Целостность и отказ конструкции — это аспект инженерии , который касается способности конструкции выдерживать проектную нагрузку (вес, силу и т. д.) без разрушения и включает в себя изучение прошлых отказов конструкции с целью предотвращения отказов в будущих конструкциях.
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.
Разрушение конструкции относится к потере структурной целостности или потере несущей способности конструкции либо в компоненте конструкции, либо в самой конструкции . Разрушение конструкции 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 разрыв. В хорошо спроектированной системе локализованное разрушение не должно вызывать немедленного или даже прогрессирующего обрушения всей конструкции.
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 моста должны иметь высокий предел текучести , тогда как болты, которые их удерживают, должны иметь хорошую прочность на сдвиг и растяжение . Пружины должны иметь хорошую 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 к каскадным отказам . [1] [2]
Необходимость строить целостные сооружения 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.
В древние времена не существовало математических формул для прогнозирования целостности конструкции. Строители, кузнецы, плотники и каменщики полагались на систему проб и ошибок (изучение прошлых неудач), опыт и ученичество, чтобы создавать безопасные и прочные конструкции. Исторически безопасность и долговечность обеспечивались за счет сверхкомпенсации, например, использования 20 тонн бетона, когда было бы достаточно 10 тонн. Галилей был одним из первых, кто принял во внимание прочность материалов в 1638 году в своем трактате « Диалоги двух новых наук» . Однако математические способы расчета таких свойств материалов начали развиваться только в 19 веке. [3] Наука механики разрушения , в том виде, в каком 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 квадратных 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 необходимость строить конструкции с целостностью конструкции привела к большим достижениям в области материаловедения и механики разрушения. [4] [5]
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.
Мост Ди был спроектирован Робертом Стефенсоном с использованием чугунных балок, укрепленных 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 укрепляло чугун, и что литье разрушилось из-за многократного изгиба. [6]
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. [7]
Крушение оригинального моста Tacoma Narrows 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. [8] 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. [7]
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 достроен в 1967 году, и его обслуживание осуществлялось Департаментом транспорта Миннесоты . Мост был пятым по загруженности в Миннесоте, [9] [10] перевозя 140 000 транспортных средств ежедневно. [11] Мост катастрофически рухнул во время вечернего часа пик 1 августа 2007 года, рухнув на реку и берега реки под ней. Тринадцать человек погибли и 145 получили ранения. После обрушения Федеральное управление шоссейных дорог рекомендовало штатам провести проверку 700 мостов США аналогичной конструкции [12] после того, как был обнаружен возможный дефект конструкции моста, связанный с большими стальными листами, называемыми косынками , которые использовались для соединения балок в ферменной конструкции. [13] [14] Чиновники выразили обеспокоенность по поводу многих других мостов в Соединенных Штатах, имеющих такую же конструкцию, и подняли вопросы о том, почему такой дефект не был обнаружен за более чем 40 лет проверок. [14]
4 апреля 2013 года на племенной земле в Мумбре , пригороде Тхане в Махараштре , Индия, рухнуло здание. [15] [16] Это было названо самым страшным обрушением здания в этом районе [17] [nb 1] : погибло 74 человека, в том числе 18 детей, 23 женщины и 33 мужчины, в то время как более 100 человек выжили. [20] [21] [22]
Здание находилось в стадии строительства и не имело сертификата на проживание для 100–150 жителей с низким и средним доходом [23] ; 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 жителей.
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.
24 апреля 2013 года в Саваре , районе Большого Дакки , столице Бангладеш , рухнуло восьмиэтажное коммерческое здание Rana Plaza . Поиски погибших завершились 13 мая, число погибших составило 1134 человека. [24] Около 2515 раненых были спасены из здания живыми. [25] [26]
Это считается самой смертоносной аварией на швейной фабрике в истории, а также самым смертоносным случайным разрушением конструкции в современной истории человечества. [23] [27]
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. [28] [29] [30] 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. [31]
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.
16 мая 1968 года 22-этажная жилая башня Ronan Point в лондонском районе Ньюхэм рухнула, когда относительно небольшой взрыв газа на 18-м этаже вызвал отрыв структурной стеновой панели от здания. Башня была построена из сборного железобетона, и разрушение одной панели привело к обрушению целого угла здания. Панель смогла быть взорвана, потому что между панелями было недостаточно арматурной стали. Это также означало, что нагрузки, переносимые панелью, не могли быть перераспределены на другие соседние панели, потому что не было пути для прохождения сил. В результате обрушения строительные нормы были пересмотрены, чтобы предотвратить непропорциональное обрушение , и понимание деталей сборного железобетона значительно продвинулось вперед. Многие подобные здания были изменены или снесены в результате обрушения. [32]
19 апреля 1995 года девятиэтажное здание Alfred P. Murrah Federal Building с бетонным каркасом в Оклахоме было поражено грузовиком с бомбой, что привело к частичному обрушению, в результате чего погибло 168 человек. Бомба, хотя и большая, вызвала значительное непропорциональное обрушение конструкции. Бомба выбила все стекла с фасада здания и полностью разбила железобетонную колонну первого этажа (см. бризантность ). На уровне второго этажа существовало более широкое расстояние между колоннами, и нагрузки с колонн верхнего этажа были переданы на меньшее количество колонн ниже с помощью балок на уровне второго этажа. Удаление одной из колонн нижнего этажа привело к разрушению соседних колонн из-за дополнительной нагрузки, что в конечном итоге привело к полному обрушению центральной части здания. Бомбардировка была одной из первых, которая выявила экстремальные силы, которые взрывная нагрузка от терроризма может оказывать на здания, и привела к более активному рассмотрению терроризма при проектировании конструкций зданий. [33]
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.
В результате 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-шляпы наверху каждого здания. [34] 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. [35] [36]
24 июня 2021 года Champlain Towers South, 12-этажное здание кондоминиума в Серфсайде, штат Флорида, частично обрушилось, в результате чего десятки людей получили ранения и 98 человек погибли. [37] Обрушение было запечатлено на видео. [38] Один человек был спасен из-под завалов, [39] и около 35 человек были спасены 24 июня из неразрушенной части здания. Долгосрочная деградация железобетонных опорных конструкций в подземном паркинге из-за проникновения воды и коррозии арматурной стали рассматривалась как фактор или причина обрушения. О проблемах сообщалось в 2018 году, а в апреле 2021 года они были отмечены как «гораздо более серьезные». На момент обрушения была одобрена программа восстановительных работ стоимостью 15 миллионов долларов.
24 января 2024 года шпиль этой каменной церкви в стиле готического возрождения рухнул, обрушив крышу и нанеся непоправимый ущерб строению. [40]
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.
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.
17 июля 1981 года два подвесных перехода через вестибюль Hyatt Regency в Канзас-Сити, штат Миссури , рухнули, в результате чего погибло 114 и было ранено более 200 человек [41] на танцевальном вечере. Обрушение произошло из-за позднего изменения в проекте, изменившего способ, которым стержни, поддерживающие переходы, были соединены с ними, и непреднамеренно удвоившего усилия в соединении. Неудача подчеркнула необходимость хорошей коммуникации между инженерами-конструкторами и подрядчиками, а также строгих проверок проектов и особенно изменений проекта, предложенных подрядчиком. Неудача является стандартным примером для изучения на инженерных курсах по всему миру и используется для обучения важности этики в инженерии . [42] [43]