Анализ нормативных документов по проблеме установления данных для выполнения вероятностных расчетов железобетонных конструкций

Переход на риск-ориентированное проектирование, включая оценку и управление рисками, является актуальным направлением как в технике, так и в современной экономике. Данный переход подразумевает наличие достаточного количества статистических данных, включая методы их установления и построения вероятностных моделей. Современная нормативная база в строительстве в нашей стране пока не предлагает механизмов для количественной оценки рисков. При этом существуют международные стандарты (ISO, МАГАТЭ) и руководства, позволяющие прогнозировать и оценивать риски разрушения и нарушения эксплуатационной пригодности строительных конструкций в течение всего жизненного цикла.

Для оценки состояния вопроса нормирования вероятностных расчетов железобетонных конструкций специалистами НИИЖБ им. А. А. Гвоздева выполнен мониторинг существующих российских и международных документов, регламентирующих указанную область, в частности по вопросам установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов (нагрузок, материалов и расчетных моделей).

В качестве основной задачи работы были поставлены изучение и анализ российского и зарубежного опыта в области оценки и управления рисками применительно к строительным конструкциям и объектам, в том числе на основе вероятностных расчетов.

Методика исследования нормативно-технических документов включала в себя мониторинг положений документов, касающихся методов установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов, а также оценку полноты и достаточности положений документа по методам установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов железобетонных конструкций в части нагрузок, материалов и расчетных моделей.

Предполагалось, что результатом работы станут предложения по совершенствованию отечественной нормативной базы, в т. ч. по программе необходимых исследований.

Отечественная нормативно-техническая база

Выполненный анализ показал, что среди отечественных нормативных документов, требования которых обязательны к исполнению, а также среди норм добровольного применения отсутствуют стандарты или своды правил, в которых установлены четкие и детальные требования к методам установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов железобетонных конструкций в части нагрузок, материалов и расчетных моделей.

При этом анализ существующей нормативной базы позволил выявить ряд нормативных документов, содержащих общие положения риск-ориентированного подхода в системе управления качеством, а также в ряде случаев основные положения по вероятностным расчетам. Данные документы являются переводами соответствующих стандартов международной системы качества ISO. В общем случае стандарты не имеют прямого отношения к проектированию строительных конструкций и направлены непосредственно на повышение качества товаров и услуг, однако в них имеются предпосылки для развития положений теории рисков и вероятностных расчетов применительно к строительным конструкциям, зданиям и сооружениям, которые могут быть полезны.

Среди указанных стандартов отдельно следует отметить ГОСТ Р ИСО 2394-2016 [2]. Как показал анализ, данный стандарт является достаточно общим в части обеспечения требуемой надежности строительных конструкций, в целом его можно назвать аналогом действующего в настоящее время на территории РФ ГОСТ 27751 [1]. При этом данный стандарт в отличие от ГОСТ 27751 [1] содержит как общие, так и детальные положения по выполнению вероятностных расчетов и предпосылки для его выполнения. Стандарт содержит основные положения для оценки надежности строительных конструкций, включая методы установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов конструкций в части нагрузок, материалов и расчетных моделей.

При этом практическое применение общих правил вышеуказанного стандарта при различных типах строительных материалов (в частности, железобетона) требует специальной проработки и адаптации для обеспечения уровня надежности, который будет наиболее согласованным с требованиями нормативных документов по проектированию бетонных и железобетонных конструкций.

Представляется, что положения рассмотренных стандартов ГОСТ Р ISO могут быть использованы в качестве базы для вероятностных методов расчета железобетонных конструкций на основе риск-ориентированного подхода. Одним из важных факторов вероятностного расчета конструкций на основе риск-ориентированного подхода является получение и анализ статистических данных. Данный фактор оказывает прямое влияние на корректность построения моделей, оценки прочностных характеристик материалов и оценку воздействий на конструкции.

Отдельного внимания заслуживают документы из области статистического контроля качества для различных материалов. В строительной сфере можно выделить следующие документы, регламентирующие процедуры обеспечения качества и разграничения соответствующих рисков: ГОСТ 20522 [4], ГОСТ 18105 [5], ГОСТ 34028 [6], ОСТ 14-34-78 [7], ГОСТ 33080 [8]. Указанная группа документов имеет прямое отношение к регулированию рисков строительной продукции и разработке стандартов, отвечающих за принятие решений о ее качестве.

По результатам анализа этих документов можно отметить, что профильные строительные стандарты в области оценки качества и характеристик материалов не имеют прямых ссылок на общеотраслевые стандарты статистического контроля качества. При этом в них отмечены схожие подходы, отличающиеся при оценке ключевых характеристик материалов в зависимости от вида (грунт, бетон, сталь, древесина, камень). Детализация методик статистических принципов оценки в документах различная: наиболее проработанными представляются стандарты для грунтов (методы, приближенные к общеотраслевым стандартам статистического контроля), менее проработаны стандарты для каменных конструкций (нормирование по маркам).

Однако подход является общим, при котором остается неизвестной фактическая надежность железобетонных элементов и железобетонной конструктивной системы в целом. Представляется целесообразным в развитии отечественных методов расчета выполнить переход на полный вероятностный расчет железобетонных конструкций. Указанные выше документы могут быть полезны при выполнении такого перехода.

Выполненный анализ смежных отечественных нормативных документов показал, что детальных положений, указаний или требований по выполнению вероятностных расчетов железобетонных конструкций или конструктивной системы сооружений в целом, включая методы установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов конструкций в части нагрузок, материалов и расчетных моделей, в документах не содержится.

Методики профильных СП по расчету конструкций из различных видов материалов опираются на полувероятностную систему оценки надежности, включающую нормативные характеристики нагрузок и материалов, учитывающие их изменчивость, и детерминированные коэффициенты надежности, установленные из практических соображений.

Отдельно следует отметить СП 366.1325800.2017 [3], касающийся промысловых трубопроводов, в котором достаточно детально описана процедура оценки рисков применительно к промысловым трубопроводам. Положения СП в целом согласуются с общей системой риск-ориентированного проектирования, заложенного в системе ГОСТ Р ИСО 31000 и ГОСТ Р ИСО 9001. Это свидетельствует о том, что в смежных документах наблюдается тенденция к переходу на риск-ориентированное проектирование.

Зарубежная нормативно-техническая база

Среди международных стандартов следует выделить системы стандартов двух международных организаций по стандартизации: ИСО (Международная организация по стандартизации) и МЭК (Международная электротехническая комиссия).

В табл. 1 приведен перечень действующих стандартов ИСО в области надежности, рисков и механической безопасности, разработанных комитетом 98 ИСО «Основы расчета и проектирования конструкций» и имеющих прямое отношение к строительным конструкциям, а также выполнен анализ на соответствие отечественных стандартов и норм положениям указанных стандартов ИСО.

Как видно из результатов анализа, в отличие от отечественной нормативной базы ряд требований международных стандартов по проектированию приведен в стандартах, тогда как в РФ нормативные положения закреплены преимущественно в виде сводов правил. Стандарты в отечественной нормативной базе предназначены в первую очередь для производителей какой-либо продукции.

Анализ стандартов Международной электротехнической комиссии (МЭК) показал, что они по вопросу рисков имеют в общем случае техническую направленность и касаются рисков в технике. При этом представляется, что данные стандарты также будут полезны для более детального анализа и поиска подобных или аналогичных решений для оценки рисков в зданиях и их конструкциях.

В настоящее время в Европе действует общая европейская система стандартов и норм, именуемая EN. В общем случае европейские нормы базируются на международной системе стандартов ISO, рассмотренной выше. Для строительных конструкций евронормы представлены системой нормативных документов – Еврокодов, имеющих маркировки EN 1990 – EN 1999. На сегодня комплект Еврокодов включает десять стандартов, каждый из которых в свою очередь делится на части. Общее количество частей в настоящее время составляет 58.

Основным документом системы евронорм является Еврокод EN 1990 [9], в котором приведены общие принципы и понятия обеспечения надежности строительных конструкций в области конструктивной безопасности. Также в нем установлены основные положения по проектированию несущих конструкций. Как показал анализ текста норм, в них сохранена соподчиненность международным стандартам, в т. ч. в области надежности. В частности, имеются прямые ссылки на стандарты ISO 2394 [10], ISO 3898 [11], ISO 8930 [12]. В этом случае очевидно, что базовыми документами, определяющими концепцию надежности и рисков в области несущих конструкций в европейской системе нормативных документов, являются международные стандарты системы ISO. Еврокод EN 1990 [9] определяет основные принципы и требования по назначению коэффициентов надежности, сочетанию условий, определяет принципы пригодности к использованию и долговечности несущих конструкций. Можно сказать, что EN 1990 [9] разработан в развитие требований международных стандартов системы ISO.

Выполненный анализ позволяет заключить, что система Еврокодов достаточно гибкая и предусматривает механизмы учета требуемой надежности конструкций с точки зрения качества их изготовления. При этом конкретных методик проведения непосредственно вероятностных расчетов, в т. ч. в части методов установления характеристик исходных данных для проведения вероятностных расчетов конструкций в части нагрузок, материалов и расчетных моделей документы Еврокод не содержат. Однако само наличие возможности дифференцировано подходить к оценке надежности строительных конструкций, тем самым применяя базовые принципы риск-ориентированного проектирования, выгодно отличает европейские нормы от отечественных.

Сравнительный анализ европейской и российской нормативной системы показал, что в российской системе нормативных документов принята более дифференцированная система частных коэффициентов, которая позволяет учесть в проверках более разнообразные условия и обеспечить достаточную надежность конструкций и зданий. При этом в российской системе нормативных документов не регламентированы показатели надежности конструкций или зданий в виде получения ее конкретных вероятностных оценок (например, индекс надежности β). Это усложняет применение в отечественной практике вероятностных методов расчета и дальнейшего развития метода частных коэффициентов. Отдельно следует отметить, что для более точного и достоверного определения уровня надежности (вероятности отказа, индекса надежности) необходимо уточнять вероятностные модели базисных переменных.

Отдельно следует отметить обобщающий документ по расчету железобетонных конструкций Model Code 2010, выпущенный международной федерацией бетона fib в соответствующих бюллетенях [13][14]. Он включает разделение методов расчета на уровни их точности. Самый нижний уровень – упрощенные методы оценки и расчетов, самый верхний – вероятностные расчеты. По представлению разработчиков Model Code 2010, для решения практических инженерных задач методы расчета нижних уровней будут востребованными, с чем можно согласиться. При этом развитие методов вероятностного расчета найдет отражение в развивающихся принципах проектирования с учетом жизненного цикла и для оценки остаточного ресурса строительных конструкций.

В документе Model Code 2010 [13][14] предусмотрен специальный раздел по нормированию основ вероятностного расчета и обеспечения надежности. В частности, указано, что выбор целевого уровня надежности при проектировании должен учитывать возможные последствия отказов в плане рисков жизни, потенциальные экономические потери и влияние последствий отказов. Выбор целевого уровня надежности также учитывает объем расходов и усилий, необходимых для снижения рисков отказа. Из-за больших различий в результатах следует уделять должное внимание дифференциации уровня надежности. Выделяют также понятие надежности конструкций, которые проектируются, а также уже возведенные.

Документом предполагается анализировать меры по снижению рисков для каждого конкретного случая. Указано, что максимальная допустимая вероятность отказа зависит от типа предельного состояния и рассматриваемых последствий отказа. Введены также рекомендуемые целевые показатели надежности для конструкций, нормированы значения индекса надежности β.

В процессе выполнения мониторинга нормативно-технической базы не удалось установить какой-либо системной нормативной базы в США в части документов по оценке рисков либо связанных с обеспечением необходимой механической безопасности строительных конструкций, а также по проведению вероятностных расчетов строительных конструкций. При этом заметно возрастает количество публикаций американских исследователей, посвященных тематике оценки рисков при проектировании и строительстве с применением американских норм.

В целом по результатам анализа можно отметить, что европейская система нормативных и поддерживающих ее научно-технических документов является достаточно проработанной и подготовленной для перехода на риск-ориентированное проектирование и вероятностные расчеты с прямой оценкой надежности.

Часть проанализированных международных стандартов имеет соответствующие аналоги в российской системе стандартизации. Представляется полезным учесть положения приведенных стандартов системы ISO, а также иных стандартов системы МЭК для разработки соответствующих нормативных положений и документов в строительстве в виде установления аналогичных требований или их адаптации к российским условиям.

В общем случае для этого представляется необходимым выполнение ряда научно-исследовательских работ по детальной оценке возможности применения положений указанных стандартов, приведенных в них методах определения надежности и оценки риска непосредственно к строительным конструкциям, зданиям и сооружениям, находящимся на территории нашей страны. Также следует учитывать, что большая часть положений вышеуказанных стандартов носит общий и теоретический характер, что требует соответствующей проверки предлагаемых в стандартах подходов, в т. ч. на основе большого количества статистических данных.

Выводы

По результатам выполненной работы можно сформулировать следующие предложения:

Рекомендуется для конкретного практического применения вероятностных расчетов выполнение комплекса научно-исследовательских работ, затрагивающих вопросы:

• детального анализа наиболее продвинутых по вопросам риск-ориентированного подхода зарубежных стандартов системы ISO, JCSS в части возможности применения методик и подходов по выполнению вероятностных расчетов в нашей стране с учетом требований отечественной нормативной базы;
• методологии оценки рисков и их критериев для конкретных видов конструкций и конструктивных систем из железобетона;
• методов сбора и анализа статистических данных (комплекс базовых переменных), достаточных в объеме, достоверных и необходимых для проведения вероятностных расчетов конструкций из железобетона;
• разработки вероятностных моделей свойств железобетона;
• разработки вероятностных моделей воздействий;
• разработки вероятностных расчетных моделей;
• общей методологии выполнения вероятностных расчетов железобетонных конструкций;
• верификации расчетов железобетонных конструкций на основе риск-ориентированного подхода и на основе применяемого в настоящее время полувероятностного метода с установлением критериев применимости.

Вышеуказанные направления следует рассматривать для условий обычной эксплуатации (массовые конструкции, здания и сооружения), а также на различные экстремальные воздействия (здания повышенного уровня ответственности, здания в сейсмических районах, специфические сооружения).

На основе результатов проведенных научно-исследовательских работ по вышеуказанным вопросам представится возможным разработать отдельную систему сводов правил и развивающих пособий к ним, касающуюся оптимального риск-ориентированного проектирования железобетонных конструкций. Состав этих документов и их тематика должна быть согласована со специалистами соответствующих научно-технических, проектных и экспертных организаций.

В качестве предварительных проектов можно рекомендовать следующие своды правил:

• СП «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила расчета надежности»;
• СП «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения по вероятностным расчетам»;
• СП «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила проектирования с учетом оценки рисков».

Для выполнения указанного выше комплекса работ, а также к разработке соответствующего пакета нормативных документов необходимо привлекать соответствующих специалистов и экспертов в области надежности сооружений. При этом необходимо отметить, что исследовательские работы по вопросу выполнения вероятностных расчетов и расчетов надежности с учетом своей актуальности следует выполнять и в более долгосрочной перспективе.