December 24th, 2011

Строительном механика и ее роль при проектировании сооружений

Сооружения и их конструкции должны быть достаточно надежными, экономичными и долговечными. Все эти требовании зависят в основном от размеров элементов, образующих сооружение. Сами же размеры назначаются или проверяются расчетами на прочность, жесткость и устойчивость.
Расчет всякого сооружения связан с определением его напряженно-деформированного состояния от различных видов внешних воздействий. Понятие внешнего воздействия в данном случае имеет широкий смысл и охватывает различные виды внешней нагрузки, изменение температур возможные осадки.
Напряжение, деформации и перемещения от внешних воздействий, возникающие в телах различного вида, изучаются в механике деформируемого твердого тела. Определенную ветвь этой науки составляет и ранее изученный курс сопротивления материалов, где основным объектом исследования является стержень.
В курсе же строительной механики изучаются уже более сложные механические системы, а именно такие, которые состоят из отдельных стержней или элементов различных форм. Для расчета таких систем требуются другие методы, совершенные вычислительные средства. Особенность строительной механики как науки в том что в ней изучаются не напряжения и деформации и отдельных сечениях элементов, а их равнодействующие — усилия. С понятиями усилий мы уже встречались в курсе сопротивления материалов. Например, при изучении изгиба балок находились изгибающий момент и поперечная сила, которые соответственно означали равнодействующие нормальных и касательных напряжений в сечениях балок. Определение распределения изгибающих моментов и поперечных сил вдоль оси балки, составление эпюр распределения этих величин, являлось первым этапом расчета балки. Вторым этапом расчета был подбор параметров сечения (высоты, ширины, момента сопротивления). В строительной механике в основном изучается первый этап расчета. Второй же этап, связанный с конструированием самих сечений элементов конструкций, обычно излагается в специальных курсах конструкций (металлических, железобетонных, деревянных, пластмассовых).
Конструкции и их элементы, образующие сооружения, являются сложными механическими системами. Как известно, всякий расчет является математическим процессом. Его можно осуществить лишь после математической формализации отдельных явлений, к которым относятся внешние воздействия, механическое поведение материала конструкций при различных напряженных состояниях, а также строение и особенности действительной работы конструкции.
06-12-2012_22·26·38
Математическое описание всех этих явлений вместе с основными законами механики составляют так называемую математическую модель расчета конструкции. Математическая модель— это уже формальная математическая задача, для решения которой применяется математический аппарат и вычислительная техника.
Следует подчеркнуть, что прогресс в расчете конструкций тесно связан с уровнем развития вычислительной техники. Об этом свидетельствует история развития строительной механики. Приблизительно до конца XIX в. в строительной механике преобладали графические методы определения усилий и перемещении. С помощью таких методов можно было решать элементарные задачи расчета, поэтому конструкции, которые рассчитывались в то время, представляют собой статически определимые фермы, балки, арки. Позднее при появлении механических средств вычисления графические методы были заменены аналитическими Механические средства вычисления (логарифмические линейки, различного вида арифмометры) позволили определить значение величин, выраженных в виде формул, а также решать системы алгебраических уравнений невысокого ранга. Как будет показано далее, задачи такого класса отвечают расчету конструкций, работающих в упругой стадии, причем все параметры конструкции и внешняя нагрузка в этих расчетах заранее заданы. Таким образом, механическими свойствами вычисления стало возможным решать статически неопределимые стержневые системы, а также несложные плиты и оболочки.
В середине нашего столетия человечество получило качественно новое средство вычисления — электронно-вычиелительнуюмашнну (ЭВМ), часто называемую компьютером. Основная качественная особенность компьютера состоит в том, что он кроме четырех операций вычисления (сложения, вычитании, умножения и деления), может осуществлять еще одну, а именно — операцию сравнения, которую можно назвать операцией «если». С помощью этой операции можно сравнивать результаты в процессе решения задачи и по установленной программе продолжать их в нужном направлении. Не говоря о быстродействии и объемах счета, такая качественная особенность компьютера открыла и новые пути для решения задач механики.

Для перекрытия больших пролетов общественных зданий

Для перекрытия больших пролетов общественных зданий часто применяются конструкции, образованные из гибких стержней — высокопрочных металлических тросов. Такие конструкции называются вантовыми системами. Байтовые системы характерны тем, что их стержни могут работать лишь на растяжение. Таким образом, они относятся к категории конструкций с односторонними связями. Для обеспечения геометрической неизменяемости тросы часто предварительно натягиваются. Байтовые системы успешно применяются для перекрытий спортивных сооружений, конструкций мостов и других сооружений. На рис. 6 показана певческая эстрада, для которой применена предварительно напряженная пантовая система.
В строительной практике применяются и так называемые комбинированные системы, состоящие из ван-тов и ферм или других конструкций. Примером таких сооружений могут быть внеячие мосты, в которых основные фермы, балки или пластины моста поддерживаются вантами.
Элемент, толщина которого мала по сравнению с другими его размерами, относится к так называемой континуальной системе. Если средняя поверхность такого элемента плоская, имеем пластину, а если криволинейная — имеем оболочку. Расчетная схема пластин и оболочек представляется их срединной плоскостью с указанием способов опирания.
В зависимости от формы контура пластины называют прямоугольными, круглыми. По способу же расчета различают две основные категории пластин: пластины нагружены перпендикулярно срединной плоскости, пластины нагружены вдоль срединной плоскости. В последнем случае их просто называют балками-стенками. Пластинчатые системы широко применяются в жилищном и промышленном строительстве. Это конструкции крупнопанельных и монолитных зданий, различного рода перекрытия.
Дли перекрытий крупных площадей применяются более сложные континуальные системы — оболочки. Это сравнительно тонкие конструкции, срединная поверхность которых описывается различными криволинейными фигурами. По геометрическому признаку при расчете различают следующие формы оболочек: сферические, цилиндрические, двоякой кривизны. Как и в случае пластин, расчетную схему тонкой оболочки представляет ее срединная поверхность с указанием способов опирании.
На практике встречаются пластины и оболочки с ребрами. Это сочетание пластин или оболочек со стержневыми системами. Следует заметить, что расчетные схемы таких конструкций довольно сложны н зависят, в основном, от того, с какой точностью желаем получить результаты расчета, а также от того, какой метод выбран для самого расчета. Такие системы можно свести к континуальным, отвечающим работе пластин или оболочек или. наоборот, снести их к стержневым.
отвечающим работе рам или ферм. Третий вид сооружений представляют массивы. Все размеры элементов таких конструкций имеют одинаковый порядок. Можно привести следующие примеры массивных сооружений: подпорные стенки, плотины, фундаменты отдельно стоящих колонн. Расчет таких конструкций весьма сложен. Хотя принципиальные схемы расчета таких сооружений ясны, однако получаемые задачи по своему объему ( по числу искомых неизвестных) очень большие и для их решения иногда недостаточно даже современных ЭВМ. Конечно, в будущем это препятствие будет преодолено. Расчетная схема #массивных сооружений представляет собой трехмерное тело с соответствующими идеализированными опорами. Дальнейшее расчленение такого тела производится в зависимости от выбранного метода расчета.
06-12-2012_23·14·47
Следует отметить, что при выборе расчетной схемы сооружения очень важную роль играет установление условий опирания. Как известно из курса теоретической механики и сопротивлении материалов, каждое реальное условие заменяется идеализированными опорами, которые бывают трех типов: защемление, шарнирно-неподвижная и шарнирно-подвижная опоры. Все они могут быть и податливыми, допускающими определенные перемещения. Условия опирания весьма значительно влияют на окончательный результат расчета, поэтому назначение идеализированных опор для реального сооружения должно быть произведено очень тщательно. Кроме того. проектировщиками должны быть запроектированы такие устройства, которые как можно ближе отвечали бы принятым условиям опирания конструкции при ее расчете.
Выше были перечислены основные виды и указаны расчетные схемы элементов, составляющие сооружение в целом. В дальнейшем будут изложены и основные методы расчета как самих элементов в отдельности, так и образованных ими конструкций. Следует заметить, что наиболее эффективным путем расчета является учет взаимодействия не только всех элементов сооружения, но и его основания. Это позволяет вскрыть резервы прочности и жесткости всего сооружения и тем самым запроектировать его более экономичным. Это весьма сложная задача и решение ее возможно лишь с применением компьютеров.
В настоящее время расчет любого сооружения представляется как расчет единого целого объекта, что типично для развития современной строительной механики, и открывает новые возможности для научно-прикладных изысканий в этой области.