Стратегия паутины, позволяющая строить мосты, устойчивые к катастрофам

26 марта 2024 года контейнеровоз размером с здание столкнулся с одним из двух пирсов острова Фрэнсис Скотт-Ки , и крупнейший мост в американском городе Балтимор рухнул. Удар судна обрушил это современное инженерное сооружение , гордость города, с его 2632 метрами стальной решётчатой ​​конструкции. Однако мост рухнул, как игрушка. Ежедневно по нему проезжало 33 000 автомобилей. К счастью, катастрофа, которая могла бы стать серьёзной, унесла жизни всего шести человек, но оставила после себя зияющую рану в городе, серьёзные экономические потери и проблемы со связью.

Можно ли было избежать обрушения, если бы конструкция была спроектирована более качественно? Испанское исследование, проведенное Политехническим университетом Валенсии и Университетом Виго, выявило шесть механизмов сопротивления, которые могут помочь проектировать более безопасные мосты и минимизировать ущерб в случае такого события, как в Балтиморе, землетрясения или любой другой катастрофы. Результаты исследования позволят дополнительно оптимизировать конструкцию без увеличения затрат или расхода материалов. Подробности этой работы опубликованы во вторник в журнале Nature.

Наблюдая за работой пауков и плетущимися ими структурами, они показали, что подобно тому, как эти членистоногие адаптируются и продолжают ловить добычу после повреждения своей паутины, мосты со стальными фермами способны выдерживать даже большие нагрузки, чем те, которые они могли бы выдержать в состоянии повреждения.

Сравнение с паутиной возникло случайно, рассказал ABC Хосе М. Адам, исследователь из Политехнического университета Валенсии и ведущий автор исследования. «Пока мы писали статью, мы наткнулись на другое исследование, также опубликованное в журнале Nature, о прочности паутины. Мы обнаружили несколько общих черт с прочностью стальных ферменных мостов», — объясняет он.

Подобно паутине, эти мосты состоят из множества линейных элементов, соединённых друг с другом, и функция вышедшего из строя элемента определяет влияние на целостность конструкции в целом. Как в конструкции, сотканной пауками, так и в этих инженерных сооружениях, «при выходе из строя одного элемента существует исключительная способность передавать нагрузку на другие, так что конструкция может продолжать выдерживать аналогичные нагрузки, как будто ничего не произошло. Даже при выходе из строя априори критического элемента можно избежать обрушения/разрушения», — объясняет Адам.

Его исследования были сосредоточены на инженерных сооружениях, спроектированных с использованием стальных ферм, таких как Балтиморский мост . Было известно, что такие конструкции более устойчивы к ударам и другим катастрофическим событиям, но было неясно, почему в некоторых случаях повреждения распространяются непропорционально сильно, а в других практически не влияют на функциональность моста.

Ответ кроется в шести скрытых механизмах сопротивления, выявленных инженерами из Валенсии и Виго. «Как и в случае с паутиной, если мост способен активировать эти механизмы, разрушение одного элемента не распространяется на весь мост. Однако, если ни один из этих механизмов не активируется, обрушение почти наверняка произойдёт», — говорит исследователь из Политехнического университета Валенсии.

Чтобы определить шесть ключевых факторов, обеспечивающих повышенную безопасность, испанские исследователи построили в своей лаборатории масштабную модель реального пролёта моста, вызывая разрушения в определённых зонах. Они разработали конструкцию, состоящую из треугольных балок, в которой все стержни работают на растяжение или сжатие. Они постепенно исключали стержни, пока не определили шесть различных способов, которыми оставшиеся стержни моста способны выдерживать нагрузки, которым он подвергается.

Это показало, как конструкция меняет своё поведение, превращаясь из балки, поддерживаемой двумя опорами, в деформирующуюся конструкцию, чтобы продолжать передавать нагрузки на опоры, не разрушаясь. «На мой взгляд, это самый большой вклад статьи», — рассказал SMC Хосе Лопес Села, профессор прикладной механики и проектной инженерии Университета Кастилья-Ла-Манча.

Села, не участвовавший в данном исследовании, выражает сомнения относительно того, как оно поведёт себя в условиях реальной катастрофы. «Локальные сбои в лабораторных условиях легко вызвать (просто перерезав рассматриваемый стержень); сложно представить, как они могут проявиться в реальной конструкции. Однако эти соображения не умаляют интереса, качества и научной строгости» исследования, настаивает он.

Адам утверждает: «Результаты полностью применимы к реальным мостам. Более того, нас вдохновил мост в провинции Аликанте. Мы применили законы подобия, что делает результаты непосредственно применимыми к реальности».

Исследователи, проводившие это исследование, полагают, что их результаты не только позволят строить более безопасные мосты, но и помогут укрепить существующие конструкции при продлении срока их службы. В период с конца XIX века до первой трети XX века было построено множество стальных мостов со стержневыми фермами , и многие из них эксплуатируются в настоящее время, особенно железнодорожные. «Наша работа поможет разработать рекомендации по их осмотру и ремонту, что будет способствовать сохранению ценного наследия гражданского строительства», — утверждает валенсийский инженер.

Однако обрушение Балтиморского моста, казалось, было невозможно предотвратить. Против тарана судна такого размера мало что можно было сделать. Адам считает, что отсутствие защиты опор было главным уязвимым местом инфраструктуры, приведшим к крушению грузового судна. «Наша работа неприменима напрямую к американской инфраструктуре, поскольку проблема с этим мостом была гораздо более серьёзной, и столкновение почти наверняка привело к обрушению». Однако она применима к другим ситуациям, закончившимся трагедией и ставшим частью нашей недавней истории, например, к Миннеаполису и Маунт-Вернону.