Обеспечение требуемого уровня конструкционной безопасности строящихся зданий и сооружений в системе сертификации

Никольский Иван Сергеевич Челябинск, асе. каф. стр. механики ЮУрГУ

Изложены метод и технология сертификационных испытаний строящихся зданий и сооружений на соответствие требованиям конструкционной безопасности. Приведены критерии оценки соответствия и обозначен подход к регулированию риска аварии.

Конструкционная безопасность является одним из базовых свойств качества построенного здания (сооружения). Интегральным показателем такой безопасности служит риск аварии г, принимаемый в форме отношения фактической вероятности возникновения аварии Рф к теоретической вероятности Рт [1], закладываемой по умолчанию в объект при проектировании (z^Vy/y. В работе [2] доказано, что в правильно запроектированном и построенном здании (сооружении) среднее значение риска аварии после завершения строительномонтажных работ не должно превышать величины нормального (естественного) риска аварии (RH=2), при котором безопасный ресурс возведенного объекта становится наибольший. В [2] также доказано, что риск аварии является обратной величиной уровня конструкционной надежности объекта, определяемый произведением уровней надежности всех последовательно возведенных на объекте групп однотипных конструкций несущего каркаса здания. Это означает, что задача по оценке риска аварии объекта сводится к определению законов распределения вероятности уровней надежности однотипных конструкций в группах.

Технология обеспечения требуемого уровня конструкционной безопасности объекта в процессе его строительства состоит из следующих последовательно выполняемых этапов.

• 1.    Определяется категория ответственности исследуемого объекта и закон распределения нормального (естественного) риска аварии.

• 2.    По результатам экспертизы формируется блок формализованной информации о техническом состоянии групп однотипных конструкций, образующих «дерево» несущего каркаса объекта.

• 3.    Проводятся виртуальные статистические испытания фактического риска аварии «промежуточных зданий» и строятся для них интегральные

• 4.    По результатам сертификационных испытаний принимается решение о соответствии или несоответствии «промежуточных зданий» объекта требованиям конструкционной безопасности.

• 5.    При несоответствии объекта требованиям конструкционной безопасности определяются «промежуточные здания» и группы несущих конструкций, которые вносят наибольший вклад в риск аварии объекта, принимаются меры по устранению дефектов и вновь повторяются пп. 3 и 4.

законы распределения нормального и фактического рисков аварии

Примечания:

• 1.    Под «деревом» несущего каркаса понимается иерархическая последовательность групп однотипных конструкций, а под «промежуточным зданием» - часть m-этажного объекта, содержащая нулевой цикл и k < m его этажей.

• 2.    Каждое «промежуточное здание» исследуемого объекта характеризуется количеством групп однотипных несущих конструкций и интегральным графиком распределения фактического риска аварии.

На первом этапе в зависимости от категории ответственности объекта строительства выбирается дифференциальный график распределения нормального (естественного) риска аварии /(ту. При отсутствии реальных статистических данных в качестве таких распределений выбрано семейство законов Пирсона 3-го типа на основании исходящих из логики и строительной практики следующих аксиом:

• -    вероятности значений риска аварии меньших 1 равны нулю, так как обеспечить в процессе строительства проектный риск аварии не удается по целому ряду причин, в том числе объективных;

• -    кривая распределения является асимметричной: наиболее вероятное значение риска сдвинуто влево от среднего значения, поскольку существует естественное стремление общества обезопасить среду своей жизнедеятельности;

• -    степень асимметрии дифференциального закона распределения нормального риска аварии зависит от категории ответственности строительного объекта (чем ответственней категория, тем больше степень асимметрии).

Этим аксиомам отвечают законы распределения Пирсона. Определяющими характеристиками такого типа законов являются среднее значение и коэффициент а, показывающий степень асимметрии распределения (рис. 1). Независимо от категории ответственности исследуемого объекта среднее значение нормального риска аварии для новых зданий принимается равным 2 [1]. Отличающим

'Га

1 - уникальные и технически сложные знания и сооружения - с чрезвычайно высокой концентрацией ценностей и знерго-

2-здания и сооружения массового ^грситепъства втч по таловым проектам, социально и политически значимые

^ШеОЬШ ^уШМ;#Шш производств |а.=.6р

З-матозтажноестроетельство, эксплуатация без ~ скоплена людей, отсутствие опасных производств, низкая .

t Кн 2 2

риска аварии

Рис. 1. Дифференциальные законы распределения нормального же фактором законов распределения плотности вероятности является степень их асимметрии.

На втором этапе осуществляется визуальноинструментальное обследование несущих каркасов «промежуточных зданий» исследуемого объекта. Для формирования формализованной информации о техническом состоянии несущих конструкций эксперты на основе своего опыта, знаний и инженерной интуиции в каждой входящей в несущий каркас группе однотипных конструкций:

• -    выявляют наиболее и наименее дефектные конструкции;

• -    для наиболее и наименее дефектных конструкций по правилу, приведенному в табл. 1, назначают уровни опасности, ранги уровней опасности и уровни их надежности;

• -    устанавливают отношение числа наименее к числу наиболее дефектных конструкций в группе, определяя тем самым вид закона распределения уровней надежности конструкций в группе

Информация в формализованном виде о техническом состоянии групп однотипных конструкций несущего каркаса исследуемого объекта представляется в виде табл. 2.

При формировании информации о техническом состоянии групп однотипных конструкций с целью сокращения объема экспертных работ использованы приемы теории нечеткой логики и принципы теории квалиметрии. Так, при построении табл. 1 для назначения уровней надежности дефектных конструкций использована переменная

«очень» [2], а уровень надежности отождествляется со степенью соответствия параметров дефектной конструкции требованиям проекта в части обеспечения прочности, жесткости и устойчивости. Уровни надежности наиболее и наименее дефектных конструкций в группах приняты за единичные показатели надежности. В качестве комплексного показателя надежности использованы законы распределения плотности вероятности уровней надежности конструкций в группах f(p) (рис. 2), зависящие от параметров и, р^ и р₂ Полученные показатели образуют необходимую и достаточную информацию для определения интегрального показателя уровня конструкционной безопасности «промежуточного здания» - закона распределения вероятности фактического риска аварии F(r^.

Таблица 1

Правило назначения уровней надежности дефектных конструкций

Уровень опасности конструкции	Отношение конструкции к требованиям проекта	Ранг уровня	Уровень надежности конструкции
0	Дефектов нет	-	1.000
1	Соответствие требованиям проекта практически полное	1	0.997
		2	0,993
		3	0,990
2	Отклонения от требований проекта незначительные	1	0,976
		2	0,963
		3	0,949
3	Отклонения от требований проекта ■ значительные	1	0,920
		2	0,892
		3	0,865
4	Соответствие требованиям проекта низкое	1	0,818
		2	0,774
		3	0,732
5	Соответствие требованиям проекта предельно низкое	1	0,671
		2	0,616
		3	0,564
6	Соответствие требованиям проекта практически нет		0.500

На третьем этапе осуществляются виртуальные статистические испытания риска аварии «промежуточных зданий» объекта через компьютерное моделирование риск-ситуаций методом Монте-Карло. Виртуальные испытания основаны на формализованной информации о техническом состоянии групп конструкций несущего каркаса. Алгоритм проведения виртуальных испытаний включает:

• -    конкретизацию дифференциальных законов распределения плотности вероятности уровней надежности однотипных несущих конструкций в группах/^)

  /(р) =

  
  

  (л + 1)(р₂-_й)

  
  

! , (р-й)(и-1)

_        ^2 - Р1 .

Таблица 2

Информация о техническом состоянии групп однотипных конструкций ___________

Номер и наименование группы однотипных конструкций	Уровень опасности конструкции и его ранг		Уровень надежности конструкции в группе		H-f(P2)V(Pl)
	наиболее дефектной	наименее дефектной	наиболее дефектной р)	для наименее дефектной р2

Рис. 2. Закон распределения уровней надежности в группах

• -    генерацию случайных величин уровней надежности конструкций в группах через разыгрывание равномерно распределенной в интервале [0; 1] случайной величины q и формирование массивов надежностей конструкций по формулам:

Д = А+9-(/72-А)(прип = 1)

8+Т^д^           (у

1А где А - n -1, В = 2(р2 - пр^,

С = р^ (п-1)-2р1 (рг-р^Дп + Мр^-рДц.

• -    комплектацию на основе математической модели [2] г = \/Пр статистического ряда для фактического риска аварии «промежуточных зданий» исследуемого объекта;

• -    построение по статистическому ряду интегрального закона Р(гф) распределения фактического риска аварии, а по принятому виду дифференциального закона - интегрального закона Р(гн) распределения нормального риска аварии «промежуточного здания» объекта.

На четвертом этапе принимается решение о соответствии или несоответствии «промежуточных зданий» объекта требованиям конструкционной безопасности. Условием сертификации является выполнение неравенства F(r^ < г_и) > 0,95, означающее, что фактический риск аварии не превышает равновероятный нормальный уровень с вероятностным обеспечением F не менее 95%. В целом объект соответствует требованиям конструктивной безопасности, если доказано, что фактический риск аварии последнего «промежуточного» здания удовлетворяет данному условию. На рис. 3 показаны интегральные законы F(r,p и РОД для случая, когда «промежуточное здание» объекта не соответствует требованиям конструкционной

Рис. 3. К оценке соответствия «промежуточного здания» объекта требованиям конструкционной безопасности безопасности и для которого риск аварии подлежит регулированию.

На последнем этапе (в случае не соответствия исследуемого здания (сооружения) требованиям конструкционной безопасности), производится регулирование риска аварии. Для этого по полученным законам распределения уровней надежности конструкций в группах (рис. 2) определяются средние значения уровней надежности р_ср этих групп по формуле:

^СР (« + 0       3(л+ !)(/?, -р^        (3)

и строится диаграмма средних уровней надежности групп однотипных конструкций, показывающая группы несущих конструкций, которые вносят наибольший вклад в объектный риск аварии, т.е. те группы, которые имеют наименьшие средние уровни надежности.

Такие группы подлежат дополнительному обследованию с последующим устранением обнаруженных в них дефектов, а объект повторным сертификационным испытаниям на соответствие требованиям конструкционной безопасности.