Теплотехническое моделирование как основа эксплуатационной безопасности

Численный геокриологический прогноз является ключевым элементом, позволяющим проектировать, строить и эксплуатировать инженерные сооружения в криолитозоне. В основу упомянутого прогноза положен алгоритм регламентированный и апробированный в нормативной документации (РСН 67?87 "Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза измерений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами"). Каждый, кто хоть однажды пробовал проектировать основания и фундаменты на территории распространения многолетнемерзлых грунтов сталкивался с требованиями СП 11?105?97 Часть IV. "Инженерно?геологические изыскания для строительства. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов" и 2.02.04?88 "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах" в части необходимости выполнения теплотехнического обоснования техногенного воздействия инженерного сооружения на многолетнемерзлое основание в процессе эксплуатации последнего.

В конце 90?х начале 2000?х годов получило серьезное практическое развитие применение в строительном комплексе неэнергоемких сезонно?охлаждающих устройств малого диаметра (СОУ, ГЕТ (ВЕТ) СТС) при стротельстве плитных, свайных и др фундаментов на вечномерзлых грунтах. В свете подтверждающейся гипотезы о глобальном потеплении климата, применение постоянно и сезонно?охлаждающих устройств и систем для рационального использования "остаточного" криогенного ресурса территории, как минимум актуально с практической точки зрения. Обоснованный расчет таких систем не возможен без решения нестационарных задач теплопередачи для сред с подвижной фазовой границей. Обновленные законодательные требования к составу и содержанию проектной документации (Постановление Правительства РФ № 87 от 16 февраля 2008 г. "О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию", пункт 14, строки в), е), о)) свидетельствуют о том, что в процессе разработки раздела проектной документации "Конструктивные и объемно?планировочныех решения" по объектов капитального строительства должно быть:
• выполнено "… обоснование технических решений, обеспечивающих необходимую прочность, устойчивость, пространственную неизменяемость зданий и сооружений объекта капитального строительства в целом, а также их отдельных конструктивных элементов, в процессе … строительства и эксплуатации объекта…";
• приведены "…сведения о прочностных и деформационных характеристиках грунта в основании объекта капитального строительства…";
• выполнено "…описание инженерных решений …, обеспечивающих защиту … отдельных зданий и сооружений объекта капитального строительства … от опасных природных и техногенных процессов;…"
Выполнение этих требований для территории криолитозоны однозначно связано с теплотехническим прогнозом (моделированием) процесса строительства и последующей эксплуатации фундаментов на вечномерзлых грунтах, вариантным выбором параметров технических решений обеспечивающих управление механическими характеристиками грунтов, а именно их температурой в процессе реализации инвестпроекта.

В марте 2010 года вступил в силу национальный стандарт ГОСТ Р 21.1101?2009 "Основные требования к проектной и рабочей документации". регламентирующий правила оформления проектной и рабочей документации. В соответствии с п.4.1.9. стандарта расчеты конструктивных решений, (в том числе и результаты теплотехнического прогноза техногенного воздействия зданий, сооружений и "упровляющих решений" в процессе строительства и эксплуатации) являются обязательным элементом подготовки проектной документациии и офрмляются в соответствии с требованиями к текстровым проектным документов в форме архивной пояснительной записки. Архивный номер документа приводят в составе раздела Раздела 4 "Конструктивные и объемно?планировочныех решения". На этапе рабочая документация, после уточнения сведений о сотаве и свойствах многолетнемерзлых грунтов пятна застройки (инженерно?геологические изыскания под стадию "Рабочая документация"), результаты проектного теплотехнического прогноза корректируются по уточненным сведениям проекта организации строительства (последовательность и длительность строительно?монтажных операций), результатам вариантного выбора конструкции основания и фундаментов и информации о эксплуатационных (проектных) технологических тепловых нагрузках. Результаты оформляются в виде текстовой пояснительной записки, архивный номер которой приводят в составе общих данных к рабочим чертежам (п.4.3.5. ГОСТ Р 21.1101?2009) вместе с итоговыми сведениями характеризующими результаты расчетов. Сказанное выше свидетельствует о том, что основным элементом проектирования устойчивых и надежных "нулевых циклов" на территории распространения многолетнемерзлых пород является теплотехнический расчет нестационарного взаимодействия "эксплуатируемого" инженерного сооружения с грунтами основания и окружающей средой. Механическая безопасность определена Федеральным законом № 384 от 30.12.2009 г. «Технический регламент «О безопасности зданий и сооружений» (Статья 2 п. 8 ) как состояние грунтовых оснований зданий и сооружений, строительных конструкций при котором отсутствует риск, связанный с причинением вреда жизни и здоровью граждан, имуществу физических и юридических лиц, окружающей среде вследствие разрушения или потери устойчивости строительного сооружения или его части.

Упомянутые законодательные требования предполагают обоснованное назначение в процессе выполнения проектных работ количественных и качественных показателей свойств грунтов оснований, конструкций и материалов, элементов систем инженерно?технического обеспечения, которые обеспечивают соответствие здания и сооружения требованиям эксплуатационной механической безопасности. Такие показатели предложено именовать "параметрами и характеристиками безопасности зданий и сооружений" (Статья 2 п. 28 , ФЗ № 384 от 3.12.2009 г.), а механическую безопасность предписано обеспечивать посредством «установления соответствующих требованиям безопасности проектных значений параметров зданий и сооружений и качественных характеристик в течение всего жизненного цикла здания или сооружения, реализации указанных значений параметров и характеристик в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта и поддержания состояния
таких параметров и характеристик на требуемом уровне в процессе эксплуатации. (Статья 5 п. 1). Для территории криолитозоны основным параметром, обеспечивающим механическую безопасность инженерного сооружения является динамика температурного поля грунтов основания в процессе эксплуатации.
Теплотехническое моделирование позволяет не только определить абсолютные значения этого "параметра безопасности", но и "исследовать" диапазоны безопасного эксплуатационного изменения" этих значений. Как уже упомянуто выше, основные результаты теплотехнического обоснования проектных решений, вместе с исходными данными, используемыми для его постановки, приводятся в текстовой части общих данных рабочей документации в составе "эксплуатационных характеристик проектируемого сооружения" ((п.4.3.5. ГОСТ Р 21.1101?2009) поскольку являются "параметрами механической безопасности" в части подверженности грунтов основания
проявлениям опасных криогенных процессов.

5. Требования пункта 6 статьи 15 ФЗ?384 «Технический регламент «О безопасности зданий и сооружений» свидетельствуют о том, что в арсенале инженера?проектировщика достаточно много способов доказательства соответствия установленных им параметров требованиям механической безопасности. Во?первых, это "строительные нормы", переведенные упомянутым законом в ранг долгожданных "строительных правил". Прямая ссылка на их положения уже есть доказательство.
Во?вторых, это "специальные технические условия на проектирование" с процедурой их согласования соответствующими государственными органами. В?третьих, "...расчеты и (или) испытания, выполненные по сертифицированным или апробированным иным способом методикам...". Если учесть, что понятие "апробированность" отсутствует в глоссарии Федерального Закона, а в первоначальной редакции ФЗ?384 трактовалось, как "утверждение соответствующими уполномоченными государством органами", то предполагать соответствующую трактовку этого термина чиновником от Главгосэкспертизы проектировщик должен изначально предусмотреть и иметь для этого контраргументы в форме ссылок на "утверждение" государством применяемой методики расчета. Конечно, существует формальный путь ? "через сертификат
соответствия". Но, если учесть что "сертификация есть процесс установления соответствия", остается вопрос, "соответствия чему?", ? тем же требованиям СНиПов?, или другим "утвержденным" методикам расчета? Тем не менее такая форма доказательства позволяет использовать любые способы и методики расчетного обоснования, которые когда?либо были использованы в составе нормативных документов на сегоднящний день не внесенных в реестр "сводов правил".
Четвертый способ доказательства соответствия требованиям безопасности – "результаты исследований" (без расшифровки понятия). Что имеется ввиду, может быть это "исследования" в форме "испытаний", т.е. "экспериментально?опытное строительство", как предписано предыдущим параграфом пункта 6 статьи 15, а. может быть численное и экспериментальное доказательство возможности строительства. Но в том и другом случае остается открытым вопрос, какой степенью детальности должно обладать это доказательство, или по "усмотрению чиновника от экспертизы"? В итоге у проектировщика остается последний способ "что?то обоснованно
доказать экспертизе" в том случае, если он получил от Инвестора задачу "спроектировать", а норм на это не существует, и надеяться на "специальные технические условия" не приходится, поскольку природные особенности территории (например полуостров Ямал) аномальны, до конца не исследованы и аналогов не существует. В этом случае вряд ли кто?то более "умный и опытный" научит как быть (в форме СТУ), а на детальные научные исследования нет ни времени, ни финансового источника.
Выходом из сложившейся ситуации и является как раз пятый способ доказательства соответствия "…моделирование сценариев возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий…" (п.6 ст.15 ФЗ?384).

Как известно, различают "физическое" и "математическое" моделирование. В строительной отрасли к первому, должно быть отнесено "экспериментальное строительство" (например натурное испытания свай на экспериментальном полигоне) и "масштабированное экспериментальное моделирование" (например физическое моделирование техногенного снегонакопления в аэродинамической трубе). Математическое моделирование есть вариантный процесс "исследования"
систем дифференциальных уравнений, описывающих физический процесс, развивающийся в рассматриваемой природно?технической системе, при этом от простого "решения дифференциальных уравнений численными методами" моделирование отличается наличием и "воспроизведением" ряда технологических процедур, обеспечивающих доказательство соответствия математической модели физическому процессу, происходящему в реальной (моделируемой) ПТС. Как уже упомянуто выше "проектные нормативы", "апробированные Госстроем" в рассматриваемом нами случае "помочь" не в состоянии, однако есть еще и "изыскательский" действующий норматив – РСН 67?87 "Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами". Даже в случае если упомянутый норматив не будет внесен в действующий перечень "сводов правил", то "апробация" методики численного решения систем дифференциальных уравнений теплопроводности для анизотропных сред с подвижной фазовой границей (РСН 67? 87) уже доказуема госэкспертизе и, следовательно, ее использование при проектировании "техногенного теплового воздействия" есть доказательство соответствия установленных параметром (расчетных температур) требованиям механической безопасности здания (сооружения).