Строительная механика

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Строи́тельная меха́ника — совокупность наук о прочности, жёсткости и устойчивости строительных конструкций.

Основной задачей строительной механики является разработка методов расчёта и получения данных для надёжного и экономичного проектирования зданий и сооружений. Для обеспечения необходимой надёжности сооружения основные элементы конструкций должны иметь достаточно большие сечения, однако экономика требует, чтобы расход материалов, идущих на изготовление конструкций, был возможно меньшим. Для нахождения приемлемого компромисса между требованиями надёжности и экономичности необходимо возможно точнее произвести расчёт и строго соблюдать в процессе проектирования, возведения и эксплуатации сооружения те требования, которые вытекают из этого расчёта.





Исторический очерк

Долгое время человечество не имело в своем распоряжении методов расчёта сооружений. Несмотря на это, удавалось возводить грандиозные и совершенные в конструктивном отношении памятники архитектуры. Это зависело от таланта зодчих, которые интуитивно чувствовали работу сооружений и умели находить нужные размеры элементов. Большое значение имело также накопление опыта строительства, приобретаемого подчас ценой обрушений неудачных сооружений.

Данный опыт получал отражение в эмпирических правилах, на основании которых можно было бы назначать надёжные размеры частей сооружений. С. П. Тимошенко считал, что такие правила были известны уже древним египтянам, а греки и римляне уже могли выполнять и определённые математические расчёты, опираясь на достижения развивавшейся тогда теоретической статики; однако необходимыми знаниями, даваемыми анализом напряжённого состояния, античные инженеры не владели[1].

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 расчётов на прочность[2][3]. Большое значение имели также: открытие Р. Гуком пропорциональности между деформациями и напряжениями в упругом материале (закон Гука)[4]; исследования Л. Эйлера, посвящённые изгибу балок и стержней и нахождению значения критической нагрузки при сжатии упругого стержня[5][6]; работы Ш. Кулона по расчётам сводов и подпорных стенок[7]. В то же время связь большинства исследований, выполненных в XVII—XVIII веках, с практикой была весьма слаба[8].

Начало развития строительной механики как самостоятельной науки относится к 20-м годам XIX века и было вызвано, в первую очередь, развернувшимся усиленным строительством мостов, шоссейных и железных дорог, плотин, судов, промышленных зданий и высоких дымовых труб. Отсутствие надёжных методов расчёта таких сооружений не позволяло возводить достаточно лёгкие и надёжные конструкции. Заслуга решительной перестройки строительной механики, её поворота к нуждам практики (после чего она стала бурно развиваться как самостоятельная прикладная наука) принадлежит французскому механику и инженеру А. Навье, который встал на путь изучения действительной работы сооружения под нагрузкой, на путь расчёта конструкций по рабочему состоянию (а не по предельному состоянию, как делали до него)[9].

Значительный вклад в строительную механику внесли также Б. Клапейрон, У. Рэнкин, Д. И. Журавский, Ш. Бресс[fr], Дж. Максвелл, Э. Винклер[de], В. Л. Кирпичёв, Ф. Энгессер[de], А. Фёппль, Ф. С. Ясинский, С. П. Тимошенко, И. М. Рабинович и другие выдающиеся учёные.

Предмет и основные задачи

Классическими разделами строительной механики являются:

Сопротивление материалов преимущественно занимается теорией простого бруса и является дисциплиной, одинаково важной как для строительных конструкций, так и для машиностроения. Статика и динамика сооружений или теория сооружений (строительная механика в узком смысле слова) занимается по преимуществу теорией расчёта системы брусьев или стержней, образующих сооружение. Обе эти дисциплины стремятся решать свои задачи, главным образом, сравнительно простыми математическими методами. В свою очередь, теория упругости выдвигает на первый план строгость и точность своих выводов и поэтому прибегает к более сложному математическому аппарату. Граница между этими тремя дисциплинами не может быть чётко очерчена.

Теория пластичности занимается изучением пластичных и упруго-пластичных тел.

В настоящее время для решения практических задач строительной механики активно используются различные численные методы с применением вычислительной техники; в частности, наибольшее распространение получил метод конечных элементов.

В строительной механике различают:

  • одномерные задачи — рассматривается зависимость функций от одной пространственной координаты;
  • плоские задачи — решение рассматривается в двух измерениях;
  • пространственные задачи — решение рассматривается в трёх измерениях.

Обычно на практике пространственные конструкции стремятся расчленить на плоские элементы, которые рассчитать намного легче, однако это не всегда возможно.

Строительная механика разделяется также на линейную и нелинейную. Различают геометрическую и физическую нелинейности. Геометрическая нелинейность уравнений строительной механики возникает при больших перемещениях и деформациях элементов, что сравнительно редко встречается в строительных конструкциях, за исключением вантовых. Физическая нелинейность появляется при отсутствии пропорциональности между усилиями и деформациями, то есть при применении неупругих материалов. Физической нелинейностью обладают в той или иной степени все материалы и конструкции. Однако с определенной точностью при небольших усилиях нелинейные физические зависимости заменяют линейными.

Также принято различать статические и динамические задачи — последние учитывают инерционные свойства конструкции и фактор времени.

Строительная механика разделяется также на разделы, относящиеся к расчёту конструкций определённого вида, а именно: стержневых конструкций (в том числе ферм, рам, балочных систем и арок), пластин и пластинчатых систем, оболочек, гибких нитей и вантовых систем, упругих и неупругих оснований, мембран и т. д.

Учебники по строительной механике

  • Киселёв В. А.  Строительная механика: Специальный курс. Динамика и устойчивость сооружений. — М.: Стройиздат, 1980. — 616 с.
  • Киселёв В. А.  Строительная механика: Общий курс. 3-е изд. — М.: Госстройиздат, 1976. — 511 с.
  • Леонтьев Н. Н., Соболев Д. Н., Амосов А. А.  Основы строительной механики стержневых систем. — М.: ACB, 1996. — 541 с.
  • Петров В. В.  Нелинейная инкрементальная строительная механика. — М.: Инфра-Инженерия, 2014. — 480 с. — ISBN 978-5-9729-0076-3.
  • Потапов В. Д., Александров А. В., Косицын С. Б., Долотказин Д. Б.  Строительная механика. Кн. 1. — М.: Высшая школа, 2007. — 511 с. — ISBN 978-5-06-004891-9.
  • Снитко Н. К.  Строительная механика. 3-е изд. — М.: Высшая школа, 1980. — 431 с.
  • Wissmann J., Sarnes K.-D.  Finite Elemente in der Strukturmechanik. — Berlin: Springer, 2009. — 540 S. — ISBN 978-3-540-61836-2.

Напишите отзыв о статье "Строительная механика"

Примечания

  1. Тимошенко С. П.  История науки о сопротивлении материалов. 2-е изд. — М.: URSS, 2006. — 536 с. — ISBN 5-484-00449-7. — С. 9—10.
  2. Бернштейн, 1957, с. 13.
  3. Ишлинский А. Ю.  Механика: Идеи, задачи, приложения. — М.: Наука, 1985. — 624 с. — С. 519.
  4. Бернштейн, 1957, с. 23—24.
  5. История механики в России / Отв. редакторы А. Н. Боголюбов, И. З. Штокало. — Киев: Наукова думка, 1987. — 392 с. — С. 65—66.
  6. Фрейман Л. С.  Творцы высшей математики. — М.: Наука, 1968. — 216 с. — С. 168—169.
  7. Бернштейн, 1957, с. 41, 43.
  8. Бернштейн, 1957, с. 7.
  9. Бернштейн, 1957, с. 8, 45—46.
  10. Статику, динамику и устойчивость сооружений называют также «строительной механикой» в узком смысле этих слов.

Литература

  • Бернштейн С. А.  Очерки по истории строительной механики. — М.: Гостройиздат, 1957. — 236 с.



Отрывок, характеризующий Строительная механика

– Не может быть сомнения, ваша светлость.
– Позови, позови его сюда!
Кутузов сидел, спустив одну ногу с кровати и навалившись большим животом на другую, согнутую ногу. Он щурил свой зрячий глаз, чтобы лучше рассмотреть посланного, как будто в его чертах он хотел прочесть то, что занимало его.
– Скажи, скажи, дружок, – сказал он Болховитинову своим тихим, старческим голосом, закрывая распахнувшуюся на груди рубашку. – Подойди, подойди поближе. Какие ты привез мне весточки? А? Наполеон из Москвы ушел? Воистину так? А?
Болховитинов подробно доносил сначала все то, что ему было приказано.
– Говори, говори скорее, не томи душу, – перебил его Кутузов.
Болховитинов рассказал все и замолчал, ожидая приказания. Толь начал было говорить что то, но Кутузов перебил его. Он хотел сказать что то, но вдруг лицо его сщурилось, сморщилось; он, махнув рукой на Толя, повернулся в противную сторону, к красному углу избы, черневшему от образов.
– Господи, создатель мой! Внял ты молитве нашей… – дрожащим голосом сказал он, сложив руки. – Спасена Россия. Благодарю тебя, господи! – И он заплакал.


Со времени этого известия и до конца кампании вся деятельность Кутузова заключается только в том, чтобы властью, хитростью, просьбами удерживать свои войска от бесполезных наступлений, маневров и столкновений с гибнущим врагом. Дохтуров идет к Малоярославцу, но Кутузов медлит со всей армией и отдает приказания об очищении Калуги, отступление за которую представляется ему весьма возможным.
Кутузов везде отступает, но неприятель, не дожидаясь его отступления, бежит назад, в противную сторону.
Историки Наполеона описывают нам искусный маневр его на Тарутино и Малоярославец и делают предположения о том, что бы было, если бы Наполеон успел проникнуть в богатые полуденные губернии.
Но не говоря о том, что ничто не мешало Наполеону идти в эти полуденные губернии (так как русская армия давала ему дорогу), историки забывают то, что армия Наполеона не могла быть спасена ничем, потому что она в самой себе несла уже тогда неизбежные условия гибели. Почему эта армия, нашедшая обильное продовольствие в Москве и не могшая удержать его, а стоптавшая его под ногами, эта армия, которая, придя в Смоленск, не разбирала продовольствия, а грабила его, почему эта армия могла бы поправиться в Калужской губернии, населенной теми же русскими, как и в Москве, и с тем же свойством огня сжигать то, что зажигают?
Армия не могла нигде поправиться. Она, с Бородинского сражения и грабежа Москвы, несла в себе уже как бы химические условия разложения.
Люди этой бывшей армии бежали с своими предводителями сами не зная куда, желая (Наполеон и каждый солдат) только одного: выпутаться лично как можно скорее из того безвыходного положения, которое, хотя и неясно, они все сознавали.
Только поэтому, на совете в Малоярославце, когда, притворяясь, что они, генералы, совещаются, подавая разные мнения, последнее мнение простодушного солдата Мутона, сказавшего то, что все думали, что надо только уйти как можно скорее, закрыло все рты, и никто, даже Наполеон, не мог сказать ничего против этой всеми сознаваемой истины.
Но хотя все и знали, что надо было уйти, оставался еще стыд сознания того, что надо бежать. И нужен был внешний толчок, который победил бы этот стыд. И толчок этот явился в нужное время. Это было так называемое у французов le Hourra de l'Empereur [императорское ура].
На другой день после совета Наполеон, рано утром, притворяясь, что хочет осматривать войска и поле прошедшего и будущего сражения, с свитой маршалов и конвоя ехал по середине линии расположения войск. Казаки, шнырявшие около добычи, наткнулись на самого императора и чуть чуть не поймали его. Ежели казаки не поймали в этот раз Наполеона, то спасло его то же, что губило французов: добыча, на которую и в Тарутине и здесь, оставляя людей, бросались казаки. Они, не обращая внимания на Наполеона, бросились на добычу, и Наполеон успел уйти.
Когда вот вот les enfants du Don [сыны Дона] могли поймать самого императора в середине его армии, ясно было, что нечего больше делать, как только бежать как можно скорее по ближайшей знакомой дороге. Наполеон, с своим сорокалетним брюшком, не чувствуя в себе уже прежней поворотливости и смелости, понял этот намек. И под влиянием страха, которого он набрался от казаков, тотчас же согласился с Мутоном и отдал, как говорят историки, приказание об отступлении назад на Смоленскую дорогу.
То, что Наполеон согласился с Мутоном и что войска пошли назад, не доказывает того, что он приказал это, но что силы, действовавшие на всю армию, в смысле направления ее по Можайской дороге, одновременно действовали и на Наполеона.


Когда человек находится в движении, он всегда придумывает себе цель этого движения. Для того чтобы идти тысячу верст, человеку необходимо думать, что что то хорошее есть за этими тысячью верст. Нужно представление об обетованной земле для того, чтобы иметь силы двигаться.
Обетованная земля при наступлении французов была Москва, при отступлении была родина. Но родина была слишком далеко, и для человека, идущего тысячу верст, непременно нужно сказать себе, забыв о конечной цели: «Нынче я приду за сорок верст на место отдыха и ночлега», и в первый переход это место отдыха заслоняет конечную цель и сосредоточивает на себе все желанья и надежды. Те стремления, которые выражаются в отдельном человеке, всегда увеличиваются в толпе.
Для французов, пошедших назад по старой Смоленской дороге, конечная цель родины была слишком отдалена, и ближайшая цель, та, к которой, в огромной пропорции усиливаясь в толпе, стремились все желанья и надежды, – была Смоленск. Не потому, чтобы люди знала, что в Смоленске было много провианту и свежих войск, не потому, чтобы им говорили это (напротив, высшие чины армии и сам Наполеон знали, что там мало провианта), но потому, что это одно могло им дать силу двигаться и переносить настоящие лишения. Они, и те, которые знали, и те, которые не знали, одинаково обманывая себя, как к обетованной земле, стремились к Смоленску.
Выйдя на большую дорогу, французы с поразительной энергией, с быстротою неслыханной побежали к своей выдуманной цели. Кроме этой причины общего стремления, связывавшей в одно целое толпы французов и придававшей им некоторую энергию, была еще другая причина, связывавшая их. Причина эта состояла в их количестве. Сама огромная масса их, как в физическом законе притяжения, притягивала к себе отдельные атомы людей. Они двигались своей стотысячной массой как целым государством.
Каждый человек из них желал только одного – отдаться в плен, избавиться от всех ужасов и несчастий. Но, с одной стороны, сила общего стремления к цели Смоленска увлекала каждою в одном и том же направлении; с другой стороны – нельзя было корпусу отдаться в плен роте, и, несмотря на то, что французы пользовались всяким удобным случаем для того, чтобы отделаться друг от друга и при малейшем приличном предлоге отдаваться в плен, предлоги эти не всегда случались. Самое число их и тесное, быстрое движение лишало их этой возможности и делало для русских не только трудным, но невозможным остановить это движение, на которое направлена была вся энергия массы французов. Механическое разрывание тела не могло ускорить дальше известного предела совершавшийся процесс разложения.
Ком снега невозможно растопить мгновенно. Существует известный предел времени, ранее которого никакие усилия тепла не могут растопить снега. Напротив, чем больше тепла, тем более крепнет остающийся снег.
Из русских военачальников никто, кроме Кутузова, не понимал этого. Когда определилось направление бегства французской армии по Смоленской дороге, тогда то, что предвидел Коновницын в ночь 11 го октября, начало сбываться. Все высшие чины армии хотели отличиться, отрезать, перехватить, полонить, опрокинуть французов, и все требовали наступления.
Кутузов один все силы свои (силы эти очень невелики у каждого главнокомандующего) употреблял на то, чтобы противодействовать наступлению.
Он не мог им сказать то, что мы говорим теперь: зачем сраженье, и загораживанье дороги, и потеря своих людей, и бесчеловечное добиванье несчастных? Зачем все это, когда от Москвы до Вязьмы без сражения растаяла одна треть этого войска? Но он говорил им, выводя из своей старческой мудрости то, что они могли бы понять, – он говорил им про золотой мост, и они смеялись над ним, клеветали его, и рвали, и метали, и куражились над убитым зверем.
Под Вязьмой Ермолов, Милорадович, Платов и другие, находясь в близости от французов, не могли воздержаться от желания отрезать и опрокинуть два французские корпуса. Кутузову, извещая его о своем намерении, они прислали в конверте, вместо донесения, лист белой бумаги.
И сколько ни старался Кутузов удержать войска, войска наши атаковали, стараясь загородить дорогу. Пехотные полки, как рассказывают, с музыкой и барабанным боем ходили в атаку и побили и потеряли тысячи людей.