Живучесть — основной показатель качества зданий и сооружений

В последнее время повысилось внимание гражданской и научной общественности к проблемам безопасности строительных конструкций. Значимость проблемы безопасности в целом и живучести (живучесть — есть свойство конструкции выполнять заданные функции в полном или ограниченном объеме при отказе одного или нескольких элементов системы.)в частности усилилась в обществе в результате произошедших катастроф (иначе нельзя назвать) в Российской Федерации и за рубежом. Достаточно привести такие примеры как обрушение конструкций Трансвааль-Парка в Москве в 2004 г., металлических ферм плавательного бассейна в Пермской области в 2005 г., обрушение конструкций покрытия спорткомплекса в Германии и т.д. По нашему мнению, они связаны с рядом причин. Одна из них — отсутствие количественной оценки по безопасности зданий и сооружений, мерой которой служит надежность или уровень риска. Это имеет место в большинстве проектов и соответственно в существующих зданиях и сооружениях. Вторая причина заключена в ошибочной установке в расчетной части проектирования, т.е. в проектировании элементов конструкций по условию равнопрочности.

Известно, что требование равнопрочности элементов конструкций приводит к взрывоопасному характеру разрушения конструкций в целом. Об этом писал Я.Б. Фридман более 20 лет назад в работе. Об этом же пишет В.Д. Райзер в монографии, где отмечается, что «существующие методы проектирования не позволяют оценивать надежность конструкции, и тем более проектировать их с заданным уровнем надежности», т.е. безопасности. Отсюда вывод: в основу проектирования должно быть положено основное требование — безопасность зданий и сооружений.

Любую конструкцию можно рассматривать как систему, состоящую из соединенных между собой элементов, надежность которых должна быть установлена расчетом, т.е. в основу конструирования и расчета должно быть положено не требование равнопрочности, а надежность каждого элемента в зависимости от его значимости в обеспечении безопасности конструкции. Не случайно здания, запроектированные по Российским нормам расчетов, имеют вероятность отказа в 12 раз большую, чем здания, запроектированные по европейским нормам после 50-летней эксплуатации.

Напомним, что в понятиях теории надежности большинство строительных объектов относятся к последовательным системам, т.е. к таким, в которых отказ одного элемента приводит к отказу всей системы, что и наблюдалось в приведенных примерах катастроф. В одном примере разрушение одной из стропильных ферм повлекло разрушение других.

В другом примере — разрушение одной колонны привело к разрушению нескольких десятков колонн. Известно, что для повышения надежности последовательных систем вводят дополнительные элементы (резервирование), повышающие степень надежности отдельных элементов, ответственных за общую безопасность. В строительных конструкциях для этого целесообразно использовать постоянное (горячее) резервирование, заключающееся в том, что отдельные элементы конструкции выполняются усиленными, с повышенной надежностью по сравнению с другими элементами. Такие мероприятия при проектировании конструкций были известны еще во времена существования Римской Империи, где при строительстве многопролетных каменных виадуков арочного типа через несколько опор устраивалась усиленная опора, способная воспринимать односторонний распор от свода. Аналогично этому, в приведенном примере катастрофы в плавательном бассейне следовало через одну или несколько ферм устанавливать усиленную ферму, способную воспринимать дополнительную нагрузку после обрушения одной или нескольких ферм.
В научной школе члена-корреспондента РААСН В.И. Колчунова такая нагрузка названа запроектной (аварийной). Особенность учета запроектных воздействий в расчетах железобетонных конструкций и методика их расчетов приведены в недавно опубликованной работе. При проектировании конструкций с постоянным резервированием возможная дополнительная нагрузка будет считаться проектной.
Использование резервирования элементов зданий и сооружений с целью повышения их живучести при эксплуатации — не единственное направление в проектной работе. Другое направление — использование некоторых обоснованных статически неопределимых систем. Однако оценка надежности таких систем вызывает определенные трудности. Одна из трудностей заключается в установлении сил взаимодействия между элементами (конструкциями) системы. Вторая трудность заключается в выявлении перераспределения усилий по элементам системы при отказе одного или нескольких из них. В этом направлении теория надежности еще не получила достаточного развития для широкого использования при проектировании зданий и сооружений, и оно нуждается в дальнейшем исследовании.

Примером служит применение предохранительных муфт, штифтов и т.д., которые разрушаются в первую очередь при перегрузке механической системы. Такие предохранительные элементы устанавливают в определенных местах системы, они обладают меньшей прочностью и легко заменяются при их разрушении. Такие же элементы могут быть использованы в строительных конструкциях. Возвращаясь к примеру обрушения металлических ферм в плавательном бассейне, можно сказать, что не малую роль в аварии сыграли ограждающие конструкции, уложенные на фермы. Они потянули за собой (запроектным воздействием) другие фермы, что увеличило объем разрушений. Можно было запроектировать в ограждающих конструкциях покрытия в качестве предохранительных отдельные «вставки» между фермами, обладающие малой прочностью на разрыв.
Для повышения безопасности конструкций могут найти применение комбинации различных методов. Обсуждая проблему безопасности в строительстве, нами не ставилась задача выработки всех мероприятий, направленных на повышение надежности проектируемых и реконструируемых конструкций. Нам хотелось бы привлечь научную общественность к обсуждению проблемы безопасности в строительном комплексе, включая и проблему совершенствования подготовки специалистов в плане грядущей модернизации высшей школы. Нужно научить специалистов определять безопасность строительных конструкций, оценивать их надежность. В настоящее время для этого разработан целый арсенал методов, основанных на теории вероятности, возможности, интервальных средних, распределений Дирехле и т.д. Большая подготовительная работа в обсуждаемой проблеме проведена российскими учеными В.В. Болотиным, В.Д. Райзером, А.Р. Ржаницыным и другими. Следует заметить, что поднятая проблема по безопасности зданий и сооружений согласуется с законом РФ «О техническом регулировании», вступившим в силу с 1 июля 2003 г.