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 предотвращения отказов в будущих проектах.
Структурная целостность — это способность объекта (либо структурного компонента, либо конструкции, состоящей из множества компонентов) удерживаться вместе под нагрузкой, включая собственный вес, без чрезмерного разрушения или деформации. Он гарантирует, что конструкция будет выполнять предусмотренную функцию при разумном использовании в течение всего предполагаемого срока службы. Изделия сконструированы с соблюдением структурной целостности, чтобы предотвратить катастрофический отказ , который может привести к травмам, серьезным повреждениям, смерти и/или денежным потерям.
Структурное разрушение означает потерю структурной целостности или потерю несущей способности либо структурного компонента, либо самой конструкции . Структурное разрушение начинается, когда материал подвергается напряжению, превышающему предел прочности , что приводит к разрушению или чрезмерным деформациям ; Одним из предельных состояний , которое необходимо учитывать при проектировании конструкций, является предел прочности при разрушении. В хорошо спроектированной системе локальный отказ не должен вызывать немедленное или даже прогрессирующее разрушение всей конструкции.
Структурная целостность — это способность конструкции выдерживать предполагаемую нагрузку без разрушения из-за разрушения, деформации или усталости. Эта концепция часто используется в технике для производства изделий, которые будут служить предназначенным для них целям и оставаться функциональными в течение желаемого срока службы .
Чтобы сконструировать объект, обладающий структурной целостностью, инженер должен сначала рассмотреть механические свойства материала, такие как ударная вязкость , прочность , вес, твердость и эластичность, а затем определить размер и форму, необходимые для того, чтобы материал мог выдерживать желаемую нагрузку в течение длительного времени. жизнь. Поскольку элементы не могут ни ломаться, ни чрезмерно сгибаться, они должны быть одновременно жесткими и прочными. Очень жесткий материал может сопротивляться изгибу, но, если он не достаточно прочный, ему может потребоваться очень большой размер, чтобы выдержать нагрузку и не сломаться. С другой стороны, высокоэластичный материал будет изгибаться под нагрузкой, даже если его высокая вязкость предотвращает разрушение.
При этом 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 обладать хорошей прочностью на сдвиг и растяжение . Пружинам нужна хорошая эластичность, а токарным инструментам нужна высокая жесткость. Кроме того, вся конструкция должна быть способна выдерживать нагрузку без выхода из строя самых слабых звеньев, поскольку это может создать большую нагрузку на другие элементы конструкции и привести к каскадным отказам . [1] [2]
Необходимость строить целостные структуры уходит своими корнями в глубокую историю. Дома должны были выдерживать собственный вес, а также вес жителей. Замки необходимо было укреплять, чтобы противостоять нападениям захватчиков. Инструменты должны были быть достаточно прочными и прочными, чтобы выполнять свою работу. Однако наука о механике разрушения в том виде, в каком она существует сегодня, не была развита до 1920-х годов, когда Алан Арнольд Гриффит изучил хрупкое разрушение стекла.
Начиная с 1940-х годов, печально известные неудачи нескольких новых технологий сделали необходимым более научный метод анализа структурных отказов. Во время Второй мировой войны более 200 сварных стальных кораблей сломались пополам из-за хрупкого разрушения, вызванного напряжениями, возникающими в процессе сварки, изменениями температуры и концентрацией напряжений в квадратных углах переборок. В 1950-х годах несколько комет Де Хэвилленд взорвались в полете из-за концентрации напряжений в углах их квадратных окон, что привело к образованию трещин и взрыву герметичных кабин. Взрывы котлов , вызванные неисправностями в котловых резервуарах под давлением, были еще одной распространенной проблемой того времени и нанесли серьезный ущерб. Растущие размеры мостов и зданий привели к еще большим катастрофам и человеческим жертвам. Эта потребность в создании конструкций со структурной целостностью привела к большим достижениям в области материаловедения и механики разрушения. [3] [4]
Структурный отказ может возникнуть из-за многих типов проблем, большинство из которых уникальны для разных отраслей и типов конструкций. Однако большинство из них можно отнести к одной из пяти основных причин.
Мост Ди был спроектирован Робертом Стивенсоном с использованием чугунных балок, усиленных стойками из кованого железа. 24 мая 1847 года он рухнул, когда по нему проезжал поезд, в результате чего погибли пять человек. Его обрушение стало предметом одного из первых официальных расследований структурного сбоя. В ходе расследования был сделан вывод, что конструкция конструкции была в корне ошибочной, поскольку кованое железо не укрепило чугун, а отливка вышла из строя из-за неоднократного изгиба. [5]
За катастрофой моста Ди последовал ряд обрушений чугунных мостов, в том числе обрушение первого железнодорожного моста Тэй 28 декабря 1879 года. Как и мост Ди, Тэй обрушился, когда по нему проезжал поезд, в результате чего погибло 75 человек. Мост рухнул, потому что он был построен из плохо изготовленного чугуна, а также потому, что проектировщик Томас Буш не учёл на него ветровую нагрузку. Его обрушение привело к замене чугуна стальной конструкцией, а также к полной реконструкции в 1890 году Четвертого железнодорожного моста , который стал первым мостом в мире, полностью сделанным из стали. [6]
Обрушение первоначального моста Такома-Нарроуз в 1940 году иногда характеризуют в учебниках физики как классический пример резонанса, хотя это описание вводит в заблуждение. Катастрофические вибрации, разрушившие мост, возникли не из-за простого механического резонанса, а из-за более сложных колебаний между мостом и проходящим через него ветром, известных как аэроупругий флаттер . Роберт Х. Сканлан , ведущий специалист в области понимания аэродинамики мостов, написал статью об этом недоразумении. [7] Это обрушение и последовавшие за ним исследования привели к лучшему пониманию взаимодействия ветра и конструкции. После обрушения несколько мостов были переоборудованы, чтобы предотвратить повторение подобного события. Единственной погибшей стала собака по кличке Табби. [6]
Мост I-35W через реку Миссисипи (официально известный просто как Мост 9340) представлял собой восьмиполосный арочный мост со стальными фермами , по которому проходила межштатная автомагистраль 35W через реку Миссисипи в Миннеаполисе , Миннесота, США. Мост был построен в 1967 году, а его обслуживание осуществляло Министерство транспорта Миннесоты . Мост был пятым по загруженности в Миннесоте, [8] [9] по нему ежедневно проезжало 140 000 автомобилей. [10] Мост катастрофически вышел из строя в вечерний час пик 1 августа 2007 года, обрушившись на реку и берега реки под ней. Тринадцать человек погибли и 145 получили ранения. После обрушения Федеральное управление автомобильных дорог рекомендовало штатам проверить 700 мостов США аналогичной конструкции [11] после того, как был обнаружен возможный конструктивный недостаток моста, связанный с большими стальными листами, называемыми косынками , которые использовались для соединения балок вместе в конструкции моста. ферменная конструкция. [12] [13] Должностные лица выразили обеспокоенность по поводу многих других мостов в Соединенных Штатах, имеющих ту же конструкцию, и подняли вопросы о том, почему такой недостаток не был обнаружен за более чем 40 лет проверок. [13]
4 апреля 2013 года на племенной земле в Мумбре , пригороде Тейн в Махараштре , Индия , обрушилось здание . [14] [15] Это было названо самым сильным обрушением здания в этом районе [16] [nb 1] : погибло 74 человека, в том числе 18 детей, 23 женщины и 33 мужчины, а выжило более 100 человек. [19] [20] [21]
Здание находилось в стадии строительства и не имело свидетельства о вводе в эксплуатацию для 100–150 жителей с низким и средним доходом [22] ; его единственными обитателями были строители и их семьи. Сообщается, что здание было построено незаконно , поскольку не были соблюдены стандартные процедуры безопасного, законного строительства, приобретения земли и проживания жильцов.
К 11 апреля было арестовано в общей сложности 15 подозреваемых, включая строителей , инженеров, муниципальных чиновников и других ответственных лиц. Правительственные отчеты показывают, что существовало два постановления по управлению количеством незаконных построек в этом районе: постановление штата Махараштра от 2005 года об использовании дистанционного зондирования и постановление Высокого суда Бомбея от 2010 года . Жалобы были также поданы государственным и муниципальным чиновникам.
9 апреля Муниципальная корпорация Тэйна начала кампанию по сносу незаконных построек в этом районе, уделяя особое внимание «опасным» зданиям, и создала колл-центр для приема и отслеживания решений по жалобам на незаконные постройки. Тем временем лесной департамент пообещал принять меры по борьбе с посягательством на лесные угодья в районе Тане.
24 апреля 2013 года в Саваре , подрайоне Большой Дакки , столицы Бангладеш , обрушилось восьмиэтажное коммерческое здание Rana Plaza . Поиски погибших завершились 13 мая, число погибших составило 1134 человека. [23] Около 2515 раненых были спасены из здания живыми. [24] [25]
Это считается самой смертоносной аварией на швейной фабрике в истории, а также самым смертоносным случайным структурным сбоем в современной истории человечества. [22] [26]
В здании располагались швейные фабрики, банк, квартиры и несколько других магазинов. Магазины и банк на нижних этажах сразу закрылись после того, как в здании были обнаружены трещины. [27] [28] [29] Предупреждения о том, что следует избегать использования здания после того, как накануне появились трещины, были проигнорированы. Работникам швейной промышленности было приказано вернуться на следующий день, и здание рухнуло в утренний час пик. [30]
29 июня 1995 года обрушился пятиэтажный универмаг Sampoong в районе Сочо в Сеуле , Южная Корея , в результате чего погибли 502 человека, а еще 1445 человек оказались в ловушке.
В апреле 1995 года в потолке пятого этажа южного крыла магазина начали появляться трещины из-за наличия кондиционера на ослабленной крыше плохо построенного строения. Утром 29 июня, когда количество трещин в потолке резко возросло, менеджеры магазинов закрыли верхний этаж и отключили кондиционирование воздуха, но не смогли закрыть здание или отдать официальный приказ об эвакуации, поскольку руководители сами покинули помещение. в качестве меры предосторожности.
За пять часов до обрушения с верхних этажей послышался первый из нескольких громких ударов, поскольку вибрация кондиционера привела к дальнейшему расширению трещин в плитах. На фоне сообщений клиентов о вибрации в здании кондиционер отключили, но трещины в полу уже разрослись до 10 см в ширину. Примерно в 17:00 по местному времени потолок пятого этажа начал проваливаться, а в 17:57 крыша провалилась, в результате чего кондиционер рухнул на и без того перегруженный пятый этаж.
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. [31]
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 снесла все стекла с фасада 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 продемонстрировал чрезвычайную силу, которую взрывная нагрузка в результате терроризма может оказать на здания, и привел к более широкому учету терроризма при проектировании конструкций зданий. [32]
Свадебный зал Версаля ( иврит : 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 обрушилась большая часть третьего этажа четырехэтажного здания, в результате чего погибли 23 человека. Жених и невеста выжили.
Во время терактов 11 сентября два коммерческих авиалайнера намеренно врезались в башни-близнецы Всемирного торгового центра в Нью-Йорке. В результате удара, взрыва и возникших пожаров обе башни рухнули менее чем за два часа. Удары разрушили внешние колонны и повредили основные колонны, перераспределив нагрузки, которые несли эти колонны. На такое перераспределение нагрузок большое влияние оказали шляпные фермы наверху каждого здания. [33] В результате ударов часть огнезащитного покрытия из стали была смещена, что увеличило ее воздействие на жар огня. Температуры стали достаточно высокими, чтобы ослабить основные колонны до точки ползучести и пластической деформации под весом верхних этажей. Жар пожара также ослабил колонны и перекрытия по периметру, в результате чего полы провисли и оказали внутреннюю силу на внешние стены здания. Позже в тот же день обрушилось здание 7 Всемирного торгового центра; 47-этажный небоскреб рухнул за считанные секунды из-за сильного пожара внутри здания и серьезных структурных повреждений в результате обрушения Северной башни. [34] [35]
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. [36] Обрушение было снято на видео. [37] Один человек был спасен из-под завалов, [38] и около 35 человек были спасены 24 июня из необрушившейся части здания. 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
Основная статья: Первая церковь Христа (Нью-Лондон, Коннектикут)
24 января 2024 года обрушился шпиль этой каменной церкви в стиле неоготики, обрушив крышу и безвозвратно повредив строение. [39]
Повторные отказы конструкции самолетов одного и того же типа произошли в 1954 году, когда два реактивных авиалайнера de Havilland Comet C1 разбились из-за декомпрессии, вызванной усталостью металла , и в 1963–64 годах, когда на четырех бомбардировщиках Boeing B-52 отломился вертикальный стабилизатор . в воздухе.
8 августа 1991 года в 16:00 по всемирному координированному времени Варшавы радиомачта, самый высокий искусственный объект, когда-либо построенный до возведения Бурдж-Халифа , рухнула из-за ошибки при замене растяжек на самой высокой опоре. Мачта сначала погнулась, а затем сломалась примерно на половине своей высоты. При обрушении он разрушил небольшой автокран Мостостали Забже. Поскольку все рабочие покинули мачту до процедуры обмена, погибших не было, в отличие от аналогичного обрушения башни WLBT в 1997 году.
17 июля 1981 года два подвесных перехода через вестибюль отеля Hyatt Regency в Канзас-Сити, штат Миссури , обрушились, в результате чего 114 человек погибли и более 200 человек получили ранения [40] во время чаепития. Обрушение произошло из-за позднего изменения конструкции, изменения способа соединения с ними стержней, поддерживающих переходы, и непреднамеренного удвоения усилий, прилагаемых к соединению. Неудача подчеркнула необходимость хорошей коммуникации между инженерами-проектировщиками и подрядчиками, а также тщательной проверки проектов и особенно изменений в проекте, предлагаемых подрядчиком. Неудача представляет собой стандартный пример на инженерных курсах по всему миру, который используется для преподавания важности этики в инженерном деле . [41] [42]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )