В мире в среднем примерно раз в 3 недели происходит одна серьезная авария моста. Это немного, учитывая, что общее количество мостов можно оценить порядка 4 млн. Но жертвам таких инцидентов от этого не легче. Причины – разные, но ошибки при проектировании это от 10 до 20% таких аварий.
После аварии, разобраться в чем именно была ошибка не так уж просто, да и времени на это надо потратить немало. Информация закрыта, а по фотографиям в новостях много не скажешь. Фотографируют не то, и не так. И даже комиссии по расследованию аварий не могут получить полную информацию. Я много раз принимал участие в таких комиссиях. Участники аварии стараются максимально навести «тень на плетень», чтобы не признавать свою вину. Ведь виновный – платит, виновный пойдет под суд. А чтобы мост обрушился чаще всего недостаточно одной причины. Запасов в конструкции много, и много факторов которые могли бы удержать, спасти от окончательного падения. Но мост упал (я говорю именно о таких случаях, а ведь сколько мостов стоит, хотя есть ошибки и перегруз, но еще держится…). И выясняется, что эти накосячили, но и здесь не все ладно, и тут еще добавилось. И у всех что-нибудь да не так.
В отчетах об авариях никогда не пишут, что же все-таки явилось главной причиной. Перечисляют все нарушения, которые выявлены. Собственно, это и есть задача комиссии – выявить все нарушения. А вот что оказалось главным? Такой вывод вы не найдете.
Посмотреть такие отчеты почти невозможно у нас, но в США проводятся подробные расследования таких случаев, публикуются подробные отчеты. И я хочу рассказать об одном из таких ярких случаев именно ошибки при проектировании. Рассказать: «Почему? Как такое вообще могло быть?». Рассказать не для инженеров, а попроще. Без сложных деталей и терминов. (Я в ближайшие дни выпущу видео, где с формулами подробно разберу в чем ошибка, но здесь формул не будет, поэтому кому интересен именно инженерный анализ и что именно не получилось – смотрите видео)
15 марта 2018 года в Майами железобетонный строящийся пешеходный мост обрушился прямо на проезжую часть дороги внизу. Погибли 1 рабочий и 5 человек в автомобилях, проезжавших в этот момент под мостом. 10 человек травмированы, но остались живы.
Мост в законченном виде был бы очень похож на вантовую конструкцию.
Все фотографии из материалов отчета «Pedestrian Bridge Collapse Over SW 8th Street» National Transportation Safety Board» https://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Reports/HAR1902.pdf ).
Но, собственно, и красивый металлический пилон, и эти тонкие стальные трубы, это просто декорации, архитектурные изыски. Они практически не несут нагрузку. Крыша и плита прохожей части сделаны из железобетона и соединены наклонными элементами решетки (раскосами) и этого уже более чем достаточно. (Правда, оказалось, что можно даже и в таком случае обрушить конструкцию). Ну тут тоже надо понимать, что я говорю «вполне достаточно» в том смысле, что, достаточно чтобы правильно спроектировать. Но, конечно, всегда можно найти возможность засунуть такую «ложку дегтя», что конструкция развалится.
При строительстве, авторы проекта вполне резонно решили собрать ферму главного пролета сбоку, на площадке, а потом привезти и поставить ее на место. Собственно, дальше этой стадии строительство не прошло, так что и нет смысла обсуждать, что планировалось потом. Но все было логично и обычно.
Вообще – ферма это надежная и проверенная временем конструктивная форма. Обычно фермы делают из металла, но и железобетонные фермы тоже встречаются. Большое достоинство ферм в том, что их несложно рассчитать вручную. Последовательно, от узла к узлу уверенно получаются все необходимые усилия. Даже и калькулятор не обязателен (хотя, конечно, очень помогает, так как нужны синусы, косинусы, тангенсы и котангенсы разных углов. Раньше использовали «Таблицы Брадиса», логарифмические линейки, и перемножали «в столбик», но калькулятор – значительно удобнее). Именно поэтому Эйфелева башня, Бруклинский мост, Фортский мост и тд – это так или иначе несущие фермы. Точнее, не только поэтому и не только фермы, но это повод для совсем другого разговора. Сейчас важно только то, что определение усилий в ферме – это «азы» обучения инженера. Если вы не инженер, и вам кто-то проектирует мост, или даже дом, можете проверить с кем вы имеете дело. Не то чтобы «от зубов должно отскакивать», но и перелопачивать справочники и строить пространственную расчетную модель – не обязательно. Я в конце напишу немного формул и расчетов и можно дать посчитать результат своим проектировщикам. Если не смогут, ошибутся – на мой взгляд надо «гнать их в шею». А то ведь может получиться так же, как и с этим мостом.
На картинке видно, как он обвалился.
Как это происходило. Центральную часть привезли и поставили на место. Практически сразу пошли трещины в опорных узлах. Как раз в месте примыкания крайнего наклонного раскоса к нижней плите.
Тут все не сложно. Если вы попробуете взять, например, два коробка спичек и поставить их «домиком», то пока коробки наклонены не сильно – все хорошо, а вот если уменьшать наклон коробков – в какой-то момент трения о поверхность станет недостаточно, и коробки просто упадут. Собственно крайние раскосы фермы играют роль этих наклонных коробков. Чтобы ферма не сложилась, надо чтобы эти раскосы не могли разъехаться в стороны. Их удерживает нижняя плита прохода. Но, в месте примыкания раскоса к широкой нижней плите надо проверить, чтобы не срезало именно по нижнему краю раскоса (наклонного элемента фермы). Тем более, что раскосы изготавливали отдельно и как раз в примыкании к плите бетонировали стык. Усилие среза в этом стыке считается очень просто. (Понятно, что если прям очень точно считать – то можно и нужно составить расчетную модель, посчитать в специальной программе, но итоговый результат будет отличаться на 2-3 %. То есть получится в общем-то все то же самое, что и вручную).
Именно этот узел сразу стал ломаться (узел слева node 11/12 на рисунке). Не прошло и суток, как появились трещины. Но, включились запасы в конструкции. В этом узле еще есть вертикальная стойка, поддерживающая крышу, ее тоже нужно было сломать для полного обрушения, а она еще держалась. За сутки трещины быстро увеличивались. Но приехали проектировщики, посмотрели на трещины, сказали – «да ничего особо страшного, но давайте тут еще подправим…». Подправили и все и обрушилось.
Инженер, это не только обучение, это еще и призвание, талант. Диплом о том, что тебя учили, говорит только о том, что человек сдал экзамены. И больше – ни о чем. Диплом вовсе не говорит, что человек уже что-то может. Думаю, что так в любой профессии, но именно про инженеров – знаю точно.
Есть три категории инженеров. Есть «Хороший инженер». Их много. И он не только чему-то учился, но, главное, он понимает, как работает конструкция, понимает, что можно, что нельзя, что «в запас», а что, наоборот, даст перегруз. В том числе может понять – почему возникли трещины. Часто можно услышать «Бетона без трещин не бывает». Это в общем то правда. Но так называемые «силовые трещины», то есть трещины, возникшие из-за того, что конструкция уже ломается, уже не держит – надо отличать от усадочных, случайных и тому подобных неопасных трещин. Есть простые признаки – если ширина трещины более миллиметра и трещина глубокая, несколько сантиметров в глубину (это измеряют тонким металлическим щупом) – велики шансы, что это серьезная проблема. Но самое главное – если расположение трещин как раз соответствует тому, как должна ломаться конструкция от действующих в ней усилий – то это очень плохой признак. Это – проблема.
Есть еще категория «яркий инженер», или даже «очень талантливый инженер» ну или еще какие-то превосходные эпитеты. Но не о них речь.
А есть категория «слабый инженер». Он тоже учился, и даже может иметь какой-то опыт. И это ведь не приговор. Он вполне может быть силен в чем-то еще – в менеджменте, или он хороший организатор, или еще что-то. Но вот в понимании конструкции он, ну «не очень». И при проектировании ему ведь тоже можно найти свою задачу и пользу. Но вот если в коллективе только «слабые инженеры» - беда придет. Сразу или не сразу – это вопрос. По-всякому может быть. Тут или повезет, или нет. И вот не повезло на этом проекте моста.
Причем я бы сказал, что это вина руководства фирмы. Если пытаться вывернуть крестовый шуруп, например, ножом или даже шлицевой отверткой - виновата ли отвертка? Собрать такой коллектив «головотяпов», как я думаю, могло только руководство, которое и само-то мало понимает инженерное дело. И в целях экономии, или «наведения порядка», да мало ли еще лозунгов и задач… Конечно, в руководстве не обязательно должны быть только инженеры, да и чаще всего так и бывает. И это правильно. Хороший инженер и хороший руководитель – далеко не синонимы. И бюджетирование нужно, и порядок нужен. Но если руководитель сам не понимает – должен быть рядом кто-то кто все-таки понимает. И этого кого-то надо слушать в вопросах организации процесса проектирования. А если руководитель сам не понимает, но уверен, что ему и так понятно…
Проектировала мост компания FIGG Bridge Engineers. Ее создал «яркий инженер» Eugene Figg (или даже «очень талантливый»). Они спроектировали много выдающихся сооружений. Но он умер. Еще в 2002 году. Хозяином стала дочь. Я не могу говорить о инженерных качествах нового руководства. Я вообще не знаю – может быть она тоже прекрасный инженер. Не знаю.
Но я вижу другое – в отчете NTSB об аварии прямо написано «FIGG Bridge Engineers надо научить своих сотрудников» правильно проводить расчеты (правильно использовать повышающие и понижающие коэффициенты). Завуалировано так, дипломатично, сказано – ваших инженеров обратно в институт надо отдать. Их оттуда зря выпустили. Смысл в том, что при расчетах в проекте всегда мы предполагаем возможность, что нагрузку мы посчитали не точно, и она может оказаться выше, или ниже. Поэтому мы специально увеличиваем посчитанную нами нагрузку, умножая ее на коэффициент повышения (чаще всего на 10%, ну или даже на 25-30% для некоторых случаев), но вот если нагрузка наоборот помогает конструкции – мы должны предполагать, что она может оказаться и меньше. И мы в расчетах специально учитываем уменьшенную величину такой нагрузки, умножая ее на понижающий коэффициент (тоже чаще всего уменьшаем на 10%). Все это может быть немного сложно, но это тоже «азы». Это так же естественно для проектировщика, как то, что любую конструкцию надо рассчитать. Но вот как раз это не оказалось естественным для инженеров FIGG Bridge Engineers.
Правда, только этой ошибки еще даже и не хватило бы для аварии. Точнее, может быть, и хватило бы (там ошибка в итоге примерно на 20-30%), но не в момент монтажа, а потом, когда на мосту собралось бы много людей – вот тогда могло бы и обрушиться. И жертв уже было бы не 6 человек, а значительно больше. Но на монтаже – скорее всего еще не упало бы. Эта ошибка всего лишь доказывает, что инженеры «слабые». Что ошибки не случайность, а непонимание.
Команда «слабых инженеров» ведь и не такое может наворотить. И наворотила. Не вдаваясь в инженерные детали – определить усилие в ферме они не смогли. Ошибиться там сложно. Я уже сказал, что ферму можно рассчитать вручную. Компьютер даже и не обязателен. И усилие в узле несложно даже просто прикинуть в уме (я в ближайшие дни выпущу видео, где с формулами подробно разберу в чем ошибка, но здесь формул не будет, поэтому, кому интересно что именно не получилось – смотрите видео). Но, видимо, было некому и проверить. И в итоге узел соединения раскоса и нижней плиты пытались спроектировать на усилие практически вдвое меньше, чем нужно. Просто не знали, как правильно сосчитать усилие... Нельзя такие команды создавать, но вот создали. Погибших людей жалко.
Конечно, по итогам фирму FIGG Bridge Engineers лишили права проектировать на 10 лет. И это правильно. Это минимум. Наверное, еще и большие финансовые иски будут.
Правда, виновным в гибели людей, наверное, признают того, кто рассчитал?
А ваше мнение: «Кто виноват?» Можно проголосовать за ваш вариант ответа:
https://forms.yandex.ru/u/6921bdb09029029d77970077
Варианты ответа:
1. Случайная ошибка. У всех бывает. Никто не виноват. Это судьба.
2. Виноваты руководители. Надо думать, кому поручать рассчитывать ответственные конструкции. И должна быть система контроля.
3. У нас такого не бывает и быть не может. Все проверяет экспертиза и прокуратура.
4. Виноват ГИП. ГИП несет ответственность по закону. Нужно аттестовывать ГИПов в МинСтрое и все будет хорошо.
5. Виноваты все. И Руководители и ГИП и исполнитель. Всех под суд.
PS. Обещанные выше расчеты узла.
Вес блока фермы 950 т. Соответственно на каждый опорный узел опорная реакция:
Pc=950/2=475т.
С учетом коэффициента надежности 1,1:
Pc*kn=475*1,1=522,5т.
Соответственно усилие сжатия в раскосе:
N=522,5/sin (31,79 град) = 986т.
Сдвигающее усилие:
G=986*cos (31,79 град) = 836т. Это 1872 kips.
Почти в 2 раза выше, чем 978 kips по расчету FIGG.
Если усилие в раскосе по ошибке взято равным опорной реакции, то сдвигающее усилие получится:
G=522,5*cos (31,79 град) = 444,12т. Это 980 kips (978 в расчете FIGG).
Просто забыли поделить на sin (31,79 град).