несущего каркаса строительного объекта под действием системоразруающих факторов (дефекты, старение, коррозия, усталость и др.).

12. Безопасный остаточный ресурс объекта - интервал времени эксплуатации строительного объекта от текущего момента до момента достижения риском аварии объекта предельно-допустимого значения.

13. Энтропия риска (информационная) - мера неопределенности технического состояния несущего каркаса строительного объекта.

Понятие геотехнические риски все чаще и чаще встречается в различных статьях и докладах, но, как правило, в них затрагивается только одна из проблем геотехнического строительства, а чаще всего освещаются проблемы, которые по большому счету к геотехнике не имеют никакого отношения. Одним из основных факторов снижения геотехнических рисков должно являться геотехническое сопровождение.

Современное геотехническое сопровождение должно начинаться с первого шага строительного процесса - оценки инвестиционной привлекательности объекта или технико-экономического обоснования. И должно включать в себя:

• Предпроектное инженерное обследование площадки строительства и соседних зданий, попадающих в зону возможного риска;

• Геотехнический прогноз возможных деформаций зданий в процессе ведения работ по реконструкции здания или строительства нового в сложившейся застройки и в период дальнейшей эксплуатации;

• Переход от расчета здания в целом к моделированию всей стадийности его возведения с контролем изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива;

• Моделирование наиболее опасных ситуаций, расчет взаимовлияния, на стадии проектирования, включая проект организации и производства работ;

• Расчеты по предельным состояниям системы "основания, фундаменты, надземные конструкции";

• Проектирование в случае необходимости усиления конструкций здания (включая фундаменты и грунты их основания);

• Геотехническое обоснование применения различных технологий устройства оснований и фундаментов подземных и заглубленных сооружений;

• Научное сопровождение сложных технологий;

• Геотехнический и геоэкологический мониторинг на стадии производства строительных работ;

• Контроль качества работ при геотехническом строительстве.

Примерный перечень грубых ошибок проектировщиков

№ Описание возможных грубых ошибок проекта

1. Принятые в проекте физико-механические характеристики грунтов не соответствуют действительному состоянию основания. Отсутствуют лабораторные испытания образцов грунта с ненарушенной структурой

2. При выборе расчетной модели основания инженерно-геологическими изысканиями не выявлены и не учтены характерные зависимости деформирования грунта под нагрузкой

3. Размеры фундамента и положение масс на плане объекта не обеспечивают равномерность осадок

4. Расчетная схема несущего каркаса не соответствует действительной его работе под нагрузкой. Не обеспечена геометрическая неизменяемость расчетной схемы.

5. При вводе исходных данных в программу допущены ошибки в размерностях и величинах нагрузок, сопротивлений, жесткостей. Низкая степень доверия к программе расчета.

6. Несоответствие запроектированных узловых соединений элементов каркаса принятой в расчетной схеме жесткости узлов.

7. Связевые конструкции не обеспечивают требуемой жесткости каркаса объекта.

Исходя из вышесказанного, встает вопрос о необходимости разработки системы требований, адекватных современной строительной ситуации и содержащих подробный и строгий регламент по всем этапам геотехнических и строительных процессов, как при реконструкции, так и новом строительстве особенно в условиях уплотненной городской застройки.