Костяк знаний. Строймонтаж.


Давайте совершим путешествие в волшебный мир строительства. Каждый андеррайтер должен иметь хотя бы базовое представление в этом направлении. Часто выходит так, что андеррайтеры, которые занимаются страхованием строительно-монтажных рисков, не всегда имеют инженерное образование за плечами.

Наверное, это не очень хорошо, но мир не идеален и надо смотреть правде в глаза. Во-первых, страховой компании может быть не выгодно держать в штате инженера под редкий вид страхования или же она просто не может найти такого человека на рынке труда.

Во-вторых, не нужно разбираться в чем-то досконально, чтобы это страховать. Наша задача, как андеррайтера, сформировать свое субъективное мнение про степень риска и не нужно быть инженером, чтобы понимать – построить склад проще, чем мост; недострой брать опаснее, чем страховать проект с нуля; строить в горах сложнее, чем на равнине и т.п.

Андеррайтеру вполне достаточно просто здраво смотреть на вещи и немного помнить школьный курс физики, знать международную практику страхования (оговорки), не совершать откровенно глупые поступки и уметь задавать правильные вопросы (есть ведь готовые опросники). В конце концов, с глубокой экспертизой риска всегда может помочь перестраховщик, это одна из его функций.

Когда Вы слушаете лекцию (или читаете статью) про страхование строительно-монтажных рисков, Вас пичкают примерами катастроф и разрушений. Раз за разом. Все это очень утомляет. Если повезет, немного расскажут про применение оговорок и классификацию/категоризацию рисков. К сожалению, ничего не говорится про строения, которые успешно противостояли силам природы, про инженерную изобретательность, сложные вычисления, инновационное мышление и разумное решение проблем.

«Школьный курс физики» тоже никто не вспоминает. Подразумевается, что человек должен все помнить, хотя это невозможно. Может быть, лектору неловко рассказывать о таких вещах из-за боязни оскорбить аудиторию. Однако, все мы пришли к андеррайтингу разными путями и помнить все со школы невозможно. В этой статье речь пойдет как-раз про такие простые вещи, которые андеррайтеру полезно будет помнить, если он изредка занимается страхованием строительно-монтажных рисков.

Конструкции.

Что удерживает части самолета вместе во время полета и препятствует разрушению моста под давлением автомобилей? Продуманный дизайн их конструкций.

Конструкцию можно определить, как некий сложный объект, составленный из различных частей и материалов, который предназначен для выдерживания определенных нагрузок. Наш мир полон как биологических, так и искусственных конструкций.

Первые, конечно же, намного старше. Они обеспечивают живым существам возможность перемещать материю и предоставляют защиту. По большей части, они мягкие. Это и мышечная ткань, и лепестки цветка. Тем не менее, существуют жесткие биологические конструкции, такие как рога, кости, зубы или древесная кора.

Искусственные конструкции, с другой стороны, созданы человеком. При этом, человечество занялось научным изучением конструкций относительно недавно. Все началось в семнадцатом веке, во многом благодаря Галилею. Ему пришлось сменить научную дисциплину после того, как католическая церковь пригрозила ему расправой за работы в области астрономии. Он переквалифицировался и начал изучать физические свойства и прочность различных материалов.

Известность Галилея в научных кругах привлекла к этой теме дополнительное академическое внимание. В середине 1650-х годов, ученые начали изучать, как именно различные материалы и конструкции ведут себя при больших нагрузках. В том же столетии Роберт Гук сделал открытие о том, как материя ведет себя на атомном уровне.

Гук писал, что конструкция может противостоять нагрузке, только если отталкивает ее с равной силой. Таким образом, если кафедральный собор давит на основание своим весом, основание либо ломается, либо давит вверх с равной силой. Это одна из фундаментальных концепций конструкций и их прочности.

Акцент на молекулярном и атомном уровне крайне важен, потому что изменения, происходящие «там», имеют чрезвычайно выразительный эффект. Например, алмаз и графит состоят из углерода, но выглядят они совершенно по-разному. Разница во внешнем виде обусловлена ​​тем фактом, что на молекулярном уровне атомы углерода в этих материалах расположены по-разному. В графите атомы расположены листами, тогда как в алмазах они имеют кубическую структуру.

Напряжение и деформация.

Напряжение – это не только психологическое состояние человека. Конструкции тоже могут страдать от напряжения.

В физике напряжение – это сила, которая существует внутри твердого тела. Она показывает степень, с которой атомы и молекулы в теле раздвигаются под воздействием внешних сил.

Напряжение измеряется путем деления силы на площадь, на которую она воздействует (другими словами, ньютоны/площадь (N/m2)). Если два человека тянут за разные концы каната, это создает напряжение внутри него. Если люди с такой же силой потянут канат из того же материала, но меньшего диаметра, внутри такого каната напряжения будет больше, ведь он имеет меньшую площадь. Вот почему тонкая веревка всегда разорвется быстрее толстой.

Итак, напряжение показывает нам степень, c которой раздвигаются атомы. Деформация, с другой стороны, измеряет, как далеко они раздвигаются.

Мы измеряем деформацию, сравнивая увеличение финальной размерности объекта с его изначальной размерностью. Таким образом, если станок тянет металлический стержень длиной 10 см и увеличивает его длину на 0,2 см, его деформация составит 0,02 и, в отличие от напряжения, у деформации нет единицы измерения. Это просто соотношение. Напряжение и деформация, если используются вместе, помогают описать жесткость материала. Жесткость, также известная как модуль упругости Юнга (в честь ученого Томаса Юнга), измеряет упругость (эластичность) материала при заданном напряжении.

Некоторые материалы более упругие, чем другие. Например, резина, естественно, имеет намного большую упругость (эластичность), чем алмаз, поэтому модуль упругости Юнга для алмаза намного выше, чем для резины.

Сжатие и растяжение.

Когда на предмет помещен определенный вес, сила «перетекает» с этого веса вниз на предмет, сжимая его. Например, когда человек стоит прямо, его ноги сжимаются под весом тела.

Когда же вес, наоборот, подвешен к предмету, сила тоже «стекает» вниз, но уже отдаляется от предмета, тем самым растягивая его. Например, если человек возьмет шар для боулинга, его рука будет находиться под растяжением.

Если бы мы не умели направлять эти силы в нужное русло, мы вообще не смогли бы ничего построить.

Наши древнейшие предки однозначно знали, как направлять сжатие, хотя только интуитивно. Известно, что первыми конструкциями были одноэтажные грязевые хижины, в которых использовалась несущая система: вес конструкции перенаправлялся вниз, через толстые грязевые стены, что приводило к их сжатию.

В какой-то момент наши предки также узнали о растяжении. Используя подходящие деревья, они начали строить дома, связывая бревна. Конструкцию герметизировали от стихии, накрывая ее шкурами животных или растениями.

В отличие от грязевых хижин, в этих конструкциях использовалась каркасная система: вес конструкции направлялся через бревна, которые, толкая друг друга, пребывали под растяжением.

Сжатие и растяжение, как и две созданные системы управления ними, были неотъемлемой частью строительства с момента возведения первых сооружений. В наши дни они не менее важны.

Сила растяжения.

Если потянуть за кусок резины с любой стороны, она будет растягиваться. Она меняет форму, потому что внутри нее перемещаются атомы под воздействием силы растяжения. Эта сила играют важную роль в сосудах под давлением, таких как артерии, бойлеры, водолазные баллоны, воздушные шары и пр. Например, молекулы в воздушном шаре расходятся друг от друга, когда его надувают. Паруса работают точно так же при порыве ветра. Сила растяжения может привести к возникновению ползучести. Ползучесть возникает, когда твердый материал деформируется под воздействием механического напряжения. Если сила применяется регулярно, материал со временем видоизменяется.

Вспомните, как новые туфли становятся более удобными, чем больше в них проходишь. Те участки обуви, которые подвержены наибольшему физическому напряжению, видоизменяются так, что напряжение перераспределяется. В конечном итоге, вес тела распределяется по обуви более-менее равномерно. Ползучесть – это, по сути, механизм адаптации материалов к «внешним раздражителям».

Однако, материалы далеко не всегда растягиваются из-за применения растягивающих сил. Если бы это было так, то наши кровеносные сосуды продолжали бы расти с ходом времени. Твердое тело действительно растягивается в сторону применения силы растяжения, однако, одновременно с этим, тело сжимается в поперечном направлении под углом 90 градусов, относительно направления силы растяжения.

Таким образом, когда кровь течет через аорту, вызывая продольное напряжение, оно противодействует окружному напряжению, под воздействием которого находятся стенки сосуда. Эти два вида напряжения компенсируют друг друга, что позволяет аорте сохранять свою форму.

Сила сжатия.

Некоторые конструкции, к примеру, древние церкви, замки или памятники, стоят уже много веков или даже тысячелетий. За счет чего?

Конструкции существуют так долго, в значительной степени, благодаря силе сжатия, действующей на них. В отличие от силы растяжения, сила сжатия давит на конструкцию, а не тянет за нее.

Еще до того, как наши предки начали изучать физику, они интуитивно понимали, что им следует избегать строительства зданий, на которые могут воздействовать силы растяжения. Вместо этого они возводили конструкции, где все было сжато. К примеру, дома, состоящие из множества мелких камней, давящих друг на друга.

Такая конструкция будет устойчивой только в том случае, если давление равномерно распределено по ее опорным элементам. Если два кирпича приклеены друг к другу раствором, но силы сжатия действуют на один из них сильнее, на другой могут повлиять силы растяжения и разрушить его.

Древние люди, в общих чертах, понимали принципы конструкций и их силы задолго до того, как смогли выполнять какие-либо математические вычисления. Это позволило построить массивные замки и церкви задолго до появления Галилея и других ученых, которые раскрыли основные принципы проектирования и строительства.

Когда сжатая конструкция, все-таки, падает, это происходит не из-за недостатка прочности, а из-за отсутствия стабильности. Натяжные конструкции разрушаются, когда напряжение в них становится слишком высоким, но сжатые конструкции крайне редко разрушаются по той же причине.

Дети, кстати, тоже понимают все интуитивно. Когда они строят башню из игрушечных кубиков, они знают, что она рухнет, если будет слишком высокой и, при этом, недостаточно ровной по вертикали.

Элементы конструкций.

Огромное количество инженеров загорелись строительством, играя со своим первым набором LEGO или другим конструктором. В действительности, современные здания ничем не отличаются от конструкций LEGO – каждое из них состоит из множества небольших элементов.

Возьмите практически любую конструкцию, и Вы увидите, что ее рама состоит из сети балок, распорок, колонн и ферм.

Колонны – это вертикальные столбы, которые используются для направления сил сжатия. Древние греки и римляне были мастерами по использованию колонн, превратив эти вертикальные элементы конструкции в форму искусства. Особенно впечатляют колонны Парфенона в Афинах и колонны Римского Форума в Риме.

Балка была очень важным изобретением для повышения безопасности сжатых конструкций, поэтому о них чуть подробнее.

Крыша Вашего дома, очевидно, является важной его частью, поскольку защищает дом от сил природы. Со стороны, крыша может казаться достаточно простым элементом конструкции, но для инженеров это не так. Крыши доставляют им массу проблем. Постоянная устойчивая крыша может создавать опасность, потому что она направляет на стены здания большой вес. И поскольку очень много крыш имеют треугольную форму, результирующая сила не давит все вертикально вниз; вместо этого, она толкает стены под углом наружу. В результате, силы растяжения, возникающие на стенах, могут разрушить здание.

Окна еще больше усложняют задачу. Люди хотят выглядывать из своих домов и получать внутрь естественный солнечный свет, но окна делают стены еще слабее, уменьшая их способность выдерживать вес крыши.

Инженеры должны были найти способ построить треугольные крыши, которые бы не создавали слишком больших нагрузок на стены, подвергая конструкции риску.

Именно так и были придуманы балки. Они представляют собой длинные твердые горизонтальные опоры, как правило, из дерева, стали или железобетона. Именно балки обычно используются для формирования каркасов полов и потолков. Когда на них становятся или укладывают кровельный материал, они перенаправляют вес на колонны, на которых лежат.

Они выдерживают нагрузку под прямым углом к своей длине, но не оказывают никакого горизонтального воздействия на опорные элементы.

Балки, кстати, встречаются и в природе. У лошадей, например, тяжелые тела и очень тонкие ноги. При этом, они все еще могут нести на своей спине и человека, и дополнительный груз. Это возможно только потому, что у них есть горизонтальный хребет, функционирующий подобно балке.

Секции рамы, которые не являются ни горизонтальными, ни вертикальными, называются подпорками и распорками.

Если пространство слишком велико, чтобы балки справлялись с задачей сами по себе, тогда используются фермы, для создания дополнительной устойчивости. Фермы представляют собой треугольные опорные конструкции, состоящие из колонн, балок и распорок. Они более практичны, чем балки, так как их составные части можно легко перевезти и собрать на месте строительства, в то время, как их треугольная форма чрезвычайно стабильна по своей природе.

Фермы часто используются при строительстве мостов. В качестве известного примера, можно взглянуть на The Golden Gate Bridge в Сан-Франциско. По всей его длине можно разглядеть треугольные узоры – это и есть фермы.

Каркасы большинства конструкций используют только эти четыре основных элемента. Но некоторые здания настолько велики, что требуют кое-что дополнительное – ядро жесткости.

Его задачей является обеспечение прочности конструкции и ее безопасности во время эксплуатации.

По своему прямому назначению данный элемент, а точнее – совокупность элементов, является “позвоночником” здания, обеспечивающим его долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Главная цель его создания – это восприятие горизонтальных нагрузок: ветра, вибраций от действия оборудования, сейсмических и так далее. Ядро поглощает нагрузки и направляет их вниз, едва прогибаясь, что делает невозможным (практически) опрокидывание всей конструкции. К ядру жесткости в каркасных и монолитных зданиях относятся следующие части: лестничные клетки; шахты лифтов; несущие стеновые конструкции.

Некоторые современные здания используют другой подход. Вместо внутреннего ядра они используют внешнюю раму. Она называется диагридом. Два знаменитых примера – The Gherkin в Лондоне, где расположена штаб-квартира Swiss Re, и парижский Centre Pompidou.

Силы природы.

К гравитации, как к силе, не стоит относиться легкомысленно, но она, по крайней мере, предсказуема. О других силах природы, с которыми сталкиваются строители, такого не скажешь.

Ветер, к примеру, является довольно каверзной задачкой. Конечно, для небольших конструкций он не представляет серьезную проблему. Инженер просто должен замерить нормальную скорость ветра в месте строительства и принять во внимание несколько других факторов: как далеко участок находится от моря/океана, как высоко он находится над уровнем моря и какова окружающая местность. Это позволяет ему довольно точно рассчитать, насколько суровым может быть ветер.

На протяжении почти 4 000 лет, самой высокой конструкцией в мире была Пирамида Хеопса в Гизе, построенная в 2560 году до н.э. (146 метров довольно мало, по сегодняшним меркам). Затем, начиная с четырнадцатого века, ряд соборов пребывали в постоянной борьбе за звание самого высокого здания в мире, каждый раз теряя его сопернику, когда в ненастную погоду ломался шпиль.

Первым в мире небоскребом, кстати, было здание страховой компании – Home Insurance Building (1884 г., Чикаго, 42 метра, 10 этажей).

С тех пор наша способность строить огромные конструкции значительно возросла. Эйфелева башня (1889 г) имела внушительные 300 метров, но они легко затмеваются самым высоким небоскребом современности – Бурдж-Халифа (Дубай), который возвышается на 828 метров.

Когда нужно построить небоскреб, осложнения растут в геометрической прогрессии. Вместо абстрактных вычислений, инженер должен построить масштабную модель небоскреба и окружающей местности, а затем протестировать все в аэродинамической трубе.

Небоскребы относятся к типу зданий, которым необходимо ядро жесткости, но в некоторых случаях его недостаточно, чтобы они не качались на ветру. Поэтому, в некоторых сверхвысоких зданиях используется инерционный демпфер.

Инерционный демпфер – это гигантский маятник, расположенный в центре здания. Когда дует ветер, маятник подстраивается под резонансную частоту здания, качаясь в противоположном направлении и подавляя силу ветра.

Такое устройство есть, к примеру, в Taipei 101. Это полукилометровая башня в Тайване. Огромный демпфер расположен между восемьдесят седьмым и девяносто вторым этажами. Его масса составляет 728 тонн, а диаметр – 5,4 метра. Однажды, он уже успел спасти здание от сильного ветра. В 2015 году, когда по Тайваню ударил тайфун Сауделор (скорость ветра 160 км/ч), Taipei 101 оставался стоять в строго вертикальном положении, хотя его демпфер, под час, сдвигался аж на целый метр (см. видео)!

Но ветер не единственная коварная штука, с которой вынуждены бороться инженеры. Они также думают о землетрясениях, которым можно противостоять с помощью других типов демпферов. Чтобы соорудить конструкцию в области, подверженной землетрясению, инженер должен провести небольшое исследование. Он должен изучить частоты колебаний прошлых землетрясений и удостовериться, что возводимая им конструкция не будет иметь аналогичную собственную частоту (измеряется путем определения количества вибраций объекта в секунду).

Ниже на видео наглядно показано, как здания разной высоты реагируют на воздействие сейсмических волн различной силы:

Или можно установить большие резиновые опоры, которые поглотят сильную вибрацию, тем самым уменьшая разрушительную силу возможных землетрясений.

Еще один метод заключается в размещении амортизаторов между колоннами, балками и распорками (см. ниже London Millennium Bridge).

Например, огромная башня Torre Mayor в Мехико практически стопроцентно защищена от землетрясений, благодаря сети из 96 гидравлических амортизаторов, расположенных по X-образной схеме по всему каркасу здания.

Однажды в Мехико произошло землетрясение силой 7,6 балла и люди внутри Torre Mayor даже не подозревали об этом!

Место строительства.

Раз уж речь зашла про землетрясения, пару слов надо сказать про выбор участка для строительства. Прежде чем составлять какие-либо чертежи и планы, инженер должен разузнать все возможное о том, на чем он будет строить свою конструкцию.

Легкомыслие в этом отношении может привести к серьезным последствиям в долгосрочном периоде.

К примеру, все в том же Мехико, исторический центр города за последние 150 лет опустился почти на 10 метров.

Тамошняя местность была проблематичной в течение сотен лет. Ранее там находилось озеро Тескоко. В 1325 году ацтеки построили город на острове в этом озере и назвали его Теночтитлан. Чтобы с «большой земли» добраться до города, нужно было пройти по одной из многочисленных грунтовых дорог, выложенных из глины и поддерживаемых деревянными сваями. Эти дороги были настолько хорошо построены, что они до сих пор существуют в качестве главных дорог Мехико.

В шестнадцатом веке конкистадоры разрушили Теночтитлан и построили собственный город на фундаментах массивных ацтекских храмов. В процессе, они повалили все окружающие деревья, что привело к эрозии и частым наводнениям.

Расширяя город и заполняя озеро почвой, испанцы наделали еще больших проблем, т.к. поднялся уровень грунтовых вод (уровень, на котором под землей течет вода). Всякий раз, когда шел дождь, город бедствовал от сильных наводнений.

Данную проблему смогли решить только в двадцатом веке, когда были построены подземные пути для отвода воды.

Все время до этого, город тонул медленно, но уверенно. Кафедральный собор в Мехико является хорошим образчиком общей проблемы. Проектировщики собора прекрасно понимали, что такая массивная конструкция быстро начнет погружаться в сырую землю. Поэтому, когда в 1573 году началось строительство, вначале была построена гигантская платформа-фундамент, для поддержки собора.

К сожалению, у этого плана был недостаток. Почва, на которой все строилось, была неравномерно спрессованной. Поэтому, к 1910 году у собора уже был существенный наклон. Один его угол был выше другого на 2,4 метра.

Чтобы исправить это, проф. Э. Овандо-Шелли построил модель башни с реальными образцами почвы из-под собора, имитируя степень сжатия различных участков почвы, в течение всей истории существования собора. С этими данными он и его команда пробурили под собор 32 шахты, которые в общей сложности имели 1 500 добывающих отверстий (каждое от 6 до 22 метров в длину). Через эти отверстия они удалили 4 220 кубометров почвы. Это помогло избавиться от крена и должно обеспечить более-менее равномерное погружение в будущем.

Материалы.

Знаете ли вы, что кирпичи существуют вот уже более 11 000 лет? Еще в 9000 году до нашей эры (эпоха неолита) они широко использовались жителями Иерихона. Они придавали кускам глины форму и оставляли сохнуть на солнце, после чего использовали для создания своих домов в форме улья.

Так длилось до 2900 г. до н.э., пока жители долины Инда не стали использовать печи для обжига и затвердевания своих кирпичей.

Но мастерами по изготовлению кирпича в древнем мире были римляне. Им был знаком идеально подходящий вид глины, и они точно знали, как долго кирпичу надо сохнуть по времени. Римляне использовали кирпичи для всего на свете, а в особенности они подходили для строительства арок (арки выдерживают существенные нагрузки благодаря сжатию, что делает кирпич отличным материалом для их строительства).

К сожалению, искусство изготовления кирпича, усовершенствованное римлянами, было утрачено, когда Римская империя пала в 476 году нашей эры. Прошло около 600 лет, прежде чем подобной красоты кирпичи и арки снова появились в Европе.

Ниже представлена современная машина по укладке дороги из кирпичей.

Но причина не только в кирпиче. Они – ничто без подходящего раствора.

В древнем Египте для склеивания кирпичей использовалась гипсовая смесь. Однако, поскольку гипс растворяется в воде с течением времени, он оказался плохим адгезивом. Вынужденные искать альтернативу, египтяне изобрели известняковый раствор, который по мере высыхания становился только прочнее и мог служить очень долго. Лондонский Тауэр, кстати, был построен с использованием такого раствора и стоит уже почти тысячу лет.

В древнем Китае тоже велись изыскания по созданию идеального раствора. Например, при строительстве Великой стены, они добавили в раствор клейкий рис. Это придало ему большей «гибкости», чтобы не треснуть во время экстремальных погодных условий.

Металл также имеет длинную историю, но до недавнего времени его невозможно было использовать в качестве строительного материала.

Хоть железный век и начался более двух тысяч лет назад, но только в девятнадцатом веке стало возможно массово, просто, быстро и дешево производить сталь, что позволило использовать металлы при строительстве. В 1856 году Генри Бессемер открыл метод удаления всех примесей из железа. Он взял печь и направил через нее поток теплого воздуха, создав экзотермическую реакцию и достаточно высокие температуры, которые выжигали все примеси. Таких температур невозможно было достичь в обычной угольной печи.

После этого, можно было достаточно легко добавить точную меру углерода к металлу, придав ему дополнительную прочность и, вуаля, произошла вторая промышленная революция и наступил век стали. Когда Бессемер умер в 1898 году, в мире было произведено более 12 миллионов тонн стали.

Когда человек расстраивается или испытывает стресс, он часто размышляет над своими проблемами, что только повышает общий уровень стресса. Подобное явление встречается и в металле. Его именуют усталостью.

Усталость металла возникает, когда на металле колеблется тяжелый вес, что приводит к потере его прочности. Люди впервые заметили это явление во время промышленной революции, когда оборудование периодически ломалось во время перемещения.

Может показаться нелогичным, но мощный микроскоп подтвердит, что металлы состоят из миллиардов крошечных кристаллов.

Плотность, с которой эти мелкие структуры упакованы в материале, определяет то, насколько свободно они могут перемещаться, что, в свою очередь, определяет поведение материала при приложении к нему давления.

В случае металлического предмета, такого как канцелярская скрепка, кристаллы упакованы достаточно свободно, чтобы была возможность перемещаться. Из-за этого, скрепки можно легко согнуть. Кристаллы просто меняют свое положение. Если бы металл скрепки состоял из более плотно упакованных кристаллов (как в случае со сталью, например), скрепка не согнулась бы. Скорее всего, она бы просто разломалась пополам, поскольку у кристаллов не было бы места для маневра. Кстати, когда Вы сгибаете скрепку, Вы заставляете приблизительно 100 000 000 000 000 кристаллов сместиться со скоростью звука.

Согнуть можно даже дерево, при определенных обстоятельствах:

Определить усталость металла очень сложно, поэтому металлурги провели множество экспериментов, чтобы понять, как ее рассчитывать. Эти эксперименты и расчеты очень важны для обеспечения нашей безопасности. Расчеты на прочность конструкции основаны на статистике, а это значит, что они основаны на вероятности. Таким образом, технически, всегда существует вероятность, что конструкция рухнет, даже если все расчеты кажутся справедливыми и обоснованными.

Эти расчеты настолько сложны, что в 70-х годах сразу несколько групп экспертов, независимо друг от друга, оценивали дизайн конструкций самолетов, чтобы убедиться в их безопасности. При разработке новых конструкций самолетов прибегали и к полевым испытаниям.

Фактически, между 1935 и 1955 годами было построено около 100 различных типов самолетов, которые испытали на разрушение.

Тут можно увидеть старенький тест (в 2:25 крыло ломается):

А на этом видео – один из современных тестов:

Экспериментальное тестирование позволяет сделать конструкции более эффективными, поскольку они всегда ломаются в самом слабом месте. Такие места важно усилить, а те части конструкции, которые менее подвержены разрушению, можно облегчить, забрав часть материала.

На первый взгляд, бетон может показаться не слишком захватывающим материалом. Но без него не могли быть построены некоторые из самых впечатляющих сооружений мира, ни громадный Пантеон в Риме, ни многие современные небоскребы. Бетон – это сложное целое, созданное из простых деталей.

Вот базовый рецепт:

Возьмите немного известняка и глины. Тщательно перемешайте и нагрейте смесь до 1450 градусов по Цельсию, пока она не расплавится в комочки. Возьмите эти комочки и размельчите их в порошок. Этот порошок называется цемент. Если добавить в цемент воду, у Вас появится субстанция, которая после высыхания станет чрезвычайно прочной. Если у Вас мало цемента, можете добавить немного песка или гравия «на глаз», что увеличит объем смеси, не подрывая ее прочность. Поздравляю, Вам удалось приготовить бетон.

Это скромное вещество обладает некоторыми замечательными качествами и идеально подходит для использования в крупных строительных проектах.

Во-первых, благодаря своей молекулярной структуре, бетон может выдерживать невероятный уровень сжатия – в 16 раз больше, чем кирпич.

Также, бетонные конструкции могут быть отлиты как единое целое, чтобы не было слабых мест. В то время как кирпичные конструкции всегда будут слабее в точке, где раствор удерживает кирпичи вместе. Преимущество бетонных конструкций в том, что они являются однородными – неоспоримо. Но, несмотря на эти плюсы, бетон имеет и минус – он плохо сопротивляется растяжению. Это оставалось проблемой до 1860-х годов, но французский садовник по имени Жозеф Монье нашел решение.

У глиняных горшков Монье была раздражающая черта характера – они часто ломались. Монье начал делать их из бетона, но обнаружил, что с ними происходит ровно то же самое. Он взял металлическую проволоку и сделал решетку. Этим он укрепил свои бетонные горшки и результат оказался революционным. Способность бетона противостоять сжатию, а металлической проволоки – противостоять растяжению, в сумме дает удивительно прочный материал.

В 1867 году Монье продемонстрировал свои изыскания на выставке Paris Expo и таким образом, по сей день, железобетон является одним из самых универсальных и прочных строительных материалов.

Трещины.

Даже хорошо продуманные и недавно возведенные мосты иногда разрушаются. Причины могут быть разными, но основными виновниками, как правило, являются трещины и проблемы с материалом. Еще в 1913 г. Ч. Инглис опубликовал книгу о значимости дефектов в материале.

Он обнаружил, что локальные области напряжений в материалах усугубляются отверстиями, трещинами и острыми углами (поэтому, иллюминаторы делают круглыми, а не прямоугольными). Конструкция может казаться стабильной, но все равно может разломаться, если внутри нее возникнет существенное локальное напряжение.

Отверстия и трещины – не единственные пособники локального напряжения. Добавление нового материала тоже может вызвать напряжение, увеличив жесткость конструкции. Например, если Вы пришьете заплатку на порванный предмет одежды, это может привести к еще большему разрыву.

Однако трещины трещинам рознь. Они не всегда опасны и далеко не всегда подвергают конструкцию риску. Ключевым фактором, определяющим, опасна ли трещина, является ее длина.

Критическая длина, которая делает трещину опасной для целостности конструкции, называется критической длиной трещины Гриффита. Трещины, которые более короткие, являются, конечно же, более безопасными и стабильными.

Длина трещины Гриффита зависит от уровня напряжения в материале конструкции. Чем больше напряжение в конструкции, тем короче будет длина трещины Гриффита. Когда трещина достигает критической длины трещины Гриффита, она начинает расти чрезвычайно быстро, так как конструкция оказывает на нее все большее и большее давление. Этот процесс может привести к довольно внезапному разрушению.

Если тянуть резину до «победного конца», то она достигнет точки слома; сила растяжения, действующая на резину, ослабит межатомные связи внутри материала и возникнут трещины или отверстия. Однако, сжимающие силы отличаются. Когда конструкция разрушается от сжатия, это происходит из-за сдвига – процесса, во время которого один участок материала вынужден проскальзывать мимо другого участка (см. ниже, съемка идет изнутри металлической трубы, которую сжимает пресс).

Когда твердое тело сжимается, его межатомные связи хоть и не растягиваются, но разрушение все равно может произойти из-за явления, называющегося потерей прочности.

Потеря прочности, как правило, возникает из-за сдвига, когда он происходит под углом около 45 градусов. Диагональные трещины из-за сдвига аналогичны трещинам от растяжения: они тоже имеют критическую длину Гриффита, при которой начинают быстро расти и могут вызвать внезапное разрушение конструкции. Если трещина в стекле или камне достигает критической длины Гриффита, то выброс энергии может привести к выстрелу осколков.

Будущее.

Напоследок, пару слов про современные строительные технологии, которые могут заменить собой старые и дорогостоящие.

Строительство фанерных форм для отливки бетонных конструкций стоит дорого. Часто, на эти формы отводится больше бюджета, чем на само сооружение. При этом, формы просто выбрасывают по завершению строительства.

Альтернативой такому расточительному методу является использование форм из пластика. В отличие от жестких форм из фанеры, пластиковые формы являются гибкими, относительно дешевыми и легко транспортируемыми. А поскольку пластик и бетон не склеиваются, пластиковые формы можно использовать повторно.

Хотя эта идея была высказана еще в 1950-х годах, она только недавно начала набирать практические обороты.

Также, появилась 3D-печать, которая уже сейчас открывает новые инженерные перспективы.

Благодаря 3D-печати, комплектующие можно изготовить по гораздо более низким ценам, в т.ч. используя переработанные материалы. Это действительно похоже на путь будущего. Например, в 2016 году в Мадриде был завершен пешеходный мост, полностью отпечатанный 3D-принтером. Китай тоже решил поддержать это начинание (см. ниже).

В строительстве этого моста была задействована еще одна новая технология – роботы. Они помогли проанализировать, какой вес может выдержать мост. Но роботов начинают использовать и в более обыденных строительных процессах, таких как укладка кирпича и бетонирование.

Кстати, с помощью 3D-печати планируют строить конструкции на Марсе:

И, наконец, достижения в области бионики (биомимикрии) позволяют нам пользоваться гением природной биоинженерии при создании собственных конструкций.

Посмотрите ниже на Landesgartenschau Exhibition Hall в г. Штутгарт. Он смоделирован по образу скелета морского ежа. Как и еж, конструкция имеет куполообразную форму и состоит из встроенных пластин, которые сделаны из фанеры. Получилась одновременно и прочная, и легкая конструкция.

Фил Пурнелл, профессор из Университета Лидса, работает над проектированием роботов, которые, как и белые кровяные тельца в организме человека, будут анализировать слабые места в инфраструктуре (к примеру, на дорогах по всей их протяженности или внутри инженерных сетей), чтобы можно было своевременно сделать необходимый ремонт.

Невозможно предсказать будущее строительной отрасли, но в одном можно быть точно уверенным: если мы продолжим идти путем подобных инноваций, основными ограничителями для конструкций будущего будут лишь наши фантазии и амбиции!

При подготовке этой статьи, были использованы материалы из следующих книг:

  • Structures, 1978, James Edward Gordon
  • Built, 2018, Roma Agrawal
  • Stuff Matters, 2013, Mark Miodownik

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s