Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
В принципе надежность зависит от трех основных факторов — от свойств материала, внешних нагрузок и общих условий работы (и исполнения) конструкции. При всем этом полтора века назад, когда был впервые выведен коэффициент запаса, он понимался совершенно иначе, чем сейчас. Но нынешнее понимание его является зачастую противоречивым, во всяком случае, дискуссионным. Не возникает споров только о выборе расчетных характеристик материалов. Для упругих материалов основной расчетной характеристикой является предел текучести, поскольку значительные пластические деформации, которые происходят после его прохождения, приводят к недопустимым смещениям в конструкции. Для хрупких материалов такой основной характеристикой является предел разрушения. Для материалов, работающих в режиме постоянного динамического воздействия, отправной точкой считается так называемый предел усталости, который предполагает хрупкое разрушение, так как внутри материала возникают микротрещины. (Этот предел определяют в лабораторных условиях при многократно повторяющихся динамических воздействиях, причем число циклов в зависимости от конкретных требований может достигать миллиона и даже миллиарда.) Так что в любом случае речь идет о предельных сопротивлениях материала.
Но как же в конце концов вычисляется коэффициент запаса? Например, можно взять в качестве расчетной характеристики материала какую-то долю предельного напряжения; тогда коэффициент запаса будет представлять собой отношение между предельным и расчетным напряжением. Просто, не правда ли? И достаточно надежно — коэффициент запаса будет достаточно велик. Но всегда имеется и оборотная сторона медали, в данном случае — это проблема мотивировки такого коэффициента. Понятие «допускаемое напряжение» и основные положения метода расчета по допускаемым напряжениям сформулированы французом Навье еще в далеком 1826 г. Более века эта система являлась единственным аппаратом «предсказывания» и обеспечения надежности, которым располагали инженеры-конструкторы. Интересно, что в некоторых странах (ФРГ, Франции и др.) этот метод еще используется до сих пор как официальный.
Но ведь в нем не учитывается влияние других факторов на надежность! Очевидно, что односторонний подход имеет множество минусов. До сих пор никто и никогда еще не смог дать удовлетворительных критериев надежности, исходя лишь из свойств материала. Полученный таким образом коэффициент запаса является весьма субъективным и всегда оказывается в пользу надежности. Спроектированные по методу допускаемых напряжений сооружения обладают немотивированно высокой надежностью, которая в век точных расчетов является крайне нежелательной. Если вообще можно говорить в данном случае о какой-либо мотивировке, то ею может быть только низкий уровень знаний. Поэтому некоторые авторитетные специалисты совершенно серьезно называют эту архаичную форму коэффициента запаса коэффициентом незнания.
Только в 30-х годах нынешнего века был сделан качественно новый шаг вперед. В СССР был обоснован и постепенно разработан новый метод расчета строительных конструкций, который назывался методом расчета по стадии разрушения (или по разрушающим усилиям). Это — следующий этап борьбы человека с природой, новый этап в понимании и регулировании сложной картины невидимого конфликта. Как подсказывает название метода, в качестве расчетных характеристик берутся предельные прочности материалов. На основании этой величины вычисляется несущая способность элементов «за миг до разрушения», и именно отношение предельной несущей способности к соответствующим внешним усилиям, которые определяют при статическом исследовании, дает величину коэффициента запаса.
Этот новый метод определения коэффициента запаса гораздо лучше, точнее отражает реальное соотношение сил в невидимом конфликте. Особенно значительны различия в обоих методах определения коэффициента запаса для железобетона, для которого само понятие «допускаемые напряжения» выглядит нелепо, как заплата. Поскольку предельные напряжения для бетона одни, а для арматуры другие, точный коэффициент запаса определить невозможно, не говоря уже о том, что реальные напряжения в связи со сложной природой этого материала весьма далеки от допускаемых значений. Общий коэффициент запаса, определенный по новому методу, дает возможность более точного, более обоснованного нормирования. Величина коэффициента больше при перевесе подвижных нагрузок над постоянными, а поскольку характер подвижных неуловим, могут быть и неожиданности. Несмотря на недостатки этого метода, он до сих пор является основным в некоторых развитых странах.
И все же это далеко не предел. Следующий шаг был сделан в 40— 50-х годах, когда в СССР была создана и введена система расчета по предельным состояниям. Только здесь были наконец охвачены три основные группы факторов, от которых зависит надежность строительных конструкций. По-новому прозвучало и понятие «надежность», поскольку было введено логичное предположение, что важно не только не допустить разрушения, но и обеспечить сохранение эксплуатационной пригодности. Поэтому совсем не надо ждать разрушения, чтобы считать, что конструкция себя скомпрометировала; например, недопустимого прогиба вполне достаточно, чтобы ее «списать».
В настоящее время коэффициент запаса включает в себя как бы три компонента, каждый из которых учитывает различные группы факторов, влияющих на надежность. Начнем со свойств материалов. Их механические свойства, включая и предел прочности, изменяются в весьма широких границах. При прежних методах определения размеров проблема «как выбрать» решалась одним махом с помощью общего коэффициента запаса, который был весьма неточным. Сейчас эта проблема решается с помощью метода статистической вероятности. За расчетное сопротивление принимается такая величина, вероятность реального возникновения которой в конструкции является приемлемо малой. Но насколько мало? В Англии, например, она равна 1% (т.е. авария, связанная с «отказом» материала, может ожидаться в одном случае из ста). Согласно нашей практике, расчетное сопротивление имеет вероятностную надежность 0,01% (т. е. в одном случае из тысячи возможна авария). Такая вероятность «отказа» материала является вполне приемлемой, что убедительно подтверждает накопленный до настоящего времени опыт.
Второй стороной рассматриваемого конфликта являются нагрузки. Многолетние наблюдения и статистическая обработка результатов позволяют достаточно точно их нормировать. Максимальные значения внешних нагрузок, которые допускаются при нормальной эксплуатации конструкции, называются нормативными нагрузками. Однако существует возможность повысить эти значения при определенных обстоятельствах. Такое возможное повышение — при определенной вероятностной надежности — учитывается так называемым коэффициентом перегрузки, который является вторым важным компонентом коэффициента запаса.
Остается влияние последнего фактора — общих условий исполнения и работы конструкции и отдельных ее элементов. Этот фактор учитывается коэффициентами условий работы, определяющими важность элемента с точки зрения надежности конструкции в целом, значимость сооружения в системе хозяйственной жизни, качество, условия и контроль исполнения, несоответствие методов расчета реальному напряженному состоянию в конструкции и т. д. Как видим, построен мост между теоретической идеализацией и строительной практикой, синтезирующий в себе результаты множества наблюдений за выполненными зданиями и сооружениями, весь строительный опыт прошлого и настоящего.
Как же в конечном счете заранее — еще в проектной мастерской — обеспечивается необходимая надежность? Суть состоит в ряде сопоставлений, сравнении несущей способности с соответствующими внешними условиями. При этом ответственном процессе, т. е. расчете строительных конструкций, значения несущей способности должны быть больше или почти равны соответствующим внешним воздействиям. Но эта истина была известна еще в древности. Новое в методах и способах определения размеров — точное количественное выражение двух сторон невидимого конфликта. Усилия в элементе — это вероятные максимальные усилия, которые могут возникнуть при исключительных, критических, но все же ВОЗМОЖНЫХ обстоятельствах. А несущая способность — это вероятная минимальная несущая способность, которая может проявиться при роковых, но ВОЗМОЖНЫХ совпадениях, т. е. когда материал низкого качества оказывается в условиях работы, усложняющих его положение.
Так, с минимальным перевесом сил конструкция всегда должна стать победителем в конфликте. Слово «вероятность» никого не должно смущать. Когда необходимо обуздать случайные величины, обращение к вероятности неизбежно. Понятие «риск» в строительстве в наши дни имеет лишь теоретическое значение для тех, кто знает свое дело и вкладывает в него душу и знания.
