Навигация:
Главная → Все категории → Разрушение зданий

Потеря устойчивости


Потеря устойчивости

В строительной статике негласно предполагается, что напряженное и деформативное состояние конструкций является устойчивым. Поэтому конечная цель статического исследования практически обусловливается тремя обстоятельствами: чтобы напряжения в любой точке конструкции не превышали допустимых пределов, чтобы перемещения любой точки не превышали допустимых пределов и чтобы конструкция в целом была достаточно устойчивой к сдвигу ( в зависимости от конкретного случая) . С древнейших времен до самого недавнего прошлого использовались материалы малой прочности, конструкции получались массивными и перечисленные три условия полностью исчерпывали возможные случаи катастроф, которые не должны были происходить.

Постепенно “хозяевами” строительной площадки оказались сталь и железобетон. Как мы уже знаем, это материалы большой прочности и элементы конструкций из них получаются тонкие, стройные. Конструкции становились все более легкими и экономичными, однако с течением времени специалисты постепенно начали понимать, что напряженное и деформативное состояние иногда может быть крайне неустойчивым. Тысячи примеров и результаты наблюдений свидетельствуют о внезапном разрушении отдельных элементов и целых конструкций при напряжениях значительно меньших, чем те, на которые они были рассчитаны. Обнаружилось почти неизвестное в прошлом явление, и его изучение оказалось неизбежным: ставилось на карту будущее новых материалов и конструктивных форм.

... 14 мая 1891 г. в швейцарском поселке Манхеншайн, расположенном на трассе Симплонской железнодорожной ветки, которая отходит от магистрали Париж-Женева, было получено печальное известие. В этот День внезапно разрушился мост на р. Б рис, по которому в этот момент проходил пассажирский поезд. Погибли 74 человека, около 200 были ранены.

Первоначальный проект моста был разработан под руководством главного инженера железнодорожной компании, а строительство поручено всемирно известному Густаву Эйфелю. Согласно договору, Эйфель имел право на изменение проекта, если 60% достигнутой экономии останется за его фирмой. Получилось так, что французы приступили к строительству моста по совершенно новому проекту; мост уже не был арочным, его конструкция представляла собой свободно опертую балку пролетом 42 м и высотой 6 м.

После нескольких лет эксплуатации, после перерыва, связанного с ремонтом и усилением конструкции в связи с появлением более мощных и более тяжелых паровозов, пришел роковой день.

Около 10 ч утра к станции Манхеншайн медленно приближался экспресс Женева—Париж. Так как это был участок, где поезд преодолевал крутой склон, скорость его составляла около 25 км/ч. По свидетельствам очевидцев, когда состав достиг середины моста, тот внезапно рухнул, увлекая за собой и паровозы, и большинство вагонов. Несмотря на то что мост был достаточно велик, а его устои низки, из 12 вагонов в реку упали 7. Позже это было объяснено конструкцией вагонов, которые были очень легкими и слабыми; напирающие сзади вагоны разбивали и сталкивали в реку те, что были перед ними. Восьмой вагон угрожающе повис, остановившись на левом, базельском устое, и затем тоже упал вниз.

Щвейцарское правительство поручило вести расследование известным профессорам Ритеру и Тетмайеру. По их единодушному заключению, главная причина катастрофы крылась в средних раскосах фермы, которые проектировались, по всей вероятности, как растянутые. В действительности же при определенной нагрузке они работали на сжатие и их тонкость была причиной внезапной потери устойчивости.

За редкими исключениями, все аварии и катастрофы стальных конструкций связаны с потерей устойчивости отдельными элементами или конструкцией в целом. Опасность потери устойчивости особенно велика потому, что она происходит внезапно. Начальные симптомы чаще всего отсутствуют, а ослабление даже сравнительно не ответственного элемента влечет за собой цепную реакцию огромных масштабов. Все происходит в течение считанных секунд.

Для иллюстрации этого явления мы воспользуемся хрестоматийным примером, представленным на рис. 38 (стержень, подвергающийся осевому сжатию). При малой величине сжимающей* силы случайное отклонение стержня не является опасным: колеблясь, отклоняясь от своей оси, он быстро восстанавливает первоначальное положение. Как сказал бы специалист, стержень находится в состоянии устойчивого равновесия. Это явление можно сравнить с поведением струны, но там сила является растягивающей и в принципе помогает струне быстрее восстанавливать прямолинейность, а здесь сжимающая сила препятствует восстановлению прежнего положения. Действительно, при определенной величине внешней сжимающей силы отклонившийся от своего первоначального положения стержень уже не возвращается в прежнее положение. Это состояние безразличного равновесия является прелюдией к катастрофе: при увеличении силы стержень внезапно и сильно выгибается. Если материал оказывается хрупким, происходит мгновенное разрушение, если же гибким – необратимое искривление.

Рис. 38. Потеря устойчивости является мрачным спутником технического прогресса в конструктивных формах

Для конструктора особенно важно в каждом конкретном случае знать величину силы, при которой равновесие становится безразличным. Но в любом случае эта величина должна быть больше возможного максимального усилия в стержне. Такая сила называется “критической силой”, а соответствующие напряжения — “критическими напряжениями”. Критические напряжения меньше расчетного сопротивления материала, и именно в этом заключается коварство искривления: преждевременно выйдет из строя неукрепленный сжатый стержень, и в результате будет ослаблена конструкция. Под сжатым стержнем мы подразумеваем многие конструктивные элементы: стержни фермы, колонны здания, стойки рамы, опоры мостов.

Подобно тому, как в случае элементов, работающих на изгиб, распределение изгибающих моментов зависит от опирания, так и в случае осевого сжатия условия опирания сильно влияют на величину критической силы. На рис. 37 хорошо видно, что величина критической силы, а следовательно, и несущая способность элемента тем больше, чем жестче опоры. В самом невыгодном положении оказываются консоли, которые искривляются под действием силы в четыре раза меньшей, чем та, что является критической для закрепленного с двух сторон стержня.

Но все это относится к стержням одинаковой длины и с одинаковым поперечным сечением. Если для элементов, работающих на растяжение, их длина и форма поперечного сечения значения не имеют, то при сжимаемых элементах положение совершенно иное. Трудность заключается в том, что при потере устойчивости элемент, по существу, выгибается; в связи с этим целесообразное поперечное сечение должно иметь такую форму, которая обеспечивала бы большое сопротивление изгибу.

22 января 1913 г. в Нью-Йорке внезапно рухнул во время строительства огромный театр “Орфеум”. От внушительного здания остались только ствны. Катастрофа произошла в 17 ч 20 мин, т. е. вскоре после того, как 200 рабочих покинули объект.

Рис. 39. Две возможные формы потери устойчивости рамной конструкции

Рис. 40. Потеря устойчивости в арочной конструкции

Рис. 41. Потеря устойчивости в изогнутом элементе

Главной причиной была потеря устойчивости двумя высокими колоннами, поддерживающими покрытие. Как выяснилось при расследовании, проектировщик неправильно учитывал условия опирания колонн. В верхней части, как он считал, колонны должны были упираться в ферму покрытия, чего практически не было. Рассчитывал он также и на включение в работу двух промежуточных жестких опор — на уровне балкона и на уровне авансцены, чего тоже в натуре не было. Катастрофа произошла при нагрузке, которая была значительно меньше эксплуатационной.

Строительная практика преподносит нам много случаев, значительно более сложных, чем модель прямого сжатого стержня. Таким случаем являлись и колонны театра “Орфеум”. У сложных систем не один, а несколько элементов могут потерять устойчивость (рис. 39), соответственно при различной по величине критической силе. Важнейшей из них, разумеется, является наименьшая. Именно поэтому необходимо все потенциально опасные элементы исследовать на потерю устойчивости. Искривление элемента в значительной степени зависит от рабочей диаграммы материала, поэтому при исследовании стальных конструкций используются одни методы, при исследовании деревянных – другие, а при исследовании железобетонных — третьи.

Действительность всегда намного сложнее идеализированных условии, в которых иногда рассматривается явление. Проблемы возникают разные даже в случае простого сжатого стержня. Во-первых, он никогда не нагружен точно по оси, чаще всего имеются и поперечные нагрузки, и изгибающий момент. Но даже если они и отсутствуют, какая-нибудь случайная (например, монтажная) внецентренность нагрузки вносит условия, которые становятся причиной будущего искривления элемента. Во-вторых, стержень никогда не бывает идеально прямым, поскольку еще при изготовлении ему придается определенная, хотя и незаметная на глаз кривизна. Некоторый локальный изгиб может произойти и во время транспортировки или монтажа. Не последнюю роль играют и нарушения условий эксплуатации. Известен случай, когда в цех надо было вкатить крупногабаритный груз, а этому всего на несколько миллиметров мешала стойка одной из рам здания. Рабочие ломом попытались “слегка ее отогнуть”, и элемент потерял устойчивость, увлекая в катастрофу конструкцию на значительной площади цеха.

Но на самом деле все обстоит еще сложнее, потому что потеря устойчивости представляет потенциальную угрозу для всех сжатых элементов и конструкций. Вопрос этот особенно важен для арочных конструкций (рис. 40), для некоторых плит, для большинства оболочек. Более того, может потерять устойчивость и изгибаемый элемент (рис. 41). Это одна из наиболее острых форм конфликта между конструкцией и нагрузкой ... и даже, можно сказать, самый опасный вариант этой невидимой борьбы.



Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
Главная → Все категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум