Развитие методов обследования зданий и сооружений и оценки технического состояния конструкций

Одним из самых первых ученых в области строительства считается Гермоген, живший в Греции в II—III вв. до нашей эры (н.э.). В III в. до н.э. Архимед заложил основы статики. Первые упоминания, связанные с изучением свойств материалов, содержатся в работах Леонардо да Винчи (1452— 1519). В заметке «Испытания сопротивления железных проволок разных длин» приведен эскиз установки, содержащей элемент обратной связи. К растянутой проволоке была присоединена емкость, заполняемая песком. При обрыве проволоки отключалось питающее устройство. Им было предложено неоднократно проводить испытания на разрыв. Одновременно были проведены исследования на разных длинах проволок. Леонардо да Винчи впервые исследовал влияние величины пролета изгибаемых балок на их несущую способность.
Большой вклад в науку о прочности конструкций внес Галилео Галилей (1564—1642). В изданной в 1638 г. книге «Беседы и математические доказательства, касаюшиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» автор указал, что при возведении геометрически подобных сооружений по мере увеличения их абсолютных размеров они будут становиться все более слабыми. Он установил, что прочность бруса пропорциональна площади его поперечного сечения и не зависит от длины. Г. Галилей впервые подошел к оценке несущей способности конструкций с позиции предельных состояний. Было установлено, что изгибающий момент от собственного веса балки возрастает пропорционально квадрату ее длины, экспериментально подтверждено влияние геометрических размеров бруса на его несущую способность.
Через 46 лет в 1684 г. Г.В. Лейбниц (1646—1716), развивая теорию Г. Галилея, доказал, что напряжение в балке распределяется по треугольному закону.
Существенный вклад в науку о сопротивлении материалов внес Р. Гук (1653—1703), установивший линейную зависимость между упругой деформацией твердого тела и приложенным механическим напряжением. Им сформулирован закон связи силы и перемещения при работе материала, теоретически установлен тот факт, что в консольной балке при приложении на ее конце сосредоточенной силы, направленной вниз, верхние волокна растягиваются, а нижние сжимаются. Впервые установлено, что упругие тела возвращаются в первоначальное состояние после снятия нагрузки.
Э. Мариотт (1620—1684) экспериментально исследовал последствия удара, поведение балок при изгибе, изобрел баллистический маятник, создал первые установки для испытания материалов на растяжение.
В 1713 г. Паран пришел к теоретическому выводу, что в балке возникают растягивающие и сжимающие усилия.
Д. Бернулли (1700—1782) впервые описал результаты опытов, связанных с экспериментальным установлением частот и форм колебаний стержней.
Одну из первых лабораторий для испытаний металлов создал Реамюр. Она была оснащена испытательной машиной, специально разработанной для этой цели. В 1722 г. он описал методику выполнения механических испытаний металлов. Этот год считается началом проведения механических испытаний металлов.
В 1767 г. Дюгамель выполнял опыты с деревянными балочками. В одних образцах в верхней части до середины их высоты он сделал прорези и заложил их деревянными прокладками. Другие образцы были без прорези. В таком виде он нагружал те и другие образцы, доводя их до разрушения. Несущая способность балочек оказалась одинаковой. Из этого был сделан вывод, что в балках имеются растянутая и сжатая зоны. Если бы возникали только растягиваюшие напряжения, то прокладки выпали, а несущая способность образцов была бы разной.
Ш.О. Кулон (1736—1806) проводил опыты, связанные с изучением прочности песчаника, исследовал сжатие призм, изучая крутильные колебания.
П. Ван-Мусшенбрук (1784—1761) предложил ряд машин для проведения испытаний на растяжение, сжатие и изгиб.
Многочисленные опыты по изучению изгиба деревянных балок были проведены Ф. Дюпеном (1784—1873).
А. Дюло в начале XIX в. провел обширные испытания железных конструкций, в том числе на продольный изгиб. Он начал работу по изучению составных и двутавровых балок.
Т. Юнг (1773—1829) опытным путем установил изменение поперечных размеров образцов при сжатии материала, уточнил область применения закона Гука, ставил эксперименты по удару.
Г. Ламе (1795—1870) сконструировал испытательную машину для создания нагрузки с использованием гидравлического пресса.
Опыты по выявлению характера колебания пластин впервые были проведены Е. Хладии (1756—1827).
В первой половине XIX в. У. Фейрбейрном была сконструирована испытательная машина, позволившая ему совместно с И. Ходкинсоином проводить испытания чугунных образцов на сжатие, растяжение и изгиб, а также изучать прочность пластин из кованого железа и заклепочные соединения из таких пластин.
Ю. Вейсбах (1806—1871) во Фрейбургской горной академии организовал механическую лабораторию для испытаний материалов на статические и динамические воздействия. В 1821 г., через 163 года после работ Галилея, А. Навье (1785— 1836) доказал, что в изгибаемых элементах нейтральная ось проходит через центр тяжести поперечного сечения.
Проблему усталости материалов впервые поставил Ж. В. Понселс (1788—1867). Г. Джемсом и Д. Гальтоном была предложена машина для испытаний на выносливость.
А. Веллер (1819—1914) исследовал усталость материалов, предложил прибор для статических испытаний на изгиб.
Круг научных интересов В. Вертгейма (1815—1861) был необычайно широк. Он изучал влияние температурных условий на значение модуля упругости стали, проводил испытания стекла, дерева для определения значения коэффициента Пуассона, заложил основы для создания методов фотоупругости. В дальнейшем в этом направлении работали Ф. Нейман, Д. Брьюстер, О.Ж Френель, Д. К. Максвелл (1831—1879). В работах Максвелла впервые была разработана техника оптического анализа напряжений в поляризованном свете.
В последней трети XIX в организуется сеть специализированных лабораторий для испытания материалов и конструкций, разрабатываются новые типы испытательных машин и измерительной аппаратуры. Л. Вердер в 1875 г. создает машину, развивающую усилие 1000 кН; начинают использоваться гидравлические прессы Амслера-Лаффоне. Изучением устойчивости упругих систем занимались И. Баушингер, Л. Тетмайер и др.
Г.Р. Герц (1857—1894) изучал сжатие упругих тел, проводил опыты по взаимодействию соударяющихся тел.
В начале XX в. получают развитие теории разрушения хрупких материалов (А А. Гриффите, В. Вайбулл и др.), пластического деформирования материалов (Л. Прандтль, А. Надаи и др.), ползучести материалов при высоких температурах.
Значительный вклад в развитие экспериментального моделирования конструкций внес И. П. Кулибин (1735—1818). Для обоснования одного из своих проектов арочного моста пролетом 298,6 м он построил его физическую модель в масштабе 1:10 натуральной величины. После испытаний модель многие годы перекрывала один из каналов в Таврическом саду Петербурга. В 1808 г. в Петербурге создается Институт инженеров путей сообщения, в стенах которого трудились Г. Ламе и Ю.П. Клапейрон. Г. Ламе сконструировал испытательную машину для изучения механических свойств железа.
В 1823 г. на механическом заводе была изготовлена самая мощная в Европе цепепробная машина для испытания цепей висячих мостов с разрывным усилием до 60 т.
Д.И. Журавский (1821—1891) изучал распределение касательных напряжений в сплошных и составных деревянных балках, исследовал работу балок коробчатого типа. В 1855 г. он предложил знаменитую формулу для вычисления касательных напряжений в балках. В 1847 г. при Лондонском университете Годкинсоном (1789— 1861) была создана первая механическая лаборатория, которая занималась испытанием строительных материалов. В России в 1853 г. П.И. Собко при Петербургском институте путей сообщения организовал механическую лабораторию.
В области изучения упругости А.Т. Купфер (1799—1865) — первый директор Центральной лаборатории весов и мер России — исследовал значение модуля сдвига, изучал крутильные колебания, влияние температуры на модуль упругости, провел многочисленные работы по изучению изгиба и колебаний балок.
М.Ф. Окатов (1829—1901) провел обстоятельные исследования коэффициента Пуассона. Н.А. Белелюбский (1845—1922) предложил ввести в практику испытания материалов единые международные технические условия.
На основании анализа разрушения пролетных строений мостов с ездой понизу, не имеющих ветровых горизонтальных связей по верхнему поясу, Ф.С. Ясинский (1856—1899) разработал расчетную схему.
Первые испытания железобетонных конструкций (плит и арок) были проведены в 1886 г. немецкой строительной фирмой «ВАЙС». В тот же год в России первые испытания железобетонных конструкций проводились при строительстве Московской бойни. В 1891 г. Н.А. Белелюбский в значительном объеме провел испытания железобетонных плит, арок, труб, цилиндрических резервуаров.
ВЛ. Каприевич (1845—1913) исследовал усталостную прочность материалов. В его работах рассматривались актуальные проблемы: теория подобия, оптическое изучение деформаций. Опыты по изучению скольжения грунта при передаче нагрузки через жесткий штамп выполнялись В.И. Курдюмовым (1853— 1904).
В 1918 г. был организован Научно-экспериментальный институт путей сообщения, возглавляемый Н.С. Стрелецким. В стенах института работали многие известные ученые, определившие развитие теории и практики обследования зданий и сооружений. А Г. Гагарин сконструировал пресс для испытания материалов. Н.Н. Максимов создал прогибомер, позволяющий измерять перемещение точек сооружений, расположенных на большой высоте. И.М. Рабинович развивал методы изучения воздействия динамических нагрузок на пролетные строения мостов. Г А Николаев основал школу сварки. Исследования прочности материалов и воздействий кратковременных импульсных нагрузок на сооружения проводил М.М. Филоненко-Бородач. Ю А. Нилендер разработал методику испытания плотины ДнепроГЭС. Своими трудами он оказал существенное влияние на развитие теории неразрушающих методов.
Значительный вклад в развитие методов и средств обследования зданий и сооружений и их строительных конструкций внесли И.Л. Корчинский, К.И. Безухов, Н.Н. Аистов, Н.А. Крылова, К.А. Глуховский, М.А. Новгородский, Р.И. Аронов, Д.Е. Долидзе, В.М. Сердюкова, A.Г. Григоренко, Л.И. Кривилева, Г.Я. Почтовик, А.И. Яковлев, Ю.Д. Золотухин, Г.Л. Хесин и др. Оригинальные измерительные приборы созданы Н.Н. Аистовым, И.А. Физделем, К.П. Кашкаровым, И.С. Вайнштоком, И.В. Вольфом, A.M. Емельяновым, В.Ф. Смотровым, В.А. Воробьевым, О.Ю. Саммалом, В.З. Хейфицем.
Неразрушаюший контроль производства и качества железобетонных изделий получил развитие в работах А.И. Буркаса, Д.А. Коршунова, З.М. Брейтмана, В.П. Глуховского, A.M. Полищука, Л.Г. Родэ, И.Э. Школьника, В.В. Судакова, Б.Б. Ужполявичюса.
Анализ последствий аварий и катастроф до настоящего времени не имеет строгой классификации. Тем не менее в работах B. З. Власова, Ф.Д. Дмитриева, Б.И. Беляева, B.C. Корниенко, М.Н. Лащенко, К.М. Сахиовского, А.М. Титова, А.Н. Шкинева. Ф.С. Ясинского, Б.В. Остроумова, Б.В. Сендерова, В.И. Каракозовой, В.Г. Золотухина выполнены обобщение, анализ аварий, теоретические исследования, моделирование, и разрабатывались практические рекомендации по их предотвращению.
Развитию методов теории надежности в строительстве способствовали труды ученых В.В. Болотина, А.Р. Ржаницына, С А. Тимашева, Б.М. Колотилкина, А.Г. Ройтмана. В Д. Райзера и др. Практика показывает, что при оценке состояния, работы и обследованию зданий и сооружений необходимо учитывать:

• условность статических расчетных схем и возможные отклонения вычисленных по ним усилий от действительного распределения их в конструкциях сооружений;
• условность применяемых расчетных характеристик материалов;
• возможные отклонения нагрузок от расчетных значений;
• случайный характер фактического влияния внешней среды.

Оценить влияние всего комплекса перечисленных факторов теоретическим путем часто бывает невозможно. В связи с этим особую значимость приобретают экспериментальные исследования материалов и конструкций зданий и сооружений.
Таким образом, вопросы развития методов определения технического состояния конструкций и обследования зданий и сооружений не теряют своей актуальности, оставаясь достоверным способом оценки допущений, принимаемых в расчетах, влияющих на надежность зданий и сооружений.