Структурная инженерия — это подраздел гражданского строительства , в котором инженеры-строители обучаются проектировать «кости и суставы», которые создают форму и очертания искусственных сооружений . Инженеры-строители также должны понимать и рассчитывать устойчивость , прочность, жесткость и сейсмостойкость построенных конструкций для зданий [1] и нестроительных конструкций . Структурные проекты интегрируются с проектами других проектировщиков, таких как архитекторы и инженеры по обслуживанию зданий , и часто контролируют строительство проектов подрядчиками на месте. [2] Они также могут участвовать в проектировании машин, медицинского оборудования и транспортных средств, где структурная целостность влияет на функционирование и безопасность. См. глоссарий структурной инженерии .
Теория структурной инженерии основана на прикладных физических законах и эмпирических знаниях о структурных характеристиках различных материалов и геометрий. Проектирование структурной инженерии использует ряд относительно простых структурных концепций для построения сложных структурных систем . Инженеры-конструкторы отвечают за творческое и эффективное использование фондов, структурных элементов и материалов для достижения этих целей. [2]
Структурная инженерия восходит к 2700 году до нашей эры, когда Имхотеп , первый инженер в истории, известный по имени, построил ступенчатую пирамиду для фараона Джосера . Пирамиды были наиболее распространенными крупными сооружениями, построенными древними цивилизациями, поскольку структурная форма пирамиды изначально стабильна и может быть почти бесконечно масштабирована (в отличие от большинства других структурных форм, которые не могут быть линейно увеличены в размере пропорционально увеличению нагрузок). [3]
Структурная устойчивость пирамиды, в первую очередь обусловленная ее формой, также зависит от прочности камня, из которого она построена, и его способности выдерживать вес камня, находящегося над ней. [4] Известняковые блоки часто брались из карьера недалеко от строительной площадки и имели прочность на сжатие от 30 до 250 МПа (МПа = Па × 10 6 ). [5] Таким образом, структурная прочность пирамиды обусловлена материальными свойствами камней, из которых она была построена, а не геометрией пирамиды.
На протяжении всей древней и средневековой истории большая часть архитектурного проектирования и строительства выполнялась ремесленниками, такими как каменщики и плотники, которые поднимались до роли мастеров-строителей. Теории конструкций не существовало, а понимание того, как конструкции стояли, было крайне ограниченным и основывалось почти исключительно на эмпирических данных о том, «что работало раньше», и интуиции . Знания сохранялись гильдиями и редко вытеснялись достижениями. Конструкции были повторяющимися, а увеличение масштаба было постепенным. [3]
Не существует никаких записей о первых расчетах прочности структурных элементов или поведении структурного материала, но профессия инженера-строителя по-настоящему оформилась только с промышленной революцией и повторным изобретением бетона (см. История бетона ). Физические науки, лежащие в основе структурной инженерии, начали понимать в эпоху Возрождения и с тех пор развились в компьютерные приложения, впервые разработанные в 1970-х годах. [6]
.jpg/1280px-Galileo_Galilei_by_Ottavio_Leoni_Marucelliana_(cropped).jpg)
История строительной инженерии знает множество обрушений и неудач. Иногда это происходит из-за очевидной халатности, как в случае с обрушением школы в Петион-Вилль , когда преподобный Фортен Августин «построил здание полностью сам, заявив, что ему не нужен инженер, поскольку он хорошо разбирается в строительстве» после частичного обрушения трехэтажного здания школы, из-за которого соседи бежали. Окончательное обрушение унесло жизни 94 человек, в основном детей.
В других случаях структурные разрушения требуют тщательного изучения, и результаты этих исследований привели к улучшению практики и более глубокому пониманию науки о структурной инженерии. Некоторые такие исследования являются результатом судебно-технических расследований, где первоначальный инженер, по-видимому, сделал все в соответствии с состоянием профессии и приемлемой практикой, но все равно произошел сбой. Известный случай структурных знаний и практики, продвинутых таким образом, можно найти в серии разрушений, связанных с коробчатыми балками , которые рухнули в Австралии в 1970-х годах.
Структурная инженерия зависит от детального знания прикладной механики , материаловедения и прикладной математики для понимания и прогнозирования того, как конструкции поддерживают и сопротивляются собственному весу и приложенным нагрузкам. Для успешного применения знаний инженеру-конструктору обычно требуются детальные знания соответствующих эмпирических и теоретических проектных кодов , методов структурного анализа , а также некоторые знания о коррозионной стойкости материалов и конструкций, особенно когда эти конструкции подвергаются воздействию внешней среды. С 1990-х годов стало доступно специализированное программное обеспечение для помощи в проектировании конструкций с функциональностью, помогающей в черчении, анализе и проектировании конструкций с максимальной точностью; примерами служат AutoCAD , StaadPro, ETABS , Prokon, Revit Structure, Inducta RCB и т. д. Такое программное обеспечение также может учитывать нагрузки окружающей среды, такие как землетрясения и ветры. [ требуется ссылка ]
Инженеры-конструкторы отвечают за инженерное проектирование и структурный анализ. Инженеры-конструкторы начального уровня могут проектировать отдельные структурные элементы конструкции, такие как балки и колонны здания. Более опытные инженеры могут отвечать за структурное проектирование и целостность всей системы, такой как здание. [ необходима цитата ]
Инженеры-конструкторы часто специализируются на определенных типах конструкций, таких как здания, мосты, трубопроводы, промышленные сооружения, туннели, транспортные средства, корабли, самолеты и космические аппараты. Инженеры-конструкторы, специализирующиеся на зданиях, часто специализируются на определенных строительных материалах, таких как бетон, сталь, дерево, каменная кладка, сплавы и композиты, и могут сосредоточиться на определенных типах зданий, таких как офисы, школы, больницы, жилые дома и т. д. [ необходима цитата ]
Строительная инженерия существует с тех пор, как люди впервые начали строить свои конструкции. Она стала более определенной и формализованной профессией с появлением архитектуры как отдельной профессии от инженерии во время промышленной революции в конце 19 века. До этого времени архитектор и инженер-строитель обычно были одним и тем же — главным строителем. Только с развитием специализированных знаний о структурных теориях, которые появились в 19 и начале 20 веков, появились профессиональные инженеры-строители. [ необходима цитата ]
Роль инженера-строителя сегодня подразумевает значительное понимание как статической, так и динамической нагрузки и конструкций, которые могут им противостоять. Сложность современных конструкций часто требует от инженера большой креативности, чтобы гарантировать, что конструкции выдерживают и выдерживают нагрузки, которым они подвергаются. Инженер-строитель, как правило, имеет четырех- или пятилетнюю степень бакалавра, за которой следует минимум три года профессиональной практики, прежде чем считаться полностью квалифицированным. Инженеры-строители лицензируются или аккредитуются различными научными обществами и регулирующими органами по всему миру (например, Институтом инженеров-строителей в Великобритании). В зависимости от курса обучения и/или юрисдикции, в которой они стремятся получить лицензию, они могут быть аккредитованы (или лицензированы) только как инженеры-строители, или как инженеры-строители, или как инженеры-строители и инженеры-строители. Другая международная организация — IABSE (Международная ассоциация по мостостроению и проектированию конструкций). [7] Цель этой ассоциации — обмен знаниями и продвижение практики проектирования конструкций во всем мире на службе профессии и общества.
_version.jpg/1280px-Millennium_Dome_(zakgollop)_version.jpg)
Структурная инженерия зданий включает в себя всю структурную инженерию, связанную с проектированием зданий. Это раздел структурной инженерии, тесно связанный с архитектурой . [ необходима цитата ]
Структурная инженерия зданий в первую очередь движима творческим манипулированием материалами и формами, а также лежащими в их основе математическими и научными идеями для достижения результата, который соответствует его функциональным требованиям и является структурно безопасным при воздействии всех нагрузок, которые он мог бы разумно ожидать. Это тонко отличается от архитектурного проектирования, которое движимо творческим манипулированием материалами и формами, массой, пространством, объемом, текстурой и светом для достижения результата, который является эстетичным, функциональным и часто художественным.
Структурный проект здания должен гарантировать, что здание может безопасно стоять, функционировать без чрезмерных прогибов или движений, которые могут вызвать усталость структурных элементов, растрескивание или выход из строя креплений, арматуры или перегородок, или дискомфорт для жильцов. Он должен учитывать движения и силы, вызванные температурой, ползучестью , растрескиванием и приложенными нагрузками. Он также должен гарантировать, что проект практически осуществим в пределах приемлемых производственных допусков материалов. Он должен позволять архитектуре работать, а строительным службам вписываться в здание и функционировать (кондиционирование воздуха, вентиляция, дымоудаление, электрика, освещение и т. д.). Структурный проект современного здания может быть чрезвычайно сложным и часто требует большой команды для завершения.
Специализации в области строительной инженерии зданий включают:
Сейсмостойкие сооружения — это сооружения, спроектированные таким образом, чтобы выдерживать землетрясения .
Основными задачами сейсмостойкого строительства являются понимание взаимодействия конструкций с колеблющимся грунтом, прогнозирование последствий возможных землетрясений, а также проектирование и строительство конструкций, способных эффективно работать во время землетрясения.
Сейсмостойкие сооружения не обязательно являются чрезвычайно прочными, как пирамида Эль-Кастильо в Чичен-Ице, показанная выше.
Одним из важных инструментов сейсмостойкого строительства является изоляция фундамента , которая позволяет основанию конструкции свободно перемещаться вместе с грунтом.
Гражданское структурное проектирование включает в себя все структурное проектирование, связанное с застроенной средой. Оно включает в себя:
Инженер-конструктор является ведущим проектировщиком этих конструкций, а часто и единственным проектировщиком. При проектировании таких конструкций первостепенное значение имеет структурная безопасность (в Великобритании проекты плотин, атомных электростанций и мостов должны быть одобрены дипломированным инженером ) .
Гражданские инженерные сооружения часто подвергаются воздействию очень экстремальных сил, таких как большие перепады температур, динамические нагрузки, такие как волны или движение, или высокое давление воды или сжатых газов. Они также часто строятся в коррозионных средах, таких как море, промышленные объекты или под землей.
Принципы структурной инженерии применяются к различным механическим (подвижным) конструкциям. Проектирование статических конструкций предполагает, что они всегда имеют одну и ту же геометрию (фактически, так называемые статические конструкции могут значительно перемещаться, и структурная инженерия должна учитывать это при необходимости), но проектирование подвижных или движущихся конструкций должно учитывать усталость , изменение метода сопротивления нагрузке и значительные прогибы конструкций.
Силы, которым подвергаются части машины, могут значительно меняться и могут делать это с большой скоростью. Силы, которым подвергается лодка или самолет, сильно различаются и будут делать это тысячи раз за срок службы конструкции. Проектирование конструкции должно гарантировать, что такие конструкции могут выдерживать такую нагрузку в течение всего срока службы без выхода из строя.
Для этих работ может потребоваться механическая структурная инженерия:
Типы аэрокосмических конструкций включают ракеты-носители ( Atlas , Delta , Titan), ракеты (ALCM, Harpoon), гиперзвуковые аппараты (Space Shuttle), военные самолеты (F-16, F-18) и коммерческие самолеты ( Boeing 777, MD-11). Аэрокосмические конструкции обычно состоят из тонких пластин с ребрами жесткости для внешних поверхностей, переборок и рам для поддержки формы и крепежных элементов, таких как сварные швы, заклепки, винты и болты, для удержания компонентов вместе.
Наноструктура — это объект промежуточного размера между молекулярными и микроскопическими (микрометрового размера) структурами. При описании наноструктур необходимо различать количество измерений в наномасштабе. Нанотекстурированные поверхности имеют одно измерение в наномасштабе, т. е. только толщина поверхности объекта составляет от 0,1 до 100 нм. Нанотрубки имеют два измерения в наномасштабе, т. е. диаметр трубки составляет от 0,1 до 100 нм; ее длина может быть намного больше. Наконец, сферические наночастицы имеют три измерения в наномасштабе, т. е. частица составляет от 0,1 до 100 нм в каждом пространственном измерении. Термины наночастицы и ультратонкие частицы (UFP) часто используются как синонимы, хотя UFP может достигать микрометрового диапазона. Термин «наноструктура» часто используется применительно к магнитной технологии.
Медицинское оборудование (также известное как арсенал) предназначено для помощи в диагностике, мониторинге или лечении заболеваний. Существует несколько основных типов: диагностическое оборудование включает в себя медицинские диагностические машины, используемые для помощи в диагностике; оборудование включает в себя инфузионные насосы, медицинские лазеры и хирургические машины LASIK; медицинские мониторы позволяют медицинскому персоналу измерять состояние здоровья пациента. Мониторы могут измерять жизненные показатели пациента и другие параметры, включая ЭКГ , ЭЭГ , артериальное давление и растворенные газы в крови; диагностическое медицинское оборудование также может использоваться дома для определенных целей, например, для контроля сахарного диабета. Техник по биомедицинскому оборудованию (BMET) является жизненно важным компонентом системы оказания медицинской помощи. BMET, работающие в основном в больницах, являются людьми, ответственными за обслуживание медицинского оборудования учреждения.
Любая структура по сути состоит лишь из небольшого числа различных типов элементов:
Многие из этих элементов можно классифицировать по форме (прямые, плоские/кривые) и размерности (одномерные/двумерные):
Колонны — это элементы, которые несут только осевую силу (сжатие) или как осевую силу, так и изгиб (что технически называется балкой-колонной, но на практике — просто колонной). Проектирование колонны должно проверять осевую несущую способность элемента и способность к выпучиванию.
Прочность на изгиб — это способность элемента противостоять склонности к изгибу. Ее способность зависит от его геометрии, материала и эффективной длины колонны, которая зависит от условий ограничения вверху и внизу колонны. Эффективная длина равна , где — реальная длина колонны, а K — коэффициент, зависящий от условий ограничения.
Способность колонны выдерживать осевую нагрузку зависит от степени изгиба, которому она подвергается, и наоборот. Это представлено на диаграмме взаимодействия и представляет собой сложную нелинейную зависимость.
.jpeg/1280px-The_Little_Belt_Bridge_(1935).jpeg)
Балку можно определить как элемент, в котором одно измерение намного больше двух других, а приложенные нагрузки обычно перпендикулярны главной оси элемента. Балки и колонны называются линейными элементами и часто представляются простыми линиями в структурном моделировании.
Балки — это элементы, которые несут только чистый изгиб. Изгиб приводит к тому, что одна часть сечения балки (разделенная по длине) переходит в сжатие, а другая часть — в растяжение. Сжатая часть должна быть спроектирована так, чтобы противостоять выпучиванию и смятию, в то время как растянутая часть должна быть способна адекватно противостоять растяжению.
Ферма — это конструкция, состоящая из элементов и точек соединения или узлов. Когда элементы соединены в узлах и силы прикладываются к узлам, элементы могут действовать на растяжение или сжатие. Элементы, действующие на сжатие, называются элементами сжатия или стойками , а элементы, действующие на растяжение, называются элементами растяжения или связями . Большинство ферм используют косынки для соединения пересекающихся элементов. Косынки относительно гибкие и не способны передавать изгибающие моменты . Соединение обычно организовано таким образом, что линии силы в элементах совпадают в стыке, что позволяет элементам фермы действовать на чистое растяжение или сжатие.
Фермы обычно применяются в большепролетных конструкциях, где применение сплошных балок было бы неэкономично.
Плиты выдерживают изгиб в двух направлениях. Бетонная плоская плита является примером плиты. Плиты понимаются с помощью механики сплошной среды , но из-за сложности они чаще всего проектируются с использованием кодифицированного эмпирического подхода или компьютерного анализа.
Они также могут быть спроектированы с помощью теории линии текучести, где предполагаемый механизм обрушения анализируется, чтобы дать верхнюю границу нагрузки обрушения. Этот метод используется на практике [8], но поскольку метод обеспечивает верхнюю границу (т. е. небезопасное предсказание нагрузки обрушения) для плохо продуманных механизмов обрушения, необходимо проявлять большую осторожность, чтобы гарантировать, что предполагаемый механизм обрушения является реалистичным. [9]
Оболочки получают свою прочность от своей формы и несут силы сжатия в двух направлениях. Купол является примером оболочки. Их можно спроектировать, сделав модель подвесной цепи, которая будет действовать как цепная линия при чистом растяжении, и инвертируя форму для достижения чистого сжатия.
Арки несут силы сжатия только в одном направлении, поэтому целесообразно строить арки из каменной кладки. Они спроектированы так, чтобы линия приложения силы оставалась в пределах глубины арки. В основном это используется для увеличения плодородности любой конструкции.
Цепные линии получают свою прочность от своей формы и несут поперечные силы в чистом натяжении путем прогиба (так же, как канат провисает, когда по нему кто-то идет). Они почти всегда представляют собой тросовые или тканевые конструкции. Тканевая конструкция действует как цепная линия в двух направлениях.
Структурная инженерия зависит от знания материалов и их свойств, чтобы понимать, как различные материалы выдерживают и сопротивляются нагрузкам. Она также включает в себя знание коррозионной инженерии , чтобы избежать, например, гальванической связи разнородных материалов.
Распространенными конструкционными материалами являются:
