Конструкционная безопасность

Конструкционная безопасность – ключевой вид безопасности в строительстве и базовое свойство качества зданий и сооружений, отвечающее за прочность, жёсткость и устойчивость их несущих конструкций. При отсутствии у строительного объекта такого свойства аварийные обрушения его конструкций практически неизбежны, и приносят они стране весьма существенные убытки. Зависит конструкционная безопасность от физического состояния несущих конструкций объекта и его основания. Суть термина состоит в том, что, если такая безопасность у строительного объекта обеспечена, то его несущий каркас способен противостоять не только проектным нагрузкам, но и многим другим воздействиям, возникающим в чрезвычайных ситуациях.
Для обеспечения конструкционной безопасности строительных объектов необходимо располагать нормативной базой такой безопасности. Ее разработка требует ответа на целый ряд важных вопросов, например, какая величина может служить мерой опасности аварийного обрушения зданий и сооружений? Какое значение меры опасности нельзя переступать? На первый из них уже ответил Федеральный Закон «О техническом регулировании». Закон определил, что мерой безопасности на любом производстве должна служить величина риска, но здесь чрезвычайно важно, в какой форме этот риск представить. В пособии риск аварии строительного объекта представлен в форме отношения фактической вероятности аварии объекта к вероятности аварии, заложенной в нормы для его проектирования. В такой форме риск аварии – во-первых, численная мера опасности аварийного обрушения строительного объекта, а во-вторых, такая мера поддается определению.
Известно, что тяжесть последствий любой чрезвычайной ситуации зависит от степени обрушения зданий и сооружений, попавших в зону бедствия. Поэтому обеспечение конструкционной безопасности строительных объектов – одна из важнейших государственных задач по строительной отрасли.
В последние годы существования СССР для Совета Министров проводил семинары выдающийся учёный, академик Валерий Алексеевич Легасов. Основой его лекций была разрабатываемая им с конца 70-х годов прошлого столетия концепция безопасности на любом производстве. Трагическое подтверждение этой концепции сделал Чернобыль. Совместная работа председателя Госстроя СССР Ю.П. Баталина с академиком В.А. Легасовым по ликвидации последствий первого взрыва 4-го реактора ЧАЭС и их титанические усилия по предотвращению возможного последующего, гораздо более мощного, убедили руководство страны в необходимости смены всей парадигмы отношения людей к проблеме безопасности.
Действовавший ранее в практике хозяйственной жизни страны принцип «реагировать и исправлять» был заменен на новый, предложенный академиком В.А. Легасовым, фундаментальный принцип – «предвидеть и предупреждать». Тогда при Госстрое СССР была создана рабочая группа по изучению мирового опыта в области безопасности строительства. Но 7 декабря 1987 года плановую работу этой группы прервала строительная катастрофа, вызванная землетрясением в Армении мощностью 7 баллов по шкале Рихтера. Её последствия – 25 682 погибших, 128 705 получивших ранения или увечья различной тяжести, 514 826 оставшихся без крова из 304 разрушенных населённых пунктов – стали «моментом истины» для всей строительной отрасли СССР. Казалось, во всём была виновата стихия, за 30 секунд перевернувшая и искалечившая жизни сотен тысяч людей. Однако, созданная при Совмине СССР после Чернобыля Государственная комиссия по чрезвычайным ситуациям (ГКЧС, председатель В. Х. Догужиев) была иного мнения. После расследования причин армянской трагедии комиссия опровергла поверхностные суждения прессы о неумолимой жестокости природы. Она пришла к следующему, неутешительному для Госстроя, выводу: Если бы попавшие в зону бедствия здания или сооружения были бы построены в полном соответствии с действующими СНиП, то страна в этой чрезвычайной ситуации потеряла бы не более тысячи человеческих жизней. Когда мощные подземные толчки стряхнули с армянских зданий штукатурно-окрасочный марафет, то обнажились грубые отступления от нормативных требований: вместо арматуры – проволока, кладочная смесь почти без цемента, там, где должен быть ровный сварной шов – ржавые уродливые наросты. Специалистам стало ясно, что во всём виновата халатность строителей, а землетрясение лишь спровоцировало аварийные обрушения зданий, под завалами которых погибло и пострадало огромное число советских граждан. Вслед этой трагедии специальная коллегия Госстроя СССР постановила: «В СССР необходимо создать и ввести систему предупреждения аварий в строительстве!».
Безусловно, строительные нормы требуют модернизации и дополнения на ограничение риска аварии. Действительно, если нормы на величину риска аварии для конечной строительной продукции (зданий и сооружений) нет, то ее производители, как правило, допускают такую степень дефектности, которая обеспечивает им прибыль при минимуме затрат на ее создание. Именно поэтому объекты недвижимости, уже построенные и строящиеся сейчас, конструкционно-безопасными, в полном смысле этого понятия, считать нельзя. Но строительные беды не только и не столько из-за норм, в чем несложно убедиться, если ознакомиться с содержанием пособия.
В эссе рассматривается целый комплекс вопросов, связанных с проблемой конструкционной безопасности строительства. В ней есть ответ на вопрос, что надо делать, чтобы уменьшить риск аварий, число людских ошибок в проектировании и строительстве? Ведь, несмотря на то, что в строительстве давно запущена в действие система управления качеством ИСО-9001, массового качества как не было, так и нет. «Риск аварии» и, тем более, «риск менеджмент» сегодня для строителей России термин новый и непонятный большинству работников отрасли.
И последнее. В эссе предоставлена принципиальная возможность с помощью предложенных и описанных в ней методик в каждый конкретный момент времени количественно оценить реальную угрозу аварии здания или сооружения. Безусловно, это залог их конструкционной безопасности. Реализовать его позволяет, например, страхование строительных объектов на случай их аварии. При этом количественная оценка риска позволяет назначить адекватный фактическому риску аварии объекта страховой тариф и обеспечить баланс интересов сторон страховых отношений (страховщики с одной стороны, и собственники, балансодержатели – с другой). Процедура страхования в строительстве – это не только защита зданий и сооружений от аварии. Это еще одно из основных требований к строительной отрасли при вступлении в ВТО, которое, по существу, нашей страной не выполнено.
Строительная авария – это почти всегда есть результат пересечения как минимум двух негативных событий. Непроектные воздействия на объект управлению пока не поддаются. Единственный способ обеспечить конструкционную безопасность объекта, – это свести до минимума негативное влияние на эту безопасность ошибок людей (человеческого фактора). Но в действующих сейчас строительных нормах термин «человеческий фактор» вообще не фигурирует. Он существует как бы сам по себе. Не компенсирует этот фактор и излишний запас прочности несущих конструкций, зачастую закладываемый в проектную документацию. В создавшихся условиях наиболее эффективный способ обеспечения конструкционной безопасности зданий и сооружений – это жесткий независимый контроль величины риска аварии как при создании (проектирование и возведение) строительных объектов, так и на стадии их эксплуатации. НоВведение

такого контроля невозможно без методики прогнозирования риска аварии и нормы на его величину.
Известно, что ошибки людей вносят неопределённость в реакцию несущих конструкций на внешние воздействия. Поэтому применение лишь аппарата классической теории вероятности для достоверного прогноза риска аварии недостаточно. Очевидно, что здесь должен использоваться логико-вероятностный подход, базирующийся на методах нечёткой логики и теории размытых множеств. Именно он позволяет количественно оценить важнейший показатель конструкционной безопасности зданий и сооружений, каковым является величина их риска аварии. Из всей теории вероятности значение имеют лишь ее теоремы. Одна из них – это теорема гипотез, известная в теории вероятностей как формула Байеса. Она, при наличии ошибок в проекте, изготовлении и/или монтаже несущих 18 конструкций объекта, позволяет определить дополнительную к теоретической величине вероятность аварии, которая должна быть добавлена к теоретической вероятности аварии, что в соответствии с нормами и по умолчанию закладывается в объект при его проектировании.
Ключевые задачи и подходы к их решению В рассматриваемой проблеме ключевых задач несколько. Главная из них – это разработка теории, обосновывающей нормирование величины риска аварии строительных объектов с учетом влияния человеческих ошибок, неизбежно сопровождающих их проектирование, возведение и эксплуатацию. Естественно, при отсутствии норм по конструкционной безопасности каждый производитель конечной строительной продукции принимает для себя ту степень дефектности, которая соответствует его представлению об этой безопасности. Основа этого представления – это минимум затрат на то, что уменьшает прибыль. Поэтому фактическая вероятность аварии построенного объекта всегда выше обусловленной 17 строительными нормами теоретической вероятности, закладываемой по умолчанию в объект при его проектировании. Другая ключевая задача – это разработка методики прогноза проектного и строительного рисков аварии объекта. Сейчас для ее решения существует широкий спектр теорий. Но невозможность их экспериментального подтверждения и отсутствия в них представления риска аварии в виде числа, сдерживает прогресс в этой области знаний.
Еще одна ключевая задача проблемы. Она состоит в необходимости создания и введения в практику механизмов управления конструкционной безопасностью в строительстве. Однако, вступление России в ВТО рано или поздно, заставит принять правила западных стран. Поэтому возникли важные по значимости задачи, связанные с разработкой целого ряда новых технологий: менеджмента риска, тарификации при страховании строительного объекта на случай аварии, его сертификации на соответствие требованиям конструкционной безопасности. О подходах к решению ключевых задач проблемы. Прежде всего, следует заметить, что строительные объекты – это не совсем технические системы. Они больше социо-технические, так как проектируют их, возводят и эксплуатируют люди, которые, как известно, склонны совершать ошибки
Известно, что ошибки людей вносят неопределённость в реакцию несущих конструкций на внешние воздействия. Поэтому применение лишь аппарата классической теории вероятности для достоверного прогноза риска аварии недостаточно. Очевидно, что здесь должен использоваться логико-вероятностный подход, базирующийся на методах нечёткой логики и теории размытых множеств. Именно он позволяет количественно оценить важнейший показатель конструкционной безопасности зданий и сооружений, каковым является величина их риска аварии.
Подход к обеспечению конструкционной безопасности объекта
В декабре 2008 года Минрегион России утвердил документ, содержащий более 800 видов работ в строительстве, которые, по мнению разработчиков документа, потенциально опасны. Его корни в Градостроительном кодексе РФ. Но, во-первых, нет уверенности в полноте перечня таких работ, а, во-вторых, в этом документе, как, впрочем и в других ему подобных, забыт главный источник всех неприятностей и опасностей в строительстве – человек. В строительстве нет ничего второстепенного, все влияет на безопасность. Даже, кажущийся на первый взгляд, неопасным вид работы, при его небрежном исполнении человеком становится опасным, и примеров этому предостаточно. Поэтому любой документ или закон, посвященный качеству и безопасности строительства, должен быть обращен к человеку. Именно в этом и состоит главный принцип обеспечения безопасности в строительстве.
Одним, а может быть и единственным подходом к обеспечению требуемого уровня конструкционной безопасности строительного объекта является применение при его создании и эксплуатации дополнительных работ, сверх обязательных, обусловленных СНиП и Федеральным Законом «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Надлежащее исполнение таких работ обеспечивает конструкционной безопасности объекта. Ниже приведены стадии строительства и виды дополнительных работ:
• Предстроительная стадия: – Конкурсный отбор проектной фирмы для проектирования сооружения по новой методике
– Априорное гарантирование конструкционной безопасности уникальных, ответственных и сложных в инженерном отношении зданий и сооружений по методике.
• Предпроектная деятельность: – Разработка формата документа «Паспорт объекта», где должны быть отражены пороговые значения безопасности: для фундаментов (осадки, крены), для несущих конструкций (деформации, напряжения, для ж/б несущих конструкций еще и раскрытие трещин); 38
– Геофизическая оценка геологической и гидрогеологической обстановки на участке строительства (наличие карстовых образований, оползней, высокого уровня грунтовых вод, разломов);
– Организация наблюдений за осадками и кренами близлежащих зданий, за состоянием пролегающих в непосредственной близости от участка строительства инженерных коммуникаций;
– Выявление близко расположенных опасных производств, источников шума и вибраций, сейсмических воздействий, смерчей, торнадо и других, возможных природно-климатических опасностей

.
• Проектирование:
– Контроль проектного риска аварии объекта, иначе менеджмент риска, закладываемого в проект
– Параллельный расчет прочности, жесткости и устойчивости несущего каркаса объекта сторонней организацией с использованием программного комплекса, не примененного авторами проекта, причем с учетом физической и геометрической нелинейности материалов и конструкций; – Доказательство живучести строительной системы здания (сооружения) и исключение его лавинообразного обрушения. • Строительство: – Контроль строительного риска аварии и его регулирование– Инструментальное слежение за осадками грунта основания объекта и деформациями конструкций его несущего каркаса;
– Выборочные испытания используемых строительных материалов и образцов сложных конструктивных схем узлов несущего каркаса объекта.
Для правильного накопления информации в базе знаний необходимо четко формализовать и классифицировать проектные решения, дефекты и отклонения конструкций. Предлагаемый порядок формализации данных представляет собой пополняемый n-мерный массив данных, в котором каждому дефекту (отклонению, решению), соответствует статистический ряд рангов опасности, назначенных экспертами в результате обследований, измерений, расчетов или исходя из личного опыта. Чтобы повысить обоснованность величины риска аварии зданий и сооружений и учесть многочисленные факторы, оказывающие влияние на результат, необходим разносторонний анализ, основанный как на расчетах, так и на аргументированных суждениях специалистов по конкретным типам конструкций. Важно понимать, что ни один эксперт не может обладать знаниями и опытом, позволяющим безошибочно определить ранг опасности для любого проектного решения или конструкции. При пополнении статистического ряда рангов опасности проектных решений и дефектов осуществляется обработка результатов методом обобщения экспертных оценок. Для учета квалификации эксперта предлагается ввести коэффициенты веса, представляющие собой коэффициент уверенности kc в назначенном ранге опасности и коэффициенты знаний эксперта ka, полученные в результате 65 аттестации эксперта по типам конструкций на типовом аттестационном задании, утвержденном специалистами по различным типам конструкций. Необходимо отметить, что коэффициенты kc и ka являются вероятностными и их значение варьируются от 0 (полная неуверенность) до 1 (полная уверенность) и не имеют ничего общего с коэффициентами уверенности, предложенными Бухананом и Шортлиффом в 1975г. и являющимися известной альтернативой байесовскому рассуждению.
Для учета влияния квалификации эксперта в различных типах конструкций каждый эксперт должен пройти процедуру аттестации, конечными показателями которой будут являться коэффициенты знаний в данных областях строительства. Процесс аттестации эксперта представляет собой выполнение типового виртуального обследования зданий, в процессе которого эксперт по правилу табл.1 или 3 проставляет дефектам и проектным решениям ранги опасности, основываясь на описание этих дефектов (решениям) исходя из собственного опыта. Типовое задание должно содержать в себе описание дефектов металлических, железобетонных и каменных конструкций и их фотографии, и проектные решения, содержащие различные ошибки. При формировании типового задания для каждого вида конструкций (решений) задействуются специалисты узкого профиля, имеющие более полное представление о работе конкретных конструкций, опыт работы при оценке дефектов и решений. Их суждения о ранге опасности, в виду их компетентности в данном вопросе, считаются эталонными. Для получения коэффициентов знаний используется сравнение оценок назначенных экспертом, проходящим аттестацию, с эталонными оценками и процент их соответствия заноситься в аттестат эксперта. Описанный здесь метод аттестации позволяет быстро оценить знания эксперта и может использоваться как критерий отбора при наборе экспертов в группу для проведения исследований величины риска аварии. Логичным будет обучение экспертов основам риск менеджмента для повышения их квалификации в оценке зданий и сооружений различных типов и повышения скорости принятия решений о регулировании риска аварии. Хорошо обученные эксперты, пользуясь экспертной системой, смогут точно и оперативно определить риск аварии и в режиме «on-line» принять управленческое решение.
В заключение нужно отметить следующее:
1. Действительно, применение технологий менеджмента риска аварии при проектировании, возведении и эксплуатации ответственных зданий и сооружений, особенно, если они предназначены к эксплуатации при массовом скоплении людей, позволяет снизить негативное влияние человеческого фактора опасности (ошибок и небрежностей людей), и, следовательно, обеспечивать требуемый уровень их конструкционной безопасность.
2. Для потребителей конечной строительной продукции (собственников, балансодержателей) и ее потенциальным покупателям важно доказать, что конструкционную безопасность приобретаемого ими строительного объекта обеспечена, другими словами, гарантировать её.
3. Гарантией конструкционной безопасности строительного объекта может служить либо сертификат соответствия, удостоверяющий, что риск аварии объекта приемлемый, или страховой полис, означающий, что объект застрахован на случай его аварии.
Проблеме гарантирования посвящена последняя глава монографии. Она содержит в себе описание информационных систем, в рамках которых подтверждается факт, что конкретное здание (сооружение) отвечает требованиям конструкционной безопасности. В системе сертификации таким подтверждением сертификат соответствия, который удостоверяет, что фактический риск аварии объекта не превышает максимально допустимой величины. В системе страхования на случай аварии такую гарантию дает страховой полис. По существу, он также гарантирует, что строительный объект, застрахованный на случай его аварии, при определенных условиях защищен от аварии. Возможно и априорно гарантировать конструкционную безопасность объекта. Осуществляется такая гарантия на предстроительной стадии, когда выявляются и закрепляются необходимые условия, при которых конструкционная безопасность объекта будет обеспечена.
4.1. Гарантирование в системе сертификации
Основная задача эксперта при сертификации строящихся зданий – это идентификация и оценивание риска аварии «промежуточных» зданий объекта. При сертификационных испытаниях процедура идентификации риска аварии объекта осуществляется по приведенной в разделе 3.2 технологии контроля риска аварии строящихся объектов. Каждое «промежуточное здание» объекта должно при положительном результате сертификационных испытаний удовлетворять условию: (RФ – σ) R*, а с учетом, что среднеквадратичное отклонение σ для новых зданий составляет величину σ = (RФ – 1) / 1,25, это условие принимает следующий вид:
(0,25RФ + 1) / 1,25 R*.
Конструкционная безопасность объекта считается обеспеченной, если доказано, что фактический риск аварии Rф его последнего «промежуточного» здания удовлетворяет выше приведенному условию. Конечные результаты сертификационных испытаний можно показать на карте риска (рис. 13), например, указав на ней фактические значения величин риска аварии «промежуточных зданий» объекта. Сертификационным испытаниям на соответствие норме на величину риска аварии (требование конструкционной безопасности) могут подвергаться не только строящиеся, но и находящиеся в эксплуатации здания и сооружения. Для них подтверждением их конструкционной безопасности служит факт, что фактический средний риск аварии эксплуатируемого объекта не превышает критического значения риска RКР = 32. Процедура идентификации риска аварии объекта при сертификационных испытаниях подержанных зданий и сооружений осуществляется технологии контроля риска аварии эксплуатируемых объектов.
Если при сертификационных испытаниях эксплуатируемого объекта будет доказана справедливость неравенства:
(RФ – σ) RКР = 32,
где RКР = 32 – критическое значения риска аварии, то его конструкционная безопасность еще сохраняется на период времени, равного безопасному остаточному ресурсу объекта. Таким образом, разработанные технологии идентификации фактического риска аварии и наличие ограничений на его величину (максимально допустимый риск аварии для новых зданий и критический – для эксплуатируемых объектов) дают возможность для подтверждения конструкционной безопасности строительных объектов применить процедуру сертификации соответствия. Сертификат гарантирует, что объект соответствует требованиям конструкционной безопасности. Срок действия сертификата 68 соответствия определяет эксперт-исследователь. При этом для эксплуатируемого здания (сооружения) этот срок не должен превышать размера его безопасного остаточного ресурса. Набор правил для сертификационных испытаний на соответствие требованиям конструкционной безопасности следующий:
1. Правила сертификации строящихся зданий и сооружений.
1.1. Подтверждением соответствия требованию конструкционной безопасности построенных зданий служит доказательство, что фактическое значение среднего риска аварии (RФ) законченного строительством исследуемого объекта не превышает максимально допустимое значение риска аварии
1.2. Сертификационным испытаниям фактического риска аварии подвергается каждое «промежуточное» здание исследуемого объекта, под которым понимается часть m-этажного объекта, содержащая нулевой цикл и k = 1, 2,… , m его этажей (см. прил.1, ДМ 13).
1.3. Для каждого «промежуточного» здания исследуемого объекта формируются требования к их конструкционной безопасности в виде максимально допустимых значений риска аварии.
1.4. Для каждого «промежуточного» здания исследуемого объекта производится идентификация фактического среднего значения риска аварии по методике, приведенной в разделе 3.2.
1.5. Построенный объект в соответствует требованию конструкционной безопасности, если фактическая величина риска аварии RФ последнего «промежуточного» здания удовлетворяет условию:
(0,25RФ + 1) / 1,25 R* = 2.
1.6 . Срок действия сертификата соответствия составляет 22 года.
2. Правила сертификации эксплуатируемых зданий и сооружений
2.1. Подтверждением соответствия эксплуатируемого объекта требованию конструкционной безопасности служит доказательство, что фактическое значение среднего риска аварии (RФ) исследуемого здания или сооружения не превышает критического значения риска аварии RКР = 32.
2.2. Для исследуемого объекта определяются среднее значение фактического риска аварии RФ и среднеквадратичное отклонение σ
2.3. Конструкционная безопасность эксплуатируемого объекта считается еще достаточной, если справедливо неравенство: (RФ – σ) RКР = 32.
2.4. Срок действия сертификата соответствия не должен превышать безопасного остаточного ресурса эксплуатируемого объекта 69 Гарантию конструкционной безопасности строительного объекта можно получить и в системе страхования, но не во всех ее схемах, а лишь в схеме «страхование строительного объекта на случай аварии».
4.2. Гарантии при страховании объекта на случай аварии
Строительное страхование в России, начавшись одновременно с первыми социально-экономическими реформами постсоветского периода, до сих пор, по разным причинам, а в основном, из-за общей слабости экономики, не может похвастаться своими достижениями. Вместе с тем без страхования сейчас уже не обойтись. И не только потому, что в России инженерные сооружения, промышленные объекты, транспортные и энергетические коммуникации сильно изношены, и эксплуатируются с нарушениями технологических требований, но еще и потому, что устойчивость техносферы заметно снизилась. Поэтому даже слабые воздействия на нее могут создать неуправляемые ситуации с возникновением кажущихся беспричинными аварий и катастроф. Заметно изменились природные условия и техногенные факторы воздействия на среду обитания человека. Повсеместно наблюдается повышение балльности сейсмических воздействий, потепление климата, исчерпание и удорожание природных ресурсов, сокращение удобных под городскую застройку свободных территорий