История развития строительной механики

Министерство образования Ставропольского края

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Минераловодский региональный многопрофильный колледж»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

На тему: История развития строительной механики

Выполнил:

Сурковой Елены Сергеевны

1. го курса специальности; 08.02.01

Строительство и эксплуатация зданий и сооружений

Руководитель проекта

Преподаватель: Пономарева А.И.

Проект оценен______________

«_____» _____________2022 г

Минеральные Воды, 2022 г

Содержание

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . .3

Основная часть

I .Строительная механика

1. Понятия, гипотезы и допущения строительной механики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

II .Три этапа развития строительной механики

2.1 Первый этап-состояние строительной науки на рубеже XVIII–XIX веков. . . . . . . . . . 5

2.2. Второй этап развития строительной механики с 1826 по 1864 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3. Третий этап развития строительной механики 1905г. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 7

III. Современная строительная механика и её перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Список используемых источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Введение

Прочность конструкций, зданий, сооружений интересовала человека всегда. Однако на протяжении многих веков и тысячелетий единственным критерием и руководством к действию был непосредственный опыт возведения и эксплуатации зданий и сооружений.

Наши современник нередко восхищены, глядя на древние сооружения и поражаясь целесообразности их конструктивных решений. При этом иногда забывают, что неудачно запроектированные или некачественно возведенные постройки зачастую разрушались уже в процессе строительства или же вскоре после его завершения. До настоящего времени сохранились лишь наиболее надежные сооружения. Архитектор и инженер Марк Витрувий Поллион, автор трактата «десять книг об архитектуре», стал первым, кто сформулировал коренные проблемы строительства: прочность, польза, красота.

Становление строительной механики протекало в рамках общей механики, из которой в начальный период своего развития строительная механика не выделялась. Успехи механики, начиная с работ Г.Галилея, положивших начало сопротивлению материалов, создали основу для разработки расчетов на прочность, начало развития строительной механики как самостоятельной науки относится к 20-м годам XIX века. И в первую очередь, было вызвано развернувшимся усиленным строительством мостов, шоссейных и железных дорог, плотин, судов, промышленных зданий и высоких дымовых труб.

Именно в этом и заключается актуальность данной темы проекта. Изучить понятия и проблемы строительной механики, на примере рассмотрения ее истории. Формировавшейся от египетских пирамид, до использования механики в современном строительстве.

Теоретической основой исследования явились труды отечественных ученых, исходными материалами послужили статьи и интервью ученых, специалистов в данной области и официальных лиц, документы, выставленные на государственных сайтах.

Цель работы: определение роли строительной механики в исторической ретроспективе

Задачи:

- изучить понятие строительной механики;

- исследовать основные направления строительной механики;

-рассмотреть развитие строительной механики как науки начиная с XVIII века ;

- выяснить значение строительной механики в современном мире;

-проанализировать перспективы строительной механики.

1. Строительная механика

1.1. Понятия, гипотезы и допущения в строительной механике

Строительная механика - это наука о расчетах на прочность, жесткость и устойчивость сооружений. Сооружение - это совокупность твердых тел, неподвижно соединенных между собой.

При расчетах используется ряд гипотез, допущений и принципов. К числу наиболее важных, относят:

- гипотеза о малости деформаций и перемещений – деформации и перемещения деформируемого тела считают малыми по сравнению с его размерами;

- гипотеза об идеальной упругости тела – если после снятия нагрузки деформации тела полностью исчезают, восстанавливаются его первоначальные размеры и форма, то такой процесс деформирования называют абсолютно упругим;

- гипотеза о сплошности тела – материал тела полностью, без разрывов (сплошь) заполняет объем, ограниченный его поверхностями;

- гипотеза об однородности тела – состав материала тела по всему его объему считается однородным;

- гипотеза об изотропности свойств материала тела – физико-механические свойства материала тела одинаковы по всем направлениям;

- гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли) – плоские сечения до деформации остаются плоскими и после деформации.

Гипотеза об идеальной упругости тела для большинства строительных материалов в действительности не выполняется: после нагрузки на нем остаются, хотя и малые, остаточные деформации. Это явление называется пластичностью. При достаточно выраженных пластических свойствах материала это явление необходимо учитывать. Процессы деформирования тела с учетом пластических свойств материала изучают в теории пластичности.

Одним из наиболее важных принципов строительной механики является принцип независимости действия сил, согласно которому результат действия системы нагрузок на конструкцию (опорные реакции, деформации, напряжения) равен сумме результатов действий каждой нагрузки в отдельности. Этот принцип применим только для материалов, подчиняющихся закону Гука. В противном случае, а также в некоторых других особых случаях при соблюдении закона Гука этот принцип применять нельзя.

Другой важный принцип – принцип Сен-Венана – позволяет вносить существенные упрощения в расчетные схемы сооружений. Суть этого принципа заключается в том, что напряженное состояние тела на достаточно большом расстоянии от места приложения нагрузки не зависит от способа передачи нагрузки на конструкцию.

Так как, строительная механика это наука, основанная на расчетах, разберем, что такое расчетная схема.

Расчетная схема - это некоторая условная идеализированная схема действительного сооружения, которая отображает наиболее важные его свойства и закономерности поведения при определенных внешних воздействиях и не учитывает второстепенных факторов, предполагаемых в каждом конкретном случае несущественными.

Важнейшим условием при проектировании сооружения является необходимость обеспечить рациональность соединения всех его элементов. Это означает, что необходимо правильно выбрать опорные связи, соединения и их количество. Они должны быть расположены таким образом, чтобы система была геометрически неизменяемой. Геометрически изменяемые системы в качестве конструкций не могут применяться в строительстве.

Строительная механика разделяется также на разделы, относящиеся к расчёту конструкций определённого вида, а именно: стержневых конструкций, пластин и пластинчатых систем, оболочек, гибких нитей и вантовых систем, упругих и неупругих оснований, мембран и т. д.

Рассмотрев все общие понятия, перейдем к историческим объектам строительной механики.

2. Три этапа развития строительной механики

2.1. Первый этап – состояние строительной науки на рубеже XVIII – XIX веков

В области строительной механики к началу XIX в. сделаны многие основополагающие открытия: изгиб. Приложены различные способы расчета балок прямоугольного и круглого профиля для простейших схем нагружения – консоль с грузом на конце и простая балка с грузом в середине пролета. Нет пока четкого разграничения между параметром жесткости при изгибе (моментом инерции) и параметром прочности (моментом сопротивления). Даже определение размерностей этих параметров не всегда верно. До 1807 г. отсутствует понятие модуля упругости, а конкретные его величины не определены даже для самых распространенных строительных материалов (камень, древесины). Пример здания 1807 года (Приложение 1).

До конца 19 в. в строительной механике применялись графические методы расчёта, и наука о расчёте сооружений носила название «графическая статика». Аналитические методы, зародившиеся в 18 — начале 19 вв. на основе работ Л. Эйлера, Я. Бернулли, Ж. Лагранжа и С. Пуассона, были недоступны инженерным кругам и поэтому не нашли должного практического применения. Период интенсивного развития, аналитических методов наступил лишь во 2-й половине 19 в. Когда в широких масштабах развернулось строительство железных дорог, мостов, крупных промышленных сооружений.

К. Максвелла, А. Кастильяно, Д. И.Журавского положили начало формированию строительной механики как науки. Известный русский учёный и инженер-строитель Л. Д. Проскуряков впервые ввёл понятие о линиях влияния и их применении при расчёте мостов на действие подвижной нагрузки.

большой научный интерес представляют: разработка методов решения физически и геометрически нелинейных задач, которые более полно учитывают реальные условия работы сооружений; изучение вопросов оптимального проектирования строительных конструкций с использованием ЭВМ.

2.2. Второй этап развития строительной механики с 1826г. по 1864г.

Новый период развития строительной науки начался в 1826 году, когда Л.Навье опубликовал свой курс лекций по прикладной механике. В этой работе впервые в качестве основной расчетной стадии принята стадия рабочего состояния сооружения. Это позволило автору получить надежные расчетный аппарат, пригодный для практического применения (Приложения 2. и 3).

Основные положения теории Навье:

• сопоставление наибольших напряжений от внешней нагрузки в стадии эксплуатации с допускаемыми напряжениями для данного материала – принцип Л. Навье;

• рабочее состояние и стадия разрушения полностью подобны, поэтому отношения усилий, напряжений и деформаций в этих стадиях одинаковы – допущений Л. Навье;

• сечение, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации – гипотеза я. Бернулли;

• напряжения пропорциональны относительным удлинениям или укорочениям – р. Гука.

сущность методики расчета по допускаемым напряжениям, разработанной Л. Навье, состоит в том, чтобы удовлетворить условие:

где q max – наибольшее напряжение в сечении элемента, вызванное действием внешних нагрузок;

– допускаемое безопасное напряжение для материала элемента, полученное непосредственно из опытов.

Сен - Венна, ученик Л. Навье, в 1843 г. решил задачу косого изгиба; он же многое сделал для развития теории упругости и на ее основе решил многие задачи напряженного состояния конструкций.

2.3. Третий этап развития строительной механики 1905г.

К началу XX века накапливались факты, не укладывающиеся в схему расчета по рабочему состоянию. В результате изучения работы конструкций из пластичных материалов при высоких нагрузках обнаружено, что поведение статически неопределимых конструкций претерпевает качественные изменения после выхода из чисто упругой области. Так, а изгибаемом элементе после проявления текучести линейное распределение напряжений переходит в нелинейное. В неразрезанной балке или раме происходит перераспределение усилий таким образом, что к предельному состоянию конструкция превращается в статически определимую систему, имеющую пластические шарниры в наиболее напряженных сечениях.

А.Ф. Лолейт в 1905 г. сделал вывод о необходимости «рассматривать мгновение равновесия непосредственно перед разрушением» как основную стадию расчета конструкции. Примечательно, что Лолейт высказал это положение применительно к железобетонным конструкциям (Приложение 4), которые менее всего вписывались в рамки классической теории (Приложение 5).

3. Современная строительная механика и ее перспективы

К концу 30-х годов xx в. Назрела необходимость пересмотра методов расчета для всех строительных конструкций, в том числе и оснований под фундаменты. Поэтому в 1943 году при техническом совете наркомстроя СССР под председательством В.М Келдыша создана комиссия на выработке единого метода расчета строительных конструкций и усовершенствованию коэффициентов запаса. Позднее комиссия перешла в подчинение центрального научного института промышленных сооружений – цнипс.

В состав комиссии вошли водные ученые-строители страны: В.А Болдин; А.А. Гвоздев; И.И Гольденблат; Ю.М. Иванов; В.М. Коченов; В.М. Келдыш; Л.И. Онищик; М.С. Стрелецкий; К.Э. Таль.

Комиссия разработала новый универсальный метод расчетов по предельным состояниям, установила эти предельные состояния и дала им определения, заменила единицы коэффициент запаса системой дифференцированных коэффициентов изменчивости.

В 1949 г. опубликована, итоговая работа комиссии – проел « нормы проектирования конструкций: материалы для урочного положения», в которой приведен текст норм проектирования всех строительных конструкций и обоснования к отдельным разделам.

В дальнейшем на основе этих материалов разработаны, утверждены и с 1 января 1955 года введены в действие строительные нормы и правила - снип, в которых расчет по предельным состояниям введен в практику проектирования всех строительных конструкций. Количество предельных состояний в дальнейшем увеличивалось, но это не меняет принципиального подхода к расчету конструкций и оснований.

Одной из актуальных задач строительная механика является дальнейшее развитие теории надёжности сооружений на основе использования статистических методов обработки данных о действующих нагрузках и их сочетаниях, о свойствах строительных материалов, а также о накоплении повреждений в сооружениях различных типов. Большое значение приобретают исследования по теории предельных состояний, имеющие целью переход к практическому расчёту сооружений на основе вероятностных методов

В настоящее время выполняется ряд крупных международных программ, призванных соблюдать основные критерии экологической безопасности и меры по обеспечению экологической устойчивости строительными методами. В состав этих программ входят следующие основные положения:

- использование естественной вентиляции и дневного света;

- повторное использование излишков теплоты;

- применение эффективной солнцезащиты и улучшенной теплоизоляции;

- использование солнечной энергии и термальных масс;

- повышение надежности и долговечности строительных объектов;

- применение местных возобновляемых или обновляемых материалов;

- минимальное использование материалов, требующих специального захоронения или уничтожения;

- применение трансформирующихся органических материалов.

Решение этих и подобных вопросов рассматривается в дисциплине "экология" и в других специальных научных направлениях, которые не затрагиваются в настоящем учебном пособии. Другой важной стороной проблемы концепции устойчивости и безопасности строительных объектов является защита от аварий, катастроф и других неблагоприятных воздействий, приводящих к большому материальному ущербу и людским потерям, используя инженерно-технические методы повышения надежности объектов и их комплексов.

Заключение

После полного рассмотрения исторического пути развития строительной механики, на ее примере стало ясным, что такое машинные и немашинные подходы. Современная строительная механика позволяет определять напряженно-деформированное состояние сложнейших конструкций, а этот вопрос имеет большое значение при проектировании конструкций и сооружений.

Понимание сегодняшнего состояния и современных проблем в строительстве невозможно без знания основ становления строительной науки, развития понятий и методов научного познания, классических проблем соотношения науки и механики.

Наступил момент, когда необходимо от автоматизированного расчета переходить к широкому автоматизированному проектированию, созданию систем автоматизированного проектирования. Процесс проектирования может быть представлен в виде набора арифметических и логических операций. Для автоматизированного проектирования должен быть организован диалог между человеком и машиной, в котором арифметическую работу и простейшую логику выполняет электронно-вычислительная машина, а сложная логика и принятие решений возлагается на человека. Проектирование ведется в соответствии с нормами, в которых накоплен громадный опыт ручного проектирования, поэтому для автоматизированного проектирования в качестве модели используется ручное проектирование. В существующих нормах заложен принцип «минимума арифметических операций», отсюда обилие таблиц, коэффициентов и сложность логики, что затрудняет процесс программирования. По мере накопления опыта машинного проектирования будут изменяться и нормы. Строительная механика является наглядной моделью этого процесса.

Стремительное развитие строительной науки, техники и механики, безусловно оказывает огромное влияние на современный мир. Воздействие испытывают все социальные сферы и институты: наука, политика, экономика, экология, и т. д., что принципиальным образом изменяет социальный статус современных технологий, превращает их в фактор, определяющий будущее человечества.

Список используемых источников

1. Киселев в. а.  строительная механика: общий курс. 3-е изд. — м.: Госстройиздат, 1976. — 511 с.

2. Леонтьев н. н., Соболев д. н., Амосов а. а.  основы строительной механики стержневых систем. — м.: acb, 1996. — 541 с.

3. Weismann j., snares k.-d.  Finite element in der strukturmechanik. — Berlin: Springer, 2009. — 540 s. — isbn 978-3-540

4. Портал студенческих и научных материалов. Развитие строительной механики. Режим доступа: https://ozlib.com/952088/geografiya/razvitie_stroitelnoy_mehaniki

5. А.Н. Станкевич «История и перспективы развития одного из методов решения многомерных задач строительной механики» (Электронный ресурс) – Режим доступа:https://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-i-perspektivy-razvitiya-odnogo-iz-metodov-resheniya-mnogomernyh-zadach-stroitelnoy-mehaniki

6. Н.В. Брайла , Ю.Г.Лазарев, М.А.Романович, Т.Л.Симанкин, А.В.Улыбин. «Современные проблемы строительной науки, техники и технологии» (Электронный ресурс) – Режим доступа: https://elib.spbstu.ru/dl/2/s17-50.pdf/download/s17-50.pdf

7. Инженерно-строительный институт кафедра «механики» «актуальные проблемы механики в современном строительстве» (Электронный ресурс) – Режим доступа: https://pandia.ru/text/79/387/18001.php

8. Национальный исследовательский московский государственный строительный университет. Лекция Савина Сергей Юрьевича. «Основы строительных конструкций» (Электронный ресурс) - Режим доступа: https://ppt-online.org

ПРИЛОЖЕНИЕ

(Приложение1)

(Приложение2)

(Приложение 3)

(Приложение4)

(Приложение5)