Историческая хроника развития экспериментальных методов обследования и испытания зданий и сооружения

Еще на заре человечества, когда не существовало никаких теорий и расчетов, люди уже строили себе жилища, не осознавая, что вступают в невидимый конфликт с силами природы, а 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, получаемый 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.

Испытания строительных конструкций и сооружений как самостоятельная наука сформировалась намного позже, чем другие строительные науки.

Со времен античной древности, эпохи возрождения до наших дней дошли замечательные образцы архитектурного искусства. Их создателей, помимо внешнего облика сооружений, безусловно интересовали вопросы прочности и долговечности. Сейчас расчеты на прочность настолько вошли в сознание инженера, что сама мысль о постройке ответственного сооружения без такого расчета не приходит в голову. Однако интересно отметить, что до начала XIX века все сооружения, какими бы они ни были разнообразными архитектурно, с инженерной точки зрения представляли лишь подражание прежним зарекомендовавшим себя образцам. Эмпирическое строительство без знания законов механики и свойств строительных материалов не гарантировало безопасность конструкций, а кроме того, ограничивало формы и размеры сооружений традиционными представлениями.

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 1891 года 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 результат 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 549 м. 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 строительных 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 течении 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 собравшихся 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 350х42 м высотой 27 м с покрытием из трех шарнирных 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 ударили 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 – халатностью в недобросовестности строителе 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 все 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, касавшиеся 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. Он исходил из предложения, что в сечении изгибаемого элемента возникают растягивающие напряжения, которые распределяются равномерно и могут быть вычислены по формуле (1.1, 1.2):

Рис.1.1. Схема к расчету консольных балок

(1.1)

где: (1.2)

Через 46 лет 1684 год Лейбниц пришел к выводу, что напряжение в балке распределяются по закону треугольника и могут быть вычислены по формуле (1.3, 1.4):

(1.3)

где: (1.4)

Рис.1.2. Схема к расчету консольных балок

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).

Рис.1.3. Расчетная схема нагружения двухшарнирной балки

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

Однако только в 1821 году, через 163 года после работ Галлея Навье доказал, что в изгибаемых элементах нейтральная ось проходит через центр тяжести поперечного сечения. С тех пор напряжения стали определять по формуле (1.5, 1.6).

Рис.1.4. Схема к определению напряжений в балке

(1.5)

где для прямоугольного сечения:

(1.6)

Ускорение 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 величие касательных напряжений в балках и предложил вычислять их по формуле (1.7):

(1.7)

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

Полученный результат достигнут благодаря осмыслению собранных с 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 видеть до разрушения без измерения деформаций. Такой примитивный метод испытаний не раскрывал полностью физических процессов, протекающих при сопротивлении материала действенно 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 большой точностью усилия, измеряемые в граммах, и огромные – в десятках, тысяч тонн. В этот период были изобретены приборы для измерения деформаций, твердости и других характеристик материалов.

Со временем для испытания материалов, инструкций, сооружений стали создавать специальные лаборатории. Одну из первых лабораторий 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 проведении механических испытаний металлов. Этот год считается началом механических испытаний металлов. В 1790г. в Германии была построена машина для испытания металлов, используемого в пушках.

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

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 и широких масштабов.

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 1847г. 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 1900г. 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 испытанийоказали 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 внейбыли 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 жесткостина70% 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, чтоон 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.