Историческая хроника развития экспериментальных методов обследования и испытания зданий и сооружений

Еще на заре человечества, когда не существовало никаких теорий и расчетов, люди уже строили себе жилища, не сознавая, что вступают в не­видимый конфликт с силами природы, в противоборство в первую очередь с силами гравитации, которые, воздействуя на конструкцию, создают в ней внутренние силы, стремящиеся разрушить материал, разорвать имеющиеся в конструкции связи.

Если конструкция была в состоянии преодолеть эти силы, то строи­тельство завершалось успешно. В противном случае происходили аварии, даже катастрофы. Единственным руководством для строителей тех времен был опыт, полученный ими при возведении различных сооружений. Опыт подсказывал возможность построения подобных или строительство более крупных объектов, чем построенные, если они удовлетворительно выполняли свои функции, а примерами аварий предостерегал от повторе­ния ошибочных решений и увеличения размеров.

Первым, известным (по документам) из Библии случаем драмати­ческой развязки конфликта между замыслами человека и реальными воз­можностями, является обрушение Вавилонской башни. В начале нашей эры в Фиденах обрушился амфитеатр, под обломками которого погибли многие тысячи человек. Аварии конструкций возникали по разным причинам на протяжении всей истории строительства. Случаются они и в настоящее время.

В 1879 году, через 19 месяцев после начала эксплуатации, в Англии обрушился Тейский мост длиной 3,5 км, шириной 4,5 м. Мост был рассчи­тан на вертикальную нагрузку с двадцатикратным запасом прочности. Про­летные строения опрокинулись от воздействия горизонтальной ветровой нагрузки. Катастрофа послужила толчком для уточнения расчетов на ветро­вую нагрузку.

1 мая 1891года также в Англии, у станции Норзуд обрушился же­лезнодорожный чугунный мост пролетом 9 м, после эксплуатации в тече­ние 31 года. Причиной аварии послужила хрупкость чугуна. После этой аварии чугун для строительства мостов не применяют.

В 1905 году в Петербурге обрушился Египетский мост, когда по нему проезжала конница. Обрушение произошло в результате резонанса, порожденного ритмичным шагом большой массы конницы, в результате стали учитывать возможность возникновения резонанса.

В 1907 году произошло обрушение Квебекского моста в Канаде че­рез реку Св. Лаврентия длиной 988м, с главным пролетом 549м. Обрушение произошло во время строительства. Из 86 работников погибло 75 человек.

28 января 1922 года в Вашингтоне обрушилось покрытие над зри­тельным залом кинотеатра «Никарбокар». Погиб 91 человек и 200 получили тяжелые ранения. Причиной аварии послужили перегрузка перекрытия сне­гом и низкая температура наружного воздуха, вызвавшие дополнительные сжимающие напряжения в верхних поясах стропильных ферм. Стали боль­ше внимания уделять температурным воздействиям.

В 1940 году в США обрушился висячий мост через реку Такома длиной 1662м, с главным пролетом 854м. Обрушение произошло через 4 месяца после начала эксплуатации в течение 45 минут в результате дина­мических колебаний, вызванных ветром, имевшим скорость 18,8 м/с. В на­стоящее время динамический характер ветровых воздействий учитывается.

В 1972 году на Филиппинах в г. Нага-Сити обрушился мост во время религиозных представлений на реке. Обрушение произошло в ре­зультате односторонней перегрузки собравшимися на мосту зрителями.

В 1956 году в Советском Союзе обрушилось покрытие меланжево­го комбината. Причиной обрушения оказались перегрузка снегом и пылью, перепад температур в анкерных участках затяжек, а также нарушения, до­пущенные при производстве строительных работ.

В 1957 году обрушилась железобетонная водонапорная башня. Причиной обрушения послужило применение в нижней части башни бетона невысокой прочности.

В 1959 году обрушился силосный корпус зернового элеватора с квадратными ячейками, выполненный по типовому проекту. В 1961 году произошло обрушение типового силосного корпуса зернового элеватора с круглыми ячейками. Причинами аварий послужили отступления от норм и низкое качество бетона. В некоторых случаях аварии силосных корпусов не находили каких-либо разумных объяснений.

В 1965 году в США разрушилось здание склада размером 350х42м высотой 27 м с покрытием из трехшарнирных арок. Разрушение произошло в результате сдвига фундаментов, вызванного распором в опорах арок. Причиной аварии явилось неудачное проектное решение - не была преду­смотрена установка затяжек в уровне опор арок.

В Саратове на мукомольном заводе №1, размещавшемся в кирпич­ном здании старой мельницы, обрушился участок стены шириной около 18м на высоту всех шести этажей. Обрушение произошло примерно через 20 лет после произведенной реконструкции производства. Причиной аварии послужило неудачное размещение тонкостенных металлических бункеров для зерна в непосредственной близости от внутренней поверхности стены. При освобождении от зерна стенки бункеров ударяли в стену мельницы, не рассчитанную на динамические горизонтальные воздействия.

Как видим, к авариям приводят разнообразные причины, которые возникают на всех этапах создания и эксплуатации объектов. Иногда они являются результатом недостаточного уровня знаний о работе конструкций, а иногда - халатности и недобросовестности строителей и эксплуатацион­ников. Для устранения возможности возникновения аварий требуется длительное накопление опытных данных, а также повышение профессиональ­ной подготовки специалистов.

Увеличение надежности и улучшение конструктивных решений должно базироваться на опыте строительства и на научных исследованиях, имеющих многовековую историю. Становление и развитие строительной техники и науки шло постепенно, по мере накопления всё новых и новых данных.

Одним из самых первых ученых в области строительства считается Гермоген, живший в Греции в II-III веках до нашей эры.

В III веке до нашей эры Архимед создал статику, являющуюся ос­новой механики материалов. Он также изучал свойства материалов.

Первые зачатки строительной механики заложил Леонардо да Вин­чи (1452-1519). Своими трудами он подготовил почву для работ Галилея, который в 1638 году издал книгу «Беседы и математические доказательст­ва, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и ме­стному движению». В ней он рассмотрел вопросы прочности подобных тел разных размеров и сделал правильный вывод о том, что при увеличении размеров тело в целом становится менее прочным. Там же он описал свое представление о расчете балки прямоугольного сечения и тем самым зало­жил начало изучению работы изгибаемых элементов, на разработку кото­рых потребовалось, как теперь мы знаем, более двухсот лет.

В 1713 году француз Паран, рассуждая теоретически, пришел к вы­воду, что в балке возникают растягивающие и сжимающие напряжения, но только в 1767 году Дюгамель экспериментально доказал, что это действи­тельно так. Он провел опыты с деревянными балочками. В одних образцах в верхней части до середины их высоты он сделал прорези, а другие образ­цы были без прорезей. В прорези он заложил деревянные прокладки и в таком виде их нагружал, доводя до разрушения. Несущая способность всех балочек оказалась одинаковой (рис. 1.3).

Из этого он пришел к выводу, что в изгибаемых элементах имеются растянутая и сжатая зоны. Он рассуждал так: если бы были только растяги­вающие напряжения, то прокладки выпали бы, а несущая способность у образцов была бы разной. Эти опыты называли «экспериментом поворотно­го столба».

Однако только в 1821 году, через 163 года после работ Галилея Навье доказал, что в изгибаемых элементах нейтральная ось проходит через центр тяжести поперечного сечения. С тех пор напряжения стали опреде­лять по формуле (рис. 1.4):

Укорочение и удлинение волокон в изгибаемых элементах было доказано экспериментально Мореном в 40-х годах XIX века.

В 1855 году русский ученый Д.И.Журавский установил наличие касательных напряжений в балках и предложил вычислять их по формуле:

Работами Журавского в основном завершилось изучение изгибае­мых элементов. Для успешного завершения этой сравнительно несложной задачи потребовалось более 200 лет упорного труда многих крупнейших ученых мира.

Полученный результат достигнут благодаря осмыслению собран­ных к этим годам опытных данных. Их накоплению содействовало созда­ние и непрерывное совершенствование экспериментальной базы. Сначала проводили только испытания строительных материалов на прочность при сжатии, растяжении и изгибе. Выполняли их непосредственным нагружением образцов вплоть до разрушения без измерения деформаций. Такой примитивный метод испытаний не раскрывал полностью физических про­цессов, протекающих при сопротивлении материала действию внешних сил. По этой причине, например, Галилей не заметил одновременно возни­кающих растягивающих и сжимающих напряжений в сечениях изгибаемых элементов и поэтому сделал недостаточно точные выводы.

Позже для нагружения образцов стали применять простейшие ма­шины, основанные на использовании рычажного принципа. Они постоянно совершенствовались и достигли уровня рычажных и гидравлических испы­тательных установок, применяемых в настоящее время, способных созда­вать с большой точностью усилия, измеряемые в граммах, и огромные - в десятках, тысячах тонн. В этот период были изобретены приборы для изме­рения деформаций, твердости и других характеристик материалов.

Со временем для испытания материалов, конструкций, сооружений стали создавать специальные лаборатории. Одну из первых лабораторий для испытания металлов создал Реамюр, она была оснащена испытательной машиной, построенной специально для этих целей. В 1722 году он описал методику проведения механических испытаний металлов. Этот год считает­ся началом механических испытаний металлов. В 1790 г. в Германии была построена машина для испытания металла, используемого в пушках.

В России первые испытательные машины появились на петербург­ских заводах. В 1823 году на механическом заводе была сконструирована и построена самая мощная в Европе цепепробная машина для испытания це­пей висячих мостов с разрывным усилием до 60т. В 1842 г. сделана машина на Александровском заводе, а в 1850 г. - на Калпинском, мощностью 100 т.

В связи с развитием железнодорожного транспорта и необходимо­стью строительства железнодорожных мостов возникла потребность опре­делять механические свойства применяемых материалов. Поэтому создают­ся механические лаборатории, оборудованные комплексом испытательных машин и приборов, позволяющих проводить более детальные исследования в широких масштабах.

Первые такие лаборатории возникли при высших учебных заведе­ниях. Но в 60-70-х годах XIX столетия такие лаборатории стали создавать и при заводах. Они осуществляли контроль качества применяемых на заводах материалов. Первая механическая лаборатория такого типа была организо­вана в 1847 г. в Лондонском университете. В 1852 г. в Берлине, в Промакадемии, была создана станция по испытанию металлов при повторных на­грузках. В России первая механическая лаборатория была организована проф. Собко при Петербургском институте инженеров путей сообщения. Вскоре руководителем этой лаборатории стал проф. Н.А. Белелюбский. В 1875-1876 гг. он преобразовал ее в испытательную станцию по строитель­ным материалам.

В 1900 г. была создана механическая лаборатория в Санкт-Петербургском институте гражданских инженеров. В ней проводились учебные занятия и выполнялись научно-исследовательские работы по изу­чению механических свойств строительных материалов, выполнялись зака­зы строителей. С 1926 года лаборатория стала проводить испытания строи­тельных конструкций в полевых условиях. В настоящее время эта лабора­тория работает при кафедре железобетонных и каменных конструкций СПБГАСУ.

Большое влияние на развитие методов испытаний оказали между­народные конференции и конгрессы по испытаниям материалов, прово­дившиеся с 1884г. по инициативе профессора Баушингера. На первой меж­дународной конференции от России участвовали Белелюбский, Шуляченко, Крель. Конгрессы и конференции ускорили принятие стандартов, способст­вовали апробированию новых методов испытаний.

Большой вклад в развитие экспериментальных исследований мате­риалов, конструкций и сооружений внесли наши соотечественники, осо­бенно в советский период.

В 1859 г. С.В. Кербедз, автор проекта моста Шмидта через Неву, изучал работу заклепочных соединений. В результате им было установлено, что соединения с продавленными отверстиями выдерживают усилия на 9-13% меньше, чем соединения с рассверленными отверстиями. Результаты этих исследований используются и в настоящее время.

Д.И. Журавский впервые разработал методику теоретического рас­чета прочности деревянных мостов из ферм системы Гау. С помощью про­стейшей модели он доказал, что усилия в раскосах и стяжках однопролетных мостов возрастают по мере приближения к опорам, тогда как в то вре­мя считалось, что наибольшие усилия в них возникают в середине пролета. Изготовленная модель была небольшого размера, при этом все стяжки в ней были выполнены из тонкой проволоки одинакового диаметра. После нагружения модели он смычком проводил по стяжкам. Стяжки, расположен­ные ближе к опорам, производили более высокий звук, следовательно, в них действовали большие напряжения. Он же на модели двутавровой бал­ки, сделанной из картона, определил, что установка ребер жесткости на 70% увеличивает несущую способность балки.

Проф. Н.А. Белелюбский впервые в мире применил литое железо для строительства мостов. По его инициативе и при его участии создан пер­вый метрический сортамент прокатного железа. Он провел ряд испытаний железобетонных конструкций, способствовавших массовому применению железобетона в России.

Проф. В.Л. Кирпичев положил начало применению оптического метода изучения деформации, внес серьезный вклад в теорию моделирова­ния. По написанному им учебнику «Сопротивление материалов» училось много поколений инженеров.

Ф.С. Ясинский создал теорию расчета сжатых стержней на устойчивость. Развитие методов испытаний связано с деятельностью академиков А.Н. Крылова, Е.О. Патона, проф. Н.М. Беляева.

Профессор Н.Н. Давиденков много сделал для применения акусти­ческого метода определения деформаций. Вместе с Я.Б. Фридманом он раз­работал объединенную теорию прочности.

Выдающийся физик академик А.Ф. Иоффе внес большой вклад в изучение прочности материалов. Его труды в этой области содействовали выходу науки о прочности материалов на принципиально новый уровень -рассмотрение природы прочности с позиции физики твердого тела. Он экспериментально установил причины снижения теоретической прочности материалов до технической. В его опытах при разрыве кристалла соли в воздушной среде прочность не превышала 0,4 МПа, а при разрыве образца, погруженного в воду, она иногда достигала 16 МПа. Увеличение прочности он объяснял тем, что при растворении поверхностных слоев исчезают нахо­дившиеся в них трещины и другие дефекты, которые являются концентра­торами напряжений. Уменьшение концентрации напряжений улучшает ус­ловия сопротивления материала внешней нагрузке.

Проф. Н.С. Стрелецкий создал методику экспериментальных ис­следований мостовых сооружений. Большие работы, способствовавшие развитию полевых методов испытаний, проделаны проф. А.А. Гвоздевым, К.И. Безуховым, В.З. Власовым, И.М. Рабиновичем, Ю.А. Нилендером и рядом других выдающихся ученых.

За годы существования Советского Союза испытания сооружений получили большое развитие. Для их обеспечения был создан ряд научно-исследовательских институтов: Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций, Всесоюзный научно-исследовательский институт бетона и железобетона и др.

Экспериментальные исследования постоянно совершенствуются. Для их проведения требуются все более точные и чувствительные приборы. В бывшем Советском Союзе конструирование и изготовление измеритель­ной аппаратуры было развернуто на современном индустриальном уровне.

Большой вклад в обеспечение испытательными приборами внесли проф. Н.Н. Аистов, Н.Н. Давиденков, Н.Н. Максимов, Л.М. Емельянов и многие другие.

Испытания натурных конструкций не всегда дают желаемую пол­ноту информации. Они, как правило, очень сложны, приводят к большим затратам времени и средств. Во многих случаях, особенно при испытаниях с научными целями, применяют модели. Испытания на моделях позволяют выяснить действительное напряженно-деформированное состояние и на­дежность конструкций, не производя теоретических расчетов, уточнить принятую расчетную схему или обнаружить новые закономерности.

Видимо, первые испытания на моделях были выполнены в 1732г. французским ученым Данизи, который проводил опыты с небольшими мо­делями арок и установил действительный характер их разрушения.

В 1772-1776 годах И.П. Кулибин провел испытания модели моста через р. Неву пролетом 298м, выполненную в 0,1 натуральной величины. Заслуга Кулибина в данном случае состоит в том, что он первый применил испытания модели конструкции и этим указал на большие возможности опытной проверки прочности сооружений по испытаниям на моделях.

При моделировании для измерения деформаций используют поляризационно-оптический метод, способ тензосеток, стереофотограмметрический метод и др. Многие научно-исследовательские институты и в нашей стране, и за рубежом широко применяют моделирование при проектирова­нии и исследованиях конструкций. Широко используется моделирование при проектировании сложных конструкций в Италии, США, Англии, Фран­ции, Польше, Германии и других странах. В научно-исследовательском центре в г. Бегамо (Италия) освоено моделирование плотин. В Португалии успешно моделируются рамные и другие конструкции.

Несмотря на явные преимущества исследований на моделях, в практике часто приходится проводить испытания пробной нагрузкой на­турных конструкций. Дело в том, что не всегда бывает возможность изгото­вить модель, подобную строительной конструкции. Кроме того, например, при контроле качества серийных изделий на заводах железобетонных кон­струкций испытания натурных конструкций больших неудобств не вызы­вают.

Первые испытания пробной нагрузкой строительных конструкций натуральной величины, видимо, были проведены в России в 1831г. при строительстве в Санкт-Петербурге драматического театра (ныне театра драмы им. А.С. Пушкина). Были испытаны металлические фермы покрытия пролетом 30м. Затем испытывались стропильные фермы для покрытия Зимнего дворца при восстановлении здания после пожара 1837 года.

В настоящее время техника испытательного дела развита настоль­ко, что позволяет проводить натуральные испытания сложных крупнораз­мерных конструкций. Контрольные испытания конструкций, изготавливае­мых серийно на заводах железобетонных конструкций, являются обяза­тельной составной частью технологического процесса.

Таким образом, экспериментальные методы исследования состав­ляют надежную материальную базу для современной науки и практики.