Инженерные катастрофы часто возникают из-за сокращений в процессе проектирования. Инженерия — это наука и технология, используемые для удовлетворения потребностей и запросов общества. [1] Эти требования включают здания , самолеты , суда и программное обеспечение. Для того чтобы удовлетворить потребности общества, создание новых технологий и инфраструктуры должно быть выполнено эффективно и экономически выгодно. Для достижения этого менеджерам и инженерам необходим взаимный подход к указанному спросу. Это может привести к сокращениям в инженерном проектировании для снижения затрат на строительство и изготовление. Иногда эти сокращения могут привести к неожиданным сбоям в проектировании.
Отказ происходит, когда конструкция или устройство используются за пределами конструкции, что препятствует надлежащему функционированию. [2] Если конструкция спроектирована так, чтобы выдерживать только определенное количество напряжения , деформации или нагрузки, а пользователь прикладывает большее количество, конструкция начнет деформироваться и в конечном итоге выйдет из строя. Несколько факторов способствуют отказу, включая несовершенную конструкцию, неправильное использование, финансовые затраты и недопонимание.
В области инжиниринга подчеркивается важность безопасности. Изучение прошлых инженерных неудач и печально известных катастроф, таких как взрыв Challenger, дает ощущение реальности того, что может произойти, если не принять соответствующие меры безопасности. Испытания на безопасность, такие как испытание на растяжение , конечно-элементный анализ (FEA) и теории отказов, помогают предоставить инженерам-конструкторам информацию о том, какие максимальные силы и напряжения могут быть применены к определенной области конструкции. Эти меры предосторожности помогают предотвратить отказы из-за перегрузки и деформации. [3]
Статическая нагрузка — это когда сила медленно прикладывается к объекту или конструкции. Испытания статической нагрузкой, такие как испытания на растяжение, испытания на изгиб и испытания на кручение, помогают определить максимальные нагрузки, которые конструкция может выдержать без постоянной деформации или разрушения. Испытания на растяжение широко используются при расчете кривой напряжение-деформация, которая может определить предел текучести и предел прочности конкретного образца для испытаний.
Образец медленно растягивается до тех пор, пока не разорвется, при этом нагрузка и расстояние по длине калибра постоянно контролируются. Образец, подвергнутый испытанию на растяжение, обычно может выдерживать напряжения, превышающие его предел текучести, не разрушаясь. Однако в определенный момент образец разорвется на две части. Это происходит из-за того, что микроскопические трещины, образовавшиеся в результате текучести, распространятся на большие масштабы. Напряжение в точке полного разрыва называется пределом прочности материала на растяжение. [4] Результатом является кривая напряжение-деформация поведения материала при статической нагрузке. Благодаря этому испытанию на растяжение предел текучести находится в точке, где материал начинает легче поддаваться приложенному напряжению, и скорость его деформации увеличивается. [5]
Когда материал подвергается постоянной деформации из-за воздействия радикальных температур или постоянной нагрузки, функциональность материала может ухудшиться. [6] [7] Эта зависящая от времени пластическая деформация материала известна как ползучесть . Напряжение и температура являются основными факторами скорости ползучести. Для того чтобы конструкция считалась безопасной, деформация из-за ползучести должна быть намного меньше деформации, при которой происходит разрушение. Как только статическая нагрузка заставляет образец превзойти эту точку, образец начнет постоянную, или пластическую, деформацию. [7]
В механическом проектировании большинство отказов происходит из-за изменяющихся во времени или динамических нагрузок, которые прикладываются к системе. Это явление известно как усталостное разрушение. Усталость известна как слабость материала из-за изменений напряжения, которые многократно прикладываются к указанному материалу. [8] Например, при растяжении резиновой ленты до определенной длины без ее разрыва (т. е. не превышая предел текучести резиновой ленты), резиновая лента вернется к своей первоначальной форме после освобождения; однако повторное растяжение резиновой ленты с той же силой тысячи раз приведет к образованию микротрещин в ленте, что приведет к ее разрыву. Тот же принцип применяется к механическим материалам, таким как металлы. [5]
Усталостное разрушение всегда начинается с трещины, которая может образоваться со временем или из-за используемого производственного процесса. Три стадии усталостного разрушения:
Обратите внимание, что усталость не означает, что прочность материала уменьшается после разрушения. Это понятие изначально относилось к материалу, который становится «уставшим» после циклической нагрузки. [5]
Инженерное дело — это точная дисциплина, требующая общения между разработчиками проектов. Несколько форм недопонимания могут привести к некорректному проектированию. Различные области инженерии должны взаимодействовать, включая гражданское, электрическое, механическое, промышленное, химическое, биологическое и экологическое проектирование. Например, современный автомобильный дизайн требует, чтобы инженеры-электрики, инженеры-механики и инженеры-экологи работали вместе, чтобы производить экономичный, долговечный продукт для потребителей. Если инженеры не будут должным образом общаться друг с другом, потенциальный проект может иметь недостатки и быть небезопасным для покупки потребителем. Инженерные катастрофы могут быть результатом такого недопонимания, включая прорывы дамбы в Большом Новом Орлеане , Луизиана, в 2005 году во время урагана Катрина , катастрофу космического челнока Columbia и обрушение пешеходной дорожки Hyatt Regency . [9] [10] [11]
Исключительным примером этого является Mars Climate Orbiter . «Основной причиной насильственной гибели орбитального аппарата было то, что одна часть наземного программного обеспечения, поставленная Lockheed Martin, выдавала результаты в общепринятых единицах измерения США, вопреки ее Спецификации интерфейса программного обеспечения (SIS), в то время как вторая система, поставленная NASA , ожидала, что эти результаты будут в единицах СИ, в соответствии с SIS». Lockheed Martin и генеральный подрядчик демонстративно не смогли договориться.
Программное обеспечение сыграло свою роль во многих громких катастрофах:
Когда крупные проекты, такие как инфраструктуры и самолеты терпят неудачу, могут пострадать несколько человек, что приводит к инженерной катастрофе. Катастрофа определяется как бедствие, которое приводит к значительному ущербу, который может включать потерю жизни. [13] Глубокие наблюдения и анализ после катастрофы были задокументированы в значительной степени, чтобы помочь предотвратить возникновение подобных катастроф.
Катастрофа на железной дороге Ashtabula River произошла 29 декабря 1876 года, когда мост через реку Ashtabula около Ashtabula, штат Огайо, рухнул, когда по нему проехал поезд Lake Shore and Michigan Southern Railway, в результате чего погибло по меньшей мере 92 человека. Современные анализы связывают поломку углового блочного выступов, осевое напряжение и низкие температуры.
28 декабря 1879 года произошла катастрофа на мосту Тей, когда первый мост Тей-Рейл рухнул, когда по нему проезжал пассажирский поезд North British Railway на линии Эдинбург-Данди , в результате чего погибло не менее 59 человек. Основной причиной стала неспособность учесть ветровые нагрузки.
Наводнение в Джонстауне произошло 31 мая 1889 года, когда плотина Саут-Форк, расположенная на реке Литл-Конемо выше города Джонстаун , штат Пенсильвания , рухнула после нескольких дней сильных дождей, в результате чего погибло по меньшей мере 2209 человек. Гидравлический анализ 2016 года подтвердил, что изменения, внесенные в плотину, серьезно снизили ее способность выдерживать сильные штормы.
Автомобильный, железнодорожный и пешеходный мост Квебек в Квебеке, Канада, дважды терпел неудачу во время строительства, в 1907 и 1916 годах, что унесло жизни 88 человек. Первая неудача была связана с неправильным проектированием поясов. Вторая неудача произошла, когда центральный пролет поднимали на место и он упал в реку.
Плотина Святого Франциска была бетонной гравитационной плотиной, расположенной в каньоне Сан-Франциско в округе Лос-Анджелес, Калифорния , построенной с 1924 по 1926 год для удовлетворения растущих потребностей Лос-Анджелеса в воде. Она рухнула в 1928 году из-за дефектного грунтового основания и недостатков конструкции, что вызвало наводнение , унесшее жизни по меньшей мере 431 человека.
Первый мост Tacoma Narrows был подвесным мостом в Вашингтоне , который пересекал пролив Tacoma Narrows в Пьюджет-Саунде . Он резко рухнул 7 ноября 1940 года. Непосредственной причиной были умеренные ветры, которые вызывали аэроупругий флаттер , который был самовозбуждающимся и неограниченным, в противоположность затуханию.
17 июля 1981 года два надземных перехода, загруженных посетителями вечеринки в отеле Hyatt Regency в Канзас-Сити, штат Миссури , рухнули. Бетонные и стеклянные платформы упали на танцевальный зал в вестибюле, убив 114 и ранив 216 человек. Расследование пришло к выводу, что переход мог бы рухнуть менее чем на треть от веса, который он выдерживал в ту ночь, из-за пересмотренной конструкции.
Дамбы и дамбы, защищающие Новый Орлеан, Луизиана и его пригороды, рухнули в 50 местах 29 августа 2005 года после прохождения урагана Катрина, в результате чего погибло 1577 человек. Четыре крупных расследования сошлись во мнении, что основной причиной наводнения стали ненадлежащее проектирование и строительство Инженерного корпуса армии.
Ponte Morandi — дорожный виадук в Генуе, Лигурия, Италия. 14 августа 2018 года часть виадука обрушилась во время ливня, в результате чего погибло сорок три человека. Остатки оригинального моста были снесены в августе 2019 года.
24 июня 2021 года в 1:22 ночи Champlain Towers South, 12-этажный прибрежный кондоминиум в пригороде Майами Серфсайд, Флорида , частично обрушился, в результате чего погибло девяносто восемь человек. В настоящее время ведутся расследования.
Катастрофа космического челнока Challenger произошла 28 января 1986 года, когда орбитальный аппарат NASA Space Shuttle Challenger (OV-099) (миссия STS-51-L ) развалился на 73 секунде полета, что привело к гибели семи членов экипажа. Разрушение корабля началось после того, как уплотнительное кольцо в его правом твердотопливном ракетном ускорителе (SRB) вышло из строя при старте.
Катастрофа космического челнока Columbia (OV-102) произошла 1 февраля 2003 года во время последнего этапа полета STS-107 . При входе в атмосферу Земли над Луизианой и Техасом шаттл неожиданно распался, что привело к гибели всех семи астронавтов на борту. Причиной стало повреждение теплозащитных плиток от удара падающим куском пенопластовой изоляции из внешнего бака во время запуска 16 января.
Ранние корабли Liberty страдали от трещин корпуса и палубы , и несколько из них были потеряны из-за таких структурных дефектов. Во время Второй мировой войны было около 1500 случаев значительных хрупких переломов . Три из 2710 построенных Liberty сломались пополам без предупреждения. При низких температурах стальные корпуса трескались, в результате чего более поздние корабли строились с использованием более подходящей стали.
В ночь на 26 апреля 1865 года пассажирский пароход «Султана» взорвался на реке Миссисипи в семи милях (11 км) к северу от Мемфиса, штат Теннесси . В результате взрыва погибло 1547 человек. Причиной, как полагают, стал взрыв неправильно отремонтированного котла, что привело к взрыву двух из трех других котлов.
18 июня 2023 года подводный аппарат Titan взорвался во время экспедиции к затонувшему «Титанику» , в результате чего погибли все пять человек на борту. Недостатки в конструкции подводного аппарата и, в частности, корпуса из углеродного волокна обсуждались как возможная причина взрыва, при этом оператор Titan OceanGate проигнорировал многочисленные предыдущие предупреждения о возможности несчастных случаев.