студентка1-го курса специальности 08.02.01 Строительство и эксплуатация
зданий и сооружений
Руководитель проекта: преподаватель Пономарева А. И.
Проект защищен с оценкой:__________
«_____»_________________2023 г.
Минеральные Воды, 2023 г.
Оглавление
Введение 3
Что такое «Строительная механика»? 4
Зарождение и становление строительной механики 8
Роль современных учёных в становлении науки 10
Заключение 13
Список используемых источников14
Введение
Строительная механика — одна из самых древних наук. Она возникла и развивалась под влиянием запросов общественной практики, а также благодаря абстрагирующей деятельности человеческого мышления. Еще в доисторические времена люди создавали постройки и наблюдали движение различных тел. Многие законы механического движения и равновесия материальных тел познавались человечеством путем многократных повторений на экспериментальной основе. Этот общественно-исторический опыт, передаваемый от поколения к поколению, и был тем исходным материалом на анализе которого развивалась механика как наука.
Значительно развитие строительства в нашей стране было намечено на XXIV съезде КПСС в пятилетнем плане, который требовал постоянного совершенствования полученных знаний. В настоящее время особое значение имеет использование современной вычислительной техники, которая в разы упрощает работы строителя. Но для всего этого, человек прошёл огромный путь прихода от простейших форм дольменов до строительства многоэтажный сооружений различных форм. Компьютерные технологии позволили не только решать, но и составлять системы уравнений высоких порядков, и главное, обозревать полученные результаты, выводя их на экран монитора в привычном для инженера графическом виде.
Строительство различных сооружений (мостов, тоннелей, гидротехнических плотин и др.), а также жилых, общественных и промышленных зданий ведется по проектам, в которых указываются размеры как самого сооружения, так и отдельных его частей. Размеры и свойства всех деталей определяются путем расчетов, которые излагаются в направлениях:
– сопротивление материалов,
– строительная механика,
– теория упругости,
– теория устойчивости.
Важное место среди них занимает строительная механика, в которой изучаются принципы и методы расчета деформируемых систем, состоящих из стержней, а также из пластин и оболочек. При создании методов расчета в строительной механике широко используются основные принципы теоретической механики и сопротивления материалов.
Актуальность моего проекта заключается в том, чтобы расширить познания в сфере строительства, а также оценить необходимость и важность этой науки в современном мире.
Цель: Исследовать значение развития строительной механики в истории развития человечества.
Задачи:
Выяснить, что представляет собой строительная механика, как наука.
Проанализировать основные задачи и допущения, которые решает строительная механика.
Проследить в исторической ретроспективе основные этапы развития строительной механики.
Выяснить роль ученых в становлении науки «Строительная механика»
Оценить роль строительной механики в современном строительстве.
Что такое «Строительная механика»?
Строительство сооружений для человека очень важно, т.к. именно оно в первую очередь удовлетворяет потребность в тёплом, безопасном, сухом и устойчивом месте для проживания. Еще испокон веков строительство – это древнейшая деятельность людей. Возникает вопрос, как же было всё рассчитано и спроектировано, чтобы постройка не разрушилась после первого дождя? Не только подбор материала важен для строительства, но также и его свойства, расчёты, составление схем различных конструкций и систем. И именно это копилось и изучалось с того времени, когда человечество уже осознанно познавало мир и начинало творить своими руками. Получаемые знания сохранялись и объединялись по смыслу. Из этого уже появлялись различные фундаментальные науки, которые в дальнейшем перерастали в мировые. Со временем начала появляться одна из значительных наук, без которой и в наше время не обойдётся ни одна стройка - Строительная механика.
Строительная механика – это наука, изучающая принципы и методы расчета сооружений на прочность, жесткость и устойчивость. Это теоретическая и прикладная наука, которая содержит в себе большой объём знаний, от свойств и поведения материалов, до определения перемещений и напряжений на конструкции. В ней разрабатываются как теоретические основы методов расчёта, так и сама наука является инструментом расчёта, с помощью которого решают важнейшие задачи строительства. Образовалась на базе математики, физики, теоретической механики, сопротивлении материалов и создает основу для изучения специальных профильных дисциплин и расчета сложных современных строительных сооружений в разных отраслях.
Строительная механика содержит в себе 3 основных блока:
Статика сооружений
Динамика сооружений
Теория устойчивости сооружений.
К тому же, в строительную механику входят такие дисциплины, как: сопротивление материалов, строительная механика стержневых систем, строительная механика пластин и оболочек, теория упругости, теория пластичности и теория ползучести.
Но где же применяется данная наука? В этапе проектирования и создания макета сооружения различной сложности и формы, очень важно учитывать все тонкости строительства, то есть надо правильно подобрать материал, сделать точные расчёты, спроектировать так, чтобы сооружение было максимально устойчивым и подвергаясь различным факторам внешней среды, могло прослужить человеку долгие годы. Следовательно, строительная механика – это фундамент строительства, т.к. на основе её законов, методов и исследованиях производятся расчёты и проектировка долговечных сооружений.
Цель, задачи и допущения строительной механики
Цель строительной механики – проведение расчётов с помощью принятых методов для определение внутренних усилий в отдельно взятых элементах конструкций, а также перемещений различных точек системы от действующих на сооружение нагрузок. По найденным внутренним усилиям конструкторы определяют требуемые размеры элементов, которые обеспечивают необходимую прочность при наименьшей затрате материала. Также проводятся дополнительные расчеты на устойчивость всего сооружения и отдельных его частей, и изучаются колебания конструкций, чтобы предупредить возникновение резонанса, приводящего иногда к разрушению сооружения.
Выяснив цель науки, можно выделить следующие основные задачи:
Изучение законов образования сооружений
Разработка методов определения внутренних сил в элементах и частях сооружений от разнообразных внешних воздействий и нагрузок
Разработка методов определения перемещений и деформаций
Исследование условий устойчивости сооружений
Исследование взаимодействия сооружений с окружающей средой
Исследование изменений в напряженно-деформированном состоянии сооружений при длительной их эксплуатации.
Таким образом, строительная механика имеет довольно большой спектр задач, который направлен на определённые проблемы.
Основные допущения строительной механики одинаковы с допущениями о сопротивлении материалов, но при этом они имеют существенный различия, ведь в первом случае допущения относятся ко всему сооружению в целом, а во втором – к определенному элементу.
Рассмотрим принятые допущения в изучаемой науке:
Материал сооружения обладает совершенной упругостью, т. е. при прекращении действия нагрузки, деформации полностью исчезают.
Перемещения точек сооружения малы по сравнению с размерами самого сооружения.
Перемещения точек сооружения прямо пропорциональны силам, вызывающим эти перемещения (соблюдается закон Р. Гука).
Принцип независимости действия сил: результат действия на сооружение нескольких сил не зависит от последовательности нагружения ими сооружений и равен сумме результатов действия каждой из сил в отдельности.
Гипотеза плоских сечений Бернулли: поперечные сечения, плоские и нормальные к оси элемента до деформации, остаются таковыми и после нее.
Но также рассмотрим и основные задачи 3х главных блоков науки, т.к. каждый блок по своему предмету изучение очень важен и вместе они образуют единую систему:
Статика сооружений – это раздел, изучающий методы расчёта сооружений на прочность, жёсткость и устойчивость при статическом действии нагрузки. Статика сооружений содержит в себе следующие задачи:
Установление законов образования наивыгоднейших форм сооружений;
Определение внутренних усилий во всех элементах сооружений;
Изучение упругих перемещений, возникающих в сооружении под влиянием внешних воздействий;
Исследование устойчивости сооружения.
Динамика сооружений – это раздел, изучающий колебания и метод расчёта сооружений, подвергающихся действию динамических нагрузок, и способах уменьшения колебаний.
Задачи динамики сооружений:
Определение частот и форм собственных колебаний
Проверка на резонанс
Проверка динамической прочности
Проверка динамической жесткости
Теория устойчивости сооружений – раздел, изучающий закономерность и методы расчёта деформирующихся систем сооружений под воздействием внешних сил.
Задачи теории устойчивости сооружений:
Определение критической силы воздействия на сооружение.
Следовательно, изучив цели, задачи и допущения как в целом строительной механики, так и её основных разделов, можно придти к выводу, что каждые разделы, изучающие разные аспекты науки, тесно связаны между собой и при не соблюдении одного из условий, нарушается баланс конструкции в целом.
Зарождение и становление строительной механики
Как всем давно известно, все науки берут своё начало ещё в глубокой древности, когда люди только начинали познавать мир и делать первые открытия. Строительная механика изначально не было основана как полноценная наукой, она как и многие известные науки состоит из первоначальных знаний, которые копились в течение нескольких веков. Рождение и становление строительной науки условно можно разделить на 4 этапа:
Начальный этап – этап зарождения азов (от бронзовой эпохи до времен Древнего Рима).
Второй этап - эпоха от Древнего Рима до эпохи Возрождения.
Эпоха рождения и становления современной строительной науки (понятия о концентраторах, рождение строительной механики, эпоха железобетона и металла).
Новая эпоха строительной науки – компьютеризация всех процессов в строительном деле, разработка новых композиционных материалов, рождение бионики, новая строительная техника и технология.
Строительная механика как отдельная наука выделилась из механики в первой половине 19 века. Вспоминая курс истории, 19 век - это век подъема развития промышленности и строительства в целом. Тогда для создания новых сооружений требовались более новые методы расчета. Но чтобы понять истоки современной теории расчета при проектировании сооружений, обратимся к первоначальным открытиям, повлиявшим на неё.
После формирования системы счисления, человек начинает уже думать иначе, стараясь группировать числа и приводить их к одному результату. Первые математические тексты появились во II тысячелетии до н.э. Началось зарождение математики. Этому послужили труды великих ученых: Пифагора, Архимеда, Евклида, Аристотеля и т.д.
Также строительная механика развивалась на опыте строительства первых сооружений. Люди с помощью проб и ошибок создавали основу строительства и учились на своих неудачах. У них не было понятия о методах расчетов сооружений, их они приобретали только на протяжении всего своего опыта. Они действовали интуитивно, периодически находя золотую середину где сооружение не разрушалось, и благодаря этому опыту были созданы множества величайших сооружения человечества. Именно в этот исторический период, данная наука начала искать свои истоки в математике, физике и химии.
В развитии науки роль Пифагора велика, так как он стал основателем математики, но также именно он первым понял, что простых целых чисел для математических построений не достаточно.
Аристотелю принадлежит трактат о механических задачах, который был написан во время изучения понятия "силы".
Труды Архимеда послужили тем, что столкнувшись с множеством трудностей и использовав достижения ранних ученых, вывел метод определения центра тяжести тела, который является неотъемлемой частью конструирования подъемных механизмов для строительства.
Евклид смог объединить труды своих предшественников по науке и вывести подробно многие математические вопросы, например как теории чисел, повлиявшие на дальнейшие развитие математики и прикладной, влияющей на строительное проектирование. Началось активное строительство внушительных по размеру зданий. Явными примерами является театр Бальбы. Это театр был построен ещё в 13г до н.э., и имел вместимость 11,5 тыс. человек и сцену диаметром 90м.
Средние века относят к периоду подготовления в создании строительной науке. Не менее важными стали труды Галилео Галилея, который смог изложить основы кинематики и сопротивления материалов, а также сформулировал законы падения. Его открытия в науке стали базой для дальнейшего развития динамики как науки в проектировании сооружений и строительных основ.
И так, выяснив, что основа для зарождения строительной механики возникла ещё в древности, мы понимаем, что каждый учёный, исследовавший в данном направлении сделал огромный вклад в становлении и развитии её. Она развивалась вместе с человеком и были моменты, когда образовывался застой, т.к. для определенного этапа развития человека было достаточным тот объём знаний, который был. И потому после 16 века развитие начало сбавлять темп. Но это не означало, что ничего не изучалось. Всё также люди делали открытия, но уже не в таком огромном количестве.
Роль современных учёных в становлении науки
Алексей Ржаницын – это советский учёных, который добился важных результатов в сфере строительной механики и в фундаментостроении. Его работы лежат в принципах многих методов расчётов в разных сферах строения.
В 1937-1938 профессор была разработана теория составных стержней, которая сейчас применяется в строительстве и расчёте многоэтажных зданий, а также метод расчёта составных стержней по предельному состоянию. Также была разработана методика практического расчёта деформации с учётом ползучести бетонных конструкций при температурных воздействиях и волокнистых материалов (древесина), всё это было обобщено в теории ползучести.
Чуть позже в области расчёта оболочек провёл ряд исследований, которые также легли в основу строения. А.Р.Ржаницын определил условия неизменяемости бесмоментной схемы пологих оболочек и уточнил уравнения моментов теории пологих оболочек,а также вывел методы нахождения оптимальной формы складчатых и волнистых балочных настилов заданной прочности и жесткости.
Большую часть работы А.Р.Ржаницын уделял разработке методов расчёта строительной конструкции и сооружений. С 1947 года им учитывалась статическая природа нагрузок и прочностных свойств материалов; были получены приблизительные формулы, содержащие в себе момент вероятности разрушения при повторных загруженностях и т.д. И позднее он первый представил математическую формулировку безотказности элемента строительных конструкций, на основе которой потом шло развитие теории их надёжности. В 1978 году в монографии было дано систематическое изложение теории надёжности и указаны способы расчётов конструкций на надёжность.
Василий Власов – советский учёный-механик, а также специалист в области строительной механики и теории оболочек. Также наравне с известными учёными, сделал большой вклад в развитие строительства.
Свою работу посвятил исследованию тонкостенных конструкций. Его заслуга заключается в том, что он смог сформулировать приближённую теорию оболочек, которая легко используется при расчётах конструкций. За счёт удачного комбинирования методов математической теории упругости, сопротивления материалов и строительной механики ему удалось получить в теории оболочек предельно простые и четкие результаты.
В области цилиндрических оболочек, В.Власов тоже смог выделится, тем что ввел простейшую модель, в которой оболочка заменяется пространственной системой бесчисленного количества изогнутых арок, соединённых связями (передающими усилия, но не воспринимающие изгибающие и крутящие моменты). То есть, суть работы цилиндрической оболочки средней длины состоит в том, что оболочка является безмоментной в продольном направлении и может изгибаться в поперечном направлении.
В.Власов получил и ряд важных результатов в области теории упругости. Он развил метод начальных функций для решения пространственных задач теории упругости (в частности, для решения задачи о толстой плите).
Исаак Рабинович – советский ученый строительной механики, известен своими наиважнейшими открытиями в этой сфере. Именно он внёс значимый вклад в развитие нелинейной строительной механики в области расчёта сооружений, развил динамику сооружений и является автором основополагающих исследований в области теории вантовых ферм, которые сыграли важную роль в практическом внедрении висячих конструкций. Но ещё немаловажной работой было тщательное изучение область расчёта на действие удара и взрыва.
Наряду с теоретическими исследованиями в области динамики осуществлял и важные экспериментальные работы. В 1923 году рассмотрел вопрос о динамическом испытании мостов, и ему принадлежит создание вибрационного метода испытания сооружений.
Роль строительной механики в современном строительстве
Но какую же роль занимает сейчас строительная механика в век новых технологий, когда работу человека в разы упрощают различные системы и изобретения? Чтобы правильно это понять, возьмём в пример известный небоскрёб и рассмотрим его с технической точки зрения – Тайбэй 101.
Тайбэй 101 – это многофункциональный небоскрёб, находящийся в столице Тайваня – Тайбэе. Состоит из 101 этажа, на которых расположены помещения от офисов до смотровых площадок. Известен стал тем, что является первым сооружением, высота которого превысила полкилометра (509,2 м). Но также прославила и конструкция, что встроена внутри. В Юго-Восточной Азии стали привычны переодические тайфуны и землетрясения, потому Тайбэй был спроектирован так, чтобы он смог выстоять при различных природных условиях.
У инженеров была задача, спроектировать так, чтобы небоскрёб был не очень жёстким, для противостояния ветру, но в то же время и весьма прочным, чтобы предотвратить смещения в стороны. Для этого при строительстве применялись различные методы и расчёты. Например, здание поддерживают 36 колонн, где 8 главных колонн из бетона с высокой прочностью. Каждые 8 этажей аутригерные фермы соединяют колонны в ядре здания с внешней нагрузкой.
Но обратив внимание на действительно важную деталь в данном сооружение. Внутри него установлен стальной 660-тонный маятник, который выступает в роли инерционного демпфера колебаний. Располагается он на 87-91 этаже и удерживают его толстые металлические тросы. Его сфера является крупнейшей в мире и состоит из 41 стальной пластины. В чём же заключается принцип работы этого шара?
Каждый колеблющийся объект имеет собственные резонансные частоты колебаний. Если собственное затухание системы очень велико, то возникающие от возмущающих воздействий колебаний затухают самостоятельно и дополнительное гашение не требуется. Но если же система начинает затухать медленно, т.е. колебательная энергия тела рассеивается недостаточно быстро, то для избежания разрушения объекта устанавливается небольшая конструкция, являющаяся гасителем, которая предотвращает данный риск разрушения.
То есть, в Тайбэе стальной шар – гаситель. При наклонении сооружения, шар наклоняется в противоположную сторону, тем самым не допуская возникновения большого угла наклона и стабилизируя положение. Данный расчёт такой конструкции был произведён с упором на теорию колебаний.
Заключение
Проведя исследование по данной теме, было выяснено, что строительная механика – это наука, изучающая принципы и методы расчёта сооружений на их прочность, стойкость и долговечность. Данная наука содержит в себе прикладную и теоретическую части, которые вмещают в себя огромное количество накопленных и свежей приобретаемых знаний, связанных непосредственно со строительством и разделённые на 3 основных блока. Строительная механика имеет большой спектр задач, который направлен на решения определенных спецификой направления проблем. Изучив цели и задачи как целой науки, так и её разделов, можно сделать вывод, что строительная механика изучает абсолютно все тонкости от создания макета будущего сооружения до окончательного его возведения. И если где-то не соблюсти одного условия, то нарушится баланс конструкции в целом, и тогда сооружение будет непригодным, либо крайне затратным в дальнейшей эксплуатации.
Рассматривая развитие в исторической ретроперспективе, можно понять, что строительная механика берёт свои истоки из мировых наук, а также из опыта, который был накоплен веками в строительстве. В её становлении приняло участие множество учёных, работы которых по объёму и известности были различны, но при этом имели огромное значение.
На примере одного из самых высоких небоскребов был рассмотрен механизм, созданный на основе теории устойчивости, специальный маятник, который позволяет при большой высоте здания, частых стихийных бедствиях и сейсмических активностях, сохранять целостность и равновесие конструкции.
Таким образом, строительная механика является глубокой и значимой наукой, которую каждому строителю следует добросовестно изучить, для того, чтобы на практике, не только воплощать свои идеи в реальность, но также, чтобы они сохранялись на долгие века, как память о развитии архитектуры и не подвергали опасности человеческие жизни.
Список используемых источников
Сысоева Е.В. Истоки зарождения строительной науки с древних времен/ Строительство: наука и образование. 2020 Т. 10 Вып. 1 Ст. 1
Р.А.Шакирзанов, Ф.Р.Шаркзянов: Курс лекций по строительной механике: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – Казань: КГАСУ, 2014. – 144 с
А.А.Полянков, Ф.Г.Лянина: Строительная механика: учебное пособие. Под общ.редакцией А.А. Полянкова. — Екатеринбург : УрФУ, 2018 - 459 с.
Р.А.Шакирзанов, Ф.Р.Шаркзянов: Динамика и устойчивость сооружений
С.А.Бернштейн: Очерки по истории строительной механики. — М.: Гостройиздат, 1957. — 236 с.
