А.Г. ТАМРАЗЯН, д-р техн. наук, проф. (МГСУ), О комплексной оценке безопасности строительных конструкций при сценарных воздействиях комбинированного характера
Важной фундаментальной проблемой, непосредственно связанной со многими строительными науками, является комплекс исследований в области науки о сопротивлении материалов, имеющий целью существенное развитие современных теоретических представлений о комплексной оценке безопасности строительных конструкций при комбинированных воздействиях природного и техногенного характера.
В реальных условиях при длительной эксплуатации железобетон испытывает сложные воздействия, в результате которых в конструкциях во времени протекают деструктивные процессы, приводящие к существенным структурным изменениям, что серьезно влияет на их сопротивляемость.
Величина наносимого ущерба достигла в настоящее время таких величин, которые нельзя не учитывать при разработке и реализации экономической и социальной политики на национальном уровне.
Безопасность - одна из сложнейших категорий, имеющих философское, экономическое и социальное содержание. Всестороннее понимание безопасности позволяет глубже проникнуть в сущность экономических и социальных проблем управления безопасностью продукции.
Безопасность достигается проведением единой государственной политики в области обеспечения безопасности, системой мер экономического, политического, организационного и иного характера, адекватных угрозам жизненно важных интересов личности, общества и государства.
Реальные расчеты строительных конструкций и их элементов не отличаются совершенством из-за отсутствия в них критериев, учитывающих изменение свойств материалов во времени под воздействием всех эксплуатационных факторов.
Данная проблема носит не только актуальный научный характер, но и тесно связана с экономикой строительства. Четкий учет всесторонних сценарных воздействий на строительные конструкции будет определять пути ресурсосбережения как за счет совершенствования методов проектирования, так и за счет целенаправленного синтеза строительных материалов, стойких при тех или иных комбинированных воздействиях.
Можно ожидать, что успешное решение задач в рамках проблемы неизбежно приведет к дальнейшему развитию на новом уровне ряда строительных наук и, как следствие, к совершенствованию всего строительного образования.
Современное представление о комплексной сопротивляемости материалов негативным сценарным воздействиям должно быть расширено за счет отражения в расчетах конструкций и сооружений сопротивляемости материалов воздействиям эксплуатационной среды.
В рамках решения проблемы необходимо обобщение законов, закономерностей и результатов экспериментальных исследований, отражающих комплексную сопротивляемость строительных конструкций комбинированным негативным воздействиям.
Достоинство вероятностных показателей безопасности строительных систем обусловлено наличием хорошо разработанного математического аппарата теории случайных процессов в сложных системах. Это обстоятельство позволит прогнозировать показатели безопасности сложных систем и их отдельных компонентов.
К сожалению, при рассмотрении множества входящих случайных переменных, которые управляют и сопротивлением и нагрузкой, аналитические решения могут стать чрезвычайно трудными, если не невозможными. Имеется также ряд вопросов относительно уместности использования предельного (т.е. разрушающего) поведения как уровня эталона для оценки надежности.
Анализ риска, т.е. определение плотности вероятности и частоты возникновения опасных воздействий является исходной информацией для последующих процедур, включающих разработку сценарного развития применительно к рассматриваемому объекту и оценку вероятности ущерба в случае реализации того или иного сценария.
Оценка вероятности ущерба
При учите экономических принципов расчета на безопасность определяется минимум математического ожидания затрат, связанных с возведением сооружения и возможными его повреждениями в течение заданного срока службы.
В подобных случаях оценка безопасности может также проводиться на дискретной основе путем прямого расчета сооружений на максимальные параметры воздействия по критерию предельных состояний на сценарные нагрузки из условия
Возможные отказы возникают в различных комбинациях и сочетаниях.
Критерии допустимого риска требуют соответствующих статистических данных, которые не всегда достигнуты или наличествуют. Если условие (1) не выполняются, то должны быть приняты меры воздействия на чрезмерный риск. На основе анализа риска выбираются рациональные меры защиты.
Альтернативным подходом, который теперь является возможным благодаря современным компьютерным технологиям, является использование метода Монте-Карло как модели изменчивости эффекта нагружения и сопротивления. Моделирование, основанное на оценке надежности, учитывает детальную оценку индивидуальных коэффициентов нагрузки и их сочетаний. Характер всех нагрузок случайный, и они могут быть описаны как случайные переменные.
В данном подходе частные нагрузки представлены кривыми продолжительности нагружения и передачей ограниченной(непараметрической) гистограммы, а не номинальными значениями факторов нагружения, что имеет место во многих нормах. Точно так же переменные значения (т.е. прочность), которые затрагивают сопротивление конструкции или элемента, могут быть также выражены в терминах предельной гистограммы (рис. 2 ).
Использование моделирования методом Монте- Карло помогает определить вероятность разрушения, соответствующую любой комбинации переменных эффектов нагрузки S и сопротивления R. Необходимое число моделирований выполнено согласно распределениям R и S. Чтобы получить вероятность разрушения, число моделирований (каждая “точка на рис. 2 соответствует взаимодействию R и S) в области разрушения, область справа от линии R-S = 0 делится на общее количество моделирований. Затем результат вероятности разрушения сравнивается с планируемой вероятностью.
Наблюдаемое в последние годы усиление внимания к инженерной безопасности строительных систем позволило существенно углубить и расширить научную базу принимаемых проектных решений.
Это в значительной мере относится к комплексной оценке безопасности от техногенных воздействий, в том числе и пожаро-взры- вобезопасности строительных объектов.
Вместе с тем учитываемая в проектировании картина развития событий, связанная с действием пожара или взрыва, нередко оказывается не полной, а результаты не соответствующими реальной тяжести последствий. Это обусловлено тем, что при расчетах не принимается во внимание сценарное развитие аварии, например, аварийные ударные воздействия, являющиеся следствием обрушения конструкций при пожаре или обрушения и разлета фрагментов при взрыве, а также связанные с этими воздействиями изменения в расчетной схеме сооружения. В ряде случаев эти комбинированные воздействия могут приводить к более опасным синергетическим эффектам, чем просто сумма от нескольких воздействий.
Известную группу сценарных воздействий при ЧС представляют различные комбинации типа “взрыв- удар-пожар”. Опасность аварийных взрывов в значительной степени определяется образованием и разлетом осколков фрагментов конструкций. Масса этих осколков может достигать нескольких тонн, а радиус разлета —сотен метров.
Для обеспечения взрывоустойчивости зданий предусматривается необходимость усиления строительных конструкций с учетом взрывных нагрузок, но сценарное развитие в виде ударов осколков не учитывалось.
В условиях пожара обрушение перекрытия, примыкающего к каркасной противопожарной стене, может вызвать изменение расчетной схемы несущей колонны преград - из центрально нагруженной она становится внецентренно нагруженной. В обоих случаях это может вызвать преждевременное наступление предела огнестойкости противопожарной преграды по признаку потери несущей способности или утраты ограждающей способности. При обрушении поврежденных пожаром или взрывом конструкций возникает дополнительная нагрузка в виде удара по неповрежденным или частично поврежденным конструкциям. В результате такого комбинированного воздействия разрушение конструкций строительных систем может развиваться по принципу “домино” и приводить к прогрессирующему обрушению.
Возможная утрата этими конструкциями своей несущей или ограждающей способности в результате удара при пожаре до сих пор специально не рассматривалась.
Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение взаимного влияния наиболее важных для каждой комбинации воздействий, включая их влияние на характеристики и свойства материалов и конструкций; формулировку предельных состояний, развитие физических моделей для материалов и конструкций, разработку методов оценки ударо-пожаро-взрывостойкости конструкций и соответствующих рекомендаций по проектированию.
В связи с этим вопросы разработки методологических, теоретических и экспериментальных основ комплексной оценки комбинированных воздействий типа пожар-взрыв- удар в любом сочетании на конструкции, здания, сооружения должны быть отнесены к важным направлениям развития строительной науки в области предупреждения, за- щиты и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
Представляется, что одним из первых шагов в разрешении исследований в данном научном направлении должно быть формулирование общей концепции обеспечения стойкости конструкций, живучести зданий и сооружений к сценарным воздействиям.
Методологической основой такого рода концепции являются современные направления развития теории удара, огнестойкости, взрывостойкости и теории моделирования.
Развитие теории взрывоустойчивости строительных конструкций определяется проведением исследований по следующим основным направлениям:
- определение реальных аварийных взрывных нагрузок на конструкции с учетом всех факторов, влияющих на их величину и характер изменения во времени;
- оценка эффекта действия этих нагрузок на строительные конструкции на всех этапах их деформирования вплоть до разрушения.
Актуальной проблемой развития теории огнестойкости строительных конструкций является переход от рассмотрения так называемого "стандартного” пожара к учету воздействия на конструкции режимов возможных реальных пожаров в помещениях зданий и сооружений.
Использование концепции динамического расчета конструкций на огнестойкость дает возможность приблизить оценку огнестойкости к условиям реальных пожаров, решать ряд новых задач теории огнестойкости (в т.ч. определение остаточного ресурса несущей способности конструкций после пожара, на различные моменты времени воздействия реального пожара и др).
Взрыво-пожаро-ударобезопасность должна обеспечиваться системой противопожарной, противовзрывной и противоударной защиты. Для этого необходимо применять основные строительные конструкции с достаточной несущей способностью с учетом возможного комбинированного воздействия.
Концепция взрыво-пожаро-ударостойкости конструкций, зданий, сооружений должна базироваться на общей модели возникновения чрезвычайной ситуации сценарного характера, которая будет включать несколько мультипликационных моделей, логически связанных между собой. Основой такой модели будут физические и математические модели процессов, характеризующих режимы развития возможного пожара и последующего удара и взрыва в рассматриваемой системе; процессов, характеризующих протекание теплофизических явлений; процессов разрушения и деформирования в конструкциях зданий и сооружений, подвергаемых комбинированному воздействию.
Важным компонентом общей модели комбинированного воздействия пожара, взрыва, удара на конструкции зданий и сооружений является формулировка условий возникновения и развития сценария вторичного аварийного воздействия. Если конструкция к моменту времени вторичного воздействия удара (взрыва) сохранила определенный уровень несущей способности, приступают к решению задач по оценке взрывоустойчивости конструкции.
При решении этих задач необходимо учитывать специфику мер, обеспечивающих огнестойкость конструкций. В условиях комбинированного воздействия пожара и взрыва эти меры могут противоречить друг другу. Например, для ослабления действия взрыва требуется устройство легкосбрасываемых конструкций, а для предупреждения развития пожара—наоборот, в ряде случаев необходимо сокращение проемов в помещении. Здесь также приходится решать вероятностные задачи сценарных воздействий. Практическая реализация этой возможности при проведении инженерных оценок осложняется недостаточной изученностью ряда вопросов.
К наиболее важным направлениям развития строительной науки в области взрыво-огнестойкости должны быть отнесены:
- дальнейшее совершенствование общей концепции оценки комбинированных воздействий при пожарах и взрывах на строительные материалы, конструкции, здания, сооружения;
- совершенствование методов и средств испытания материалов, конструкций в условиях комбинированных аварийных воздействий;
- разработка рекомендаций по оценке возможности и целесообразности дальнейшей эксплуатации конструкций, зданий и сооружений, подвергшихся комбинированным аварийным воздействиям.
Именно теперь, когда накоплено огромное количество экспериментальных данных о сопротивляемости строительных материалов и конструкций различным воздействиям, в период бурного развития информатики, компьютеризации и новейших методов исследования, постановка и решение такой крупной научной проблемы была бы своевременна и полезна.
Бетон и железобетон, 2003 №1