Как структурное увольнение предотвращает неудачи

Структурное резервирование является одной из наиболее важных концепций в современной инженерии и архитектуре, служащей фундаментальной защитой от катастрофических сбоев в конструкциях, начиная от мостов и зданий до самолетов и космических аппаратов. Включая несколько путей для распределения нагрузки и резервных систем, избыточность гарантирует, что если один компонент выходит из строя, общая структура все еще может поддерживать свою целостность и продолжать функционировать безопасно. Это всеобъемлющее руководство исследует принципы структурного резервирования, его различные приложения в различных инженерных дисциплинах, реальные примеры его важности и проблемы, с которыми сталкиваются инженеры при внедрении избыточных систем.

Понимание структурной избыточности

Структурное резервирование является фундаментальным принципом в инженерии, который обеспечивает стабильность зданий и инфраструктуры, несмотря на неожиданные сбои. Концепция предполагает включение дополнительных элементов или систем в структуру, которая может взять на себя нагрузку, если первичный компонент выходит из строя. Эта философия проектирования имеет важное значение в различных областях, включая гражданское строительство, аэрокосмическую технику, машиностроение и даже программные системы. Излишние системы обеспечивают альтернативные пути нагрузки, позволяя структурам перераспределять силы, если один или несколько элементов выходят из строя.

В инженерной и системной теории избыточность — это намеренное дублирование критических компонентов или функций системы с целью повышения надежности системы, обычно в виде резервного копирования или отказоустойчивости. Основополагающий принцип прост, но силен: структуры не должны зависеть от одного элемента для их устойчивости. Вместо этого они должны иметь несколько способов нести нагрузки и поддерживать структурную целостность даже при возникновении повреждений.

Этот принцип необходим при проектировании устойчивых конструкций, способных противостоять различным опасностям, таким как землетрясения, взрывы и случайные перегрузки.Без избыточности структуры становятся уязвимыми для прогрессирующего коллапса, когда отказ одного компонента вызывает цепную реакцию, ведущую к полному отказу конструкции.

Понятие трещино-критических структур

Чтобы в полной мере оценить важность избыточности, необходимо понять ее противоположность. Структура без избыточности называется переломно-критической, то есть один сломанный компонент может вызвать обрушение всей структуры. Мосты, которые потерпели неудачу из-за отсутствия избыточности, включают Серебряный мост и мост между штатами 5 через реку Скагит. Эти трагические неудачи сформировали современные инженерные практики и строительные нормы, подчеркивая критическую необходимость избыточного проектирования.

Внезапный обвал Серебряного моста в 1967 году продемонстрировал, что отказ одного члена может привести к отказу всего моста.Это бедствие привело к значительным изменениям в подходе инженеров к проектированию конструкций, особенно для мостов и другой критической инфраструктуры.

Основные принципы структурного увольнения

Структурное резервирование основано на нескольких фундаментальных принципах, которые работают вместе для повышения безопасности и надежности конструкций:

• Увольнение по траектории нагрузки: Увольнение по траектории нагрузки включает в себя проектирование структур с несколькими путями для передачи силы, обеспечение существования альтернативных маршрутов, если один компонент выходит из строя.Это, пожалуй, наиболее распространенная форма увольнения, когда параллельные структурные элементы, такие как балки, балки или фермы, могут разделять нагрузки и компенсировать отказ друг друга.
• Структурное избыточность: Член считается структурно избыточным, если его граничные условия или опоры таковы, что отказ члена просто изменяет границу или условия поддержки, но не приводит к разрушению надстройки.
• Внутренняя избыточность: Внутренняя избыточность — это когда структурный компонент имеет альтернативные и достаточные пути нагрузки, существующие внутри самого компонента. Например, клепаное соединение стальных компонентов считается внутренне избыточным, если оно имеет несколько слоёв.
• Материальное избыточное количество: Материальное избыточное количество включает в себя более прочные или дополнительные материалы для повышения устойчивости. Этот подход включает использование материалов с более высокой прочностью или прочностью, чем строго необходимо для нормальных условий эксплуатации.
• Геометрическое избыточность: Геометрическое избыточность оптимизирует расположение структурных элементов для поддержания стабильности, несмотря на локализованное повреждение. Пространственное расположение структурных компонентов может создавать присущую избыточность за счет трехмерного распределения нагрузки.

Типы избыточности: пассивный против активного

Увольнение можно разделить на две основные операционные категории:

Пассивное резервирование использует избыточную емкость для уменьшения воздействия отказов компонентов. Одной из распространенных форм пассивного резервирования является дополнительная прочность кабелей и распорок, используемых в мостах. Операционное резервирование работает в тандеме с остальной частью системы и не требует каких-либо действий для активации во время сбоя, поскольку оно уже работает.

Активное резервирование, с другой стороны, включает в себя системы, которые могут обнаруживать сбои и динамически перераспределять нагрузки. Распределение электроэнергии является примером активного резервирования. Несколько линий электропередач соединяют каждый объект генерации с клиентами. Каждая линия электропередачи включает в себя мониторы, которые обнаруживают перегрузку. При обнаружении проблемы система автоматически настраивается на поддержание функциональности.

Похожие vs. Несходная избыточность

В отличие от традиционного избыточного числа, которое использует более одного и того же, несхожий избыточный состав использует разные вещи. Идея заключается в том, что разные вещи вряд ли будут содержать одинаковые недостатки. Эта концепция особенно важна в сложных системах, где отказы в обычном режиме могут влиять на несколько идентичных компонентов одновременно.

Несходная избыточность означает, что избыточная функция не идентична функции, которую она поддерживает, но имеет ту же функцию. Примером несходной избыточной функции является наличие вторичного компьютера управления полетом на самолете, использующего различное оборудование и программное обеспечение от основного компьютера. Таким образом, если сбой вызван аппаратным или программным обеспечением, маловероятно, что оба компьютера потерпят неудачу одновременно.

Применение структурного избыточного персонала в инженерных дисциплинах

Структурное избыточность находит применение практически в каждой инженерной дисциплине, при этом каждая область адаптирует принципы для удовлетворения своих уникальных требований и задач.Основная цель остается неизменной: повысить безопасность, надежность и устойчивость к неожиданным событиям.

Гражданское строительство и инфраструктура

В гражданском строительстве избыточность жизненно важна для безопасности мостов, зданий и другой инфраструктуры.Проектирование этих сооружений должно учитывать различные потенциальные режимы отказа и обеспечивать альтернативные пути нагрузки для предотвращения катастрофического обрушения.

Дизайн моста и увольнение

Мосты представляют собой одно из наиболее важных применений структурного избыточного числа. Федеральное управление автомобильных дорог (FHWA, 2012) тщательно проанализировало три типа структурного избыточного числа мостов: нагрузочный путь, структурный и внутренний избыточный состав. Член считается нагрузочным резервным, если определен альтернативный и достаточный путь нагрузки: это относится, например, к параллельным балкам.

Многие мосты спроектированы с несколькими несущими элементами, такими как балки, балки и фермы, которые могут делить нагрузку. Если один элемент становится скомпрометированным из-за коррозии, усталости или повреждения от удара, другие могут компенсировать, предотвращая коллапс. Бетонные мосты имеют преимущество владения в различной степени всеми тремя типами избыточности. Структурная неопределённость, избыточность пути нагрузки и внутреннее избыточность служат тремя слоями защиты бетонных мостов. Эти избыточности приводят к наличию альтернативных путей нагрузки и дают бетонным мостам различные линии защиты, если они подвергаются экстремальным условиям загрузки в течение срока службы.

Увольнение по траектории нагрузки основано на количестве основных поддерживающих элементов между точками поддержки, обычно параллельными, такими как балки или фермы.Многополосные мосты обычно имеют более высокую избыточность, чем двухполосные мосты, поскольку отказ одной балки в многополосной системе может быть компенсирован оставшимися балками.

Строительные структуры

В проектировании зданий избыточность играет решающую роль в предотвращении прогрессирующего коллапса Прогрессивный коллапс происходит, когда отказ одного структурного элемента вызывает цепную реакцию, которая приводит к сбою всей системы Современные строительные нормы требуют, чтобы структуры имели достаточную избыточность, чтобы выдержать потерю одной колонны или другого критического элемента, не испытывая непропорционального коллапса.

Излишние конструкции содержат несколько путей нагрузки, которые позволяют силам перераспределяться, если элемент повреждается.Это достигается за счёт непрерывного обрамления, моментально-сопротивляющихся соединений и стратегического размещения структурных элементов для создания надёжной трёхмерной системы.

Для получения дополнительной информации о принципах структурного проектирования посетите веб-сайт Американского общества инженеров-строителей, который предоставляет обширные ресурсы по стандартам и передовым практикам структурного проектирования.

Аэрокосмическая инженерия

Аэрокосмические конструкции широко используют избыточность для обеспечения безопасности во время полета, где отказ не является вариантом.Последствия структурного отказа в самолетах катастрофические, что делает избыточность не просто желательной, но абсолютно необходимой.

Во многих системах, имеющих критически важное значение для безопасности, таких как проводные и гидравлические системы в самолетах, некоторые части системы управления могут быть трехкратными, что формально называется тройным модульным резервированием (TMR). Ошибка в одном компоненте может затем быть отклонена двумя другими. Эта система голосования гарантирует, что один отказ компонента не ставит под угрозу всю систему.

Критические системы самолётов часто имеют резервные компоненты, которые могут взять на себя при отказе первичных систем. Гидравлические системы, электрические системы, компьютеры управления полётом и даже конструктивные пути нагрузки спроектированы с избыточностью. Это позволяет продолжать безопасную работу даже в том случае, если первичная система испытывает сбой, обеспечивая безопасность пассажиров и экипажа.

В тройной избыточной системе система имеет три подкомпонента, все три из которых должны выйти из строя до того, как система выйдет из строя.Вероятность того, что все три независимые системы потерпят неудачу одновременно, крайне низка, обеспечивая исключительный уровень безопасности.

Машиностроение

Механические системы, включая машины, транспортные средства и промышленное оборудование, также значительно выигрывают от структурного резервирования.Принципы применяются для обеспечения непрерывной работы и безопасности даже при отказе отдельных компонентов.

Например, транспортные средства обычно имеют несколько тормозных систем. Если первичная гидравлическая тормозная система выходит из строя, вторичная система, такая как стояночный тормоз или аварийный тормоз, все еще может эффективно функционировать, предотвращая несчастные случаи. Аналогичным образом, критически важные машины в промышленных условиях часто имеют резервные системы для питания, охлаждения и управления, чтобы предотвратить дорогостоящие простои и опасности безопасности.

В сосудах под давлением и трубопроводных системах избыточность достигается за счет нескольких предохранительных клапанов, систем резервного контроля давления и альтернативных путей потока.Эти избыточные функции предотвращают катастрофические сбои, которые могут привести к взрывам, утечкам или другим опасным ситуациям.

Электрические и энергетические системы

Системы распределения электроэнергии дают отличные примеры как активного, так и пассивного избыточного питания. Сочетание линий электропередач обеспечивает избыточную мощность. Выключатели отключают линию электропередач при обнаружении мониторами перегрузки. Мощность перераспределяется по остальным линиям.

В аэропорту Торонто 4 резервных электрических линии. Каждая из 4 линий обеспечивает достаточное количество энергии для всего аэропорта. Этот уровень резервирования гарантирует, что критически важные объекты могут продолжать работать, даже если несколько линий электропередач выходят из строя одновременно.

Важность структурного увольнения

Важность структурного избыточного использования не может быть переоценена, особенно в эпоху, когда структуры сталкиваются с растущими проблемами в результате стихийных бедствий, стареющей инфраструктуры и меняющихся моделей использования.

Снижение рисков и повышение безопасности

Без избыточности отказ одного компонента может привести к прогрессивному коллапсу, ставя под угрозу жизни и имущество.Увольнение снижает риск катастрофических сбоев, предоставляя альтернативные пути нагрузки и системы резервного копирования, которые могут поддерживать структурную целостность даже при отказе первичных элементов.

Поэтому избыточность снижает риск отказа и увеличивает фактор безопасности.Это увеличение запаса прочности особенно важно для структур, которые выполняют критически важные функции или вмещают большое количество людей, таких как больницы, школы, стадионы и транспортная инфраструктура.

Увольнение обеспечивает дополнительную прочность и предотвращает катастрофические сбои в экстремальных условиях. Эти экстремальные условия могут включать землетрясения, ураганы, взрывы, столкновения с транспортными средствами или другие непредвиденные события, которые могут повредить структурные элементы.

Структурное долголетие и долговечность

Излишние конструкции часто приводят к более долговечным конструкциям, поскольку они могут лучше справляться с износом с течением времени. По мере старения конструкций отдельные компоненты могут ухудшаться из-за коррозии, усталости или воздействия окружающей среды. В избыточной системе это постепенное разрушение не сразу ставит под угрозу общую структурную целостность.

Этот принцип гарантирует, что локальные сбои не вызывают полного структурного коллапса.Строение может продолжать безопасно функционировать, пока ремонт планируется и выполняется, а не требует немедленного закрытия или сталкивается с катастрофическим сбоем.

Экономические соображения

Хотя увеличение избыточности может увеличить первоначальные затраты на строительство, это может обеспечить значительные долгосрочные экономические выгоды. Стоимость структурного сбоя, включая потерю жизни, повреждение имущества, прерывание бизнеса и юридическую ответственность, намного превышает дополнительные инвестиции в избыточный дизайн.

Излишние структуры также обеспечивают экономические преимущества за счет сокращения потребностей в техническом обслуживании и продления срока службы. Когда один элемент требует ремонта или замены, структура часто может оставаться в эксплуатации, сводя к минимуму разрушения и экономические потери. Это особенно ценно для критически важной инфраструктуры, такой как мосты, где закрытие может вызвать значительные экономические последствия для общин.

Устойчивость к непредвиденным событиям

Избыточность структуры относится к степени деградации, которую структура может понести, не теряя некоторых определенных элементов своей функциональности.Однако, поскольку будущая структурная деградация неизвестна при проектировании и анализе, очевидно, что структурная избыточность связана с устойчивостью к неопределенности.

Структуры сталкиваются с многочисленными потенциальными угрозами на протяжении всего срока службы, многие из которых не могут быть полностью ожидаемы на этапе проектирования. Они могут включать изменения в моделях использования, экстремальные погодные явления за пределами параметров проектирования, случайные воздействия или преднамеренные атаки. Увольнение обеспечивает буфер против этих неопределенностей, позволяя структурам поддерживать функциональность даже при воздействии нагрузок или условий, которые превышают первоначальные предположения о дизайне.

Исторические исследования: уроки структурных неудач

Изучение исторических структурных сбоев дает ценную информацию о критической важности избыточности и последствиях ее отсутствия. Эти трагические события сформировали современные инженерные практики и строительные нормы.

Крах точки Ронана (1968)

Обрушение квартиры в Ронан-Пойнте в 1968 году показало, как отказ одного угла здания может привести к катастрофическому отказу. Взрыв газа на кухне на 18-м этаже вызвал прогрессирующий обвал целого угла здания, убив четырех человек и ранив семнадцать других. Эта катастрофа подчеркнула опасности прогрессивного обрушения в структурах, не имеющих адекватной избыточности, и привела к значительным изменениям строительных норм во всем мире.

Крах Hyatt Regency Walkway (1981)

Крах пешеходной дорожки Hyatt Regency в 1981 году произошел из-за дефектной конструкции в подвесных стержнях соединений подвесных дорожек. Недостаточная грузоподъемность привела к внезапному обрушению, убив и ранив многих пассажиров. Этот случай подчеркнул важность избыточности несущих компонентов и необходимость тщательной проверки конструкции.

Неисправность произошла в результате изменения конструкции, которое удвоило нагрузку на критическое соединение, устранив любой запас прочности.Отсутствие избыточности означало, что при отказе этого единственного соединения вся система дорожек катастрофически рухнула.

Крах Всемирного торгового центра (2001)

Крах Всемирного торгового центра в 2001 году подчеркнул влияние экстремальных явлений на структурную избыточность.Первоначальное воздействие самолёта ослабило опорные колонны, а последующий пожар скомпрометировал оставшуюся конструкцию.Прогрессивная последовательность отказов привела к полному обрушению обеих башен.

Эта катастрофа подчеркнула необходимость в улучшенных огнестойких материалах, лучшей детализации соединений и расширенном прогрессивном анализе коллапса в высотных структурах.Это событие привело к всестороннему исследованию структурного поведения в экстремальных условиях нагрузки и значительным обновлениям строительных норм и методов проектирования.

Разрушение моста I-35W (2007)

Обрушение моста I-35W в Миннеаполисе в 2007 году унесло жизни 13 человек и ранило 145 других. Эта трагедия продемонстрировала важность избыточности в конструкции моста и последствия неадекватных путей нагрузки. Неисправность, начатая с негабаритных гуссетных пластин, которые не могли адекватно переносить нагрузки, и отсутствие достаточной избыточности означали быстрое распространение неисправности через конструкцию.

Для получения подробной информации о стандартах безопасности и осмотра мостов посетите веб-сайт Федеральной программы управления мостами (FLT:0).

Проектирование для увольнения: методы и подходы

Внедрение структурного резервирования требует тщательного рассмотрения множества факторов, от первоначального концептуального проектирования до детального анализа и строительства. Инженеры используют различные методы и подходы для обеспечения адекватного резервирования при балансировании других целей проектирования.

Альтернативный метод Load Path

Метод альтернативного пути нагрузки (ALP) является одним из наиболее распространенных подходов к проектированию избыточных структур. Альтернативные пути нагрузки должны иметь достаточную пропускную способность для переноса перераспределенной к ним нагрузки из смежного неисправного компонента. Этот метод включает анализ структуры с одним или несколькими критическими элементами, удаленными для проверки того, что альтернативные пути нагрузки могут безопасно переносить перераспределенные нагрузки.

Перераспределение нагрузки оценивает, как нагрузки перенаправляются после потери элемента; использовать нелинейный статический или динамический анализ для прогрессивной оценки коллапса. Этот анализ помогает инженерам выявлять потенциальные слабые места и укреплять альтернативные пути нагрузки по мере необходимости.

Непрерывность и структурная неопределённость

Структурная непрерывность включает в себя непрерывные лучи и плиты через опоры, а не просто поддерживаемые пролеты. Непрерывные структуры статически неопределенны, то есть они имеют больше реакций поддержки и внутренних сил, чем может быть определено только уравнениями равновесия. Эта неопределённость обеспечивает присущую избыточность, потому что нагрузки могут быть перераспределены по нескольким путям.

Структурная избыточность может обеспечиваться преемственностью основных членов над внутренними опорами или другими 3-мерными механизмами. Эта преемственность позволяет моментам и силам перераспределяться при локальном повреждении, предотвращая прогрессирующий коллапс.

Детализация и выбор материала

Дюктильная детализация позволяет перераспределять пластик, поэтому оставшиеся элементы требуют повышенного спроса. Дюктильность относится к способности материала значительно деформироваться до отказа, обеспечивая предупреждение о предстоящем коллапсе и позволяя перераспределение нагрузки.

Материалы с высокой пластичностью, такие как конструкционная сталь и должным образом армированный бетон, могут подвергаться большим деформациям при сохранении грузоподъемности.Это поведение имеет решающее значение для избыточности, поскольку позволяет поврежденным или перегруженным элементам перераспределять нагрузки на соседние элементы до полного отказа.

Излишние соединения включают болтовые / сварные соединения, которые предотвращают хрупкие режимы отказа. Конструкция соединения имеет решающее значение, поскольку соединения часто представляют собой самые слабые звенья в структурных системах. Правильно спроектированные соединения обеспечивают, чтобы режимы отказа были пластичными и предсказуемыми, а не внезапными и катастрофическими.

Многоразовые системы подшипников

Многомерные пути нагрузки включают фермы с альтернативными диагональю, избыточными колоннами, обходными рамами или вторичным каркасом.Предоставление нескольких независимых систем для переноса нагрузок гарантирует, что ни один элемент не имеет решающего значения для общей структурной стабильности.

В конструкции здания это может включать в себя объединение рамок момента с скошенными рамами или стенами сдвига, чтобы несколько систем способствовали боковому сопротивлению нагрузки. В мостах это может означать использование нескольких балок или ферм, расположенных параллельно, чтобы отказ одного элемента не приводил к коллапсу.

Индексы избыточности и количественная оценка

Показатели индекса избыточности включают количественные показатели (например, степень статической неопределенности, индексы, основанные на надежности, или избыточные числа членов), используемые в исследовательских и проектных кодах для оценки надежности. Эти индексы обеспечивают объективные показатели структурного избыточности, которые могут использоваться для сравнения различных альтернатив дизайна и обеспечения адекватной маржи безопасности.

Инженеры используют различные аналитические методы для количественной оценки избыточности, включая анализ надежности, методы надежности системы и прогрессивный анализ коллапса.Эти методы помогают идентифицировать критические члены, оценить последствия отказа члена и оптимизировать структурные конфигурации для максимальной избыточности.

Проблемы в реализации структурного увольнения

Несмотря на очевидные преимущества, внедрение структурного резервирования сопряжено с рядом проблем, с которыми инженеры должны тщательно ориентироваться. Эти проблемы включают балансирование конкурирующих целей и управление присущими избыточным системам сложностями.

Ограничения расходов и экономическое давление

Ограничения бюджета представляют собой одну из наиболее значительных проблем в осуществлении избыточности. Добавление избыточных элементов увеличивает материальные затраты, сложность изготовления и время строительства. В условиях конкурентных торгов или проектов с ограниченными бюджетами может возникнуть давление с целью минимизации избыточности для сокращения затрат.

Однако такая краткосрочная экономия может быть ложной. Долгосрочные затраты, связанные с недостаточным резервированием, включая более высокие требования к техническому обслуживанию, более короткий срок службы и потенциальный катастрофический сбой, часто намного превышают первоначальные сбережения. Инженеры должны эффективно сообщать владельцам и лицам, принимающим решения, о таких расходах на протяжении жизненного цикла.

Повышенная сложность

Добавление избыточных систем неизбежно увеличивает сложность проектирования и строительства. Больше структурных элементов означает больше соединений, более сложные пути нагрузки и более сложный анализ. Из-за увеличения числа членов эти структуры чрезмерно ограничены или статически неопределенны. Это по существу означает, что аналитически невозможно решить конкретные напряжения, проходящие через каждый член. Это может затруднить моделирование.

Современные вычислительные инструменты сделали анализ сложных избыточных структур более осуществимым, но анализ по-прежнему требует значительного опыта и тщательной проверки. Инженеры должны убедиться, что их модели точно представляют структурное поведение и что все возможные режимы отказа рассматриваются.

Весовые соображения

В таких областях, как аэрокосмическая техника, дополнительное избыточное количество может значительно увеличить вес, что непосредственно влияет на производительность, топливную эффективность и грузоподъемность. Инженеры должны тщательно сбалансировать преимущества избыточного использования для безопасности с штрафами за производительность увеличенного веса.

Эта задача требует методов оптимизации, которые максимизируют избыточность при минимизации веса. Передовые материалы, эффективные структурные конфигурации и тщательный анализ помогают достичь этого баланса. Использование высокопрочных материалов, композитных конструкций и топологии оптимизации может обеспечить избыточность без чрезмерных весовых штрафов.

Парадокс избыточности

Избыточность иногда приводит к снижению, а не к повышению надежности – она создает более сложную систему, которая подвержена различным проблемам, может привести к пренебрежению людьми своими обязанностями и к более высоким производственным требованиям, которые, перенапрягая систему, могут сделать ее менее безопасной.

Наиболее распространенной ошибкой является принятие избыточности как существующей без тестирования или иной проверки. Это распространено во всех дисциплинах. Другая распространенная ошибка заключается в том, что не выполняется профилактическое обслуживание, когда мы считаем, что избыточное оборудование присутствует. В конце концов, использование избыточности (неисправности) в качестве формы предотвращения сбоев системы означает, что мы принимаем отдельные сбои оборудования.

Этот парадокс подчеркивает важность надлежащего обслуживания, инспекции и тестирования избыточных систем.Увольнение следует рассматривать не как замену хорошей конструкции, качественного строительства и регулярного обслуживания, а как дополнительный уровень защиты.

Неудачи в обычном режиме

Главный недостаток отсутствия независимости заключается в том, что «идентичное» оборудование, вероятно, будет носиться аналогичным образом и выходить из строя в одно и то же время. Сотрудники фронтовой линии и их руководство часто упускают из виду этот аспект. Возможно, что еще хуже, расчеты надежности для избыточности предполагают независимость, и большинство инженеров не понимают последствий.

Неисправности в обычном режиме возникают, когда несколько избыточных элементов выходят из строя по одной и той же основной причине. Это может включать коррозию, поражающую все стальные элементы, пожар, повреждающий несколько конструктивных элементов, или конструктивный недостаток, присутствующий во всех аналогичных компонентах. Проектирование против отказов в обычном режиме требует тщательного рассмотрения механизмов отказа и использования несхожих избыточностей, где это необходимо.

Каскадные неудачи

Большинство смертельных аварий включают непредвиденные цепочки отказов, где отказ одного элемента распространяется на других в том, что Национальный совет по безопасности на транспорте США (NTSB) называет «каскадом».

В некоторых ситуациях избыточность не гарантирует надлежащей надежности, а распространение повреждений необходимо эффективно предотвращать с помощью слабых звеньев. В этих условиях более желательными могут быть уменьшенные режимы непрерывности и непроводимости. Этот нелогичный вывод предполагает, что в некоторых случаях контролируемые механизмы отказа могут быть предпочтительнее систем с высокой избыточностью, которые могут испытывать прогрессирующий коллапс.

Современные строительные нормы и требования к избыточности

Современные строительные нормы и стандарты проектирования включают требования к избыточности для обеспечения надлежащей структурной безопасности. Эти требования значительно изменились за последние несколько десятилетий, основываясь на исследованиях и уроках, извлеченных из структурных сбоев.

Технические характеристики AASHTO Bridge Design

Для структурных систем с обычными уровнями избыточности коэффициент равен 1,0. Для неизбыточных систем коэффициент равен 1,05, что увеличивает силовой эффект. И наоборот, для систем с исключительными уровнями избыточности коэффициент равен 0,95, что приводит к несколько меньшему силовому эффекту.

Спецификации Американской ассоциации государственных дорожных и транспортных чиновников (AASHTO) по проектированию факторов нагрузки и сопротивления (LRFD) явно учитывают избыточность через модификаторы нагрузки. Эти факторы корректируют проектные нагрузки на основе уровня избыточности, присутствующего в структурной системе, обеспечивая стимулы для избыточных конструкций при одновременном наказании неизбыточных конфигураций.

Прогрессирующая профилактика коллапса

После обрушения в точке Ронана и других прогрессивных инцидентов обрушения строительные нормы включают конкретные положения, направленные на предотвращение непропорционального обрушения. Эти положения обычно требуют, чтобы конструкции могли выдерживать потерю одной колонны или другого критического элемента, не испытывая обрушения, которое непропорционально первоначальной причине.

Подходы к проектированию для предотвращения прогрессивного коллапса включают альтернативный метод пути нагрузки, конкретный метод локального сопротивления и метод силы сцепления. Каждый подход обеспечивает различные стратегии для обеспечения адекватной избыточности и предотвращения прогрессивного коллапса.

Положения о переломе критических членов

Для проектирования и изготовления может рассматриваться только увольнение по пути нагрузки. Для протокола инспекции в процессе эксплуатации структурное увольнение, продемонстрированное с помощью тщательного анализа, теперь официально признано и может также рассматриваться. Внутренняя избыточность членов в настоящее время не признается в классификации критических членов по разрыву для либо проектирования и изготовления, либо инспекции в процессе эксплуатации.

Эти положения обеспечивают, чтобы неизбыточные элементы напряжения получали усиленный контроль качества во время изготовления и более тщательный контроль в течение срока службы. Критические требования к разрушению предназначены для обеспечения более низкой вероятности возникновения усталостных трещин за счет уменьшения частоты и размера дефектов в изготовлении. Требования к материалам и изготовлению, разработанные для FCP, также повышают толерантность к трещинам и другим разрывам в важных элементах в напряжении или с элементами напряжения.

Для получения полной информации о кодах и стандартах структурной инженерии посетите веб-сайт Международного совета по кодам .

Для получения дополнительной информации о устойчивых методах структурного проектирования посетите веб-сайт Совета по экологическому строительству США .