Контроль проектного риска аварии объекта

Прежде всего, следует отметить, что контроль величины риска аварии строительного объекта – весьма затратная процедура, но ее применение, особенно для ответственных и сложных в инженерном отношении зданий и сооружений, не только экономически оправдано, но и, самое главное, социально выдержано.

Проектирование – это «виртуальное» строительство объекта. Контроль проектного риска аварии объекта осуществляется тогда, когда его проект уже завершен, но еще не запущен в производство. Для оценки проектного риска аварии объекта можно воспользоваться математической моделью R_п = 1/ П n_i, в которой под параметром n_i следует понимать показатель надежности i – ой стадии проекта. Таких стадий в проекте 9-ть. Они приведены в табл. 4.

Таблица 4

Стадии проектирования строительного объекта

№	Стадии проекта и обозначения показателей их надежности
	Организация процесса проектирования	n1
	Исходные данные для проектирования объекта	n2
	Нагрузки и воздействия на объект	n3
	Расчет конструкций несущего каркаса объекта	n4
	Проектирование фундамента	n5
	Проектирование несущего каркаса объекта	n6
	Проектирование связевых конструкции	n7
	Выбор материалов	n8
	Решение узловых соединений	n9

Основная задача эксперта заключается в том, чтобы на каждой стадии готового проекта выявить проектные решения, которые содержат грубые отклонения (ошибки) от норм проектирования. Примерный перечень проектных опасностей и ошибок приведен в табл.5. Она сформирована после консультаций со специалистами проектных фирм и организаций.

Таблица 5

Примерный перечень проектных опасностей

и ошибок на стадиях проекта

Стадия проекта	Номер и описание опасности и/или ошибки
	1. Нет личностных (персональных) лицензий на право проектировать сложные в инженерном отношении объекты 2. Регулярная внутренняя проверка качества проектов отсутствует
	1. Физико-механические характеристики грунтов основания не соответствуют действительному состоянию основания; лабораторные испытания образцов грунта отсутствуют 2. При проведении инженерно-геологических изысканий не выявлены и не учтены характерные зависимости деформирования грунта под нагрузкой. 3. 3Нет оценки гидрогеологической ситуации на участке до начала работ, нет ее прогноза после завершения работ, решений по водотоку нет 4. Не организовано наблюдения за осадками и кренами близлежащих зданий, состоянием пролегающих в непосредственной близости от участка строительства инженерных коммуникаций
	1. Распределение снеговой нагрузки по покрытию необоснованно 2. Не учтена пульсационная составляющая ветровой нагрузки 3. Не выполнен расчет на температурные воздействия
	1. Расчетная схема несущего каркаса объекта не соответствует его действительной работе под нагрузкой 2. При вводе исходных данных в программу компьютера допущены ошибки в размерностях, величине нагрузок, жесткостях 3. Не выполнен динамический расчет здания (сооружения) 4. В расчетах не учтена физическая и геометрическая нелинейность 5. Не учтена такая возможность, как потеря местной устойчивости в элементах несущего каркаса объекта 6. Не учтен коэффициент ответственности объекта 7. Напряжения в материале перекрытия и покрытия выше допускаемых значений 8. Не исследована стойкость несущего каркаса здания прогрессирующему обрушению.
	1. Размеры фундамента и положение масс на плане объекта не обеспечивает равномерность осадок 2. При расчете фундаментной плиты не учтена ползучесть бетона 3. Влияние на осадки фундамента разноэтажных частей здания не учтено, осадки рассчитаны неверно 4. Гидрологическая обстановка на участке неблагоприятная, решения по водорегулированию в проекте нет 5. Предусмотрена малая глубина заложения фундаментов 6. В проекте не указаны параметры уплотнения насыпного грунта
	1. Пространственная устойчивость сооружения не обеспечена 2. Конструкции, обеспечивающие устойчивость сооружения, запроектированы с дефектами
	1. Связевые конструкции не обеспечивают жесткость каркаса 2. Кинематический анализ расчетной схемы не выполнен. Несущий каркас представляет систему близкую к мгновенно изменяемым системам
	1. Расход материалов на покрытие превышает статистический уровень 2. Не обоснован выбор конструкционного материала для основных несущих конструкций
	1. Запроектированные узловые соединения элементов каркаса не соответствуют принятой в расчетной схеме жесткости узлов 2. Ответственные узлы элементов каркаса сконструированы так, что делает невозможным процедуру их визуального обследования

Когда проектные решения с ошибками на всех 9-ти стадиях проекта экспертом выявлены, он производит оценку показателя их надежности. Для этого он может воспользоваться табл.6, как модификацией табл.1

Таблица 6

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	(очень)^0,01	0,994
1.2	(очень)^0,02	0,987
1.3	(очень)^0,03	0,981
Отклонения от требований норм незначительные	2.1	(очень)^0,05	0,969
2.2	(очень)^0,10	0,939
2.3	(очень)^0,15	0,910
Отклонения от требований норм значительные	3.1	(очень)^0,20	0,882
3.2	(очень)^0,30	0,828
3.3	(очень)^0,40	0,777
Соответствие требованиям норм низкое	4.1	(очень)^0,50	0,730
4.2	(очень)^0,60	0,686
4.3	(очень)^0,70	0,644
Соответствия требованиям норм практически нет	5.1	(очень)^0,80	0,604
5.2	(очень)^0,90	0,568
5.3	(очень)^1,00	0,533
Соответствие нормам предельно-низкое		(очень)^1,10	0,500
Решение содержит грубую ошибку	7.1	(очень)^1,20	0,470
7.2	(очень)^1,30	0,441
7.3	(очень)^1,40	0,414
Решение содержит несколько грубых ошибок	8.1	(очень)^1,50	0,389
8.2	(очень)^1,60	0,365
8.3	(очень)^1,70	0,343
Решение содержит угрожающей аварией ошибки	9.1	(очень)^1,80	0,322
9.2	(очень)^1,90	0,303
9.3	(очень)^2,00	0,284
Решение предельно опасное		(очень)^2,20	0,250

Естественно, назначаемые экспертами по табл. 6 ранги опасности проектных решений с ошибками носят субъективный характер. Однако, чем выше квалификация эксперта, тем ближе ранги опасности к истинной оценке проектной ошибки. В результате применения для каждой стадии проекта табл. 6 формируется множество { n _{I j} }. Возникает вопрос, как по этому множеству назначить показатель надежности i - ой стадии проекта. Чтобы ответить на этот вопрос, вначале необходимо ответить на другой – какой должна быть оценка проектного риска аварии: жесткой, усредненной или статистической. Логика подсказывает, что при контроле проектного риска аварии объекта оценка должна быть жесткой, при контроле риска аварии при его возведении – усредненной, а оценка риска при эксплуатации объекта – статистической. Жесткость оценки проектного риска обусловлена его высокой опасностью и пока он на «бумаге», риск должен быть сведен к минимуму, поскольку «запуск» в производство проекта с чрезмерно высоким риском аварии – это, по - существу, преступление.

Жесткость оценки проектного риска аварии достигается в случае, если для назначения показателя надежности i - ой стадии исследуемого проекта воспользоваться принципом «слабого звена» и определять его по формуле алгебры теории множеств, как пересечение элементов множества { n _ij}, а именно,  n _i = min { n _ij}. После выполнения всех этих операций величина проектного риск аварии объекта определится по формуле: R_п = 1/ П n_I, где П n _i – произведение показателей надежностей всех стадий проекта.

Для оценки проектного риска необходимо располагать максимально допустимым его значением. В разделе 2.3 доказано, что величина максимально допустимого риска аварии строительного объекта при его возведении не должна превышать величины естественного риска аварии R = 2.Однако,для ответственных строительных объектов, исходя из требования жесткой оценки проектного риска аварии, максимально допустимая величина проектного риска аварии должна быть уменьшена на величинусреднеквадратичного отклонения s от среднего значения R. Величины R и s связанны соотношением: R = 1 + 1,25 s (см. раздел 2.3), из которого следует, что s = 0,8.

Вводится два класса строительных объектов, различающихся величиной максимально допустимого проектного риска аварии (R_макс)_п.Первый класс – это уникальные объекты с массовым скоплением в них людей (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 приведены в табл. 7. Условие, при котором проект можно запускать в производство, имеет вид: R_п < или = (R_макс)_п. Ошибки, влияющие на конструкционную безопасность здания (сооружения), нельзя оставлять в проекте перед запуском его в производство. Их необходимо исправить. Оценка проектного риска аварии для ответственных, и особенно, уникальных зданий и сооружений должна стать обязательной, и выделена в особый раздел проекта.

Таблица 7

Максимально допустимые значения проектного риска аварии

Класс объекта	Характеристика класса	(Rмакс)п
	Сложные в инженерном отношении здания и сооружения, эксплуатируемые в условиях массового скопления людей; в случае аварии людские потери неизбежны.	1.2
	Объекты, тяжесть неэкономических последствий в случае аварии незначительная, людских потерь нет.	2, 0.

Ниже приводится два примера, связанных с оценкой проектного риска аварии здания. Один – здесь, другой в приложении 2 книги (пример 1)

Пример менеджмента проектного риска аварии объекта отдоктораНиконова Н.Н. В нем речь идето первоначальном проекте стадиона «Спартак» (г. Москва), в экспертизе которого принимал участие доктор Никонов. Вид стадиона по этому проекту показан на рис. П8 (Фото 8.1).

Доктор Никонов убежден, что существует ряд важных принципов конструирования, отступать от которых в процессе проектировании зданий и сооружений не только нежелательно, но и опасно. Вот эти принципы:

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

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

Третий. Излишний материал в конструкции не добавляет ей надежности, более того, он влечёт за собой множество новых деталей. креплений, затрат на монтаже и прочее, повышая вероятность отказов и, конечно, стоимость.

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

Пятый. 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.

Шестой. 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.

Седьмой. Общая пространственная устойчивость здания (сооружения) – одна из важнейших зада для проектировщика. Существуют такие конструктивные схемы, устойчивость которых невозможно установить лишь статическими расчетами. Надо расчетным способом выявить их динамические характеристики. Кинематический анализ конструктивной схемы – обязательная проверка ее неизменяемости.

Доктор Никонов считает, что каждый из названных принципов в проекте стадиона «Спартак» нарушен. Его основные замечания:

1. Перекрывать пространство с генеральными размерами более 200 метров фермами – нонсенс. Приведенный авторами суммарный расход стали – 224 кг/м² занижен по крайней мере вдвое, потому что не учитывает затраты металла и бетона на поддерживающие конструкции (колонны, фундаменты, детали соединений и др.), без которых покрытие может существовать только лежа на земле. При использовании висячего покрытия предположительно можно было бы достичь расхода стали 140 – 150 кг/м². Для сравнения: расход металла на козырек стадиона «Пратер» в Вене – 2500т (приблизительно - 70кг/м²), в покрытии над трибунами Большой спортивной арены в Лужниках – 17000 т (примерно – 400 – 410 кг/м²). Почувствуйте разницу! Следует иметь в виду, что В.В. Ханджи в Лужниках построил пространственную конструкцию, не в пример его нынешним преемникам, которые хотят обойтись 200-ми килограммами на квадрат ее площади, проектируя плоскостные арки и фермы. Следовательно, приблизительная стоимость спартаковской «красоты» будет равна (и только лишь стали) 3000 тонн.

2. Принятая конструкция козырька над трибунами стадиона содержит бесчисленное количество деталей, узлов, соединений, каждое из которых оказывает влияние на живучесть сооружения. Авторы не хотят учиться даже на своих ошибках. Лопнувший всего лишь один соединительный «палец» в оттяжке (Ледовый дворец в Крылатском) надолго вывел из строя огромное сооружение. К счастью обошлось без жертв. В свое время при обсуждении этого проекта в Москапстрое и в МИСИ указывалось, что у дворца нулевая живучесть. Теперь, если обратить внимание на конструктивные элементы стадиона «Спартак», с помощью которых обеспечивается пространственная устойчивость сооружения, на соединения, на невыполнение требований к узлам, то, определив проектный риск, получим результат значительно худший, чем можно было ожидать даже для Ледового дворца.

3. Козырьки из ферм, двухсотметровые арки, нижние арки, входящие в тело покрытия – эти решения не рациональны для большепролетных конструкций. Сделай мембранное или, в случае светопрозрачного козырька, вантовое покрытие, и все становилось на свое место: у конструкторов не болела бы голова как обеспечить устойчивость сжатых несущих элементов покрытия, был бы в пределах разумного расход материалов, облик сооружения обрел бы вполне лаконичный, не перенасыщенный лишними конструктивными элементами внешний вид.

О форме конструкций. Если форма рационального покрытия диктуется нагрузкой, то абрис арки (изменение высоты сечения по длине) связан с характером закрепления на опорах. Двухпоясная арка с поясами, сближающимися к опорам - типичный пример двухшарнирной серповидной конструкции: в середине пролета расстояние между поясами самое большое, а к опорам оно может быть сведено к минимуму. Так нарисованы арки в проекте. Но, к сожалению, в проекте нет цельной конструкции – каждый пояс не пояс, поскольку нет решетки между ними, а самостоятельные арки из трехметровых (!) в диаметре труб, жестко заделанных в опорные устои, и потому воспринимающие огромные и разнообразные усилия в заделках. Зрительное восприятие «игры сил» в конструкции не соответствует действительной картине напряжений в конструктивной системе. И это сигнал, что она работает нерационально.

О выборе конструкционного материала. Материал для арок – злектросварные трубы. Странный выбор. Сами по себе трубы – неплохая вещь, но их соединения сложны, и, кроме всего прочего, внутренние полости после монтажа становятся недоступными для контроля. Трубы, как конструкция, выгодны, когда внутренние усилия распределяются по сечению равномерно. Поэтому для трубопроводов, центрально нагруженных колонн, для трехшарнирных арок, очерченных по кривой давления – они идеальны. А для конструкций, когда направление действия сил ярко выражено и постоянно, трубы в этом случае не экономичны. И почему приняты электросварные трубы? Наверное, потому, что цельнотянутых диаметром 3м в сортаменте нет. Вообще электросварные трубы не для конструкций такого масштаба.

4. В проекте не сделан расчет изменяющейся конструкции после каждого этапа монтажа. Но и сам монтаж неописан. Автор проекта обязан представлять не только то, чем он хочет удивить мир, но и как это что осуществить.

5. Определение общей пространственной устойчивости – важнейший раздел расчетов сооружения. По словам авторов, он был сделан, но как-то своеобразно. Совершенно очевидно, что только динамический расчет показал бы надежность конструкции. Однако, картинки тоновых колебаний не были показаны, а это было бы очень интересно: есть подозрение, что принятые в проекте опорные конструкции – качающиеся колонны, устои арок, их растяжки, особенно те, что заанкерены в землю и по замыслу авторов должны обеспечивать устойчивость сооружения, как раз не дают желаемого эффекта, и колебания 1-го тона конструкции скорее будут не такими, как предполагают авторы проекта. А это значит, что в конструкции изначально заложен дефект. Обычно для сложных систем обязателен кинематический анализ расчетной схемы и, если бы он был сделан, то показал, что вся система изменяемая. Авторы защищают свои решения и утверждают, что опорные арки за счет наклона «в развал» обеспечат общую устойчивость сооружения. Все с точностью наоборот. Моряки, стоя на палубе, широко расставляют ноги, а не разводят в сторону руки. В проектном случае получаются два зеркальных центра вращения на продолжении осей арок – и при горизонтальных воздействиях в направлении перпендикулярном осям арок конструкция превращается в механизм. Тут уж никакой диск покрытия не поможет, каким бы жестким он ни был.

Текст этого абзаца отражает кинематическую картину при шарнирных опорах серповидных арок, то есть – он следствие зрительного восприятия инженером сооружения. Но, как уже было сказано, авторы, разделив цельную конструкцию на отдельные, уповают на жесткие заделки труб в устои. Но в жизни ничего абсолютного не бывает. Под действием опорных усилий устои будут смещаться, поворачиваться и тогда уже следует их рассматривать как продолжение арок, заделанных в грунт, опорные устройства как несовершенные шарниры, а всю конструктивную систему, как близкую к изменяемым. Если вспомнить И.М.Рабиновича, то он писал, что от таких систем надо держаться подальше.

Особенно хотелось бы обратить внимание на первые от опор арок растяжки. Когда-то великий А.Н.Крылов сказал: «Настоящий инженер должен верить своему глазу больше, чем любой формуле…». Так вот «конструктивная мощь» этих растяжек несоизмерима с громадностью структуры, которую они призваны удерживать.

О фундаментах. Выбор арочных устоев в виде «стены в грунте» - не лучшее решение. «Стена в грунте» плохо работает на горизонтальные усилия в силу своей технологической природы, а уж при тех, что выпадет ей на долю при полной расчетной нагрузке, и говорить не приходиться. Отказ от затяжек и распорок вряд ли оправдан.

К описанным выше несуразностям проекта следует добавить:

– неизвестно были ли выполнены предварительные геофизические изыскания. Именно они дают возможность оценить пригодность участка для строительства, правильно спланировать последующие геологические работы;

– наверняка не была исследована кровля кристаллического фундамента, наличие разломов в нем, провоцирующих непредсказуемые и опасные воздействия на строения, находящиеся в их зоне;

– остается неизвестным, были ли выполнены проектные работы по водорегулированию, сохранено ли в проекте естественное течение грунтовых вод;

– также неизвестно были ли выявлены свойства грунтового основания: при сдвиге устоев, его характеристики при продольном сжатии - для каждого устоя отдельно.

– точно известно, что в расчетах не была учтена физическая и геометрическая нелинейность конструктивной системы.

Значения конструкционной надёжности отдельных стадий проекта стадиона «Спартак, найденные по табл.6, равны:

–не был исследован кристаллический фундамент, подстилающий грунтовое основание, и заказчик не представил заключение тектонистов, n₁ = 0,945;

– нет решения по сохранению естественного водотока грунтовых вод,

n₂ = 0,669;

– связевые конструкции недостаточны для жесткости сооружения,

n₃ = 0,595;

– кинематический анализ расчетной схемы не выполнен, n₄ = 0,25;

– пространственная (общая) устойчивость сооружения не обеспечена, динамический расчет полностью в проекте не представлен, n₅ = 0,5;

– опорные конструкции (арки, оттяжки) выбраны необоснованно,

n₆ = 0,355;

– материал несущих конструкций выбран необоснованно, n₇ = 0,7

– не учтена физическая и геометрическая нелинейность конструктивной системы, n₈ = 0,707;

– необоснованный выбор конструкционного материала, n₉ = 0,797.

При таких значениях надежности проектный риск аварии стадиона равен:

R_п = 1/ П n_I, = 1/0,945 • 0,669 • 0,595 • 0,25 • 0,50 • 0,355 • 0,700 • 0,707• 0,797 = 151,9

Вывод эксперта. Дефекты проекта отодвигают этот объект далеко от максимально допустимого риска аварии. А это значит, что в таком виде проект не может быть запущен в производство. Его надо исправлять.

Примечание 1. Проект стадиона «Спартак» был изменен. То, что сейчас строится, показано в прил.1, ДМ 8, фото 8.2.