Strukturální integrita a selhání - Structural integrity and failure

Strukturální integrita a selhání je aspekt inženýrství, který se zabývá schopností konstrukce podporovat navržené strukturální zatížení (hmotnost, síla atd.) Bez porušení a zahrnuje studium minulých strukturálních poruch, aby se předešlo poruchám v budoucích projektech.

Strukturální integrita je schopnost položky - buď konstrukční součásti, nebo konstrukce sestávající z mnoha součástí - držet pohromadě při zatížení, včetně vlastní hmotnosti, aniž by se nadměrně zlomila nebo deformovala. Zajišťuje, že konstrukce bude plnit svou navrženou funkci během přiměřeného používání, tak dlouho, jak je zamýšlena její životnost. Položky jsou konstruovány se strukturální integritou, aby se zabránilo katastrofickému selhání , které může mít za následek zranění, vážné poškození, smrt a/nebo peněžní ztráty.

Konstrukční porucha se odkazuje na ztrátu strukturní integrity, nebo ztrátu zatížení -carrying kapacitu buď konstrukční součásti nebo konstrukce samotného. Selhání konstrukce je zahájeno, když je materiál namáhán za mez pevnosti , což způsobí lom nebo nadměrné deformace ; jeden mezní stav, který musí být zohledněn v konstrukčním návrhu, je mez pevnosti. V dobře navrženém systému by lokalizované selhání nemělo způsobit okamžitý nebo dokonce postupný kolaps celé struktury.

Úvod

Strukturální integrita je schopnost konstrukce odolat zamýšlenému zatížení bez selhání v důsledku lomu, deformace nebo únavy. Jedná se o koncept často používaný ve strojírenství k výrobě předmětů, které budou sloužit svým účelům a zůstanou funkční po požadovanou životnost .

Při konstrukci položky se strukturální integritou musí technik nejprve zvážit mechanické vlastnosti materiálu, jako je houževnatost , pevnost , hmotnost, tvrdost a pružnost, a poté určit velikost a tvar nezbytný k tomu, aby materiál dlouho vydržel požadované zatížení. život. Vzhledem k tomu, že se členové nemohou nadměrně lámat ani ohýbat, musí být jak tuhí, tak houževnatí. Velmi tuhý materiál může odolat ohybu, ale pokud není dostatečně houževnatý, může být velmi velký, aby unesl břemeno bez porušení. Na druhé straně se vysoce elastický materiál při zatížení ohne, i když jeho vysoká houževnatost brání zlomení.

Kromě toho musí integrita každé součásti odpovídat její individuální aplikaci v jakékoli nosné konstrukci. Mostové podpěry vyžadují vysokou mez kluzu , zatímco šrouby, které je drží, potřebují dobrou smykovou a tahovou pevnost . Pružiny potřebují dobrou pružnost, ale soustružnické nástroje vyžadují vysokou tuhost. Celá struktura navíc musí být schopna podporovat své zatížení, aniž by její nejslabší články selhávaly, protože to může klást větší důraz na další konstrukční prvky a vést ke kaskádovým poruchám .

Dějiny

Potřeba budovat struktury s integritou sahá až do zaznamenané historie. Domy musely být schopny podporovat vlastní váhu a váhu obyvatel. Hrady bylo potřeba opevnit, aby odolaly útokům vetřelců. Nástroje musely být dostatečně silné a houževnaté, aby mohly vykonávat svou práci. Věda o lomové mechanice, jak existuje dnes, byla vyvinuta až ve 20. letech 20. století, kdy Alan Arnold Griffith studoval křehký lom skla.

Počínaje čtyřicátými léty si nechvalně proslulá selhání několika nových technologií vyžádala vědečtější metodu pro analýzu strukturálních poruch. Během druhé světové války se více než 200 lodí ze svařované oceli rozpadlo na polovinu v důsledku křehkého lomu, způsobeného napětím způsobeným svařovacím procesem, teplotními změnami a koncentracemi napětí ve čtvercových rozích přepážek. V padesátých letech explodovalo několik komet De Havilland v polovině letu kvůli koncentraci napětí v rozích jejich čtvercových oken, což způsobilo vznik trhlin a explozi přetlakových kabin. Výbuchy kotlů , způsobené poruchami v tlakových kotlových nádržích, byly dalším běžným problémem v této době a způsobily vážné škody. Rostoucí velikosti mostů a budov vedly k ještě větším katastrofám a ztrátám na životech. Tato potřeba stavět stavby se strukturální integritou vedla k velkým pokrokům v oblasti materiálových věd a lomové mechaniky.

Druhy selhání

Kolaps budovy kvůli hmotnosti sněhu

Strukturální selhání může nastat z mnoha typů problémů, z nichž většina je charakteristická pro různá průmyslová odvětví a strukturální typy. Většinu lze však vysledovat na jedné z pěti hlavních příčin.

  • První z nich je, že struktura není dostatečně pevná a pevná, aby unesla zátěž, a to buď kvůli své velikosti, tvaru nebo výběru materiálu. Pokud struktura nebo součást není dostatečně pevná, může dojít ke katastrofickému selhání, když je konstrukce namáhána nad kritickou úroveň napětí.
  • Druhý typ selhání je způsoben únavou nebo korozí způsobenou nestabilitou geometrie, designu nebo vlastností materiálu struktury. Tyto poruchy obvykle začínají, když se v bodech napětí vytvoří trhliny, jako jsou hranaté rohy nebo otvory pro šrouby příliš blízko okraje materiálu. Tyto trhliny rostou, když je materiál opakovaně namáhán a odlehčován (cyklické zatížení), nakonec dosáhne kritické délky a způsobí, že struktura za normálních podmínek zatížení náhle selže.
  • Třetí typ selhání je způsoben výrobními chybami, včetně nesprávného výběru materiálů, nesprávného dimenzování, nesprávného tepelného zpracování , nedodržení designu nebo nekvalitního zpracování. Tento typ selhání se může objevit kdykoli a je obvykle nepředvídatelný.
  • Čtvrtým typem selhání je použití vadných materiálů. Tento typ selhání je také nepředvídatelný, protože materiál může být nesprávně vyroben nebo poškozen předchozím použitím.
  • Pátou příčinou neúspěchu je nedostatek ohledů na neočekávané problémy. Tento typ selhání může být způsoben událostmi, jako je vandalismus, sabotáž nebo přírodní katastrofy. Může k tomu také dojít, pokud ti, kteří používají a udržují konstrukci, nejsou řádně vyškoleni a nadměrně namáhají konstrukci.

Pozoruhodné neúspěchy

Mosty

Deeův most

Most Dee po jeho zřícení

Most Dee navrhl Robert Stephenson pomocí litinových nosníků vyztužených vzorkami z tepaného železa. Dne 24. května 1847 se zhroutil, když kolem něj projel vlak a zabil pět lidí. Jeho kolaps byl předmětem jednoho z prvních formálních vyšetřování strukturálního selhání. Toto šetření dospělo k závěru, že konstrukce konstrukce byla zásadně vadná, protože kované železo neztužilo litinu a že odlitek selhal kvůli opakovanému ohýbání.

První Tay železniční most

Po katastrofě na mostě Dee následovala řada kolapsů litinového mostu, včetně kolapsu prvního železničního mostu Tay dne 28. prosince 1879. Stejně jako most Dee, i Tay se zhroutil, když přes něj přejel vlak a zahynulo 75 lidí. Most selhal, protože byl postaven ze špatně vyrobené litiny, a protože konstruktér Thomas Bouch neuvažoval o zatížení větrem. Jeho kolaps měl za následek nahrazení litiny ocelovou konstrukcí a kompletní přepracování železničního mostu Forth v roce 1890 , což z něj činí první zcela ocelový most na světě.

První most Tacoma zužuje

Kolaps původního mostu Tacoma zužuje v roce 1940 je někdy v učebnicích fyziky charakterizován jako klasický příklad rezonance, přestože tento popis je zavádějící. Katastrofické vibrace, které zničily most, nebyly způsobeny jednoduchou mechanickou rezonancí, ale komplikovanější oscilací mezi mostem a větry procházejícími jím, známým jako aeroelastický třepetání . Robert H. Scanlan , přední přispěvatel k porozumění aerodynamice mostů, napsal článek o tomto nedorozumění. Tento kolaps a výzkum, který následoval, vedl k lepšímu porozumění interakcí vítr/struktura. Po kolapsu bylo změněno několik mostů, aby se zabránilo opakování podobné události. Jedinou smrtí byl pes jménem Tubby.

Most I-35W

Snímky bezpečnostních kamer ukazují kolaps I-35W v animaci při pohledu na sever.

Most I-35W Mississippi River (oficiálně známý jednoduše jako Bridge 9340) byl osmiproudý ocelový příhradový obloukový most, který nesl Interstate 35W přes řeku Mississippi v Minneapolis, Minnesota , Spojené státy americké. Most byl dokončen v roce 1967 a jeho údržbu provádělo ministerstvo dopravy Minnesoty . Most byl pátým nejrušnějším v Minnesotě a přepravoval 140 000 vozidel denně. Ve večerní špičce dne 1. srpna 2007 most katastroficky selhal a zřítil se k řece a břehům pod ní. Třináct lidí bylo zabito a 145 bylo zraněno. Po kolapsu Federální správa silnic doporučila státům, aby zkontrolovaly 700 amerických mostů podobné konstrukce poté, co byla objevena možná konstrukční chyba mostu, související s velkými ocelovými plechy zvanými výztužné desky, které byly použity ke spojení nosníků dohromady v konstrukci příhradového nosníku. Úředníci vyjádřili znepokojení nad tím, že mnoho dalších mostů ve Spojených státech sdílí stejný design, a vznesli otázky, proč by taková chyba nebyla objevena za více než 40 let inspekcí.

Budovy

Zhroutí se budova

Dne 4. dubna 2013 se budova zřítila na kmenové pozemky v Mumbře , na předměstí Thane v Maharashtra , Indie. Bylo označeno za nejhorší stavební kolaps v této oblasti: zemřelo 74 lidí, z toho 18 dětí, 23 žen a 33 mužů, přičemž více než 100 lidí přežilo.

Budova byla ve výstavbě a neměla osvědčení o obsazenosti pro 100 až 150 obyvatel s nízkými až středními příjmy; jeho jedinými obyvateli byli stavitelé stavby a jejich rodiny. Budova byla údajně postavena nelegálně, protože nebyly dodržovány standardní postupy pro bezpečnou, zákonnou výstavbu, získávání pozemků a obývání obyvatel.

Do 11. dubna bylo zatčeno celkem 15 podezřelých, včetně stavitelů , inženýrů, obecních úředníků a dalších odpovědných stran. Vládní záznamy naznačují, že existují dva příkazy ke správě počtu nelegálních budov v této oblasti: státní příkaz Maharashtra z roku 2005 k používání dálkového průzkumu Země a příkaz vrchního soudu v Bombaji z roku 2010 . Stížnosti byly podány také státním a obecním úředníkům.

Dne 9. dubna zahájila obecní společnost Thane kampaň na demolici nelegálních budov v této oblasti se zaměřením na „nebezpečné“ budovy a zřídila call centrum pro přijímání a sledování řešení stížností na nelegální budovy. Lesní oddělení mezitím slíbilo, že bude řešit zásah do lesních pozemků v okrese Thane.

Kolaps budovy Savar

Dne 24. dubna 2013 se Rana Plaza , osmipodlažní komerční budova, zhroutila v Savaru , podoblasti v oblasti Velké Dháky , hlavního města Bangladéše . Pátrání po mrtvých skončilo 13. května s počtem obětí 1 134. Z budovy bylo zachráněno asi 2515 zraněných lidí živých.

Je považována za nejsmrtelnější nehodu v továrně na oděvy v historii a také za nejsmrtelnější náhodnou strukturální poruchu v moderní lidské historii.

Budova obsahovala oděvní továrny, banku, byty a několik dalších obchodů. Po objevení trhlin v budově se obchody a banka ve spodních patrech okamžitě zavřely. Varování, aby se budova nevyužívala poté, co se den předtím objevily praskliny, byla ignorována. Pracovníkům oděvu bylo nařízeno vrátit se následující den a budova se během ranní špičky zřítila.

Kolaps obchodního domu Sampoong

Dne 29. června 1995 pětipodlažní Sampoong Department Store v Seocho District of Soul , Jižní Korea zhroutila což má za následek smrt 502 lidí, s další 1,445 byl v pasti.

V dubnu 1995 se ve stropě pátého patra jižního křídla obchodu začaly objevovat trhliny kvůli přítomnosti klimatizační jednotky na oslabené střeše špatně postavené konstrukce. Dne 29. června ráno, když se počet trhlin ve stropu dramaticky zvýšil, vedoucí prodejen zavřeli horní patro a vypnuli klimatizaci, ale nedokázali zavřít budovu ani vydat formální evakuační příkaz, protože samotní vedoucí opustili prostory. preventivně.

Pět hodin před zřícením se z horních pater ozýval první z několika hlasitých třesků, protože vibrace klimatizace způsobily další rozšíření trhlin v deskách. Uprostřed zpráv zákazníků o vibracích v budově byla klimatizace vypnutá, ale praskliny v podlahách již narostly do šířky 10 cm. Asi v 17:00 místního času se strop v pátém patře začal propadat a v 17:57 se uvolnila střecha, čímž se klimatizace dostala do již přetíženého pátého patra.

Ronan Point

Dne 16. května 1968 se 22patrová obytná věž Ronan Point v londýnské čtvrti Newham zhroutila, když relativně malý výbuch plynu v 18. patře způsobil odfouknutí konstrukčního nástěnného panelu z budovy. Věž byla postavena z prefabrikovaného betonu a selhání jediného panelu způsobilo kolaps celého jednoho rohu budovy. Panel bylo možné vyfouknout, protože mezi panely neprošlo dostatečné množství výztužné oceli. To také znamenalo, že zatížení nesené panelem nemohlo být přerozděleno na jiné sousední panely, protože neexistovala žádná trasa, kterou by síly sledovaly. V důsledku kolapsu byly přepracovány stavební předpisy, aby se zabránilo neúměrnému kolapsu, a porozumění detailům prefabrikátů bylo značně pokročilé. Mnoho podobných budov bylo v důsledku kolapsu změněno nebo zbořeno.

Bombardování v Oklahoma City

Dne 19. dubna 1995 byla devítipatrová betonová konstrukce Alfreda P. Murrah Federal Building v Oklahomě zasažena bombovým náklaďákem, který způsobil částečný kolaps, což mělo za následek smrt 168 lidí. Bomba, i když byla velká, způsobila výrazně nepřiměřený kolaps konstrukce. Bomba sfoukla veškeré sklo z přední části budovy a zcela rozbila přízemní železobetonový sloup (viz brisance ). Na druhé úrovni příběhu existovaly širší rozestupy sloupců a zatížení z horních sloupců příběhu bylo pomocí nosníků na úrovni druhého patra přeneseno do méně sloupců níže. Odstranění jednoho ze spodních sloupků patra způsobilo selhání sousedních sloupů kvůli nadměrnému zatížení, což nakonec vedlo k úplnému zhroucení střední části budovy. Bombardování bylo jedním z prvních, které poukázalo na extrémní síly, které na budovy může působit nárazové zatížení terorismem, a vedlo ke zvýšenému zohlednění terorismu při strukturálním navrhování budov.

Versailleská svatební síň

Versailles svatební síň ( hebrejsky : אולמי ורסאי ), který se nachází v talpiotské , Jeruzalémě , je pozemek nejhorší civilní katastrofy v izraelské historii očím. Ve 22:43 ve čtvrtek večer, 24. května 2001 během svatby Keren a Asaf Dror, se zřítila velká část třetího patra čtyřpatrové budovy a zabilo 23 lidí. Nevěsta a ženich přežili.

Věže World Trade Center 1, 2 a 7

Při útocích z 11. září byla dvě komerční letadla záměrně narazena do Dvojčat Světového obchodního centra v New Yorku. Náraz a následné požáry způsobily, že se obě věže zřítily během necelých dvou hodin. Nárazy přerušily vnější sloupy a poškozené sloupy jádra a přerozdělily zatížení, které tyto sloupy nesly. Toto přerozdělení zátěže bylo do značné míry ovlivněno kloboukovými vazníky v horní části každé budovy. Nárazy uvolnily část ohnivzdornosti z oceli a zvýšily její vystavení teplu ohně. Teploty se staly dostatečně vysokými, aby oslabily jádrové sloupy až k tečení a plastické deformaci pod tíhou vyšších pater. Teplo ohně také oslabilo obvodové sloupy a podlahy, což způsobilo pokles podlah a působení vnitřní síly na vnější stěny budovy. Téhož dne se také zřítila budova WTC 7; 47patrový mrakodrap se během několika sekund zhroutil v důsledku kombinace velkého požáru uvnitř budovy a těžkého strukturálního poškození zřícením Severní věže.

Champlain Towers

24. června 2021 se Champlain Towers South, dvanáctipatrová budova kondominia v Surfside na Floridě, částečně zhroutila, způsobila zranění a nejméně 24 úmrtí a 145 lidí zůstala nezvěstná. Kolaps byl zachycen na videu. Jedna osoba byla zachráněna ze sutin a 24. června bylo zachráněno asi 35 lidí z nezřícené části budovy. Dlouhodobá degradace železobetonových nosných konstrukcí v podzemních garážích v důsledku pronikání vody a koroze výztužné oceli je považována za faktor-nebo příčinu-kolapsu. Problémy byly nahlášeny v roce 2018 a označeny jako „mnohem horší“ v dubnu 2021. V době kolapsu byl schválen program nápravných prací ve výši 15 milionů dolarů. K 11. červenci 2021 bylo 90 mrtvých, zatímco 31 zůstalo nezvěstných.

Letadlo

Test B-52 Stratofortress z roku 1964 prokázal stejnou poruchu, která způsobila havárie 1963 Elephant Mountain a 1964 Savage Mountain .

Opakované strukturální poruchy na stejném typu letounu nastaly v roce 1954, kdy se z důvodu dekomprese způsobené únavou kovu zřítily dvě proudová letadla de Havilland Comet C1 , a v letech 1963–64, kdy se v roce odlomil svislý stabilizátor na čtyřech bombardérech Boeing B-52 ve vzduchu.

jiný

Varšavský rozhlasový stožár

Dne 8. srpna 1991 v 16:00 UTC varšavský rozhlasový stožár se zhroutil nejvyšší uměle vyrobený předmět, který byl kdy postaven před vztyčením Burdž Chalífa, v důsledku chyby při výměně kabelových drátů na nejvyšším skladu. Stožár se nejprve ohnul a poté praskl zhruba v polovině své výšky. Při svém pádu zničil malý mobilní jeřáb Mostostal Zabrze. Jelikož všichni pracovníci opustili stožár před postupy výměny, nedošlo k žádnému úmrtí, na rozdíl od podobného kolapsu WLBT Tower v roce 1997.

Chodník Hyatt Regency

Změna designu na chodnících Hyatt Regency.

Dne 17. července 1981 se dva zavěšené chodníky v hale Hyatt Regency v Kansas City v Missouri zhroutily, při čajovém tanci zahynulo 114 a zranilo více než 200 lidí. Kolaps byl způsoben pozdní změnou designu, změnou způsobu, jakým byly k nim připojeny tyče podpírající chodníky, a neúmyslným zdvojnásobením sil na spojení. Selhání zdůraznilo potřebu dobré komunikace mezi konstruktéry a dodavateli a přísné kontroly návrhů a zejména změn návrhu navržených dodavatelem. Neúspěch je standardní případovou studií inženýrských kurzů po celém světě a používá se k výuce významu etiky ve strojírenství.

Viz také

Reference

Poznámky
Citace
Bibliografie
  • Feld, Jacob; Carper, Kenneth L. (1997). Selhání stavby . John Wiley & Sons. ISBN  0-471-57477-5 .
  • Lewis, Peter R. (2007). Katastrofa na Dee. Tempus.
  • Petroski, Henry (1994). Designová paradigmata: Případové historie chyb a úsudků ve strojírenství . Cambridge University Press. ISBN  0-521-46649-0 .
  • Scott, Richard (2001). In the Wake of Tacoma: Suspension Bridges and the Quest for Aerodynamic Stability . Publikace ASCE. ISBN  0-7844-0542-5 .