Problematika posuzování spolehlivosti stavebních konstrukcí a její hranice
Prolog:
V roce 1972 jsem navštívil staveniště WTC (Světového obchodního centra) na Manhattanu v New Yorku a s hlubokým obdivem jsem sledoval montáž ocelové konstrukce tehdy nejvyšší budovy světa. Při pozdějších návštěvách tohoto mimořádného díla lidského umu a rukou jsem si vždy s hlubokou úctou uvědomoval, čeho je schopen dosáhnout ve dvacátém století člověk - tvůrce. S velkým potěšením jsem se o své poznatky a dojmy podílel se svými studenty a kolegy formou skript, článků, promítání diapozitivů a zejména besed vedoucích často k diskusi kritérii bezpečnosti, použitelnosti, ochrany proti požáru a technologického vybavení vysokých budov jako WTC sloužících mnoha desítkám tisíců zaměstnanců a návštěvníků.
Dne 11.9.2001 došlo k hrůznému činu. Necelé tři dekády od dokončení objektu sledoval svět v šoku na obrazovkách totální zřícení WTC, které nebylo důsledkem účinků mimořádného zatížení větrem či nečekaně silného zemětřesení přesahujícího meze uvažované v projektech, nýbrž byl to člověk - ničitel, který v průběhu necelých dvou hodin zvrhlým způsobem připravil o život tisíce lidí pracujících v objektu s důvěrou v bezpečnost stavby a zlikvidoval unikátní dílo.
Jak má být pod dojmem této apokalypsy chápán pojem "spolehlivost konstrukce"? Stručná zpráva, kterou krátce po tragické události rozeslal svým členům Council on Tall Buildings z university Lehigh v Pennsylvanii, naznačuje, že se ocelová konstrukce budov zřítila v důsledku požáru po nárazech letadel nesoucích v nádržích velké množství leteckého benzinu.Ocelová konstrukce WTC byla chráněna proti požáru v souladu s předpisy a normami (měla odolat teplotám cca 815 až 870 oC). Při požáru po nárazech letadel dosáhla zřejmě teplota značně vyšších hodnot, což spolu s výrazným narušením konstrukce nárazem způsobilo především výrazné oslabení v místech přípojů stropních konstrukcí k vnějším sloupům "komůrkového" nosného systému, sloupy ztratily stabilitu, uvolněné stropní konstrukce se zřítily a strhávaly konstrukce stropů v nižších patrech. Projektant ocelové konstrukce Les Robertson se k uvedenému vysvětlení připojil a dodal, že integrita ocelové konstrukce realizovaná podle projektu dovolila evakuaci tisíců osob dříve než se celý nosný systém zhroutil.
Lze očekávat, že zajištění vysokých budov i dalších inženýrských děl proti zrůdným útokům člověka-ničitele bude předmětem konferencí přesahujících hranice inženýrské problematiky. Jak vyplývá z následujících odstavců, je oblast problematiky posuzování spolehlivosti konstrukcí dosud omezena tradičním chápáním bezpečnosti nezahrnujícím nebezpečné zájmy fanatiků barbarsky ničících to, co jiní vybudovali.
Zamyšlení nad sborníkem konference MALTA 2001
Na jaře roku 2001 se pod záštitou IABSE, CIB, ECCS, fib a RILEM uskutečnila na Maltě mezinárodní konference “Safety, Risk and Reliability - Trends in Engineering”. Jaké nové poznatky může přinést 944 stran sborníku [1] obsahujícího podle názvu konference referáty zaměřené na trendy inženýrského pojetí posudku spolehlivosti a rizika těm stavařům, kteří se nemohli účastnit “živého” jednání pléna a pracovních skupin?
Předmět konference a nesporně též atraktivní prostředí Malty vedly odborníky z různých částí světa k přihlášení 390 abstraktů. Jak píše v úvodu ke sborníku předseda programového výboru prof. T. Vrouwenvelder z Holandska, bylo z celkového počtu vybráno pouze 171 referátů zaměřených z části na "klasické aspekty spolehlivosti konstrukcí" a rozmanité formy jejich uplatnění, z části na širokou problematiku analýzy rizika.
Po seznámení se s obsahem sborníku považuji za užitečné podělit se s čtenáři o svůj názor. Lze začít vyslovením výhrad ke krit ériím uplatněným programovou komisí při výběru referátů. V rozporu s názvem konference “Trends in Engineering” nezařadila komise (až na jednu výjimku) do programu příspěvky upozorňující na slibný rozvoj metod posuzování spolehlivosti konstrukcí založených na uplatnění simulačních technik podporovaných rostoucím potenciálem počítačů, a to se zdůvodněním, že tyto příspěvky nepatří do rámce konference. Programová komise si měla být vědoma toho, že se v loňském roce uskutečnila v Monaku světová konference o rozvoji a aplikacích metody Monte Carlo, na které bylo předneseno více než sto příspěvků zdůrazňujících velice slibnou budoucnost a ohromný potenciál metod využívajících simulační techniku při posuzování spolehlivosti konstrukcí. Nepřijetím příspěvků založených na uplatnění těchto metod bylo jednání výrazně ochuzeno o přímou konfrontaci z hlediska koncepcí opírajících se o “klasická” analytická pojetí (zejména FORM-SORM) a koncepcí uplatňujících simulační techniku. Lze litovat, že se na konferenci neuskutečnila diskuse o potenciálu a perspektivách uvedených dvou zásadně odlišných koncepcí, neboť výsledky odborné konfrontace mohly být zárodkem závažných závěrů a doporučení pro práci výzkumníků, zpracovatelů norem, projektantů i pedagogů.
Netajím se tím, že pochybuji o slibné budoucnosti aplikace pravděpodobnostních metod založených na náročném analytickém přístupu v široké projekční praxi, včetně koncepce, kterou ve sborníku v neúplné formě uvádí prof. T. Vrouwenvelder jako metodu připravovanou pro Eurocody komisí JCSS (Joint Committee for Structural Safety). Jmenovaný vyzdvihuje ve sborníku přednosti a velikou rozpracovanost metody JCSS, při čemž však jen mimochodem uvádí, že dosud není např. zpracováno řešení “beam-columns”, tedy často se opakujícího posudku bezpečnosti prutů namáhaných kombinací více-komponentních účinků zatížení. Lze dodat, že pokud jmenovaný neuvede v rámci návrhu JCSS jasné řešení např. tohoto problému, bude mít metoda “JCSS” ještě velice daleko k praktickému uplatnění.
S přihlédnutím k obsahu sborníku lze současnou situaci v oblasti hledání kvalitativně dokonalejších metod posudku spolehlivosti konstrukcí, odpovídajících éře počítačů a aplikovatelných v normách i v práci projektantů, stručně přiblížit čtenáři takto:
(a) Dnes už jen někteří jednotlivci nesouhlasí s tím, že v současných normách použitá metoda dílčích součinitelů je z hlediska dosavadních poznatků a vzhledem k potenciálu výpočetní techniky překonaná a rozmanité pokusy o její zásadní zdokonalení jsou marněním času, což potvrzuje rostoucí počet publikovaných prací zaměřených na rozvoj plně pravděpodobnostních metod. Zřídka se ještě naleznou kolegové, kteří metodu dílčích součinitelů obhajují a tvrdošíjně odmítají přípravu k přechodu k pravděpodobnostním koncepcím. Je zajímavé sledovat např. vyučujícího ocelových konstrukcí dotazujícího se prostřednictvím odborného časopisu kolegy teoretika co vlastně vyjadřuje součinitel zatížení v případě stálého zatížení z hlediska výsledné pravděpodobnosti poruchy, na což dostane od teoretika neúplnou polodeterministickou odpověď z části založenou na použití simulace Monte Carlo. Tazateli by bylo stačilo seznámit se v krátkém čase např. s průhlednou metodou SBRA [2] a na svoji otázku si mohl sám snadno odpovědět, při čemž by navíc věděl jak a za jakých předpokladů lze dospět k výsledným pravděpodobnostem poruchy.
(b) Na vědeckém nebi se elitní badatelé zabývají zdokonalováním analytických pravděpodobnostních metod (viz zejména FORM/SORM). Výsledky jejich práce, blížící se podle jejich vyjádření dokonalosti, je nutno vysoce hodnotit. Problém však může spočívá v tom, kdo a jak přetlumočí teoreticky a matematicky velice náročné metody do formy norem a zejména do úplné soustavy postupů a kritérií srozumitelných každému projektantovi. Jako při dětské hře “tichá pošta” také při přenášení těchto metod s vědeckého nebe k zemi se na každém stupínku něco zjednoduší, upraví, vynechá, “zkalibruje” atd. tak, že nakonec z vynikající teorie zůstane značně neprůhledná interpretace, která nezaslouží označení “polopravděpodobnostní”, nýbrž podle některých amerických odborníků je výstižnější používat přívlastek “prescriptivní”.
Jak dále? Jsem názoru, že by projektant (= tvůrce konstrukce) neměl být pouhým interpretem nedokonale objasněných kritérií, vzorců a hodnot uvedených v normě. Projektant ani student by se neměli spokojovat s frázemi “norma říká”, nýbrž by měli plnit úlohu tvůrce konstrukce včetně uplatnění jasných “pravidel hry” při posudku spolehlivosti. Bez přímé účasti projektanta-statika nelze dosáhnout kvalitativního zdokonalování posudku spolehlivosti. A dále, bez přiměřeného zvládnutí pravděpodobnostního pojetí posudku spolehlivosti projektantem je jen hypotetické rozvíjet rizikové inženýrství, optimalizaci a další navazující stupně efektivního projektování.
Přechodu k pravděpodobnostní metodě posudku spolehlivosti nezabrání ti, kteří se dnes jen usmívají a kroutí hlavou, aniž se s podstatou FORM/SORM a s podstatou simulačních metod seznámili. S potěšením lze sledovat studenty a doktorandy vyzbrojené počítačovou zručností, s jakým zájmem a rychlostí pronikají do metod posudku spolehlivosti založených na technice Monte Carlo. Lze usuzovat, že v blízké budoucnosti to budou právě oni, kteří si zavedení pravděpodobnostního posudku založeného na simulační technice budou vyžadovat jako samozřejmost. Nedávno bylo vzpomenuto stého výročí narození vedoucího katedry v oboru ocelových konstrukcí na Stavební fakultě ČVUT a smělého průkopníka nových metod prof. Ing.- Dr. F. Faltuse, DrSc. Autor je přesvědčen, že kdyby byl profesor Faltus účasten současných diskusí o vývoji posudku spolehlivosti konstrukcí bez váhání by povzbuzoval studenty, doktorandy, výzkumníky a projektanty k osvojování si podstaty pravděpodobnostního přístupu a k rozvoji aplikací kvalitativně nové koncepce uplatňující simulační techniku, stejně jako je povzbuzoval před čtyřiceti lety v době přípravy přechodu od metody dovolených namáhání k metodě dílčích součinitelů.
Přechod od současných metod posuzování spolehlivosti k metodám pravděpodobnostním si vyžádá čas potřebný především k přípravě spočívající ve “změně myšlení” projektanta i všech dalších zainteresovaných odborníků včetně vyučujících, a to od současného deterministického k myšlení pravděpodobnostnímu. K usnadnění tohoto kvalitativního přechodu má přispět m.j. kniha [2] “Probabilistic Assessment of Structures using Monte Carlo Simulation. Background, Exercises, Software”, která je dílem třiceti třech autorů z devíti států (zpracováno v rámci vzdělávacích programů agentury Leonardo da Vinci, EC Brusel). Tato výuková pomůcka je založena na snadno pochopitelné pravděpodobnostní metodě SBRA (Simulation-based Reliability Assessment, viz [3]), jejíž aplikaci přiblíží čtenáři stošedesát řešených příkladů a přiložený software. Cílem publikace je povzbudit zájem čtenářů a usnadnit jim proniknout do “pravidel hry” plně pravděpodobnostního posudku bezpečnosti, použitelnosti a trvanlivosti konstrukcí, aniž je nutno zápasit se složitým matematickým a statistickým aparátem.
Bude-li projektantům předložena srozumitelná, matematicky nenáročná a snadno zvládnutelná pravděpodobnostní metoda posudku spolehlivosti přinášející materiálové i časové úspory a vyrovnanou spolehlivost, bude to projektant, který bude podporovat její zavádění a rozvoj. Spokojenost projektanta s tím, že ví co a jak dělá, spolu s potřebným softwarem a databázemi vstupních veličin urychlí přechod na kvalitativně vyšší úroveň odpovídající počítačové éře. V tomto směru byly už učiněny první kroky.
Cesta na Maltu přinesla jistě každému účastníkovi zajímavé odborné i bohaté kulturní poznatky. Lze jen litovat, že si organizátoři konference vysvětlili pojem “trend” subjektivně a vyloučením metod využívajících simulační techniku neumožnili objektivní porovnání dvou zcela odlišných koncepcí posudku spolehlivosti.
Epilog:
Rozvoj lidského poznání vede mimo jiné k dokonalejším metodám navrhování a posuzování spolehlivosti konstrukcí. Marné by však bylo veškeré snažení člověka - tvůrce zabránit dalším zrůdným akcím teroristů, pokud bude mít v rukou pouze kritéria související s obvyklými účinky zatížením, aniž by dostal celospolečenskou pomoc, která by zastavila jednou pro vždy zvůli člověka - ničitele.
[1] Conference Report “Safety, Risk and Reliability - Trends in Engineering”. International Conference, MALTA, March 21-23, 2001. Publisher c/o IABSE - ETH CH 8093 Zurich., ISBN 3-85748-102-4.
[2] “Probabilistic Assessment of Structures using Monte Carlo Simulation. Background, Exercises, Software.” P. Marek., J. Brozzetti and M. Guštar, Editors. (2001). ÚTAM AV ČR Praha. Distribuuje knihkupectví ACADEMIA, Praha, Václavské náměstí, vydavatel viz ISBN 80-86246-08-6.
[3] Marek P., Guštar M., and Anagnos T. (1995) “Simulation-Based Reliability Assessment for Structural Engineers.” CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida.
Prof. Ing. Pavel Marek, DrSc.
ÚTAM AV ČR Praha a FAST VŠB TU Ostrava
|
|
kontakty |
inzerce