1. Проблема разрушения

С древних времен человек сталкивался с проблемами прочности и разрушения. Однако долгое время знания о прочности и разрушении материалов и сооружений на­капливались случайно, передавались из поколения в по­коление как секреты мастерства и относились скорее к области искусства, с которым мы знакомы по велико­лепным архитектурным ансамблям, удивляющим нас и сегодня. И прежде всего это «семь чудес света»: статуя Зевса в Олимпии, Висячие сады Вавилона, Мавзолей в Галикарнасе, Колосс Родосский, маяк в Александрии, храм Артемиды в Эфесе и, наконец, самые древние и единственные сохранившиеся до нас — египетские пира­миды. Очевидно, что при создании этих ансамблей люди неизбежно сталкивались с вопросами: как сделать их прочными, как избежать разрушения?

Что же такое прочность? Под прочностью обычно по­нимают способность тел быть целыми достаточно дли­тельный период времени, но поддаваясь разрушению. В толковом словаре В. Даля это понятие трактуется как «годное напредки», т. е. характеристика тел как бы «про запас». Мы знаем, что прочностью (в тон или иной сте­пени) обладают все тела, независимо от того, находятся ли они в твердом или в жидком состоянии. Прочностью обладают вода, лед и камень; клетка, человеческий во­лос, кровеносный сосуд и кость; атом, молекула и крис­талл и т. д. Отвечая на вопрос «прочно или разруша­ется?», мы решаем проблему - «быть (что необходимо для существования всего живого и неживого) или не быть!».

Что же такое разрушение? Ответить на этот вопрос просто и не просто. Хочется сразу привести примеры ужасных разрушений, которые известны человечеству и которые неистово призывают: с разрушением надо бо­роться! Восхищаясь великолепными архитектурными ансамблями, нельзя забывать и о страшных авариях, предотвращение которых в будущем связано с анализом причин происшедшего разрушения.

Римский историк Корнелий Тацит описывает одну из таких аварии, происшедшую в 27 г. н. э., в резуль­тате которой погибло и получило ранение 50000 чело­век. «В консульство Марка Лициния и Луция Кальпурния... неожиданное бедствие унесло не меньше жертв, чем их уносит кровопролитнейшая война... Некто Атилий, вольноотпущенник, взявшись за постройку в Фидене амфитеатра, чтобы давать в нем гладиаторские бои, заложил фундамент его в ненадежном грунте и возвел на нем недостаточно прочное деревянное сооружение... Туда стекались жадные до таких зрелищ мужчины и женщины, в правление Тиберия, почти лишенные раз­влечений этого рода, люди всякого возраста, которых скопилось тем больше, что Фидена недалеко от Рима. Это усугубило тяжесть разразившейся катастрофы, так как набитое несметной толпой огромное здание, переко­сившись, стало рушиться внутрь и валиться наружу, ув­лекая вместе с собой и погребая под своими обломками несчетное множество людей,— как увлеченных зрели­щем, так и стоявших вокруг амфитеатра». Как конста­тировал Римский сенат, причины аварии состояли в отступлении от законов строительства и недостаточном обследовании надежности грунта.

Во Франции, в Вове, в XIII в. рухнула башня одного из самых больших готических соборов, который строил­ся по всем канонам классической готической архитек­туры и со всей возможной осторожностью, но при незна­нии законов прочности несущих конструкций (в част­ности, соотношений между длинами пролетов и площа­дями сечений).

Вообще катастрофические разрушения происходили практически непрерывно вплоть до наших дней. Осо­бенно часто разрушались мосты. 14 марта 1938 г. в хо­лодную погоду и практически без силовой нагрузки раз­рушился сварной автодорожный мост через канал Аль­берта в Хасселте (Бельгия), в 1940 г. произошла ка­тастрофа Такомского моста (рис. 1) в США, а в 1962 г. разрушился Королевский мост в Мельбурне (Австралия). Во всех случаях расследование установило, что причи­ной катастроф были ошибки при проектировании: не­полный учет действующих нагрузок, которые приводили к непредвиденным колебаниям и резонансу, недостаточные знания законов прочности и разрушения кон­струкций.

Большинство обрушения мостов проходило в сильные бури, зачастую совершенно неожиданно и с большими человеческими жертвами, а вот упомянутая крупнейшая в истории мостостроения катастрофа моста через реку Такома в США обошлась без жертв и даже была за­печатлена на кинопленке. Этот уникальнейший фильм, предоставивший массу ценного материала для исследо­вания причин аварии, используется во всем мире в ка­честве учебного фильма для студентов. Такомский мост, построенный летом 1940 г., имел третий в мире по дли­не пролет в 854 м, перекрытый висячим мостом, доволь­но узким, с проезжей частью Н-образного сечения высо­той 2,4 м и шириной около 12 м, рассчитанной на двух­рядное движение автомобилей. Почти сразу после пост­ройки обнаружилась внушающая тревогу большая чувствительность к порывам ветра, вызывавшим коле­бания с амплитудой до полутора метров. Безуспешные попытки введения дополнительных связей и установки гидравлических демпферов на пилонах моста не смогли предотвратить катастрофы, происшедшей уже 7 ноября 1940 г. С 10 часов утра при скорости ветра около 19 м/с установились одноузловые изгибно-крутильные колеба­ния с периодом около 5 с и чрезвычайно большой ам­плитудой — такой, что угол наклона проезжей части к горизонту доходил до 45° (рис. 2). После часа таких колебаний часть проезжего полотна отломилась и рух­нула в воду. Анализ катастрофы указал на необходимость динамического расчета мостов, ведь несчастный Таком­ский мост был рассчитан на статическую ветровую нагрузку от ветра со скоростью 50 м/с. Сейчас на месте прежнего успешно работает мост шириной 18 м, у кото­рого проезжая часть имеет коробчатое сечение высотой 10 м. Сплошные балки для уменьшения амплитуды аэро­динамических возмущений заменены у нового моста сквозными фермами.

Большие материальные потери были связаны с раз­рушением магистральных газопроводов, где за­частую разрушающая трещина пробегала несколько километров со скоростью 1—2 км/с. Но особенно невос­полнимые потери, связанные с человеческими жертвами, имели место при разрушении самолетов и судов. Полет первого в мире реактивного самолета (серии «Комета», Англия), взорвавшегося в воздухе, привел к гибели эки­пажа, причем после авиакатастрофы удалось собрать 250 тыс. обломков. Как бы мы теперь сказали, практиче­ски одновременно безудержно развилось большое число разориентированных трещин, что и привело к катастро­фе. Дальнейшие аварии коммерческих реактивных само­летов этого класса заставили инженеров соорудить ог­ромный кессон, внутренняя камера которого подвергалась нагрузкам, моделирующим условия полета, призем­ления, взлета и действие реактивного двигателя. Испытания дали возможность обнаружить так называе­мые усталостные трещины, зарождающиеся на поверх­ности иллюминатора и вырастающие до критических размеров.

В конце 1942 г. поступили первые сигналы о серьез­ных внезапных разрушениях нескольких американских судов типа «Либерти», которые пришлось отбуксировать в порт для ремонта. Поначалу эти аварии отнесли к случайностям военного времени и не заметили возник­ших здесь научных и инженерных проблем. Убедиться в ошибочности такого мнения заставила авария танкера «Скенектади», который (после успешно проведенных морских испытаний) 16 января 1943 г. по возвращении в порт внезапно разломился на две части. Трещина за­родилась в остром углу люка на палубе, практически мгновенно прошла через палубу и по обоим бортам кор­пуса до подводной части у самого киля. Всё это случилось в безветренную погоду, при температуре воздуха - 3 °С и температуре воды - 4,5 °С. Примерно в таких же условиях 29 марта 1943 г. в канале Амбросо вблизи Нью-Йорка разломился пополам другой ко­рабль такого же класса «Манхеттен», построенный на семь месяцев раньше и имевший аналогичную конструк­цию, за исключением установки взлетной палубы. Вооб­ще до конца 1958 г. в Америке было зарегистрировано 319 аварий и крупных разрушений кораблей. В Вели­кобритании, Данин, ФРГ, Швеции и др. странах также были зарегистрированы хрупкие разрушения судов (на­пример, из 28 изготовленных с 1942 по 1965 г. и разло­мившихся на две части кораблей 6 были построены в Европе). Компетентные и представительные комиссии, расследовавшие причины аварий, отметили, что разруше­ния произошли из-за плохого качества стали и ошибок, связанных с недостаточными знаниями законов хрупкого разрушения.

Рассказ о катастрофических разрушениях можно про­должать довольно долгое время. Но мы ограничимся несколькими характерными историями, произошедшими в недавнем прошлом.

27 марта 1980 г. плавучая платформа «Александр Л. Кьелэнд» потерпела аварию во время шторма в Север­ном море, приведшую к гибели 123 человек. При выявлении причин аварии было установлено, что на ранней стадии произошло усталост­ное растрескивание двойного сварного шва установки гидрофона, что явилось причиной недостаточной прочно­сти и разрушения крепления, связанного с платфор­мой пятью другими креплениями.

Большие убытки экономике приносит разрушение и в нашей стране. Вот несколько приме­ров разрушений, произошедших в химической промыш­ленности и промышленности производства минеральных удобрений.

• авария в хранилище фосфорной кислоты Волховского алюминиевого завода (январь 1974 г.), причина – неправильная технологическая эксплуатация: залитие горячей кислоты в промерзшее хранилище, что привело к разрушению от теплового удара;

• авария на Череповецком химзаводе (январь 1977 г.), произошёл разрыв корпуса из листовой стали толщиной 10 мм с образованием магистральной трещины длиной около 7 м, причина – большой перепад температур;

• авария на Рязанском производственном объединении “Химволокно” (1975 г.), причина – химическое взаимодействие агрессивной среды с защитным покрытием.

Заканчивая отрицательные примеры разрушения, с которыми надо бороться, сформулируем некоторые про­блемы, в которых позитивные аспекты разрушения мо­гут быть использованы и которые ждут своего решения. Среди них: проведение теоретического и эксперименталь­ного анализа динамического разрушения горных пород (особенно при взрывном нагружении); определение ме­ханизмов, при которых поверхностно активные жидкости снижают износ поверхности; выявление закономерностей и создание надежных методов использования химико- механических эффектов и поверхностно-активных сред при механической обработке; изучение механизмов и тех­нических возможностей сверхвысоких скоростей механи­ческой обработки металлов. Разрушение становится по­лезным при строительстве туннелей и др. сооружений, при освоении естественных ресурсов, эксплуата­ции земных недр и морского дна, при переработке отходов и др.

Однако хочется отметить одну важную мысль - истинная природа явления разрушения выяснена далеко не полностью. Катастрофы танкеров и судов, самолетов и ракет, химического обору­дования и др., вызванные внезапным распространением трещин, слабое использование положительных аспектов разрушения показали недостаточность существующих классических расчетов, необходимость в новых характе­ристиках разрушения. Таким образом, проблема разру­шения, всегда стимулировавшая научную и техническую мысль, в наши дни приобрела первостепенное значение.