Меню
Головна
 
Головна arrow БЖД arrow Надійність будівельних об'єктів та безпека життєдіяльності людини
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Забезпечення безпеки будівельними методами

Забезпечення безпеки при виникненні екстремальних ситуацій у будинках та спорудах - задача комплексна, тому шукане рішення повинно здійснюватися з урахуванням широкого кола питань, у яких роль будівельників значна.

Основна відповідальність у вирішенні цих завдань лягає на плечі проектувальників і управлінців, які на стадії передпроектного аналізу повинні передбачити такі рішення, які при заданому рівні витрат забезпечили б максимальну безпеку споруди і навколишнього середовища. Результатом такого аналізу може бути відмова від будівництва взагалі або розробка проекту, якщо необхідний рівень безпеки (тобто його віддаленість від кордонів небезпеки) не може бути забезпечений наявним ресурсом. Для відстеження безпеки розроблюваних проектів у великих фірмах навіть з'явилася посаду ризик-менеджерів, які оцінюють умови можливих надзвичайних ситуацій, очікуваних збитків і витрат для ліквідації аварій. Особливо цей вид діяльності у складі проектних організацій важливий при будівництві висотних будівель і споруд, АЕС, підземних об'єктів, гідростанцій, нафто - і газопровідних систем, морських нафтовидобувних платформ, при будівництві на нестійких грунтах підстав і т. п.

Спроби забезпечити безпеку на стадії проектування мають давню історію. Вони належать до часів, коли була вперше усвідомлена зв'язок між зовнішніми впливами і внутрішніми зусиллями, що характеризують опір конструкцій і споруд, і сходять до часів Галілея і Бернуллі. Ці та пізніші численні дослідження знайшли відображення в оцінці безпеки, названої критерієм допустимих напружень, що проіснував до 30-х років XX століття. Згідно з цим критерієм напруга у найбільш напруженому волокні (шарі) критичного (небезпечного) перерізу конструкції σкр не повинно перевищувати гранично допустимого напруги σдоп, що визначається як середня міцність R, поділена на понижуючий її коефіцієнт запасу:

(1.9)

Коефіцієнт запасу призначався на основі дослідів, але багато в чому приймався інтуїтивно (зазвичай у = 1,5 - 2,0) і інтегрально враховував вплив несприятливих факторів мінливості параметрів навантаження, міцністних властивостей матеріалів, геометричних розмірів конструкцій і т. п., що мають місце на практиці.

Використання методу розрахунку за типовим напругам залишалося прийнятним, поки в якості основних конструкційних матеріалів використовувалися залізо і сталь, що підкоряються закону Гука. При цьому визначення напружень (деформацій) у найпростіших конструкціях методами опору матеріалів не представляло особливих труднощів. Кам'яні конструкції, не будучи, взагалі кажучи, пружними, також вкладалися в рамки існуючої розрахункової процедури.

Поширення залізобетону як основного конструкційного матеріалу, досягла свого першого розквіту до кінця 20-х років XX століття, вимагає інших підходів, оскільки стало очевидно, що залізобетон є композитним матеріалом і має здатність працювати за межами пружності. Его обставина викликала до життя запропонований на початку 30-х років в МІБІ проф. А. Ф. Лолейтом і розвинений в ЦНИИСКе проф. А. А. Цвяховим критерій руйнівних навантажень. Як критерії безпеки встановлювалося не максимальне напруження, яке визначається по зовнішньому навантаженні, а руйнівне зусилля, викликане зовнішнім навантаженням, яке встановлюється за певним експерименту з граничним значенням напруг. Метод дозволяв призначати загальний для всього перерізу коефіцієнт запасу. Допустиме навантаження перебувала шляхом ділення руйнівного навантаження на цей коефіцієнт. Метод більш правильно відображав дійсну роботу перерізів, підтверджувався експериментально і став великим кроком уперед у розвитку теорії насамперед залізобетону.

Недоліком цього методу стало використання єдиного коефіцієнта запасу, лише наближено враховує різноманіття факторів, що діють на конструкцію, і їх випадковий (мінливий) характер. Крім того, запропоновані критерії носили обмежений характер, так як оцінювали лише стійкість конструкцій або споруд до певних видів дій, а можливості оцінки наслідків і величини збитку виключалися.

В кінці 30-х років в МІБІ проф. Н.С. Стрілецьким була розроблена більш досконала концепція розрахунку за граничними станами, а з 1955 р. критерій граничних станів був введений в норми проектування будівельних конструкцій, будівель і споруд. Під граничним розуміють такий стан конструкції або споруди, після досягнення якого подальша експлуатація стає неможливою внаслідок втрати здатності чинити опір зовнішнім навантаженням або отримання неприпустимих переміщень або місцевих пошкоджень. У відповідності з цим встановлено дві групи граничних станів: перша - за несучої здатності, друга - по придатності до нормальної експлуатації.

Розрахунок по першій групі граничних станів виконують з метою запобігання руйнування конструкції (розрахунок міцності), форми втрати стійкості конструкції (розрахунок на поздовжній вигин) або її положення (розрахунок на перекидання або ковзання), втомного руйнування (розрахунок на витривалість).

Розрахунок за другою групі граничних станів має на меті не допустити розвиток надмірних деформацій (прогинів і т. п.), виключити можливість локальних пошкоджень (тріщин) або обмежити ширину їх розкриття, а також забезпечити в необхідних випадках закриття тріщин після зняття частини навантаження.

Розрахунок по першій групі є основним з позицій безпеки і визначає її кордон.

З визначення граничних станів ясно, що на відміну від раніше запропонованих критеріїв за їх граничне значення приймається не один який-небудь параметр (напруга, навантаження), а стан конструкції, що передує втраті безпеки, тобто інтегральний параметр. При цьому враховується ряд винятково важливих факторів: мінливість навантажень і опорів матеріалів, можливі поєднання різних навантажень і т. п.

Основна умова (критерій безпеки) у відповідності з даним методом може бути представлено у вигляді

(1.10)

де F - розрахункове зусилля, рівне практично можливого максимального зусилля в перерізі елемента при невыгоднейшей комбінації розрахункових навантажень або впливів; Fu - розрахункова несуча здатність, тобто мінімально можливий опір конструкції.

Більшість навантажень, будучи випадковими величинами, зазвичай підлягають розподілу за законом Гаусса. Досліди показують, що цього ж розподілу підпорядковується і міцність основних конструкційних матеріалів. З математичної статистики відомо, що якщо подія (в даному випадку показник міцності або інтенсивність навантаження) має місце не більше ніж в одному випадку із 1000, то воно вважається абсолютно неймовірним (недостовірним). Навпаки, якщо воно проявляється у 999 випадках з тисячі і частіше, то подія вважається абсолютно достовірним.

Для визначення чисельних критеріїв абсолютних ймовірності та достовірності існує правило "трьох сигм"; наприклад, для міцності матеріалів

(1.11)

де Rср - середнє значення міцності (математичне очікування); σ - середньоквадратичне відхилення, яке характеризує мінливість випадкової величини R.

Значення Rср і σ визначаються залежностями:

(1.12)

(1.13)

де Δ = Ri - Rср; пi - число спостережень, в яких зафіксована міцність Ri; п - загальне число спостережень.

На практиці визначення несучої здатності здійснюється дещо інакше. За основу беруть так звані нормативні значення матеріалів:

(1.14)

що відповідає тому, що міцність матеріалу в 95 випадках з 100 буде вище Rn. Величину Rn використовують у розрахунках по другій групі граничних станів, де така висока безпека, як у розрахунку міцності, не потрібно. Розрахунковий опір R, що використовується в розрахунках першої групи, отримують діленням Rn на коефіцієнти надійності (безпеки) за матеріалом γb, γs приймаються рівними 1,3-1,5, що зменшує значення R до величин R - 3σ.

Величини σ отримують шляхом вибіркових випробувань зразків з використовуваного бетону, сталі і т. п. Вони залежать від застосовуваної технології, якості виробництва та інших чинників. Поряд з γb, γs при визначенні несучої здатності вводять ряд інших коефіцієнтів, що відображають ті чи інші умови виготовлення і роботи конструкції.

Схожим чином визначають розрахункові навантаження; їх нормативні значення множать на коефіцієнти надійності (безпеки) за навантаженням γf(0,9-1,6), а також коефіцієнти надійності за призначенням γn враховують ступінь відповідальності та капітальності будівель і споруд (1,0-для капітальних споруд 1-го класу, 0,8 - для тимчасових споруд зі строком служби до п'яти років).

Необхідно зазначити, що навантаження поділяються на постійні, тимчасові й особливі. До постійним ставляться власна маса конструкцій, тиск грунту та ін. Тимчасові поділяються на тривалі і короткочасні. До тривалих відносяться навантаження від стаціонарного обладнання, книг у книгосховищах та інші, до короткочасним - навантаження від маси людей, снігові, вітрові навантаження, що виникають при монтажі і ремонті, та ін.

До особливих відносяться навантаження, що виникають у надзвичайних ситуаціях (сейсмічні, вибухові, ударні тощо). Таким чином, розглянутий підхід дозволяє вирішувати завдання безпеки при надзвичайних ситуаціях і до теперішнього часу є основним.

Очевидно, що розглядувані навантаження діють на спорудження не окремо, а в комплексі (поєднанні). Таких комбінацій може бути кілька; розрізняють основні сполучення, що складаються з постійних, тривалих і короткочасних навантажень, так і особливі поєднання, що складаються з постійних, тривалих, короткочасних і однією з особливих навантажень.

Ймовірність одночасної появи найбільших значень навантажень враховують коефіцієнтом сполучень. Якщо в основне поєднання включається тільки одна короткочасна навантаження, коефіцієнт сполучень приймається рівним 1,0, якщо дві і більше - останні множаться на коефіцієнт 0,9, так як вважається малоймовірним, щоб всі вони одночасно досягали найбільших значень. В особливому поєднанні розрахункові значення короткочасних навантажень множаться на 0,8, при цьому особливі навантаження враховуються без зниження.

З урахуванням сказаного вище вираз (1.10) графічно може бути виражена на рис. 1.2, де заштрихований ділянка являє зону ризику, тобто той практично неймовірний випадок, коли конструкція може вийти з ладу.

Викладений підхід може бути названий концепції "абсолютної надійності (або безпеки)". По суті своїй він є напів імовірнісним, бо мінливістю володіють не тільки навантаження і міцність матеріалів, але і розміри перерізів конструкцій і т. п. Однак очевидно, що цей підхід має ряд недоліків.

До цих недоліків належать, наприклад, той факт, що реальна небезпека виходу з ладу цілого ряду типів споруд вище, ніж передбачена на основі критерію граничних станів, тому використовуваний підхід дозволяє, за рідкісним винятком, врахувати лише можливість настання обумовленого в нормах граничного стану і не здатний оцінити інші види втрат (людські, природні тощо), які можуть мати місце внаслідок, наприклад, виходу з ладу споруди; крім того, ряд особливих дій не підкоряється закону Гауса.

Рис. 1.2. Графічне представлення умови безпеки

Перспективною альтернативою критерієм граничних станів є оцінка ризику (аналіз ризику). Під ризиком розуміють імовірнісну міру небезпеки, встановлену для даного об'єкта (суб'єкта) у вигляді можливих втрат за певний період часу.

Ризик є функцією ймовірності виникнення можливого впливу (в загальному випадку не залежить від об'єкта) і реакції об'єкта на цей вплив (вразливості). Таким чином, у найпростішому варіанті ризик негативної події (відмови), обумовленого небезпекою h певної інтенсивності, може бути визначений за формулою

(1.15)

де ph - ймовірність (повторюваність) небезпеки; рFh - ймовірність відмови, тобто виходу з ладу об'єкта при впливі цієї небезпеки.

Ілюстрація формули (1.15) подана на рис. 1.3.

Таким чином, рівень безпеки p(S), який нас цікавить, в імовірнісних термінах може бути визначений за формулою

(1.16)

Однак, маючи на увазі це співвідношення, зазвичай оперують з поняттям ризику p(F), припускаючи, що визначення безпеки по рівнянню (1.16) не викликає труднощів.

Зіставлення показало, що розрахунок за методом граничних станів в імовірнісних категоріях відповідає оцінці ризику 10-5 - 10-6 руйнувань в рік, тобто з мільйона однотипних будівель можуть зруйнуватися від одного до десяти, що є практично неймовірним. Насправді ймовірність катастрофічних відмов значно вище. Наприклад, для промислових об'єктів за останні 20 років вона становила 5 · 10-4 для багатоповерхових будівель і 2 · 10-4 для інженерних споруд.

Зіставлення наведено в табл. 1.2.

Рис. 1.3. Геометрична інтерпретація поняття ризику

Таблиця 1.2. Зіставлення аварійних ситуацій для будівель і споруд

Значення ризику

Для будівель

Для споруд

одноповерхових

багатоповерхових

Теоретичне

1 · 10-5

1 · 10-5

1 · 10-6

Фактичне

7 · 10-4 - 1 · 10-5

5 · 10-4

2 · 10-4

Допустиме

1 · 10-5 - 2 · 10-6

2 · 10-6

2 · 10-5

Як бачимо з табл. 1.2, фактичні аварійні ситуації перевищують величини розрахункових характеристик.

До основних причин невиконання концепції "абсолютної надійності" можна віднести:

- помилки вишукувань;

- помилки при проектуванні;

- недостатню дослідженість поведінки об'єктів будівництва і їх елементів (недосконалість норм);

- помилки будівництва;

- помилки при контролі якості.

Статистика показує, що основними засобами підвищення безпеки є підвищення якості вишукувальних і будівельно-монтажних робіт, посилення нагляду за ними або введення систем якості.

Аналіз ризику дозволяє забезпечити інтегральну оцінку безпеки будівельних систем з урахуванням ймовірності ураження об'єкта в часі і просторі при виникненні НС, а також можливих наслідків. Наприклад, для оцінки ризику втрат при дії природних аварій і катастроф запропонована формула оцінки інтегрального ризику R∑ в будь-якій сфері можливих втрат:

(1.17)

де ph - повторюваність небезпеки h певної інтенсивності, чисельно рівна її статистичної ймовірності; рSh; Рth - ймовірність ураження об'єкта небезпекою h в просторі S і по часу t; Poh - ступінь уразливості (ймовірність ураження, руйнування, загибелі тощо) об'єкта при події h; рFh - ймовірність порушення функціональних параметрів об'єкта дослідження (ймовірність відмови); D - показник оцінки ризику (наприклад, площа, вартість об'єкта, чисельність населення тощо).

Очевидно, межа безпечного стану і саме безпечний стан в термінах аналізу ризику будуть оцінюватися виразом

(1.18)

де рдоп - допустимий ризик, що залежить від виду об'єкта, його основних параметрів, характеристики місця його розташування, економічних, этнопсихологических та інших факторів.

Для оцінки ризику запропоновано ряд підходів. Наприклад, для промислових будівель і споруд часто вживається наступна формула:

(1.19)

де ξ - коефіцієнт соціальної значущості об'єкта, дорівнює 0,005 для місць зібрання людей та розміщення гребель; 0,05 - для об'єктів масового промислового та цивільного будівництва; 0,5 - для мостів; 5 - для веж, щогл та споруд на морському шельфі; t - розрахунковий термін служби конструкції або споруди (в роках); N - середнє число людей, що знаходяться всередині споруди або в безпосередній близькості від нього протягом періоду, за який оцінювався ризик.

Наведені дані свідчать про те, що методи аналізу ризику істотно розширюють можливості оцінки межі безпечного стану у прямому вигляді дозволяють враховувати соціальні, економічні та екологічні наслідки відмов будівельних конструкцій, так і об'єктів у цілому при дії небезпек будь-якого походження. Стримуючим фактором є відсутність необхідних статистичних даних.

Слід зазначити, що ризик - категорія економічна. Тому, якщо зменшити початкові вкладення (наприклад, не передбачаючи антисейсмічних заходів при будівництві будівлі в сейсмічному районі), підвищуючи, таким чином, ризик (і рівень) збитку від землетрусу, якщо воно відбудеться протягом строку служби споруди, і навпаки. Таким чином, технічна оцінка ризику, наведена вище, є складовою частиною економічної оцінки ризику проекту.

У більш загальному сенсі ризик (безпека) являє собою інтегральну сукупність (не арифметичну) екологічного, техногенного, соціально-економічного та інших видів ризиків. Тому при формуванні принципів управління ризиком з метою забезпечення безпеки людини і навколишнього його середовища для живе і майбутнього поколінь необхідно враховувати обов'язкова умова, що управління технічним ризиком є частиною загального процесу безпечного стану суспільства як социоэкономической системи. Отже, алгоритм оцінки ризику повинен бути підпорядкований наступною схемою: природа виникнення НС, оцінка впливу на навколишнє середовище і будівельні об'єкти, способи захисту.

 
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Схожі тими

Будівельні об'єкти, необхідні для забезпечення безпеки міської інфраструктури
Якість будівництва і рівень експлуатації для забезпечення безпеки будівельного об'єкта
Пріоритетні цілі забезпечення комплексної безпеки міста
Розвиток методів визначення меж безпечного стану будівельних систем
Умови забезпечення надійності та безпеки об'єктів будівництва
Забезпечення пожежної безпеки
Методи ціноутворення та визначення вартості будівельно-монтажних робіт
Законодавчо-правове і нормативне забезпечення безпеки та якості
Забезпечення безпеки життєдіяльності людини
Заходи щодо підвищення безпеки будівельних систем
 
Предмети
Банківська справа
БЖД
Бухоблік і аудит
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика і естетика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Політологія
Політекономія
Право
Психологія
Соціологія
Страхова справа
Товарознавство
Філософія
Фінанси