Концепция и методология теории.

Концепция теории конструкционной безопасности зданий и сооружений базируется на совершенно достоверных фактах из строительной практики, позволяющих принять гипотезу: – Вероятность аварии строительного объекта напрямую зависит от числа человеческих ошибок, допущенных при устройстве основания, изготовлении и возведении (монтаже) несущих конструкций. С учетом наличия в отрасли признанных мировым строительным сообществом отечественных СНиП, концепция включает в себя две аксиомы:

Аксиома 1. Отступления от требований СНиП при устройстве оснований, возведении несущих конструкций, а также при изготовлении материалов и изделий, вносят в построенный объект дополнительный, сверх обусловленной строительными нормами величине, риск аварии.

Аксиома 2. Конструкционная безопасность построенного объекта считается обеспеченной, если фактическая величина его риска аварии не превышает максимально допустимого значения.

Такая концепция из общей проблемы конструкционной безопасности сооружений выделяет два ее аспекта: – информационный, требующий идентификации риска аварии строительного объекта, и нормативный, связанный с необходимостью оценивания найденного риска аварии объекта с учетом неизбежности человеческих ошибок при его создании

Методология теории базируется на утверждении, что любое строящееся или уже построенное здание (сооружение) может оказаться в аварийном состоянии, поскольку нулевая вероятность аварии достигается лишь в системах, лишенных запасенной (потенциальной) энергии. Основная задача тех, кто разрабатывал действующие ныне строительные нормы, заключалась в том, чтобы вероятность аварии в правильно запроектированном здании или сооружении была настолько мала, чтобы затраты на создание строительных объектов оставались бы в разумных пределах. Численные значения проектных рисков теоретически никогда и никем не определялись, но, по мнению ряда ученых, они находятся в интервале от 10-8до 10-5, что соответствует международным стандартам. Любое значение на этом интервале, в зависимости от типа здания (рис.1), относится к проектной величине (Р_Т), реализуемой лишь при полном соответствии выполненных на объекте строительно-монтажных работ требованиям СНиП. Фактический же риск аварии зданий и сооружений всегда значительно выше проектного значения из-за допущенных при его создании человеческих ошибок.

Действительно, с уменьшением в нормах величины риска аварии, затраты на его обеспечение резко возрастают (рис.1). Однако, существует такое значение риска аварии, после которого вкладывать средства на повышение безопасности строительного объекта становится бессмысленным; начинает возрастать социальный риск. Его рост происходит за счет перекачки в строительную отрасль, в ущерб другим, например, социальным проблемам общества, части средств, которых практически всегда недостаточно.

Вероятность аварии, заложенная в нормах проектирования и вносимая по умолчанию в проекты зданий и сооружений, трактуется как теоретическая. От величины превышения фактической вероятностью аварии Р_Ф ее теоретического аналога Р_Т и зависитконструкционная безопасность построенного объекта. Иллюстрация, как формируется вероятность Р_Ф = Р_Т + Р_Д, где Р_Д, – дополнительная вероятность аварии объекта из-за ошибок людей при его создании и эксплуатации, приведена на рис.2. Этот рисунок из-за его важности продублирован в приложении 1 книги (ДМ 5).

Рис.2.Пунктирная кривая – деградированный вид

теоретической кривой распределения вероятностей сопротивления f(S) объекта внешним воздействиям с распределением f(F)

Показатель конструкционной безопасности строительного объекта – это величина его риска аварии. Случайное число в виде отношения величин Р_Ф и Р_Т может быть принято за риск аварии объекта, если в соответствии с современной философией риска будет доказано, что это число отражает в себе не только возможность наступления аварии, но и объем последствий этой аварии (ущерб, убытки). Только в этом случае субъект управления, строя комбинации этих двух элементарных мер, адекватных сложившейся ситуации, сможет оценить уровень опасности и принять управленческое решение о необходимых действиях. В прил. 1 книги на рис ДМ 4 приведена построенная на основе логики и здравого смысла зависимость ущерба при аварии от величины отношения Р_Ф к Р_Т. Из нее следует, что, если риск аварии находится в зоне приемлемых значений, то в общем случае убытки от гипотетической аварии этого объекта будут сравнимы с затратами на его возведение. Этот рисунок, что самое важное, демонстрирует тесную связь риска аварии в форме отношениявеличин Р_Ф и Р_Т с размером ущерба от аварии.

Прямое определение величин Р_Ф и Р_Т на основе методов классической теории вероятностей невозможно. Действительно, аварии зданий и сооружений – редкие события, а анализ таких событий можно выполнить только в рамках теории редких событий. Вместе с тем, столь малые вероятности, каковыми являются величины Р_Ф и Р_Т, могут быть поняты строительными специалистами лишь через свое отношение, являющееся целочисленной величиной. Здесь важно, что вероятность Р_Т как концепт существует и гипотетически достигается в случае, если при возведении несущего каркаса объекта не будут нарушены требования проекта. Поскольку на практике объективно такие нарушения имеют место, то отношение величин Р_Ф и Р_Т всегда больше единицы.

Сейчас стало очевидным, что величину риска аварии строительного объекта кроме как на основе логико-вероятностного подхода, не определить. Такой подход базируется на основных теоремах теории вероятностей (теорема гипотез, теорема полной вероятности), методах теории размытых множеств и приемах нечеткой логики. Это те методы, которые позволяют принять решение в условиях неопределенности физического состояния объекта, а риск аварии и неопределенность – тесно связанные сущности.

Наибольшую неопределенность в реакцию несущего каркаса объекта от внешнего воздействия и, следовательно, в величину риска аварии вносят человеческие ошибки, допущенные при проектировании, возведении и эксплуатации объекта. Знание закона, показывающего распределение плотности вероятностей риска аварии объекта, в теории конструкционной безопасности очень важно, так как по показателю его важнейшей характеристики – информационной энтропии, можно судить о степени неопределенности физического состояния системы «основание – несущий каркас» объекта. Кроме того, знание закона позволяет обоснованно назначить для строительного объекта величину максимально допустимого риска аварии.

Следует различать максимально допустимую величину риск аварии для строящихся и для эксплуатируемых зданий и сооружений. Для вновь возводимых объектов величина максимально допустимого риска аварии не должна быть выше естественной величины риска аварии, а также, значения, при котором ожидаемый безопасный ресурс построенного объекта не будет соответствовать его нормативной долговечности (сроку службы). Для зданий и сооружений, находящихся в эксплуатации, максимально допустимый риск аварии не может быть выше критического значения риска, при достижении которого способность строительного объекта сопротивляться воздействиям, не предусмотренным проектом, исчерпывается, и, следовательно, в объекте отсутствует главный признак его конструкционной безопасности.

В разделе методология нельзя не сказать о том, что величина риска аварии строительного объекта и показатель конструкционной надежности его несущего каркаса – тоже тесно коррелированные величины, так как, и этот факт совершенно очевиден: чем выше конструкционная надежность несущего каркаса объекта, тем меньше величина его риска аварии, и наоборот. Из сказанного можно сформулировать научные положения теории конструкционной безопасности строительных объектов:

• Абсолютно безопасных зданий и сооружений не существует. Уже на стадии проектирования в них в соответствии с нормами и по умолчанию закладывается так называемая теоретическая вероятность аварии. При этом фактическая вероятность аварии построенного объекта всегда выше теоретической, поскольку полное исключение ошибок при реализации инвестиционных строительных проектов невозможно.

• Отношение фактической и теоретической вероятностей аварии может служить показателем конструкционной безопасности строительного объекта, т.е. исполнять роль его риска аварии. От величины этого отношения существенным образом зависит не только возможность появления негативного события под названием «авария», но и размер ущерба в случае реализации этого события.

• В правильно запроектированном и построенном объекте величина риска аварии после завершения на нем строительно-монтажных работ, не должна превышать величины максимально допустимого риска аварии, которая, в свою очередь, не должна превышать величины естественного риска аварии, вычисленного на неограниченном множестве новых зданий и сооружений. При этом условии безопасный ресурс построенного объекта не будет ниже нормативного срока его службы.

• Существует критическое значение риска аварии; при его достижении конструкционная безопасность строительного объекта исчерпывается, объект переходит в аварийное состояние, в котором он уже не способен противостоять непредусмотренным проектом воздействиям.