Podstawowymi przesłankami do jej zapewnienia są: projektowanie i wykonanie zgodne z aktualną wiedzą i Eurokodami, a przede wszystkim zarządzanie inwestycją ukierunkowane na jakość.

Problem z zapewnieniem bezpieczeństwa i niezawodności użytkowania obiektów budowlanych istnieje od momentu, kiedy człowiek zaczął je wznosić. Ten oczywisty wymóg społeczny znalazł swoje uregulowanie prawne już w Kodeksie Hammurabiego (w XVIII w. p.n.e.): „Jeśli dom się zawali i zabije właściciela, to budowniczy ma być skazany na karę śmierci. Jeśli dom zabije syna właściciela, to syn budowniczego niech będzie uśmiercony”. W czasach nowożytnych, problematyką bezpieczeństwa budowli w ujęciu matematycznym zajmował się już Galileusz („Dialogi i dowody matematyczne” 1638 r.) [5]. Jednak dopiero w XX wieku rozwój mechaniki budowli, wytrzymałości materiałów, teorii sprężystości i plastyczności, a także identyfikacji obciążeń, umożliwił poznanie zachowania się konstrukcji i ekonomiczne ich projektowanie z uwzględnieniem postulatu niezawodności. Właśnie te zagadnienia – metodologiczne zasady projektowania konstrukcji, ujęto w PN-EN 1990: 2004 Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji [6]. Jest to norma wiodąca w projektowaniu konstrukcji budowlanych według Eurokodów, przeznaczona także do stosowania przez: komitety opracowujące nowe normy projektowania i związane normy wyrobów (badań i wykonania), projektantów i wykonawców, a także właściwe władze budowlane. Ponadto PN-EN 1990 jest dokumentem przewodnim w projektowaniu konstrukcji nieuwzględnionych w Eurokodach od EN 1990 do EN 1999 w celu: • oceny oddziaływań i ich kombinacji, • identyfikacji modelu materiału i zachowania się konstrukcji, • oceny wartości liczbowych parametrów niezawodności. Podano w niej zasady i wymagania dotyczące oceny nośności, użytkowalności i trwałości konstrukcji. Przedstawiono przede wszystkim procedury działań organizacyjno-prawnych związanych z zapewnieniem niezawodności budowli – określone jako zarządzanie niezawodnością. Są to działania zorientowane na jakość w ujęciu procesowym tj. stosowaniu odpowiednich procedur nadzoru i kontroli w całym procesie budowlanym. 

Wymagania podstawowe
Obiekty budowlane należy zaprojektować i wykonać w taki sposób, aby w zamierzonym okresie użytkowania, z należytym poziomem niezawodności i bez nadmiernych kosztów, przejmowała wszystkie oddziaływania i wpływy, które mogą wystąpić podczas wykonania i użytkowania. Ponadto powinna ona pozostawać przydatną do przywidzianego w projekcie użytkownika. W tym celu wg [6] należy zapewnić jej odpowiednią: • nośność (wytrzymałość – zdolność przenoszenia oddziaływań, a także odporność ogniową), • użytkowalność (zdolność użytkową w sensie sztywności), • trwałość w projektowanym okresie użytkowania tj. kontrolowaną deteriorację (pogorszenie się stanu konstrukcji podczas jej eksploatacji) przez właściwe utrzymanie budowli w trakcie użytkowania. Kanwę metodologiczną sprawdzania niezawodności konstrukcji wg [6] stanowi znana już i powszechnie stosowana metoda stanów granicznych i współczynników częściowych. W odniesieniu do konstrukcji stalowych została ona omówiona w [3], [4]. Aby zminimalizować potencjalne zniszczenie konstrukcji należy przyjąć jedno lub kilka z następujących zabezpieczeń: • ograniczyć, eliminować lub redukować zagrożenia, na które może być narażona, • wybrać ustrój nośny, który jest mało wrażliwy na rozpatrywane zagrożenie, • przyjąć takie jego rozwiązania, by przetrwał mimo awaryjnego uszkodzenia pojedynczego elementu lub pewnej części konstrukcji, • unikać, tak dalece jak to możliwe, ustrojów konstrukcyjnych, które mogą ulec zniszczeniu bez uprzedzenia, • wzajemnie powiązać (stężyć) elementy konstrukcji. Niezawodność konstrukcji – zdolność bezawaryjnego funkcjonowania w przewidzianym, tzw. projektowanym okresie użytkowania – jest zasadniczym kryterium jakości i głównym (normatywnym) postulatem formułowanym w odniesieniu do konstrukcji. Projektowy okres użytkowania to przyjęty w projekcie przedział czasu, w którym konstrukcja ma być użytkowana zgodnie z zamierzonym przeznaczeniem i przewidzianym sposobem jej utrzymania, bez potrzeby napraw. Zgodnie z [6] jest on przyjmowany stosownie do rodzaju obiektu budowlanego wedle pięciu kategorii (1÷5) poczynając od konstrukcji tymczasowych (kategoria do 10 lat) a kończąc na budynkach monumentalnych (kategoria do 100 lat). W przypadku zwykłych, powszechnie stosowanych konstrukcji budowlanych zalecany projektowy okres użytkowania wynosi 50 lat.

Zarządzanie niezawodnością
Główne przesłanki zapewnienia niezawodności konstrukcji wg PN-EN 1990 [6] to: • projektowanie – zgodne z Eurokodami, • wykonanie – zgodne z właściwymi normami przywołanymi w Eurokodach, • zarządzanie – zorientowane na jakość (według ISO 19001: 2000 Systemy zarządzania jakości – podejście procesowe), tj. stosowanie odpowiednich procedur nadzoru i kontroli w całym procesie budowlanym. W zarządzaniu niezawodnością konstrukcji można przyjmować różne jej poziomy. W wyborze poziomu niezawodności konstrukcji uwzględnia się: możliwe przyczyny i/lub postacie stanów granicznych, możliwe konsekwencje zniszczenia, takie jak zagrożenie życia, szkody, zranienia, straty materialne, reakcje społeczne na zaistniałe zniszczenia, a także koszty i procedury oraz postępowanie niezbędne z uwagi na ograniczenia ryzyka zniszczenia. W zależności od rodzaju obiektu i konsekwencji zniszczenia jego ustroju nośnego przyjmuje się różne poziomy niezawodności. Można stosować zróżnicowane poziomy niezawodności w postaci trzech klas niezawodności (RCX), którym odpowiadają trzy klasy konsekwencji (CCX). Dla ustalonych klas RCX oraz CCX dobiera się: • poziom nadzoru projektowania (DSLY) • poziom inspekcji wykonawstwa (ILY). Zaleca się przy tym, aby poziom wymagań był nie niższy niż klasa niezawodności i konsekwencji (Y ? X) gdzie Y, X = 3, 2, 1. W zależności od uwarunkowań można przyjąć klasę niezawodności konstrukcji RC3 (zaostrzoną), RC2 (przeciętną) lub RC1 (niższą). W przypadku zwykłych, powszechnie stosowanych konstrukcji budowlanych przyjmuje się uwarunkowania przeciętne (Y = X = 2). Schemat identyfikacji klas niezawodności, konsekwencji zniszczenia i poziomów nadzoru projektowania i inspekcji wykonawstwa przedstawiono na rys. 1. Klasy niezawodności konstrukcji i związane z nią wymagania dotyczące zapewnienia jakości w procesach projektowania i realizacji, powinny być zawczasu uzgodnione oraz sprecyzowane w specyfikacji projektu. W celu różnicowania niezawodności można ustalić klasy konsekwencji zniszczenia konstrukcji (CCX), na podstawie analizy skutków jej zniszczenia lub nieprawidłowości funkcjonowania. Kryterium klasyfikacji konsekwencji jest ważne z uwagi na następstwa zniszczenia ustroju nośnego lub jego elementu konstrukcyjnego. W zależności od rodzaju konstrukcji i decyzji podjętych w projektowaniu, jej poszczególne elementy mogą być przyjęte w tej samej, wyższej lub niższej klasie konsekwencji niż cała konstrukcja. Obliczeniowo różnicowanie klas niezawodności konstrukcji uzyskuje się za pomocą m. in. współczynników KFi do współczynników częściowych γF stosowanych w kombinacjach obciążeń podstawowych dla stałych sytuacji obliczeniowych. Wynoszą one KF1= 0.9 – dla RC1, KF2= 1.0 – dla RC2, KF3= 1.1 – dla RC3. Zaleca się przyjęcie poziomów nadzoru projektowania oraz poziomów inspekcji wykonawstwa powiązanych z klasami niezawodności. W PN-EN 1990 [6] przyjęto trzy poziomy nadzoru projektowania (DSLY). Poziomy DSLY powinny być powiązane z klasą niezawodności RCX oraz wdrożone za pomocą odpowiednich środków zarządzania jakością. Różnicowanie nadzoru projektowania składa się z różnych organizacyjnych środków kontroli jakości, które mogą być stosowane równocześnie. Różny nadzór projektowania może zawierać klasyfikację projektantów i/lub inspektorów projektowych (sprawdzających, władz kontrolujących itd.), odpowiednio do ich kompetencji i doświadczenia oraz ich wewnętrznej organizacji. W PN-EN 1990 [6] przyjęto trzy poziomy inspekcji w trakcie wykonania budowli (ILY). Poziomy inspekcji mogą być powiązane z klasami zarządzania jakością, wybranymi za pomocą odpowiednich środków zarządzania jakością. W zależności od specyfiki konstrukcji i stosowanych materiałów, szczegółowe wskazówki dotyczące wykonania są podane w Eurokodach od EN 1992 do EN 1996 oraz EN 1999. Poziomy inspekcji mogą być też ujęte przez kontrole wyrobów i inspekcję wykonania robót, łącznie z zakresem tych inspekcji.

Podstawy obliczeń stanów granicznych
Podstawę metodologiczną sprawdzanie niezawodności konstrukcji budowlanych wg PN-EN 1990 [6] stanowi znana już i powszechnie stosowana metoda stanów granicznych i współczynników częściowych. Metoda ta, skodyfikowana w euronormie PN-ISO 2394: 2000 Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych, została w Eurokodach aplikacyjnie rozwinięta. Stany graniczne to stany, po przekroczeniu których konstrukcja nie spełnia jej kryteriów projektowych. Rozróżnia się stany graniczne: • nośności (związane z katastrofą lub zniszczeniem), • użytkowalności (po przekroczeniu których konstrukcja przestaje spełniać stawiane jej wymagania użytkowe). Sprawdzając kryteria wytrzymałości należy rozróżnić następujące stany graniczne nośności (ULS) oraz formy zniszczenia: – ULS – EQU – utrata równowagi konstrukcji lub jej części jako ciała sztywnego, – ULS – STR – zniszczenie na skutek nadmiernego odkształcenia, przekształcenia się w mechanizm, zniszczenie materiałowe, utratę stateczności konstrukcji, – ULS – GEO – zniszczenie lub nadmierne deformacje podłoża, – ULS – FAT – zniszczenie zmęczeniowe. W przypadku oceny stanów granicznych STR/GEO kryteria nośności mają następującą postać: Ed(Fd) ? Rd, (1) gdzie: Ed(Fd) – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (sił wewnętrznych obliczonych dla obciążeń obliczeniowych Fd), Rd – wartość obliczeniowa odpowiedniej nośności konstrukcji (przekroju, elementu). Związane z użytkowalnością konstrukcji kryteria sztywności (dotyczące takich parametrów jak: ugięcia, deformacje, częstości drgań, lokalne uszkodzenia) sprawdza się ze wzoru: Ed, ser(Fk) ? C d, (2) gdzie: Ed, ser(Fk) – wartość efektu oddziaływań (parametry sztywnościowe obliczone dla obciążeń charakterystycznych Fk), Cd – wartość graniczna parametru dotyczącego użytkowalności. W uproszczonym ujęciu aplikacyjnym, nośność obliczeniową elementu wg ideologii Eurokodów można przedstawić w następującej postaci: Rd= a C fγkγ, (3) M gdzie: C – charakterystyka geometryczna przekroju pręta; np. C = A – w przypadku rozciągania (A – pole przekroju pręta), C = W – w przypadku zginania, (W – wskaźnik zginania przekroju pręta), a – współczynnik niestateczności ogólnej np. wyboczeniowy χ, zwichrzenia χ L; fγk – wartość charakterystyczna parametru wytrzymałościowego materiału (np. granicy plastyczności stali, wytrzymałości stali na rozciąganie), γM – współczynnik częściowy dla właściwości materiału (nośności). Współczynnik γM przyjmuje się w zależności od analizowanego stanu wytężenia konstrukcji. Na przykład w przypadku konstrukcji stalowych wg PN-EN 1993: Eurokod 3 przyjmuje się γM0, γM1, γM2,... γM7. W dotychczasowych normach krajowych PN-B częściowy współczynnik materiałowy nie występował w obliczeniach w sposób „jawny” (był on uwzględniany w ustaleniu wartości obliczeniowych parametrów wytrzymałościowych materiału np. w przypadku konstrukcji stalowych fd= fγk/γMi). W Eurokodach współczynnik materiałowy γM występuje w ocenie nośności zawsze w sposób „jawny”, a jego wartości mogą być przyjmowane w załącznikach krajowych Eurokodów. Dla potrzeb analizy prognozowanego wytężenia konstrukcji, w kontekście oddziaływań oraz ich kombinacji bada się sytuacje obliczeniowe. Kombinacja oddziaływań – to zbiór wartości obliczeniowych przyjętych do sprawdzenia niezawodności konstrukcji, kiedy w rozpatrywanym stanie granicznym występują jednoczenie różne oddziaływania (w celu wyznaczenia max/max wytężeń przekrojów krytycznych ustroju). Sytuacje obliczeniowe – to zbiór warunków fizycznych, reprezentujących rzeczywiste warunki w określonym przedziale czasowym, dla którego wykazuje się w obliczeniach, że odpowiednie stany graniczne nie zostały przekroczone. Rozróżnia się następujące sytuacje obliczeniowe: • trwała (użytkowanie obiektu zgodne z przeznaczeniem) – której miarodajny czas trwania jest tego samego rzędu, co planowany okres eksploatacji ustroju, •przejściowa (chwilowe warunki podczas budowy i naprawy) – o dużym prawdopodobieństwie wstąpienia, której czas trwania jest znacznie krótszy niż przewidziany okres użytkowania konstrukcji, •wyjątkowa (wyjątkowe warunki: pożar, uderzenie, wybuch) – odnosząca się do wyjątkowych warunków użytkowania konstrukcji lub jej eksploatacji, •sejsmiczna – uwzględniająca trzęsienie ziemi. Wartości obliczeniowe Fd oddziaływań F są określone zależnościami: Fd= γ fFrep, (4) gdzie: Frep – odpowiednia wartość reprezentatywna oddziaływania obliczona ze wzoru; Frep= ψ Fk, (5) Fk – wartość charakterystyczna oddziaływania, γf – współczynnik częściowy dla oddziaływań, uwzględniający możliwość niekorzystnych odchyleń wartości oddziaływań od wartości reprezentatywnych; ψ – współczynnik kombinacyjny: ψ = 1,00 albo ψ0, ψ1 lub ψ2. W ocenie wytężenia konstrukcji rozróżnia się jedno główne oddziaływanie zmienne oraz związane oddziaływanie zmienne (inne niż główne). Reprezentatywną wartością oddziaływania głównego (wiodącego) jest wartość charakterystyczna Fk. Reprezentatywne wartości związanych (towarzyszących) oddziaływań, są odniesione do wartości charakterystycznej oddziaływania głównego Fk, za pomocą współczynników ψ i (redukcyjnych). Służą one do określenia wartości charakterystycznych obciążeń zmiennych wartości: • kombinacyjnych: ψ0Fk – sprawdzanie stanów granicznych nośności i nieodwracalnych stanów granicznych użytkowalności, • częstych: ψ1Fk – sprawdzanie stanów granicznych nośności z uwzględnieniem oddziaływań wyjątkowych i odwracalnych stanów granicznych, • quasi-stałych: ψ2Fk – sprawdzanie stanów granicznych nośności z uwzględnienie oddziaływań wyjątkowych i nieodwracalnych stanów granicznych użytkowalności. Wartości współczynników ψi są podane w załączniku A1 w PN-EN 1990 [6] ub w innych odpowiednich normach obciążeń. Mogą też być ustalone przez inwestora lub projektanta w porozumieniu z inwestorem. Ich wartości mogą też być określone w załączniku krajowym PN-EN 1990 [6]. W tabeli 1 podano wybrane wartości tych współczynników wg PN-EN 1990 [6]. W celu ustalenia miarodajnych do projektowania efektów oddziaływań bada się kombinacje obciążeń w analizowanej sytuacji projektowej. W kombinacji składowych oprócz oddziaływań stałych, uwzględnia się główne (wiodące) oddziaływanie zmienne (bez redukcji; ψ = 1,00) oraz towarzyszące, zredukowane oddziaływania zmienne ze współczynnikami ψ01,0. Efekty oddziaływania obciążeń na konstrukcje można przedstawić schematycznie w następującej postaci: Ed= ∑ γGGk„+” γ Q,1Qk,1„+”∑γ Q,iψ0, iQki, (6) oddziaływania stałe towarzyszące oddziaływania zmienne główne (wiodące) oddziaływanie zmienne, gdzie: Gk – oddziaływanie stałe, Qk – oddziaływanie zmienne, „+” – oznacza należy uwzględnić „z”, ∑ – oznacza łączny efekt. Zalecane w PN-EN 1990 [6] wartości współczynników obciążeń (i przy sprawdzaniu nośności konstrukcji wynoszą: γG. sup= 1,35, (7)γG. inf= 1,00, (8)γQ= 1,50 (lub 0), (9) gdzie: γG. sup– współczynnik obciążenia, gdy występuje niekorzystne oddziaływanie stałe; γG. inf – współczynnik obciążenia, gdy występuje niekorzystne oddziaływanie stałe. Przyjmowane w projektowaniu konstrukcji wszelkie oddziaływania należy ustalić zgodnie z pakietem Eurokodów obciążeniowych PN-EN 1991. Ekstremalne wartości sił wewnętrznych ustala się systematycznie analizując (6). W przypadku typowych budynków (rys. 2), w których występują schematy obciążeń: obciążenia stałe G (rys. 2a), obciążenie wiatrem W (rys. 2b), obciążenie śniegiem S (rys. 2c), obciążenie użytkowe Q (rys. 2d), można wyróżnić 4 kombinacje podstawowe. W przypadku sprawdzania stanu granicznego nośności i ustalaniu efektów działania obciążeń Ed, współczynniki obciążeń γi i współczynniki redukcyjne ψ 0i (podane w nawiasach (10)÷(13)) są następujące: • kombinacja 1 – obciążenia stałe G + obciążenie wiatrem W jako wiodące + zredukowane zmienne obciążenia towarzyszące (śniegiem S i użytkowe Q): Ed= G.(1,50) + W.(1,50) + S.(1,50ψ0S ) + Q.(1,50ψ0Q), (10) • kombinacja 2 – obciążenia stałe G + obciążenie śniegiem S jako wiodące + zredukowane zmienne obciążenia towarzyszące (wiatrem W i użytkowe Q): Ed= G.(1,50) + S.(1,50) + W.(1,50ψ0W) + Q.(1,50ψ0Q), (11) • kombinacja 3 – obciążenia stałe G + obciążenie użytkowe Q jako wiodące + zredukowane zmienne obciążenia towarzyszące (wiatrem W i śniegiem S): Ed= G.(1,50) + Q.(1,50) + W.(1,50ψ0W) + S.(1,50ψ0S ), (12) • kombinacja 4 – minimalne obciążenia stałe G + maksymalne wiatru W: Ed= G.(1,00) + W.(1,50), (13) Sprawdzając stan graniczny użytkowalności w (10) ÷ (13) należy przyjąć współczynniki obciążeń γ i= 1,00 i współczynniki redukcyjne ψ0i.

Podsumowanie
Procedury zarządzania niezawodnością przyjęte w PN-EN 1990 pozwalają na różnicowanie (miedzy różnymi rodzajami konstrukcji) wymagań dotyczących poziomów jakości procesów projektowania i wykonawstwa. Takie podejście procesowe zapewnienia niezawodności budowli wg obowiązującej euronormy [6] powinno być przyjęte w Prawie Budowlanym przez wprowadzenie odpowiednich przepisów dotyczących: • Klasyfikacji niezawodności budowli w zależności od konsekwencji ich zniszczenia. Związane z nią wymagania dotyczące zapewnienia jakości w projektowaniu i realizacji, powinny być zawczasu uzgodnione oraz precyzowane w specyfikacji projektu. • Weryfikacji projektów („zewnętrznej” – niezależnej od projektanta, wykonawcy, inwestora). Powinien być opracowany system gwarantujący eliminowanie już na etapie projektowania błędów, jakie mogą być popełnione w projekcie (np. wzorowany na rozwiązaniu niemieckim, gdzie projekty weryfikuje „prüfer”). Metoda oceny bezpieczeństwa konstrukcji przyjęta w PN-EN 1990: 2004 jest metodą stanów granicznych i współczynników częściowych. Nie różni się ona istotnie od dotychczasowych postanowień norm krajowych PN-B, tak pod względem metodologicznym, jak i merytorycznym. Stąd można przypuszczać, że stopniowe upowszechnienie stosowania tych nowych reguł w krajowej praktyce projektowej nie napotka na większe trudności. Zapewne pomocne we wdrażaniu Eurokodów będą działania edukacyjne (dostosowanie programów nauczania) działania wspomagające (szkolenia, studia podyplomowe, seminaria, publikacje, informatyzacja). 

prof. dr hab. inż. Antoni Biegus,
Politechnika Wrocławska 
arch.PolimexMostostal
więcej na www.builder.pl
 

powrót

Liczba wyświetleń: 1700