С древних времён и до наших дней люди строили здания и сооружения для самых разных целей. Их архитектура была разнообразной, а украшения — соответствующими духу времени или, наоборот, противоречащими ему. Но одно оставалось неизменным — стремление к прочности и безопасности.
С древних времён люди искали способы убедиться, что здание не рухнет под предполагаемой нагрузкой. Эти методы совершенствовались с течением времени и продолжают развиваться в наши дни.
Безусловно, наиболее очевидный метод оценки надёжности здания или сооружения — это подвергнуть его воздействию предполагаемой нагрузки и проанализировать результат. Здание должно сохранять свою целостность под воздействием ветра, поэтому необходимо дождаться сильного порыва ветра. Также здание не должно смещаться или разрушаться при подтоплении, поэтому необходимо провести испытания в период сезонных дождей.
Такой метод имеет несколько критических недостатков, которые отлично понимали и люди древности:
ветры, паводки и прочие природные явления случаются не по расписанию
дом, всё же не прошедший проверку, придётся ремонтировать или отстраивать заново
Никто не может гарантировать, что здание, пережившее одну «проверку», справится со вторым, третьим и последующими испытаниями.
Одним из первых архитекторов, кто задумался о необходимости объективной оценки прочности зданий, был Гермоген, живший в III–II веках до нашей эры. Он был создателем таких известных храмов, как храм Артемиды Левкофриены и храм Диониса Теосийского. К сожалению, работы Гермогена не сохранились, поэтому мы не можем судить о его достижениях в области теории.
В некоторой степени вопросами оценки состояния зданий и сооружений занимались такие учёные, как Аристотель и Архимед. Аристотель предложил подробную для своего времени классификацию материалов, а Архимед исследовал законы механики и, следовательно, взаимодействие тел различных форм.
Тем не менее, именно Леонардо да Винчи в XV веке заложил основы комплексной научной системы изучения зданий и сооружений. В частности, он проводил эксперименты, направленные на определение прочности железных проволок различной толщины и длины. Кроме того, учёный исследовал, как длина пролёта балок влияет на их несущую способность.
Окончательно концепция исследования и тестирования конструкций была сформулирована Галилео Галилеем, который жил почти на столетие позже Леонардо да Винчи. В своём труде «Диалоги о двух новых науках» Галилей обращает внимание на то, что при увеличении размеров зданий, имеющих схожую геометрию, их прочность неизбежно снижается.
Кроме того, Галилей установил и опытным путём подтвердил, что прочность балки зависит от её собственных размеров. Это открытие стало основой для разработки методов расчёта зданий и сооружений.
Развитие теории и практики обследования
В XVII веке, спустя всего несколько десятилетий после открытий Галилея, несколько выдающихся учёных внесли свой вклад в развитие методов исследования зданий и сооружений.
Француз Эдм Мариотт — создатель первых в истории станков для проверки материалов на прочность при растяжении, исследователь результатов столкновения твёрдых тел.
Немец Готфрид Лейбниц — учёный, который доказал, что в балках с разным сечением напряжение распределяется по треугольнику.
Англичанин Роберт Гук — естествоиспытатель, который установил прямую связь между приложенной силой и деформацией тела, а также определил, как распределяется нагрузка при приложении силы к концу балки. Фактически, он дал определение упругой деформации материалов.
В XVIII веке значительный вклад в развитие теории и практических методов исследования внесли такие учёные, как:
Даниил Бернулли, который экспериментально изучал амплитуды и частоты колебаний напряжённых стержней. Огюст Реомюр, который основал первую лабораторию по изучению металлов и разработал комплексный метод исследования свойств металлов. Питер ван Мушенбрук, который создал инновационные механизмы для определения прочности материалов на сжатие, растяжение и изгиб. Шарль Кулон, который исследовал сжатие призматических тел, колебания при кручении и прочность песчаника — одного из самых популярных строительных материалов.
Нельзя не упомянуть и Россию. В XVIII веке русский изобретатель Иван Кулибин провёл одни из первых в истории полномасштабных испытаний на моделях. В частности, в 1776 году он доказал надёжность деревянного моста, соединяющего берега Невы.
Новое время обследований и испытаний
В XIX веке развитие теории и практики обследования зданий и сооружений набрало новые обороты:
Жаном Понселе была впервые выдвинута теория усталости материалов, позволяющая прогнозировать срок службы строительных конструкций
Альфредом Дюло была начата работа по исследованию прочностных характеристик металлических двутавровых и составных балок
Уильямом Фейрберном был создан станок нового поколения, позволяющий проводить испытания чугунных балок на сопротивляемость растяжению, сгибанию и сжатию, а кроме того – исследовать прочностные характеристики кованых металлических пластин и активно входивших в обиход заклепочных соединений
Значительный вклад в исследование стабильности сложных конструкций внесли работы Иоганна Баушингера и Людвига Тетмайера. Генрих Герц в конце XIX века продолжил дело Гука и Мариотта, разработав стройную теорию взаимодействия сталкивающихся тел. Это открытие напрямую повлияло на методы оценки прочности строительных конструкций.
Одновременно с формированием теоретической основы для изучения зданий и сооружений разрабатывались и практические методы. Например, Матиас Кёнен провёл первые расчёты прочности плит из нового материала — железобетона. А Жозеф Лагранж и Огюстен Коши исследовали распространение упругих волн в различных материалах, что впоследствии повлияло на развитие методов геологических исследований.
Нельзя не упомянуть о вкладе Валериана Курдюмова, который изучал характеристики скольжения грунта под воздействием нагрузки.
Совершенствование методик обследования и испытания
Усилиями многих инженеров и учёных XX века, в том числе выдающихся представителей российской науки — Николая Стрелецкого, Андрея Гагарина, Николая Максимова и Исаака Рабиновича, — в арсенале методов исследования зданий появились новые инструменты.
методикой оценки действия комплексных динамических нагрузок на пролётные участки сооружений на высоте
методикой оценки действия комплексных динамических нагрузок на пролётные участки сооружений
технологией испытания на прочность плотин гидроэлектростанций
Важнейшим этапом в истории обследования зданий и сооружений стало появление методов неразрушающего, то есть не приводящего к порче исследуемого материала, контроля:
в 1895 году было открыто рентгеновское излучение, помогающее, в частности, определять наличие в конструкции металлических предметов – например, стальных креплений в толще дерева
в 1928 году на смену опасному для здоровья рентгену пришла ультразвуковая дефектоскопия
в 1958 году появился магнитографический метод неразрушающего обследования строительных конструкций
В современном мире технологии обследования и испытания объектов продолжают развиваться.
Для создания максимально точных трёхмерных моделей объектов теперь используют лазерные технологии. А сложные вычисления, которые раньше выполнялись вручную и требовали многократных проверок, теперь автоматизированы с помощью специальных компьютерных программ. Это позволяет свести к минимуму вероятность ошибок, связанных с человеческим фактором.
Однако всегда есть место для неучтённых факторов, поэтому в будущем будут появляться всё более совершенные технологии обследования и испытания строительных конструкций и зданий в целом.
Катастрофы, такие как обрушение Тейского моста в Великобритании в 1879 году, оказали значительное влияние на методы обследования сооружений. Мост, который был спроектирован с многократным запасом прочности по вертикали, не смог выдержать горизонтальные порывы ветра. Это событие заставило инженеров и архитекторов учитывать все возможные нагрузки при проектировании и обследовании конструкций.
Аналогично, обрушение Египетского моста в Санкт-Петербурге в 1905 году во время проезда конницы показало, насколько разрушительным может быть резонанс. Это событие помогло инженерам осознать важность учёта этого фактора при проектировании и обследовании конструкций.