Bezpieczeństwo, a niezawodność konstrukcji

Bezpieczeństwo i niezawodność są podstawowymi pojęciami projektowania, realizacji i eksploatacji budowli. Powszechnie utożsamia się niezawodnośc z bezpieczeństwem. Wynika to stąd, że praktycznie nie wystąpi stan w kórym konstrukcja jest niezawodna, ale nie jest bezpieczna lub jest bezpieczna, ale nie jest niezawodna. W otoczeniu systemu lub osoby niezawodnej najczęściej czujemy się bezpiecznie. Jedynie w przypadku, gdy system niezawodnie chce wyrządzić krzywdę poczucie bezpieczeństwa znika. Bezpieczeństwo jest postrzeganiem subiektywnym, odczuciem. Niezawodność jest wielkością obiektywną i w zwykłych sytuacjach pociąga za sobą bezpieczeństwo.
W niniejszej pracy stawiamy postulat, by subiektywne stany bezpieczeństwa wprowadzić w niezawodnościowe kryteria jakości systemu; nadać im status specyficznego stanu granicznego – stanu bezpieczeństwa. Stan bezpieczeństwa wystąpi obok klasycznego stanu nośności i stanu użytkowalności. Przyjmujemy, że zwiększenie niezawodności systemu, zmniejsza zagrożenie zewnętrzne, więc zwiększa bezpieczeństwo. Odwrotny związek będzie „egzotycznym” wyjątkiem. W normach (PN-ISO 2394, 2000), (IFSC, 2010) definiuje się ścisłą zależność między docelowym poziomem niezawodności a konsekwencjami zniszczenia i kosztami zapewnienia bezpieczeństwa. W prezentowanym podejściu słowa niezawodność i bezpieczeństwo są synonimami i są używane zamiennie, bo przyjmujemy, że oznaczają to samo pojęcie.

W tym ujęciu zlepek słów bezpieczeństwo i niezawodność zawiera nadokreśloność i jest tautologią, która w naukach technicznych nie powinna mieć miejsca. Można co prawda skonstruować nieliczne przypadki, gdxie zwiększenie bezpieczeństwa prowadzi do zmniejszenia niezawodności działania, np.  system komunikacji działa niezawodnie w przypadku płynnego ruchu wszystkich pojazdów, ale w przypadku wyłamania się z zasad jednego pojazdu, zatrzymywany jest ruch całego systemu, czyli w imię zwiększenia bezpieczeństwa zmniejszamy niezawodność działania systemu na nieokreślony czas. Innym przykładem jest niezawodność oprogramowania, które współcześnie jest zmniejszane kosztem zwiększenia bezpieczeństwa  przed włamaniem „hakerów”. Zwróćmy jednak uwagę, że takie przykłady sa nieliczne i przy specyficznym rozumieniu niezawodności, jako niezakłóconego (niezawodnego) działania systemu w okreśłnej chwili czasu.
Jeśli jednak zdefiniujemy niezawodnośc szerzej, w dłuższym okresie czasu lub dla w większym obszarze, to stwierdzimy, że zwiększenie bezpieczeństwa zawsze działa w kierunku zwiększenia niezawodności i odwrotnie. Systemy są monotoniczne w szerszym aspekcie: zwiększenie niezawodności lub bezpieczeństwa jednego elemntu systemu, zwiększa niezawodność całego systemu.

Wprowadzenie

Niezawodność w znaczeniu ogólnym jest to zdolność konstrukcji do pełnienia projektowanych funkcji w określonym czasie eksploatacji. Zarówno konstrukcja, jak i oddziaływania środowiska, ale także kryteria oceny jakości konstrukcji (zdolności do wypełnienia zadanych funkcji), są losowe i mogą być zmienne w czasie. Konsekwencją tego jest to, że miarą niezawodności jest prawdopodobieństwo tego, że konstrukcja nie przekroczy określonych stanów granicznych w założonym okresie eksploatacji.
Poziom niezawodności różnych stanów i różnych elementów może być różny. Różne poziomy niezawodności można przyjmować przy obliczaniu stanu nośności konstrukcji, inne, mniejsze w przypadku obliczania stanu użytkowalności. Różnice poziomów niezawodności powinny być brane pod uwagę w przypadku konstrukcji jako całość, natomiast niższe w przypadku poszczególnych elementów składowych ,co jest związane z budową systemu niezwodnościowego i szeregowych, równoległych lub mieszanych połączeń między elementami

Bezpieczeństwo w znaczeniu ogólnym oznacza brak zagrożenia życia i zdrowia ludzi oraz strat ekonomicznych, społecznych i ekologicznych w projektowanym czasie użytkowania (Storey, 2010).
Bezpieczeństwo jest stanem wolnym od wypadków lub strat (Leveson, 1995).
Bezpieczeństwo jest uwolnieniem się od szkody lub zagrożenia. Stanem bezpiecznym jest stan , w którym nie jest niebezpieczne lub szkodliwie. Miejsce jest bezpieczne jeśli  jest wolne od szkód lub niebezpieczeństw. Urządzenie bezpieczeństwa – urządzenie do zapobiegania obrażeniom lub niebezpieczeństwu (Websters, 1996)

(Frei, 1977) wyróżnia:

  • stan braku bezpieczeństwa – wówczas gdy występuje duże rzeczywiste zagrożenie, a postrzeganie tego zagrożenia jest prawidłowe;
  • stan obsesji występuje wtedy, gdy nieznaczne zagrożenie jest postrzegane jako duże;
  • stan fałszywego bezpieczeństwa ma miejsce wówczas, gdy zagrożenie jest poważne, a postrzegane bywa jako niewielkie;

Stan bezpieczeństwa występuje wtedy, gdy zagrożenie zewnętrzne jest nieznaczne, a jego postrzeganie prawidłowe.

(Murzewski, 1989) dokonuje próby rozdzielenia bezpieczeństwa i niezawodności w sposób pokazany na rys. 1.

Murzewski Bezp-Niez

Rys. 1. Obszar $Q$ niezawodnych stanów i obszar $\Omega$ bezpiecznych stanów konstrukcji (Murzewski, 1989)

Na rys.1 przez $A$ oznaczono zmienną losową reprezentatywną dla obciążenia, a przez $B$ dla nośności konstrukcji. Niezawodność jest zdefiniowana jako obszar $Q$, czyli $A<B$. Natomiast bezpieczeństwo jako obszar $\Omega$, czyli $\{A<A* i B>B*\}$, gdzie punkt (A*, B*) jest tak zwanym punktem obliczeniowym.

Zwróćmy  uwagę, że z propozycji pokazanej na rys. 1 wynika, że  bezpieczeństwo jest zawsze i znacznie mniejsze od niezawodności. Tymczasem najczęściej stwierdzamy, że system bezpieczny jest niezawodny, ale nie każdy system niezawodny w funkcjonowaniu (działaniu) będzie bezpieczny dla otoczenia. Propozycja (Murzewski, 1989) nie może być poprawna. Ponadto definicja jest zależna od punktu obliczeniowego (A*,B*), który jest punktem „sztucznym” zaproponowanym przez (Hasofer, Lind, 1974) w celach czysto numerycznych w przybliżonych procedurach wyznaczania indeksu niezawodności. Jako wielkość pomocnicza i wtórna punkt obliczeniowy nie powinien służyć do zdefiniowania wielkości podstawowej. Problematyka „warunkowej pewności” poruszana przez (Murzewski, 1989) w kontekście rozdziału niezawodności i bezpieczeństwa może być prawidłowo zinterpretowana tylko na gruncie teorii Bayesa (Hamada, 2008), a to nie ma żadnego związku z definicjami zilustrowanymi  na rys.1.

(DoD USA, 2012) przyjmuje definicję, że bezpieczeństwo, to stan wolny od warunków, które mogą spowodować śmierć , uszkodzenie, chodorby zawodowe, uszkodzenie lub utratę sprzętu lub mienia, lub szkodę dla środowiska.

Ta definicja spotakała się z dużą krytyką, przy czym najwisze kontrowerrsje sprawiałao słowo „stan wolny”. Wprowadzano inne definicje, dopuszczjące ryzyko  zamiast totalnego uwolnienia. Przyjmowano, że bezpieczeństwo wystąpi na akceptowanym poziomie ryzyka (Rausand, Hoyland, 2004).
Bezpieczeństwo (ang safety) wiązane jest  z przypadkowymi (losowymi)  zagrożemiam,i (hazardem), natomiast przecidziałanie celowemu działaniu, to zabezpieczenie (ang. security)  (Laprie, 1992)

Bezpieczeństwo, a katastrofy budowlane

Bezpieczeństwo (ang. safety, security)  jest jedną z podstawowych potrzeb człowieka i jest pojęciem pierwotnym. Jest stanem , który daje  poczucie pewności istnienia i gwarancje jego zachowania oraz szanse na doskonalenie.. Odznacza się akceptowalnym poziomem ryzyka utraty czegoś dla podmiotu szczególnie cennego – życia, zdrowia, pracy, szacunku, uczuć, dóbr materialnych i dóbr niematerialnych. Bezpieczeństwo jest naczelną potrzebą człowieka i grup społecznych, jest także podstawową potrzebą państw i systemów międzynarodowych; jego brak wywołuje niepokój i poczucie zagrożenia. Człowiek, grupa społeczna, państwo, organizacja międzynarodowa starają się oddziaływać na swoje otoczenie zewnętrzne i sferę wewnętrzną, by usuwać a przynajmniej oddalać zagrożenia, eliminując własny lęk, obawy, niepokój i niepewność. Zagrożenia mogą być skierowane na zewnątrz i do wewnątrz; tak samo powinny być skierowane działania w celu ich likwidowania (Wikipedia, 2016).

Bezpieczeństwo jest fenomenem psychologicznym, naturalną potrzebą człowieka i charakteryzuje stan psychiczny; jest inaczej postrzegane i definiowane w psychologii klinicznej, psychoanalizie, socjologii. Jest to stan emocji – poczucie bezpieczeństwa najczęściej wiąże się z pozytywnym nastrojem. Jest ważnym pojęciem w nauce pracy oraz w obronności.

Bezpieczeństwo i ryzyko na etapie realizacji obiektu jest przedmiotem nauki BHP. Średnie prawdopodobieństwo utraty życia przez pracownika budownictwa w Polsce i na świecie jest wysokie w tab. 1. podano obserwowane zdarzenia w najważniejszych sekcjach gospodarki w latach 1998, 2001 i 2004. Ryzyko utraty życia w budownictwie jest jednym z największych ze wszystkich działów gospodarki, jest porównywalne z górnictwem, a mniejsze tylko od rybactwa.

Tab.1. Ryzyko utraty życia w sekcjach gospodarki (Szopa, 2009)Wypadki w gopodarce

Bezpieczeństwo dotyczy przede wszystkim życia i zdrowia pracownika budowlanego, użytkownika (mieszkańca lub pracownika), klienta) , ale także dóbr materialnych (obiektu, zgromadzonego towaru i wyrobów, dobytku, itd.).

Przejawem stopnia bezpieczeństwa w obiekcie budowlanym jest katastrofa budowlana,  Przy braku  katastrof budowlanych mozeemy wnioskować, ze obiekt jest niezawodny (i bezpieczny).

Katastrofa budowlana to gwałtowne , niezamierzone zniszczenie obiektu budowlanego lub jego części. Nie jest katastrofą uszkodzenie elementu budowlanego nadającego się do naprawy, uszkodzenie lub zniszczenie urządzeń budowlanych jak również awaria instalacji

Statystyka katastrof budowlanych prowadzonych przez Główny Urząd Nadzoru Budowlanego wskazuje, że liczba katastrof w Polsce zmniejsza się  i w 2014 roku była najmniejsza od roku 2008, w którym osiągnięto szczyt (rys.2.)

Katattrofy trend

Rys.2. Katastrofy budowlane w Polsce w latach 1995 do 2014 (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Przyczyny katastrof w 2014 roku wskazano na rys. 3. Najczęstszą przyczyna katastrof (67%) były zdarzenia losowe. a w dalszej kolejności (21%) błędy podczas eksploatacji obiektu i 11%  błędy podczas wznoszenia lub innych robót budowlanych. Tylko 0,5% było spowodowane błędami projektowymi (przygotowania dokumentacji obiektu). Na rys. 4 przedstawiono statystykę katastrof spowodowanych przez zdarzenia losowe, najczęściej oddziaływania klimatyczne, ale także pożary, wybuchy gazu lub kotłów. Na rys. 5 przedstawiono statystykę katastrof w czasie wznoszenia obiektu, a na rys. 6 w czasie eksploatacji obiektu.

katastrofy-przyczyny

Rys.3. Przyczyny katastrof budowlanych w Polsce w roku 2014 (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Ktastrofy losoweRys.4. Katastrofy 2014 spowodowane zdarzeniami losowymi  (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Katastrofy - budowaRys.5. Katastrofy 2014 podczas wznoszenia obiektu (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Katastroy uzytkowanieRys.6. Katastrofy 2014 podczas eksploatacji obiektu  (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Katastrofy rodzaje obiktówRys.7. Katastrofy 2014 w podziale na rodzaje obiektów  (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Katattrofy typy kosntrukcjiRys.8. Katastrofy 2014 w podziale na typy konstrukcji  (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Na rys. 7 pokazano, że katastrofie najczęściej ulegały budynki mieszkalne (41%), a następnie gospodarcze i inwentarskie (35%). Z rys. 8 wynika, że najczęściej ulegały katastrofie konstrukcje murowe (60%), drewniane (12%),a najrzadziej żelbetowe monolityczne (2%). Najczęściej ulegały awarii słupy, a następnie przekrycie (rys. 9).

Katattrofyelemnty konstrukcji

Rys.9. Katastrofy 2014 w podziale na typy elemntów konstrukcji  (Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, 2015)

Z przedstawionych statystyk można wyciągnąć wnioski dotyczące najbardziej bezpiecznych i niezawodnych etapów, obiektów, konstrukcji i ich elementów.

Niezawodność systemu

Niezawodność (ang reliability) systemów technicznych, w tym konstrukcji budowlanych, to własność obiektu mówiąca o tym, czy pracuje on poprawnie (spełnia wszystkie powierzone mu funkcje i czynności) przez wymagany czas i w określonych warunkach eksploatacji (w danym zespole czynników wymuszających).

Miarą niezawodności obiektu jest prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia opisanego definicją:

$R ( t ) = P r \{ t \ge \tau \}$

gdzie:
$R( t )$ – niezawodność jako zmienna czasu $t$,
$t$ – czas pracy bez uszkodzenia,
$ \tau$ – założony (lub wymagany) czas pracy bez uszkodzenia.

Wyznaczanie niezawodności systemów technicznych, a w szczególności obiektów i konstrukcji budowlanych jest przedmiotem wielu prac, a między innymi cyklu artykułów encyklopedii $\pi Wiki$ Elementarz niezawodności konstrukcji.

Bezpieczeństwo jednym z kryteriów niezawodności

Kryteria jakości konstrukcji  definiowane przy wyznaczaniu niezawodności można tak skonstruować, by zawierały oceny bezpieczeństwa ludzi (społecznego lub indywidualnego), bezpieczeństwa ekonomicznego lub ekologicznego Zagadnienia bezpieczeństwa można rozpatrywać w dobrze rozpoznanych procedurach wyznaczania niezawodności i można stosować te same miary: prawdopodobieństwo wystąpienia cechy lub współczynnik tolerancji przedziału ufności (indeks niezawodności wg nomnkltury norm (PN-EN 1990, 2004)).

Literatura

DoD USA. (2012). System Safety. MIL-STD-882E (Standard practice No. MIL-STD-882E). Department of Defense USA. Retrieved from http://www.system-safety.org/Documents/MIL-STD-882E.pdf
Frei, D. (1977). Sicherheit: Grundfragen d. Weltpolitik (1. Aufl). Stuttgart ; Berlin ; Köln ; Mainz: Kohlhammer.
Główny Urząd Nadzoru Budowlanego. (2015). Katastrofy budowlane w 2014 roku. Warszawa: GUNB. Retrieved from http://www.gunb.gov.pl/dziala/pliki/kat_2014.pdf
Hamada, M. (Ed.). (2008). Bayesian reliability. New York: Springer.
Hasofer, A. M., & Lind, N. . C. (1974). Exact and invariant second-moment code format. Journal of Engineering Mechanics Division ASCE, Vol.100(No EM1/1974), 111–121.
IFSC (Ed.). (2010). Model Code 2010 (Vol. 1). Lausanne: International Federation for Structural Concrete.
Laprie, J. C. (Ed.). (1992). Dependability: Basic Concepts and Terminology. New York: Springer.
Leveson, N. G. (1995). Safety as a system property. Communications of the ACM, 38(11), 146.
Murzewski, J. (1989). Niezawodność konstrukcji inżynierskich. Warszawa: Arkady.
PN-EN 1990. Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji (2004). UE: PKN.
PN-ISO 2394. Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych (2000). UE: PKN.
Rausand, M., & Hoyland, A. (2004). System Reliability Theory. Models, Statistical Methods, and Applications. Wiley Interscience.
Storey, N. (2010). Safety-critical computer systems (Nachdr.). Harlow: Prentice Hall.
Szopa, T. (2009). Niezawodność i bezpieczeństwo. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.
Websters, M. (Ed.). (1996). Webster’s encyclopedic unabridged dictionary of the English language (New deluxe ed). New York, NY: Gramercy Books (Div. of Random House).
Wikipedia. (2016, May 25). Bezpieczeństwo. In Wikipedia, wolna encyklopedia. Retrieved from https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Bezpiecze%%C5%%84stwo&oldid=45884012

Related Hasła

Comments : 0
O autorze

* dr inż. Leszek Chodor. Architekt i Inżynier Konstruktor; Rzeczoznawca budowlany. Autor wielu projektów budowli, w tym nagrodzonych w konkursach krajowych i zagranicznych, a między innymi: projektu wykonawczego konstrukcji budynku głównego Centrum „Manufaktura” w Łodzi, projektu budowlanego konstrukcji budynku PSE w Konstancinie Bielawa, projektów konstrukcji „Cersanit” ( Starachowice, Wałbrzych, Nowograd Wołyński-Ukraina). Autor kilkudziesięciu prac naukowych z zakresu teorii konstrukcji budowlanych, architektury oraz platformy BIM w projektowaniu.

Wyślij

Translate »