Герхард Шпете
НАДЁЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
*** 1994 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Под влиянием быстрого развития вычислительной техники в последние годы были разработаны усовершенствованные механические модели, так что сегодня для многих конструкций, находящихся под действием заданных нагрузок, возможно определение внутренних усилий с большой степенью точности.
Е фактических расчетах мы имеем дело с детерминированными теориями и постоянными или переменными величинами, однако в дсйствительпостн проблема носит стохастический характер. Свойства строительных материалов несущей конструкции в тон пли иной мерс отклоняются от их средних значений. Еще более это относится к свойствам грунтов. Это же касается геометрии конструкции и характеристик соединений элементов. которые подвержены влиянию случая. Действующие на сооружение нагрузки являются случайными функциями времени. Подобные случайные, или стохастические, отклонения до известной степени неизбежны, и человек может влиять на ниx только в очень узких рамках. Учет случайных явлений проводится на стохастических моделях путем пробных испытаний. Однако для получения надежного статистического результата, как правило, требуется очень большое количество таких проб, чего нельзя добиться практически. В таком случае за счет недостатка статистической информации возникает обширный источник незнания, с которым приходится считаться. Влияние случайных разбросов на безопасность и надежность конструкции может быть установлено только методами магматической статистики и теории вероятностей. Исследования этой проблематики н составляют существо теории надежности несущих строительных конструкций. Для практического использования приходится, одцако, сильно упрощать все зависимости. В нормах случайные влияния учитываются так называемыми элементами безопасности — нормативными значениями п коэффициентами запаса Или частными коэффициентами надежности. С вредеиием оценки запаса на основе механической модели, наиболее приближенной к действительности, обеспечением достаточного резерва прочности при учете влияния стохастических величин в проектной практике появляется возможность разработки проекта, в котором гарантировано достижение надежности сооружения цри безошибочном исполнении проекта в строительстве. 1.2. МЕРЫ ПО ИСКЛЮЧЕНИЮ ОШИБОК ЧЕЛОВЕКА Изучение возникающего ущерба показывает, что большинство случаев отказа вызывается за счет ошибок участвующих в строительстве людей [1.1 —1.7]. Ошибочные действия человека или невыполнение необходимых действий является причиной большинства случаев отказа. Возможным источником ошибок выступает недостаточный уровень знаний каждой конкретной личности. В наше время непрерывного расширения н обновления научно-технических знаний и практического опыта отдельному человеку становится все трудней ориентироваться в окружающей действительности. Здесь неоценимую роль могут сыграть постоянное обучение и переобучение, имеющие своей целью снижение опасности неправильных действий. Нарастающее расширение знаний ведет к усиливающейся специализации во всех областях. Все чаше большое число специалистов работают над общими задачами, которые Становятся все сложнее и необозримее. В связи с этим растет значение обмена информацией между всеми участниками строительного процесса. Опасность ощибок становится большей вследствие того, что определенные точки зрения могут оказаться неучтенными, так как иикто не отвечает за это. Следовательно, для безопасности сооружения первостепенную роль играет деятельность сознающего риск руководителя с ясным и четким распределением ответственности в коллективе и полным обеспечением информационного потока. Потенциальную опасность представляют и ошибочные действия человека из-за халатности, попустительства и безответственности. Воспитание высокой рабочей морали, пробуждение интереса к нахождению падежных решений технических Проблем играют здесь решающую роль. Лишь немногие из человеческих ошибок нельзя предвидеть и предотвратить. Важнейшими средствами обнаружения ощибок и заблуждений являются наблюдение и контроль, составляющие, образно говоря, вторую линию обороны в борьбе Против отказов и недоработок, сеть, которая вылавливает проскользнувшие ошибки. Контроль имеет не только прямую задачу — находить неблагоприятные отклонения; очень важно его косвенное психологическое влияние на качество строительства. На практике контроль сегодня в большей степени полагается на опыт, знания и интуицию работников инженерного надзора. Системное руководство встречается редко. В будущем следует обратить внимание на развитие эффективной стратегии контроля, с тем чтобы направить усилия на решение таких проблем, которые имеют решающее значение для безопасности или при которых ошибочные действия встречаются наиболее часто. Здесь нужно изучить опыт других отраслей. На воздушном транспорте, например, плотный контроль гарантируется контрольным листом. Многие ошибки совершаются только из-за недостатка внимания со стороны лиц, принимающих решения, в и,тучный момент времени. Контрольный лист представляет упорядоченную последовательность вопросов, которые направляют внимание ответственного лица на наиболее часто по предыдущему опыту встречающиеся ошибочные действия, Контрольный лист не заменяет специальные знания, он янляеусн дополнительным накопителем памяти, который пробуждает знание в нужный момент времени. Контрольный Лист предназначен не для дилетантов и необязательно должен быть понятен всем. Контролер должен обладать не только знаниями, но и авторитетом, чтобы добиться устранения выявленных ошибок. На воздушном транспорте таким контролером/проводящим проверку по контрольному листу, является сам пилот. Ошибки человека не учитываются введением специального резерва прочности при проведении расчета. Сегодня нет-таких нормативных документов, которые содержали бы частный коэффициент надежности по учету недостатков качества за счет ошибок человека. 1.3. МЕРЫ ПО ОГРАНИЧЕНИЮ РАЗМЕРА УЩЕРБА Несмотря на обе вышеупомянутые стратегии по обеспечению безопасности, все же полностью избежать случаев отказа нельзя. Будь это определенные ошибки, проскользнувшие через.сеть контроля, будь это чрезвычайные происшествия или экстремальные перегрузки в период срока службы конструкция, но отказы возможны. Перегрузки могут возникать от природных или техногенных воздействий, которые не были учтены в расчете и остались за рамками рассмотрения -проблемы, например, возникновение волны сжатия при взрыве. Перегрузки могут возникнуть также и за счет отсутствия знании у человека и его неправильных действий в процессе эксплуатации контроль и надзор на строительных объектах, дай правило, ограничен этапами проектирования и возведения. Только на ответственных объектах, таких, как железнодорожные мосты, плотины, атомные станции, контроль продолжается и на стадии эксплуатации. Ббльшая же часть сооружений после окончания их строительства предоставлена сама себе, и часто пользователь даже не осведомлен о предельных допустимых нагрузках на сооружение. Несмотря на оценку надежности и на контроль в процессе проектирования и строительства, следует исходить из того, что невозможно полностью избежать случаев отказа. Тогда остается третья и последняя возможность обеспечения безопасности — спроектировать конструкцию так, чтобы при возникновении отказа снизить неблагоприятные последствия и, 'Прежде всего, избежать смертельных случаев. Для этого следует при проектировании конструкции исключить вероятность внезапного полного хрупкого ее обрушения, а также обеспечить возможность усиления конструкции при появлении предвестников обрушения и эвакуировать при необходимости людей. Этому способствует выбор таких статических систем, в которых выход из строя одного элемента не ведет к внезапному и подлому отказу всей системы. Кроме того, необходимо использовать такие материалы и конструкции, которые обладают,.способностью к большим деформациям. Возможность разрушения за счет образования трещин или появления больших деформаций должна быть понятна и неспециалисту. Такие,, соображения не новы, к этому всегда стремится ппженер-строитель. Но сегодня наметилась тенденция-система диз.цр о вать эти принципы и подвести под них научную основу, Например, имеются предложения [1.8], При Проектировании сейсмостойких железобетонных конструкций подразделять сооружения па три класса по их значимости; для каждого класса устанавливаются различные правила расчета и конструирования с тем, чтобы получить различные уровни деформирования в момент разрушения. 1.4. ТРАДИЦИОННЫЙ ЭМПИРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БЕЗОПАСНОСТИ Запас прочности между нагрузкой н несущей способностью с учетом случайных и систематических отклонений обеспечивается сегодня при проектировании следующими мерами: 1. При больших разбросах значений нагрузок в расчете принимаются величины, которые редко могут быть превзойдены, а при больших разбросах характеристик материалов принимаются те, ниже которых значения параметров встречаются редко. 2. Алгоритмы расчета строятся на предпосылках, которые обеспечивают запас прочности, В сомнительных расчетных ситуациях предпочтительно принимать больший запас прочности, т. е. большие поперечные сечения элементов. За счет этого систематические отклонения чаще всего приводят к дополнительным запасам. Другое дело, что величины этих запасов остаются неизвестными- 3. Запас прочности увеличивается введением общего коэффициента запаса или многих частных коэффициентов надежности. 4. Предпочтение отдается тем конструкциям, которые исходно имеют определенные резервы безопасности. Так, преимущественно используются статически неопределимые системы и материалы с большой способностью к деформированию, что обеспечивает перераспределение внутренних усилий. Нормативные значения и коэффициенты запаса задаются в нормах. За счет этого часть решений, которые должен принимать проектировщик под давлением требований безопасности к экономии, передается от отдельного индивидуума официальным учреждениям. Это частично освобождает проектировщика от ответственности и обеспечивает ему определенную юридическую защиту. Безопасность сооружения обеспечивается ответственностью изготовителя строительных материалов и производителя работ- за качество материала, ответственностью пользователя за соблюдение верхних границ нагрузок, ответственностью проектировщика за проектирование и конструирование при безупречном выполнении проверок на надежность на основе возможно более точной механической модели и ответственностью властей за приемлемый для общества уровень надежности, определяемый назначенными нормативными величинами, коэффициентами запаса и надежности. На чем основываются требования по надежности, содержащиеся в нормах? Для большинства норм можно уверенно сказать: основой требований по надежности является опыт предыдущего строительства. Требования по надежности большей частью основаны не на теории и не на науке. Так, например, коэффициенты запаса не вычисляются, а назначаются экспертами и утверждаются властями. Основой при этом являются опыт, интуиция, возможно, анализ зарубежных норм и рекомендации международных организаций. Рассмотрим подробнее механизм учета опыта предыдущего строительства. Для этого механизма имеет большое значение одно характерное свойство проблемы надежности. Она становится заметной только при появлении Отказов конструкций с недостаточным запасом прочности. При наличии запаса этого не наблюдается, конструкции с большими резервами окаьшгаются пригодными для длительной эксплуатации- На основе этого свойства -на рис. 1.2 представлен механизм накоплении опыта. Проверка на надежность производится на фазе эксплуатации несущей конструкции. Если эта фаза протекает без случаев Отказа, то после относительно длительного периода времени у специалистов появляется подозрение, что здесь должны быть излишне большие резервы надежности. На основе этого запас прочности снижают, назначив, например, меньшие коэффициенты запаса. Если, наоборот, встречаются частые или вызывающие интерес общественности и специалистов случаи отказов, когда ни одно цз нормативных требований не нарушено из-за ошибок человека, то повышают запас прочности, например увеличением коэффициентов запаса, которое обычно превосходит действительно необходимое и в дальнейшем корректируется. Этот эмпирический путь никоим образом не основан на реальных функциональных связях, а ориентирован лишь на последствия. Подобный образ действий называют методом проб и ошибок (рис. 1.3). Он может пониматься как эмпирическая стратегия оптимизации. При этом отыскивается такой резерв прочности, при котором требуется минимальный расход материала или обеспечивается уровень безопасности, устраняющий общество. Что при этом понимается под словами «устраивает» или «не устраивает», «надежный» или «ненадежный», остается в высшей степени неопределенным и различным от случая к случаю. Так, например, известно, что люди могут добровольно подвергать себя куда большему риску, чем тот, который они считают приемлемым. Сели оценивать этот традиционный эмпирический прием, то следует заметить, что в прошлом строительстве он себя оправдал. В длительном процессе развития аккумулируется огромный опыт, который «ашел отражение в нормах конструировании, расчета, строительства и контроля. В последнее время, однако, усилились стремления решать проблемы надежности в технике научными методами. Причин этому много, попытаемся выявить некоторые из них. |
