Prorazit bariéry

Potřeba respektovat vliv nejistoty v údajích o vlastnostech materiálu se projevila dlouho před érou počítačů, tehdy se však mohla uplatnit jen různými technikami zkoušení materiálu a příslušnými součiniteli a vliv těchto nejistot na pravděpodobnost výsledku (skutečné bezpečnosti konstrukce) nebylo snadné určit. Teprve velká, dříve nepředstavitelná rychlost, s jakou moderní počítače jsou schopny provést výpočet i složité konstrukce, dává možnost respektovat nevyhnutelné, reálně existující nejistoty ve vstupních veličinách (v parametrech konstrukce, materiálu i zatížení) ke stanovení pravděpodobnosti dosažení požadované bezpečnosti, použitelnosti a trvanlivosti konstrukce. Takovýto přístup znamená ovšem zásadní změnu v myšlení všech na projektování zúčastněných – přechod od pojetí deterministického (konstrukce vyhovuje Ano – Ne) k pojetí pravděpodobnostnímu (nevyhoví s pravděpodobností např. 10–7). Mnohokrát opakované výpočty téže konstrukce se vstupními parametry náhodně vybíranými podle pravděpodobností výskytu těchto parametrů (simulační výpočty) poskytnou soubor výsledků, obsahující výsledky vyhovující i nevyhovující, a tedy určuje pravděpodobnost výskytu jedněch i druhých.

Každá akce vyvolává reakci. Návrh zavést pravděpodobnostní metodu (využívající jako nástroj techniku Monte Carlo) místo dosavadních quasi-deterministických „předpisových“ metod dílčích součinitelů (uplatněných v Eurokódech, normách AISC-LRFD v USA ad.) vyvolal vznik rozmanitých bariér, které brání rychlému proniknutí nového netradičního pojetí procesu posudku spolehlivosti do praxe. Dříve narození pedagogové např. namítají: „Proč se mám seznamovat s takovou novinkou, když jdu za pár roků do penze?“ Projektant může namítnout: „Jsem uhoněný, musím shánět zakázky, dbát na dodržení termínů, kde mám vzít čas učit se něco nového? Ostatně musím respektovat platné normy.“ Vysokoškolský student si může vytvořit nesprávnou představu, že „v budoucnu budou existovat programy pro počítače vyžadující pouze vložení údajů zadání, přičemž vše ostatní udělá počítač sám“ (což je konkrétní odpověď jednoho doktoranda). Instituce existenčně závislé na tvorbě a distribuci norem založených na metodě dílčích součinitelů mohou připomínat obchodní hlediska a návratnost investovaných prostředků, což může vést ke značně konzervativnímu vztahu k rozvoji metod posuzování spolehlivosti. Lze se setkat i s představitelem inženýrské organizace či normalizační komise, který poukazuje na neúplnost některých podkladů potřebných k rozvoji pravděpodobnostní metody, a místo toho, aby pomohl zrychlit dramatický rozvoj metod počítačové éry např. doplňováním databází mechanických vlastností, zavírá před novinkou dveře. Jak lze usuzovat z článku [1] patří k bariérám též ignorování netradičních metod blízké budoucnosti. Není pochyb o tom, že vytvářené zábrany budou postupně odstraňovány a „bude se jezdit ve výkonném rychlém autě, nikoliv v kočáře taženém koňmi.“

Svým příspěvkem [1] v časopise Konstrukce shrnul bývalý vedoucí Katedry ocelových konstrukcí Stavební fakulty ČVUT profesor Jiří Studnička své názory na přebírání a uplatňování evropských norem v oblasti kovových konstrukcí. Zaujalo mě zejména jeho následující zjištění: „Dáme-li stranou dnes nemoderní národní hrdost, jsou (...nevýhody přebírání Eurokódů…) právě v tom, co všichni vědí. Budou se používat normy, na jejichž tvorbě se čeští odborníci, až na naprosté výjimky, nepodílejí. Ve schvalovacím procesu jsme sice zapojeni byli, ale naše pozice malé země byla přirozeně velice slabá a navíc, nemáte-li vlastní poznatky, jak chcete něco ovlivňovat?“ Umím si představit, jak by na takové konstatování reagovat patriarcha české ocelařiny prof. František Faltus, zakladatel Katedry ocelových konstrukcí na ČVUT, kdyby v této době ještě žil. Učil nás nejen projektovat, bádat a chápat skutečné působení ocelových konstrukcí, nýbrž též s odvahou bojovat za odborné novinky včetně vyšší kvality a dokonalejšího posudku spolehlivosti navrhovaných konstrukcí. Kam se poděla odvaha a stavovská hrdost jeho následovníků? Máme se spokojit s překladem Eurokódů do češtiny a se semináři zaměřenými na aplikace vzorců, hodnot a kritérií založených na metodě dílčích součinitelů, která už neodpovídá éře počítačů? Z hlediska pedagogické činnosti, výzkumu i zavádění aplikací do praxe máme se smířit s komplexem občanů „malé země“ a pasivně přebírat ze zahraničí to, co nemusí už být optimální a stává se anachronismem? Nebo budeme (jak tomu bylo v éře vedení Katedry ocelových konstrukcí profesora Faltuse) usilovat o důstojnou pozici v přední části ocelářského pelotonu? Má profesor Studnička pravdu, že skutečně nemáme vlastní poznatky, a nemáme proto co nabídnout?

Jak na počítačovou revoluci reaguje ocelářská odborná veřejnost v oboru kovových konstrukcí? Lze usuzovat, že stále se zdokonalující výpočetní technika slouží dosud z hlediska posudku spolehlivosti kovových konstrukcí především jen jako „rychlá kalkulačka“ při hodnocení bezpečnosti, použitelnosti a trvanlivosti konstrukcí, aniž by byla využita k radikálnímu kvalitativnímu zdokonalení těchto procesů. K prvním pokusům pozvednout posudek na kvalitativně vyšší úroveň patřila příloha k normě ČSN 73 14 01-1998 uplatňující pravděpodobnostní pojetí posudku a využívající simulační techniku Monte Carlo (např. podle [2]). Kdo z domácích ocelářů, reprezentujících ČR v mezinárodní komisi Eurocodu, je seznámen s podrobnostmi této přílohy a „bojoval“ za její začlenění do EC norem?

Už několikrát bylo marně nabízeno uspořádat pro TNK 35 informativní seminář, který by seznámil členy komise s výsledky dvacetiletého výzku-mu a vývoje pravděpodobnostního pojetí na rozmanitých zainteresovaných pracovištích v ČR včetně ÚTAM AV ČR v Praze a zejména VŠB TU Ostrava (viz [3] a seznam publikací např. v [5]), jakož i s přínosem patnácti (!) úspěšně obhájených disertačních a habilitačních prací rozvíjejících jednu z pravděpodobnostních metod SBRA (Simulation-Based Reliability Assessment, viz [2]), dokumentovanou v pěti stovkách prací publikovaných z velké části v zahraničí, stovkami příkladů (viz např. [4]), sborníky devíti konferencí „Spolehlivost konstrukcí“ (v letech 2000 až 2008) a sborníkem světového kolokvia SiBRAM’2002 v Praze. V rámci IX. konference 14. a 15. dubna 2008 v Praze bude věnována pozornost pravděpodobnostnímu pojetí posudku bezpečnosti, použitelnosti a zejména akumulace poškození (např. riziku havárie únavou narušených konstrukcí, viz např. [9]), přičemž průkopníci „integrovaného navrhování“ profesor Šejnoha, profesor Teplý, profesor Hájek a další připojí k pravděpodobnostnímu posuzování spolehlivosti problematiku Performance Based Design, Life Cycle Assessment, Risk Engineering ad., viz [8].

Jak naznačují zprávy z odborného tisku ze světa, je přechodu od „předpisové“ metody dílčích součinitelů k pravděpodobnostním metodám využívajících rostoucí potenciál výpočetní techniky věnována zvýšená pozornost a roste zájem o kvalitativně vyšší úroveň pravděpodobnostního posudku spolehlivosti, což je zřejmý důvod, že členové SBRA týmu jsou zváni přednášet, pořádat výukové semináře a odborně spolupracovat i ve vzdálených místech, jako je Singapur, Korea, Hongkong, Taiwan, Švédsko, Španělsko, USA, Kanada ad. (viz [5]). Následující dva doplňky mohou přispět k připomenutí potřeby přehodnocení současného pojetí problematiky kombinací účinků zatížení a k úvaze o volbě a začlenění pravděpodobnostního posuzování spolehlivosti do komplexní problematiky integrovaného projektování.

PŘÍKLAD SLABINY METODY DÍLČÍCH SOUČINITELŮ

Jednu ze slabin podstaty metody dílčích součinitelů, na které jsou založeny Eurokódy, lze naznačit na příkladě kombinací účinků zatížení. Jak je známo, zatížení je v Eurokódech vyjádřeno charakteristickou hodnotou a součinitelem spolehlivosti, přičemž určení kombinace účinků zatížení je poněkud problematické. Už i v jednoduchých příkladech lze sledovat nejednotné názory expertů – autorů předpisu (viz např. názory profesora Sedlaceka a profesora Brozzettiho v kap. 15.1 knihy [4]). Dále lze připomenout, že v normě EC není vůbec pamatováno na určení kombinace vícekomponentních účinků zatížení, a rozbor kombinací je proto nepostačující.

Porovnejme vybrané kombinace podle EC a podle norem ASCE-AISC USA, viz obr. 1. Ocelová tyč, namáhaná tahovými silami odpovídajícími dvaceti šesti vybraným kombinacím zatížení (viz obr. 1a ), je nejprve dimenzována podle EC, dále podle AISC-ASCE normy a dále metodou SBRA (viz obr. 1b ). Výsledek výpočtu pravděpodobnosti poruchy je zobrazen na obr. 1c. Veškeré podrobnosti výpočtu a výsledky pravděpodobnostního posudku jsou uvedeny v knize [4]. Z porovnání výsledných hodnot pravděpodobnosti poruchy v 26 případech lze vyvodit, že obě normy (AISC LRFD i norma EC) vedou ke značně odlišným a velice nevyrovnaným pravděpodobnostem poruchy. Která z obou norem vede k výstižnějším výsledkům? Porovnání naznačuje, že obě normy vedou k značně rozdílným pravděpodobnostem a ani jednu z nich nelze považovat za nástroj dostatečně vystihující skutečnost.

POZNÁMKA K INTEGROVANÉMU NAVRHOVÁNÍ

V odborných publikacích se stále častěji vyskytují výrazy Performance Based Design (PBD), Risk Engineering, Life Cycle Assessment, Monitoring apod., souhrnně označované jako „Integrované navrhování“ (viz CIDEAS [8]) a zahrnující nejen bezpečnost, použitelnost a trvanlivost, nýbrž též ekonomii, ekologii, údržbu, rekonstrukce, demontáž ad. Netřeba pochybovat o tom, že tomuto integrovanému procesu je a bude i nadále věnována ve výzkumu a stavební praxi stále rostoucí pozornost. V současnosti však nelze jednoznačně odhadnout, kdy a po splnění jakých předpokladů se integrované navrhování uplatní v projekční praxi. Rozpracování jednotlivých součástí procesu bude vyžadovat vytvoření komplexních „pravidel hry“ a nesporně i značný čas. Jak lze usuzovat z doby, které bylo třeba k přechodu od deterministických metod posudku spolehlivosti konstrukcí k metodám „předpisovým“, může si zavedení integrovaného navrhování vyžádat několik dekád příprav, intenzivní výchovy nové generace odborníků, vypracování norem či předpisů apod. Na obr. 2 je schematicky naznačen autorův názor na cestu od současnosti k integrovanému navrhování. Nejprve by měl být zvládnut přechod od současných metod navrhování a posuzování spolehlivosti (založených dosud převážně na metodě dílčích součinitelů) k plně pravděpodobnostnímu pojetí návrhu a posudku (např. založených na metodě SBRA). Tuto fázi rozvoje nelze „přeskočit“, neboť dosavadní pojetí posudku spolehlivosti je z hlediska uvažovaného rozvoje nepostačující. Následovat by měla příprava „dvou cest“ – cesty navrhování s respektováním specifi kovaných požadavků a kritérií (viz PBD) a cesty posuzování se zvláštním zřetelem k akumulaci poškození. Na tuto přípravu může navázat propojení spolehlivosti, ekonomických a ekologických hledisek, problematiky údržby, rekonstrukcí atd.

Věřím, že se oceláři, a to zejména představitelé nastupující generace, připojí k diskusi, která byla otevřena článkem [1] a kterou podporuje redakce časopisu KONSTRUKCE. Je na čase omezit nemístnou skromnost ve věci „domácích poznatků“ a připustit, že domácí oceláři mají v oblasti posudku spolehlivosti kovových konstrukcí též co nabídnout (viz např. [5], [6] a [9]) a mohou jistě přispět k „bourání bariér“ bránících rychlejšímu rozvoji netradičního pojetí posudku spolehlivosti.

OZNÁMENÍ

Diskusní příspěvek byl vypracován s podporou GAČR v rámci grantu 103/07/0557 a s podporou ÚTAM AV ČR, v.v.i., Praha. Autor děkuje za cenné rady a povzbuzení při uvažování o současné situaci rozvoje norem pro posuzování spolehlivosti kovových konstrukcí profesoru Fischerovi.

LITERATURA:
[1] Studnička, J.: Evropské normy: výhody a nevýhody, časopis Konstrukce 2007/5, Ostrava, str. 18
[2] Marek, P., Guštar, M., Anagnos, T.: Simulation Based Reliability Assessment for Structural Engineers, CRC Press Inc., Boca Raton, ISBN 0849382866, Florida 1995
[3] Rieger, M.: Třetí dekáda rozvoje metody SBRA, Konstrukce 2007/5, Ostrava, str. 16–17
[4] Marek, P., Brozzetti, J., Guštar, M., Tikalsky, P.J. (editors): Probabilistic Reliability Assessment of Structures, ÚTAM AV ČR, Praha 2003
[5] Konečný, P., Marek, P. (editoři): Druhá dekáda rozvoje metody SBRAÚTAM AV ČR, ISBN 978-80-862-46-30-7, Praha 2007
[6] Křivý, V., Marek, P.: Pravděpodobnostní stabilitní posudek ocelového rámu s polotuhými spoji metodou SBRA, časopis Konstrukce 5/2006, Ostrava
[7] Křivý, V.: Program pro pravděpodobnostní posudek rovinných rámů, VŠB – TU Ostrava 2007
[8] Šejnoha, J., Pavlíková, M., Hájek, P., Teplý B. et al.: Soubor Technických listů, Centrum CIDEAS – Centrum integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí, Fakulta stavební ČVUT, Stav. fak. ČVUT Praha 2005
[9] Marek, P.: Životnost tramvajového mostního provizoria, časopis Doprava, 5/2007 str. 19, 20 a 6/2007 str. D, Praha 2007

Autor

• Prof. Ing. Marek Pavel DrSc.