Тема 1: история развития испытаний строительной продукции

Деятельность человека по оценке прочности построенного им соору­жения возникла практически одновременно с развитием его способности построить это сооружение. В течение многих веков, когда не было даже в за­родыше теории расчета сооружений, только опыт практического строитель­ства, отсутствие или наличие разрушений и аварий позволяли отсеивать и выбирать наиболее рациональные конструктивные решения. Долгое время роль эксперимента по сравнению с расчетом оставалась доминирующей.

Первые литературные упоминания, связанные с экспериментальным изучением свойств материалов, содержатся в работах гения эпохи Возрож­дении Леонардо да Винчи (1452 - 1519 гг.). В заметке «Испытание сопротив­ления железных проволок разных длин» он дал эскиз установки, содержа­щей элемент обратной связи. К растянутой проволоке была присоединена емкость, заполняемая песком. При обрыве проволоки отключалось устрой­ство, подающее песок в ёмкость. Одновременно были проведены исследо­вания при разных длинах проволок, при этом был получен удивительный в то время результат: чем длиннее проволока, тем меньшую нагрузку она вы­держивает.

Леонардо да Винчи исследовал также влияние величины пролета изги­баемых балок на их несущую способность.

Идеи Леонардо да Винчи на многие годы были скрыты в его записных книжках, публикации которых относятся к началу XX века.

Большой вклад в науку о прочности конструкций внес замечательный ученый Галилео Галилей (1564 - 1642 гг.). Он проводил испытания при про­стом растяжении деревянного бруса и установил, что прочность бруса про­порциональна площади его поперечного сечения и не зависит от его длины.

Г.Галилей впервые подошел к оценке несущей способности конструк­ций с позиции предельных состояний. Идеи его метода расчета получили дальнейшее развитие в 30-х годах XX столетия. Г.Галилей установил, что изгибающий момент от собственного веса балки возрастает пропорцио­нально квадрату длины балки, экспериментально доказал влияние геомет­рических размеров бруса на его несущую способность. Им установлено, что геометрически подобные консольные стержни, нагруженные собственным весом, являются неравнопрочными. Г.Галилей дал решение задачи о консо­ли равного сопротивления.

Существенный вклад в науку о сопротивлении материалов был внесен Р. Гуком (1635 - 1703 гг.). Им впервые четко был сформулирован закон свя­зи силы и перемещения при работе материала, он установил факт, что в консольной балке при действии на ее конце сосредоточенной силы, направлен­ной вниз, верхние волокна растягиваются, а нижние — сжимаются. Им бы­ло установлено, что упругие тела возвращаются в первоначальное состоя­ние после снятия нагрузки.

В 1722 г. французский ученый Реомюр построил испытательную маши­ну и описал в своем труде методы механических испытаний металлов. Од­нако первая испытательная лаборатория была организована в лондонском университете в 1847 г. проф. Годкинсоном.

Ш.О.Кулон (1736 - 1806 гг.) провел экспериментальные исследования, связанные с изучением прочности песчаника, сжатия призм, крутильных ко­лебаний. Для решения последней задачи он сконструировал оригинальный прибор.

Многочисленные эксперименты с изгибом деревянных балок были проведены Ф.Дюпеном (1784 - 1873 гг.).

А.Дюло в начале XIX века выполнил обширные испытания железа и железных конструкций, в том числе и на продольный изгиб. Он изучал ра­боту составных и двутавровых балок.

Т.Юнг (1773 - 1829 гг.) впервые опытным путем определил изменение поперечных размеров образцов при сжатии материала. Он обратил внима­ние на ограниченность применения закона Гука и установил большие раз­бросы при поперечном выпучивании сжатых колонн, объяснив это отклоне­нием осевой силы от геометрического центра элемента.

В работах Ж. В.Понселе (1788 - 1867 гг.) впервые ставится проблема усталости материалов, повлекшая за собой большое число эксперименталь­ных исследований и изучение разрушения на реальных объектах.

Г.Джемсом и Д.Гальтоном предложена машина для испытаний на вы­носливость.

В работах Д. К.Максвелла (1831 - 1879 гг.) была разработана техника оптического метода анализа напряжений в поляризованном свете.

Большой вклад в дело испытания строительных материалов и конст­рукций внес великий русский ученый М.В.Ломоносов. Он впервые разра­ботал и построил машину для испытания на прочность строительных мате­риалов методом истирания и доказал, что ступени лестниц парадных подъ­ездов дворцов необходимо выполнять из гранита, а не из мрамора, который имеет низкую прочность на истирание.

Замечательный русский самородок И.П.Кулибин (1735 - 1818 гг.) со­здал в 70-х годах XVIII века проект арочного моста через Неву с пролетом 298,6 м. Им была построена модель этого пролетного строения 1/10 нату­ральной величины. Испытания модели прошли успешно, и в течение мно­гих лет она перекрывала один из каналов в Таврическом саду Петербурга.

Многочисленные исследования были проведены Д.И.Журавским (1821 - 1891 гг.). Им было изучено распределение касательных напряжений в сплошных и составных деревянных балках, исследована работа балок ко­робчатого профиля. Испытывая модели фермы, Д.И.Журавский на элемен­тах этих ферм закрепил натянутые струны и по высоте тона колебания, ко­торый издавали струны при загружении модели, он судил об уровне нагружения этих элементов.

В области изучения упругости материала существенная роль принадле­жит А.Т.Купферу (1799 - 1865 гг.), первому директору Центральной лабора­тории весов и мер в России. Он изучал крутильные колебания, влияние тем­пературы на модуль упругости, провел многочисленные работы по изуче­нию изгиба и колебаний балок. М.Ф.Окатов (1829 - 1901 гг.) провел обсто­ятельные исследования коэффициента Пуассона.

Н.А.Белелюбский (1845 - 1922 гг.) поставил вопрос о необходимости введения в практику испытания материалов единых международных техни­ческих условий.

Обзор развития экспериментальных методов и результатов опытных исследований показывает, что русская наука всегда стояла на передовых по­зициях и развивалась в тесной связи с актуальными практическими задача­ми.

Велики заслуги ученых, сформировавших направление строительной науки, связанное с созданием методов и средств обследования строитель­ных объектов, испытания моделей и сооружений, создавших аппаратурное обеспечение измерений в строительстве. Необходимо отметить работы И.Л.Корчинского, К.И.Безухова, Н.Н.Аистова, Н.А.Крылова и К.А.Глуховского, М.А.Новгородского, Р.И. Аронова, Д.Е.Долидзе, Г.Я.Почтовика, В.А.Клевцова, А.И.Яковлева, Ю.Д.Золотухина и др.

Оригинальные измерительные приборы и преобразователи созданы Н.Н. Максимовым, Н.Н.Аистовым, И.А.Физделем, К.П.Кашкаровым, И.С.Вайнштоком, И.В.Вольфом и др.

Общие вопросы в области методологии испытаний строительных кон­струкций были разработаны Ю.А.Нилендером, Н.Н.Аистовым, К.Н.Безуховым. Ю.А.Нилендером впервые была разработана и научно обоснована методика испытаний железобетонных конструкций. В настоящее время ме­тодика испытания строительных конструкций развивается и совершенству­ется учениками Ю.А.Нилендера под руководством О.В.Лужина, В.А.Клев­цова, А.Б.Злочевского и др.

Огромный опыт эксплуатации строительных конструкций, зданий и со­оружений показывает, что только экспериментальные исследования позво­ляют оценить фактическое их состояние, в т.ч. при различных сочетаниях внешних воздействий. Испытанию подвергаются практически всe новые конструкции и здания из них. К наиболее сложным и ответственным следу­ет отнести испытания Останкинской телевизионной башни, мостов метро­политена в г. Москве и С.-Петербурге, сборочного корпуса, в котором соби­ралась ракета «Энергия» и др.

Ошибки, допущенные при разработке расчетных схем, при проектиро­вании и строительстве, могут привести к авариям.

Строгой классификации причин и характера разрушений строительных конструкций при авариях зданий и сооружений до настоящего времени еще не создано. Но можно выделить следующие объективные обстоятельства, приводящие к разрушению: недостаточное знание условий действительной работы рассматриваемого объекта; ошибки, допущенные в процессе проек­тирования и в определении величин действующих нагрузок; несовершенст­во изготовления и монтажа объекта; неправильные условия эксплуатации. В 1904 г. в Нью-Йорке (США) в процессе строительства рухнул метал­лический каркас недостроенного отеля Дармингтон при монтаже 10-го эта­жа. Причиной явилась потеря устойчивости несущих конструкций.

Поучительна катастрофа, происшедшая в 1940 г. в США, связанная с разрушением висячего автомобильного Такомского моста через реку Мэрроуз. Длина моста 1662 м, а длина главного пролета 845 м. При порывистом ветре колебания пролетного строения в горизонтальной плоскости перешли в крутильные и вертикальные колебания, которые привели к разрушению. Теоретический анализ данной аварии был осуществлен крупнейшим совет­ским ученым В.З. Власовым (1906-1958 гг.), который доказал, что разруше­ние произошло из-за значительных изгибно-крутильных форм колебаний тонкостенных стержней.

Недостаточный учет монтажных нагрузок и жесткости стальных конст­рукций в процессе монтажа привел к разрушению сооружения шарообраз­ной формы испытательной лаборатории в г. Истра.

Б.И.Беляев и B.C.Корниенко провели анализ 39 аварий стальных кон­струкций. Анализируя назначения объектов, они определили, что 16 случа­ев были связаны с обрушением покрытий промышленных зданий, 8-сраз­рушением объемно-листовых конструкций (резервуары, силосы, кожухи технологических агрегатов), 7-собрушением опор линий электропередачи (ЛЭП) и радиосвязи, 8-с обрушением транспортных галерей. Исследовате­ли отмечают, что 59% аварий произошло в период строительства, 41% - в период эксплуатации, а 26 - 28% аварий происходит по причине ошибок проектировщиков. Следует отметить, что почти половина аварий металли­ческих конструкций связана с потерей местной и общей устойчивости. Ана­лиз аварий и катастроф — это, к сожалению, очень дорогостоящая фикса­ция ошибок, допущенных на различных стадиях разработки и возведения строительных объектов.

Испытания строительных материалов, конструкций, зданий и сооруже­ний являются одним из наиболее объективных и надежных видов контроля их качества.