Вот уже сутки как в Киеве словосочетание «усталость моста» приобрело статус интернет- мема. Причиной этому стали слова киевского градоначальника о причинах обрушения мостового путепровода на Шулявке. Но действительно ли у нас есть повод шутить на эту тему, и все ли знают, что такое усталость материалов?
Усталость материала – это физическое явление разрушения в результате накопления в нем повреждений, чаще всего, микротрещин, которые образуются в процессе воздействия нагрузок на материал. Например, чтобы разломать медную проволоку вам придется ее несколько раз согнуть. В данном случае проволока ломается, потому что от ваших небольших воздействий на нее материал устает.
Все элементы любых конструкций и машин на протяжении эксплуатации подвергаются воздействию таких неравномерных нагрузок. И прочность каждого из материалов зависит не только от способности выдержать разовую максимальную нагрузку, но и от его умения сопротивляться многократно повторяющимся малым нагрузкам. То есть, прочность материала – это совокупность данных способностей.
История возникновения понятия
Вообще, о таком физическом явлении, как усталость материалов, человечество впервые задумалось где-то в первой трети 19-го века. Некоторые инженеры заметили, что оси колес дилижансов периодически ломаются в моменты не самых больших нагрузок на транспортное средство. Изучив этот странный казус, первый раз понятие «усталость материала» прозвучало в 1829 году в работе французского профессора–математика Жана-Виктора Понселе, к которому, разумеется, тогда никто особо не прислушался. Все же усталость было понятием, применяемым исключительно к живому организму, тогда как металлические конструкции являются неодушевленными предметами.
Но с развитием железнодорожного транспорта, который в 19 веке был одним из главных способов перевозки грузов и пассажиров, довольно быстро стало ясно, что вагонные и паровозные оси подвергаются постоянному воздействию нагрузок, и их выход из строя приводит к масштабным авариям и катастрофам.
Первое серьезное изучение усталости металлов провел немецкий химик Фридрих Веллер, в 1876 опубликовав свои результаты исследований. Именно он является автором кривой Веллера – графика, до сих пор используемого, как основной критерий определения выносливости материала.
Но прежде чем, явление усталости конструкций прочно вошло в обиход инженеров-проектировщиков, случилось множество техногенных катастроф. За период с 1886 по 1937 годы по всему миру произошли страшные обрушения нескольких мостов, крушения кораблей и иных клепаных конструкций, в результате которых погибали тысячи людей.
И лишь где-то к середине 20 века инженеры поняли, что усталость материалов – это одно из базовых явлений, которое следует учитывать при проектировании воздушных и морских суден, построении машин, поездов, мостовых и крановых конструкций. Тогда, чтобы предотвратить появление трещин усталости на смену клепаным соединениям пришла сварка. Однако, она по сути, стала еще большим «провокатором усталости» материалов, сделав создаваемые конструкции практически непрерывными, а значит, принимающими на себя большие нагрузки.
Одним из первых зарегистрированных разрушений большой сварной конструкции было падение цельносварного моста через канал Принца Альберта в Бельгии в 1938 году. Во время второй мировой войны фиксировались массовые разрушения корпусов военных судов. К примеру, из 2710 построенных американцами пароходов типа «Либерти», корпуса которых создавались с помощью сварки, 145 были серьезно повреждены усталостным разрушением, а несколько судов буквально переломились надвое в море.
Регулярные аварии происходили и на нефтегазовых предприятиях, у которых необратимо повреждались цистерны для хранения. В 1962 году из-за усталости материалов разрушился мост в Мельбурне, несколько сварных мостов упало в США, России и Канаде. А уже в 60-х годах прошлого века из-за нее произошли аварии английских пассажирских самолетов «Comet».
В 2002 году усталость судового корпуса стала причиной ужасной катастрофы, произошедшей с танкером “Prestige”, который переломился надвое в Бискайском заливе, вылив в море тонны нефти.
Особенно временной усталости подвержены металлы. Поначалу в металлических конструкциях появляются невидимые микротрещины, которые под действием нагрузок со временем становятся все больше. Такую усталость уже становится видно невооруженным глазом, а значит, предотвратить разрушение конструкции возможно путем простого обследования.
Однако значение этих стадий в инженерном деле в разных отраслях техники различно. Так, к примеру, развитие трещины в оболочке фюзеляжа самолета или коленчатого вала автомобильного двигателя может протекать очень быстро, буквально мгновенно приведя к аварии. А вот в конструкциях морских сооружений часто даже довольно большие трещины могут не представлять немедленной угрозы.
Поэтому процесс усталости материалов инженеры обычно делят на две фазы:
- инкубационную - до появления макроскопических трещин;
- фазу развития макротрещин, которая всегда завершается разрушением конструкции или детали.
И если вернуться к обрушению моста на Шулявке в Киеве, то на самом деле этот мост действительно устал. Вот только усталость такой конструкции – это состояние, которое длительное время накапливалось, и при должном обследовании не могло быть не замеченным специалистами. А значит, можно сделать вывод, что за ним никто не наблюдал. При испытываемых данным путепроводом ежедневных постоянных нагрузках он еще довольно долго продержался. Вероятнее всего, с пожарами секонд хэнда, случившимися под ним в 2006-2007 годах у данного моста закончилась инкубационная фаза, и началась фаза развития макротрещин, что, по сути, уже является состоянием аварийности моста. То есть, в дальнейшем его обрушение было лишь вопросом времени. Этот мост следовало тогда серьезно реконструировать. Так что, слава Богу, что его обрушение обошлось без жертв.
