Структурная целостность и отказ — это аспект проектирования, который касается способности конструкции выдерживать расчетную структурную нагрузку (вес, силу и т. д.) без разрушения и включает в себя изучение прошлых структурных отказов с целью для предотвращения сбоев в будущих проектах.
Структурная целостность — это способность элемента — структурного компонента или структуры, состоящей из многих компонентов — сохранять целостность под нагрузкой, включая собственный вес, не ломаясь и не деформируясь чрезмерно. Она гарантирует, что конструкция будет выполнять свою предназначенную функцию при разумном использовании в течение всего предполагаемого срока службы. Элементы изготавливаются с учетом структурной целостности, чтобы предотвратить катастрофический отказ, который может привести к травмам, серьезным повреждениям, смерти и/или денежным потерям.
Конструктивный отказ относится к потере структурной целостности или потере несущей способности конструкции либо в компоненте конструкции, либо в самой конструкции. Структурный отказ начинается, когда материал подвергается напряжению, превышающему предел прочности, что приводит к трещинам или чрезмерным деформациям; одно предельное состояние, которое необходимо учитывать при проектировании конструкции, — это предельная прочность на отказ. В хорошо спроектированной системе локализованный отказ не должен вызывать немедленного или даже прогрессирующего обрушения всей конструкции.
Введение
Структурная целостность — это способность конструкции выдерживать предполагаемую нагрузку без разрушения из-за трещин, деформации или усталости. Это концепция, часто используемая в машиностроении для производства изделий, которые будут служить своим предназначенным целям и оставаться функциональными в течение желаемого срока службы.
Чтобы создать элемент с целостностью конструкции, инженер должен сначала учесть механические свойства материала, такие как ударная вязкость, прочность, вес, твердость и эластичность, а затем определить размер и форму, необходимые для того, чтобы материал выдерживал желаемую нагрузку в течение длительного срока службы. Поскольку элементы не могут ни ломаться, ни изгибаться чрезмерно, они должны быть одновременно жесткими и прочными. Очень жесткий материал может сопротивляться изгибу, но если он не достаточно жесткий, ему, возможно, придется быть очень большим, чтобы выдерживать нагрузку, не ломаясь. С другой стороны, высокоэластичный материал будет изгибаться под нагрузкой, даже если его высокая ударная вязкость предотвращает разрушение.
Более того, целостность каждого компонента должна соответствовать его индивидуальному применению в любой несущей конструкции. Опоры мостов должны иметь высокий предел текучести, тогда как болты, которые их удерживают, должны иметь хорошую прочность на сдвиг и растяжение. Пружинам нужна хорошая эластичность, а токарный инструмент должен обладать высокой жесткостью. Кроме того, вся конструкция должна быть способна выдерживать свою нагрузку без выхода из строя ее самых слабых звеньев, поскольку это может привести к увеличению нагрузки на другие элементы конструкции и каскадным отказам.
История
Необходимость возведения прочных конструкций восходит к временам письменной истории. Дома должны были выдерживать собственный вес, а также вес жителей. Замки должны были быть укреплены, чтобы выдерживать нападения захватчиков. Инструменты должны были быть достаточно прочными и жесткими, чтобы выполнять свою работу. Однако наука механики разрушения в том виде, в котором она существует сегодня, не была развита до 1920-х годов, когда Алан Арнольд Гриффит изучал хрупкое разрушение стекла.
Начиная с 1940-х годов печально известные провалы нескольких новых технологий сделали необходимым более научный метод анализа структурных отказов. Во время Второй мировой войны более 200 сварных стальных кораблей разломились пополам из-за хрупкого разрушения, вызванного напряжениями, создаваемыми в процессе сварки, изменениями температуры и концентрацией напряжений в прямых углах переборок. В 1950-х годах несколько самолетов De Havilland Comet взорвались в полете из-за концентрации напряжений в углах их квадратных окон, что привело к образованию трещин и взрыву герметичных кабин. Взрывы котлов, вызванные отказами в герметичных котловых баках, были еще одной распространенной проблемой в ту эпоху и наносили серьезный ущерб. Растущие размеры мостов и зданий привели к еще большим катастрофам и гибели людей. Эта потребность в строительстве конструкций с целостностью конструкции привела к большим достижениям в области материаловедения и механики разрушения.
Типы отказов
Структурный отказ может возникнуть из-за многих типов проблем, большинство из которых являются уникальными для различных отраслей и структурных типов. Однако большинство из них можно отнести к одной из пяти основных причин.
Известные неудачи
Мосты
Мост Ди
Мост Ди был спроектирован Робертом Стефенсоном с использованием чугунных балок, усиленных распорками из кованого железа. 24 мая 1847 года он рухнул, когда по нему проехал поезд, в результате чего погибло пять человек. Его крушение стало предметом одного из первых официальных расследований структурной неисправности. Это расследование пришло к выводу, что конструкция конструкции была в корне ошибочной, поскольку кованое железо не усиливало чугун, а литье разрушилось из-за многократного изгиба.
Первый железнодорожный мост Тэй
За катастрофой моста Ди последовало несколько обрушений чугунных мостов, включая обрушение первого моста Тей-Рейл 28 декабря 1879 года. Как и мост Ди, мост Тей рухнул, когда по нему проехал поезд, в результате чего погибло 75 человек. Мост рухнул, потому что был построен из некачественного чугуна, а также потому, что проектировщик Томас Буш не учел ветровую нагрузку на него. Его обрушение привело к замене чугуна стальной конструкцией и полной переделке в 1890 году моста Форт-Рейл, который стал первым мостом в мире, полностью сделанным из стали.
Первый мост через пролив Такома
Крушение оригинального моста Tacoma Narrows Bridge в 1940 году иногда характеризуется в учебниках физики как классический пример резонанса, хотя это описание вводит в заблуждение. Катастрофические вибрации, которые разрушили мост, были вызваны не простым механическим резонансом, а более сложными колебаниями между мостом и проходящим через него ветром, известными как аэроупругий флаттер. Роберт Х. Скэнлан, ведущий участник понимания аэродинамики мостов, написал статью об этом недоразумении. Это крушение и последовавшие за ним исследования привели к более глубокому пониманию взаимодействия ветра и конструкции. Несколько мостов были изменены после крушения, чтобы предотвратить повторение подобного события. Единственной погибшей была собака.
И-35В Мост
Мост I-35W через реку Миссисипи (официально известный просто как мост 9340) был восьмиполосным стальным ферменным арочным мостом, который нес межштатную автомагистраль 35W через реку Миссисипи в Миннеаполисе, штат Миннесота, США. Мост был завершен в 1967 году, и его обслуживание выполнялось Департаментом транспорта Миннесоты. Мост был пятым по загруженности в Миннесоте, ежедневно перевозя 140 000 транспортных средств. Мост катастрофически рухнул в вечерний час пик 1 августа 2007 года, рухнув на реку и берега реки под ним. Тринадцать человек погибли и 145 получили ранения. После обрушения Федеральное управление шоссейных дорог рекомендовало штатам осмотреть 700 мостов США аналогичной конструкции после того, как был обнаружен возможный конструктивный недостаток моста, связанный с большими стальными листами, называемыми косынками, которые использовались для соединения балок в конструкции фермы. Чиновники выразили обеспокоенность по поводу того, что многие другие мосты в Соединенных Штатах имеют такую же конструкцию, и подняли вопросы о том, почему такой недостаток не был обнаружен за более чем 40 лет проверок.
Здания
Обрушение здания Тейн
4 апреля 2013 года на племенной земле в Мумбре, пригороде Тхане в Махараштре, Индия, рухнуло здание. Его назвали самым страшным обрушением здания в этом районе[nb 1]: погибло 74 человека, в том числе 18 детей, 23 женщины и 33 мужчины, в то время как более 100 человек выжили.
Здание находилось в стадии строительства и не имело сертификата на проживание для 100–150 жителей с низким и средним доходом; его единственными жильцами были рабочие на стройплощадке и их семьи. Сообщалось, что здание было построено незаконно, поскольку не соблюдались стандартные практики безопасного, законного строительства, приобретения земли и проживания жильцов.
К 11 апреля было арестовано в общей сложности 15 подозреваемых, включая строителей, инженеров, муниципальных служащих и других ответственных лиц. Правительственные записи указывают на то, что было два распоряжения по управлению количеством незаконных построек в этом районе: распоряжение штата Махараштра от 2005 года об использовании дистанционного зондирования и распоряжение Высокого суда Бомбея от 2010 года. Жалобы также были поданы государственным и муниципальным служащим.
9 апреля муниципальная корпорация Тхане начала кампанию по сносу незаконных построек в этом районе, сосредоточившись на «опасных» зданиях, и создала колл-центр для приема и отслеживания решений по жалобам на незаконные постройки. Тем временем лесной департамент пообещал заняться вопросом посягательства на лесные угодья в округе Тхане.
Обрушение здания Савара
24 апреля 2013 года Rana Plaza, восьмиэтажное коммерческое здание, рухнуло в Саваре, подокруге в районе Большой Дакки, столице Бангладеш. Поиски погибших завершились 13 мая, число погибших составило 1134 человека. Около 2515 раненых были спасены из здания живыми.
Это считается самой смертоносной аварией на швейной фабрике в истории, а также самой смертоносной случайной структурной аварией в современной истории человечества.
В здании находились швейные фабрики, банк, квартиры и несколько других магазинов. Магазины и банк на нижних этажах немедленно закрылись после того, как в здании были обнаружены трещины. Предупреждения о том, что не следует пользоваться зданием после того, как накануне появились трещины, были проигнорированы. Работникам швейной фабрики было приказано вернуться на следующий день, и здание рухнуло во время утреннего часа пик.
Обвал универмага Sampoong
29 июня 1995 года в районе Сочхо в Сеуле, Южная Корея, обрушилось пятиэтажное здание универмага Sampoong, в результате чего погибли 502 человека, а еще 1445 оказались в ловушке.
В апреле 1995 года на потолке пятого этажа южного крыла магазина начали появляться трещины из-за наличия кондиционера на ослабленной крыше плохо построенной конструкции. Утром 29 июня, когда количество трещин на потолке резко возросло, менеджеры магазина закрыли верхний этаж и отключили кондиционер, но не закрыли здание или не отдали формальных распоряжений об эвакуации, поскольку сами руководители покинули помещение в качестве меры предосторожности.
За пять часов до обрушения раздался первый из нескольких громких хлопков, раздавшихся с верхних этажей, так как вибрация кондиционера привела к дальнейшему расширению трещин в плитах. На фоне сообщений клиентов о вибрации в здании кондиционер был отключен, но трещины в полу уже выросли до 10 см в ширину. Около 5:00 вечера по местному времени потолок пятого этажа начал проседать, а в 5:57 вечера крыша рухнула, в результате чего кондиционер рухнул на уже перегруженный пятый этаж.
Ронан Пойнт
16 мая 1968 года 22-этажная жилая башня Ронан-Пойнт в лондонском районе Ньюхэм обрушилась, когда относительно небольшой взрыв газа на 18-м этаже привел к отлету структурной стеновой панели от здания. Башня была построена из сборного железобетона, и из-за отказа единственной панели обрушился целый угол здания. Панель смогла взорвать, потому что между панелями не было достаточной арматуры. Это также означало, что нагрузки, переносимые панелью, не могли быть перераспределены на другие соседние панели, поскольку не было маршрута, по которому силы могли бы следовать. В результате обрушения строительные нормы и правила были пересмотрены, чтобы предотвратить непропорциональное обрушение, а понимание детализации сборного железобетона значительно продвинулось вперед. Многие подобные здания были перестроены или снесены в результате обрушения.
Взрыв в Оклахома-Сити
19 апреля 1995 года девятиэтажное федеральное здание Альфреда П. Мурры с бетонным каркасом в Оклахоме было поражено взрывом грузовика, начиненным взрывчаткой, что привело к частичному обрушению, в результате чего погибли 168 человек. Бомба, хотя и была большой, вызвала значительно непропорциональное обрушение конструкции. Бомба выбила все стекла в фасаде здания и полностью разрушила железобетонную колонну первого этажа (см. бризанс). На уровне второго этажа расстояние между колоннами было больше, и нагрузки от колонн верхнего этажа передавались на меньшее количество колонн ниже с помощью балок на уровне второго этажа. Удаление одной из колонн нижнего этажа привело к выходу из строя соседних колонн из-за дополнительной нагрузки, что в конечном итоге привело к полному обрушению центральной части здания. Этот взрыв одним из первых выявил экстремальные силы, которые взрывная нагрузка в результате терроризма может оказать на здания, и привел к более широкому учету терроризма при проектировании конструкций зданий.
Версальский свадебный зал
Версальский свадебный зал (ивр. אולמי ורסאי), расположенный в Тальпиоте, Иерусалим, является местом самой страшной гражданской катастрофы в истории Израиля. В 22:43 в четверг вечером, 24 мая 2001 года во время свадьбы Керен и Асафа Дрора, большая часть третьего этажа четырехэтажного здания обрушилась, в результате чего погибло 23 человека. Невеста и жених выжили.
Башни Всемирного торгового центра 1, 2 и 7
В ходе атак 11 сентября два коммерческих авиалайнера были намеренно врезаны в башни-близнецы Всемирного торгового центра в Нью-Йорке. Удар, взрыв и вызванные им пожары привели к тому, что обе башни рухнули менее чем за два часа. Удары разорвали внешние колонны и повредили основные колонны, перераспределив нагрузки, которые несли эти колонны. На это перераспределение нагрузок в значительной степени повлияли фермы-шляпки наверху каждого здания. Удары сместили часть огнестойкости со стали, увеличив ее подверженность воздействию тепла пожаров. Температура стала достаточно высокой, чтобы ослабить основные колонны до точки ползучести и пластической деформации под тяжестью верхних этажей. Тепло пожаров также ослабило периметральные колонны и полы, заставив полы провиснуть и оказывая внутреннее усилие на внешние стены здания. Здание 7 Всемирного торгового центра также рухнуло позже в тот же день; 47-этажный небоскреб рухнул за считанные секунды из-за сочетания большого пожара внутри здания и тяжелых структурных повреждений от обрушения Северной башни.
Башни Шамплейн
24 июня 2021 года Champlain Towers South, 12-этажное здание кондоминиума в Серфсайде, штат Флорида, частично обрушилось, в результате чего десятки получили ранения и 98 человек погибли. Обрушение было снято на видео. Из-под завалов удалось спасти одного человека, а 24 июня из необрушившейся части здания были спасены около 35 человек. Длительная деградация железобетонных опорных конструкций в подземном гараже из-за проникновения воды и коррозии арматурной стали рассматривается как фактор или причина обрушения. О проблемах сообщалось в 2018 году, а в апреле 2021 года они были отмечены как «намного худшие». На момент обрушения была утверждена программа восстановительных работ стоимостью 15 миллионов долларов.
Первая конгрегационалистская церковь, Нью-Лондон, Коннектикут
24 января 2024 года шпиль этой каменной церкви в стиле готики рухнул, обрушив крышу и нанеся непоправимый ущерб строению.
Самолет
Повторные отказы конструкции самолетов одного и того же типа произошли в 1954 году, когда два реактивных авиалайнера de Havilland Comet C1 потерпели крушение из-за декомпрессии, вызванной усталостью металла, и в 1963–64 годах, когда вертикальный стабилизатор на четырех бомбардировщиках Boeing B-52 отломился в воздухе.
Другой
Варшавская радиомачта
8 августа 1991 года в 16:00 UTC варшавская радиомачта, самый высокий искусственный объект, когда-либо построенный до возведения Бурдж-Халифа, рухнула из-за ошибки при замене растяжек на самом высоком штоке. Мачта сначала погнулась, а затем сломалась примерно на половине своей высоты. При падении она уничтожила небольшой мобильный кран Mostostal Zabrze. Поскольку все рабочие покинули мачту до процедуры замены, обошлось без жертв, в отличие от аналогичного обрушения башни WLBT в 1997 году.
Пешеходная дорожка Hyatt Regency
17 июля 1981 года два подвесных перехода через вестибюль отеля Hyatt Regency в Канзас-Сити, штат Миссури, рухнули, в результате чего погибло 114 и пострадало более 200 человек на танцевальном вечере. Причиной обрушения стало позднее изменение конструкции, изменившее способ соединения стержней, поддерживающих переходы, и непреднамеренное удвоение усилий в соединении. Авария подчеркнула необходимость хорошей коммуникации между инженерами-конструкторами и подрядчиками, а также строгих проверок проектов и особенно изменений проекта, предложенных подрядчиками. Авария является стандартным примером для изучения на инженерных курсах по всему миру и используется для обучения важности этики в инженерии.
- Notes
- Citations
- Bibliography