Метод контроля проектного риска аварии

УДК 69.059 МЕЛЬЧАКОВ А. П.

Метод контроля проектного риска аварии

В статье рассматриваются проблемы контроля проектного риска аварии объекта на предстроительной стадии, когда проект уже готов, но еще не запущен в производство. Автором установлено ограничение на величину максимально допустимого проектного риска аварии строительных объектов и разработан метод его контроля.

Ключевые слова: ошибки проектирования, проектный риск аварии, максимально допустимое значение риска. MELCHAKOV A. P.

METHOD FOR CONTROLLING PROJECT RISK OF ACCIDENT

The article considers the problem of controlling the project risk to the object of the accident predstroitelnoy stage when the project is ready but not yet put into production. The author has set a limit on the maximum design accident risk construction sites and developed a method for its control.

Keywords: errors of designed, designed failure risk, maximum allowed risk of failure.

Мельчаков

Анатолий

Петрович

доктор технических наук, профессор кафедры строительной механики ЮУрГУ, г. Челябинск

e-mail:

profmelchakov@gmail.com

Ошибки, допущенные при проектировании и возведении объекта, — это главные опасности для его конструкционной безопасности, отражающей способность здания сопротивляться не только проектным, но и непроектным внешним воздействиям. Наибольшая угроза исходит от ошибок проекта, в совокупности формирующих величину проектного риска аварии объекта. Пока проектный риск существует на бумаге, он не представляет опасности, но при возведении объекта и особенно при его эксплуатации опасность проектных ошибок начинает возрастать. По существу, проектный риск аварии объекта — это бомба замедленного действия, как, например, в случаях резонансных аварий зданий аквапарка «Трансвааль» и Басманного рынка в Москве. Причина этих аварий — нарушение основных положений строительной механики при проектировании. Конструктивные схемы каркасов и аквапарка, и рынка оказались близкими к мгновенно изменяемым системам, применение которых в качестве несущих систем

строительных объектов сопряжено с высоким риском их аварийного обрушения. Высокая опасность проектных ошибок подтверждается и зарубежной статистикой [3], из которой следует, что, когда ошибаются проектировщики, последствия аварий почти всегда катастрофические.

Контроль проектного риска аварии объекта должен осуществляться на предстроительной стадии, когда проект уже готов, но еще не запущен в производство. Проектирование - это тоже строительство объекта, но только «виртуальное». Поэтому для оценки проектного риска аварии Е можно воспользоваться математической моделью из [1]:

К = рф1рш = V П",,

где Рф - фактическая вероятность аварии;

Рт - теоретическая, заложенная в нормы проектирования вероятность аварии; п - показатель надежности г-й стадии проекта.

Таких стадий в проекте девять, они приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Стадии проектирования строительного объекта

№ п/п Стадия проекта Показатель надежности

1 Организация процесса проектирования V1

2 Исходные данные для проектирования объекта V2

3 Нагрузки и воздействия на объект V3

4 Расчет конструкций несущего каркаса объекта V4

5 Проектирование фундамента V5

6 Проектирование несущего каркаса объекта V6

7 Проектирование связевых конструкций V7

8 Выбор материалов V8

9 Решение узловых соединений V9

Стадия проекта Номер опасного проектного решения

Организация процесса проектирования 1.1. Нет личностных (персональных) лицензий на право проектировать сложные в инженерном отношении объекты

1.2. Регулярная внутренняя проверка качества проектов отсутствует

Исходные данные для проектирования объекта 2.1. Физико-механические характеристики грунтов основания не соответствуют действительному состоянию основания; лабораторные испытания образцов грунта отсутствуют

2.2. При проведении инженерно-геологических изысканий не выявлены и не учтены характерные зависимости деформирования грунта под нагрузкой

2.3. Нет оценки гидрогеологической ситуации на участке до начала работ, нет ее прогноза после завершения работ, решений по водотоку нет

2.4. Не организовано наблюдение за осадками и кренами близлежащих зданий, состоянием пролегающих в непосредственной близости от участка строительств инженерных коммуникаций

Нагрузки и воздействия на объект 3.1. Распределение снеговой нагрузки по покрытию не обосновано

3.2. Не учтена пульсационная составляющая ветровой нагрузки

3.3. Не выполнен расчет на температурные воздействия

Расчет конструкций несущего каркаса объекта 4.1. Расчетная схема несущего каркаса объекта не соответствует его действительной работе под нагрузкой

4.2. При вводе исходных данных в программу компьютера допущены ошибки в размерностях, величине нагрузок, жесткостях.

4.3. Не выполнен динамический расчет здания

4.4 . В расчетах не учтена физическая и геометрическая нелинейность

4.5. Не учтена такая возможность, как потеря местной устойчивости в элементах несущего каркаса объекта

4.6. Не учтен коэффициент ответственности объекта

4.7. Напряжения в материале перекрытия и покрытия выше допускаемых значений

4.8. Не исследована стойкость несущего каркаса здания прогрессирующему обрушению

Проекти- рование фундамента 5.1. Размеры фундамента и положение масс на плане объекта не обеспечивают равномерность осадок

5.2. Расчет фундаментной плиты не учитывает ползучесть бетона

5.3. Влияние на осадки фундамента разноэтажных частей здания не учтено, осадки рассчитаны неверно

5.4. Гидрологическая обстановка на участке неблагоприятная, решения по водорегулированию в проекте нет

5.5. Предусмотрена малая глубина заложения фундаментов

5.6. В проекте не указаны параметры уплотнения насыпного грунта

Проектирование несущего каркаса объекта 6.1. Пространственная устойчивость сооружения не обеспечена

6.2. Конструкции, обеспечивающие устойчивость сооружения, запроектированы с дефектами

Проектирование связевых конструкций 7.1. Связевые конструкции не обеспечивают жесткость каркаса

7.2. Кинематический анализ расчетной схемы не выполнен. Несущий каркас представляет систему, близкую к мгновенно изменяемым системам

Выбор материалов 8.1. Расход материалов на покрытие превышает статистический уровень

8.2. Не обоснован выбор конструкционного материала для основных несущих конструкций

Решение узловых соединений 9.1. Запроектированные узловые соединения элементов каркаса не соответствуют принятой в расчетной схеме жесткости узлов

9.2. Ответственные узлы элементов каркаса сконструированы так, что делает невозможным процедуру их визуального обследования

Задача эксперта заключается в том, чтобы на каждой стадии готового проекта выявить те проектные решения, которые содержат отклонения (ошибки) от норм проектирования. Примерный перечень опасных проектных ошибок приведен в Таблице 2.

Таблица 2 позволяет сформулировать семь важнейших принципов конструирования [2]. Отступать от них в процессе проектирования не только нежелательно, но и опасно. Вот эти принципы:

1 Наименьшими затратами материала, труда и, следовательно, денег добиваться наибольших архитектурных результатов.

2 Чем меньше элементов составляют конструктивную систему, тем меньше вероятность отказа одного из них, тем больше надежность сооружения.

3 Излишний материал в конструкции не добавляет ей надежности, более того, он влечет за собой множество новых деталей, креплений, затрат на монтаж и пр., повышая вероятность отказов и, конечно, стоимость.

4 Каждому диапазону пролетов или площади перекрываемого пространства соответствует свой класс рациональных большепролетных конструкций. При пролетах более 150 м оправдано применение висячих покрытий.

5 Каждый этап «взросления» конструкции должен быть проверен расчетом, потому что внутренние усилия в элементах структуры при монтаже могут сильно отличаться от тех, что являются следствием полной расчетной нагрузки.

6 Форму покрытия определяет характерное сочетание нагрузок, при этом ошибочный выбор формы невозможно «вылечить» повышенным расходом материала. Неправильно выбранный и распределенный в пространстве, он во многом провоцирует будущие «болезни» здания в целом.

7 Общая пространственная устойчивость сооружения — важнейшая для проектировщика задача. Существуют такие конструктивные схемы, устойчивость которых невозможно установить статическими расчетами. Надо расчетным способом выявить их динамические характеристики. Кинематический анализ конструктивной схемы — обязательная проверка ее неизменяемости.

Когда проектные решения с опасными ошибками выявлены, эксперт должен произвести оценку показателя их надежности. Для этого он может

воспользоваться правилом, представленным в Таблице 3, разработанным и обоснованным в [1] и примененным к расчету проектного риска аварии. Чтобы назначить показатель надежности проектного решения, эксперту достаточно указать ранг его опасности. Всего рангов десять, и каждому рангу присвоен лингвистический терм в виде отношения проектного решения к требованиям проекта в той его части, которая отвечает за обеспечение прочности, жесткости и

устойчивости конструкций несущего каркаса строительного объекта. Естественно, назначаемые экспертами ранги опасности проектных решений носят субъективный характер. Однако, чем выше квалификация эксперта, тем ближе назначенные ранги опасности к истинным их значениям.

Применение Таблицы 3 дает для каждой стадии проекта множество значений показателей надежности проектных решений с ошибками {у1; }. Возникает вопрос: как по этому

а

б

Иллюстрация 1. Фотодокументы дефектов в строительных конструкциях здания краеведческого музея: а — деформационно-осадочная трещина в сопряжении перегородок цокольного этажа; б — наклонная трещина в перегородке цокольного этажа

множеству назначить показатель надежности г-й стадии проекта в целом? Чтобы ответить на этот вопрос, вначале необходимо ответить на другой: какой должна быть оценка проектного риска аварии - жесткой или статистической? Очевидно, что оценка величины проектного риска аварии должна быть жесткой, и эта жесткость обусловлена высокой его потенциаль-

ной опасностью. Жесткость оценки проектного риска аварии достигается в случае, если для назначения показателя надежности 1-й стадии проекта воспользоваться принципом «слабого звена» и определять его по формуле алгебры теории множеств, как пересечение элементов множетва {уі] } , а именно,  V, = тіп }. После выполнения этих операций для каждой стадии проекта и выявления показателей их надежности величина проектного риска аварии объекта определится по формуле: Я = 1П Пуг- - произведение показателей надежностей всех стадий проекта.

Когда проектный риск аварии объекта найден, необходимо произвести его оценку. Для этого необходимо располагать его максимально допустимым значением. В работе [1] доказано, что максимально допустимый риск аварии завершенного строительством объекта не должен превышать величину Я = 2 . Поскольку проектирование - это виртуальное строительство, ее можно было бы принять и за норму для проектного риска аварии. Однако, исходя из требования жесткой оценки проектного риска аварии для ответственных строительных объектов, максимально допустимый проектный риск аварии следует уменьшить на

величину среднеквадратичного отклонения ст от его среднего значения, равного Я = 2 [1]. Величины Я и ст связаны между собой соотношением Я = 1 + 1,25 ст, из которого следует, что ст = 0,8 . Поэтому введено два класса строительных объектов. Различаются они величиной максимально допустимого проектного риска аварии (Лшах )п. Первый класс - это уникальные объекты (высотные здания, театры, стадионы и т. д.) и объекты критически важных инфраструктур (аэродромные сооружения, плотины ГЭС, мосты и т. д.). Ограничения на величину проектного риска аварии строительных объектов приведены в Таблице 4.

Условие, при котором проект можно запускать в производство, имеет вид:

К <(Дш* )„

Если это условие не выполнено, то прежде, чем проект запустить в производство, необходимо снизить величину его риска аварии. Запуск в производство проекта с высоким риском аварии - это преступление.

Ниже приводится пример оценки проектного риска аварии здания. В нем исследуется проектный риск аварии уже возведенного в г. Челябинске комплекса зданий областного историко-краеведческого музея. Этот музей расположен в прибрежной полосе водоохранной зоны реки Миасс. Здание выполнено по специальному проекту, конструктивный тип - неполный каркас с несущими продольными и поперечными стенами, состоящий из трех взаимосвязанных между собой разновысоких блоков, объединенных общим композиционным решением. Фундамент здания - буронабивные сваи-стойки диаметром 520 мм и глубиной 4...8 м, опирающиеся на скальный грунт средней прочности. Проектом предусмотрено кустовое расположение свай с различным количеством их в кусте. По сваям выполнены железобетонные ростверки в виде балок под наружные стены и в виде плит под внутренние пилоны и стаканные фундаменты железобетонных колонн каркаса. Под отдельные участки наружных стен предусмотрены сборные железобетонные фундаментные прогоны. Наружные стены - из эффективного силикатного кирпича с маркой прочности М100, внутренние стены - из обыкновенного керамического кирпича, тоже марки М100. Колонны наружные и внутренние и ригели - сборные железобетонные, перекрытия междуэтажные - из мно-

Таблица 3. Правило назначения показателя надежности проектного решения

Отношение проектного решения к требованиям норм проектирования Ранг опасности Степень переменной «очень» Показатель надежности решения

Соответствие требованиям норм практически полное 1.1 0,01 0,994

1.2 0,02 0,987

1.3 0,03 0,981

Отклонения от требований норм незначительные 2.1 0,05 0,969

2.2 0,10 0,939

2.3 0,15 0,910

Отклонения от требований норм значительные 3.1 0,20 0,882

3.2 0,30 0,828

3.3 0,40 0,777

Соответствие требованиям норм низкое 4.1 0,50 0,730

4.2 0,60 0,686

4.3 0,70 0,644

Соответствия требованиям норм практически нет 5.1 0,80 0,604

5.2 0,90 0,568

5.3 1,00 0,533

Соответствие нормам предельно низкое 6 1,10 0,500

Решение содержит грубую ошибку 7.1 1,20 0,470

7.2 1,30 0,441

7.3 1,40 0,414

Решение содержит несколько грубых ошибок 8.1 1,50 0,389

8.2 1,60 0,365

8.3 1,70 0,343

Решение содержит угрожающие аварией ошибки 9.1 1,80 0,322

9.2 1,90 0,303

9.3 2,00 0,284

Решение предельно опасное 10 2,20 0,250

Класс объекта Характеристика класса (Rmax )„

1 Сложные в инженерном отношении здания и сооружения, эксплуатируемые в условиях массового скопления людей 1,2

2 Объекты, где тяжесть неэкономических последствий в случае аварии незначительная 2,0

Таблица 5. Показатели надежности стадий проекта

№ п/п Стадия проекта Показатель надежности

1 Организация процесса проектирования 0,933

2 Исходные данные для проектирования объекта 0,406

3 Сбор нагрузок на объект 0,966

4 Расчет конструкций несущего каркаса объекта 0,574

5 Проектирование фундамента 0,574

6 Проектирование несущего каркаса объекта 0,993

7 Проектирование связевых конструкций 0,500

8 Выбор материалов 0,953

9 Решение узловых соединений 0,871

гопустотных плит ПТК. В зданиях комплекса предусмотрены внутренние водоотводы с кровли.

Через площадку застройки проходят три самотечных коллектора; один бытовой канализации 01000 мм, а два других - дождевой и дренажной канализации по 01200 мм каждый. Грунтовые воды встречены на глубине 2,8...3,5 м от поверхности земли с возможным сезонным поднятием на 1,0 м.

Для каждой стадии проекта установлены ошибки проектных решений. Ниже приведены наиболее опасные ошибки с комментарием (выделен курсивом) некоторых из них.

Ошибки проектных решений на стадии «Исходные данные для проектирования объекта»

1 Смещение осей зданий относительно пятен изысканий.

Две скважины размещены за пределом площади застройки на удалении

45...50 м от здания и имеют формальное значение. Четыре скважины отражают геологические условия лишь на небольшом участке здания. Основной участок с точки зрения геологических условий не освещен; ближайшая скважина находится на расстоянии 100.120 м к востоку от геологического музея.

2 Принятые в проекте физико-механические характеристики грунтов не соответствуют действительному состоянию основания.

Скальный грунт представлен двумя

видами: гранодиориты низкой прочности (рухляк) - параметр Яс = 2 МПа и гранодиориты средней прочности Яс = 42,9 МПа. В случае опирания сваи на рухляк может возникнуть ее осадка.

3 Нет оценки гидрогеологической ситуации на участке до начала работ, нет ее прогноза и после их завершения.

По проекту горизонт воды принят на отм. 208,4 м. Это на 1,5 м ниже отметки низа ростверка (209,90 м), на 2,00 и 2,40 м ниже верха плит и балок ростверка и, соответственно, на 2,90м ниже отметки пола цокольного этажа. Однако в отдельные периоды горизонт воды поднимался до отм.

4.10... 4,00 м, т. е. оказывался выше проектного на ~2,00 м.

Ошибка проектного решения на стадии «Расчет конструкций несущего каркаса объекта»

Расчетная схема отдельных элементов несущего каркаса не соответствует действительной работе под нагрузкой. Фактически часть

сваи-стоек опирается на сжимаемым слой грунта.

Ошибки проектных решений на стадии «Проектирование фундамента»

1 Не учтено влияние разноэтажных частей здания на осадку фундамента и не предусмотрены мероприятия для предотвращения подтопления поверхностными и ливневыми водами.

2 В проекте не указаны параметры уплотнения насыпного грунта (плотность сухого грунта), мощность которого составляет до 1,5 м.

К ошибке на стадии «Проектирование связевых конструкций

можно отнести факт отсутствия части горизонтальных связей в каркасе зданий.

По Таблице 3 назначены показатели надежности проектных решений, найдены показатели надежности стадий проекта, которые сведены в Таблице 5.

По представленной в Таблице 5 информации производится расчет проектного риска аварии здания геологического музея. Этот риск равен

Д, = 1/ГЬ = 20,57,

он превысил максимально допустимое значение (Д^ )п = 2 более чем на порядок.

Заключение

1 Проектирование — это виртуальное строительство. По сути, оно мало чем отличается от строительства. Разница в том, что проект еще можно поправить, а построенное здание — нет. Исправить

ошибки может и должен сам проектировщик, проектирование — всегда возвратно-поступательный процесс.

2 Реализация проектов при высоких значениях проектного риска крайне опасна. Например, дефекты в строительных конструкциях здания краеведческого музея начали появляться уже на стадии строительства (см. Иллюстрацию 1). При эксплуатации здания их количество будет постоянно возрастать.

3 Оценка и контроль проектного риска аварии ответственных, уникальных и сложных в инженерном исполнении зданий на предстрительной стадии должны производиться в обязательном порядке. Особенно, если такие строительные объекты будут эксплуатироваться в условиях массового скопления людей.

Список использованной литературы

1 Мельчаков А. П., Чебокса-

ров Д. В. Прогноз, оценка и регулирование риска аварии зданий и сооружений: теория, методология и инженерные приложения. Челябинск, 2009.

2 Никонов Н. Н. Большепролетные покрытия. Анализ и оценка. М., 2002.

3 Majowecki M. Conceptual design of long span structures a knowledge based synthetical approach // Proceedings of the IASS/University of Bologna, Italy. Symposium, October 7—1, 1996. Stuttgart/Germany, 1996. Vol. 1.