Строительная инженерия — это раздел гражданского строительства , в котором инженеры-строители обучаются проектированию «костей и суставов», которые создают форму и очертания искусственных сооружений . Инженеры-строители также должны понимать и рассчитывать устойчивость , прочность, жесткость и сейсмостойкость построенных конструкций зданий [1] и нестроительных конструкций . Структурные проекты интегрированы с проектами других проектировщиков, таких как архитекторы и инженеры по строительству , и часто контролируют строительство проектов подрядчиками на месте. [2] Они также могут участвовать в проектировании машин, медицинского оборудования и транспортных средств, структурная целостность которых влияет на функционирование и безопасность. См. глоссарий строительной техники .
Теория проектирования конструкций основана на прикладных физических законах и эмпирических знаниях о структурных характеристиках различных материалов и геометрических форм. В структурном проектировании используется ряд относительно простых структурных концепций для создания сложных структурных систем . Инженеры-строители несут ответственность за творческое и эффективное использование средств, структурных элементов и материалов для достижения этих целей. [2]
Структурное проектирование 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 по своей природе стабильна и может практически бесконечно масштабироваться (в отличие от большинства других структурных форм, размер которых не может линейно увеличиваться пропорционально увеличению нагрузки). [3]
Структурная устойчивость пирамиды, в первую очередь обусловленная ее формой, зависит также от прочности камня, из которого она построена, и его способности выдерживать вес камня над ним. [4] Блоки известняка часто брались из карьера недалеко от строительной площадки и имеют прочность на сжатие от 30 до 250 МПа (МПа = Па × 10 6 ). [5] Таким образом, структурная прочность пирамиды обусловлена свойствами материала 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, дослужившиеся до роли мастеров-строителей. Никакой теории структур не существовало, а понимание того, как возникли структуры, было крайне ограниченным и почти полностью основывалось на эмпирических данных о том, «что работало раньше» и интуиции . Знания сохранялись гильдиями и редко заменялись достижениями. Структуры повторялись, а масштабы увеличивались постепенно. [3]
Не существует никаких записей о первых расчетах прочности элементов конструкции или поведения конструкционных материалов, но профессия инженера-строителя по-настоящему сформировалась только с промышленной революцией и повторным изобретением бетона (см. « Историю бетона» ). Физические науки, лежащие в основе строительного проектирования, начали пониматься в эпоху Возрождения и с тех пор превратились в компьютерные приложения, впервые появившиеся в 1970-х годах. [6]
.jpg/1280px-Galileo_Galilei_by_Ottavio_Leoni_Marucelliana_(cropped).jpg)
История строительного проектирования знает множество коллапсов и неудач. Иногда это происходит из-за явной небрежности, как в случае с обрушением школы в Петионе-Виле , когда преподобный Фортен Огюстен «построил здание самостоятельно, заявив, что ему не нужен инженер, поскольку он хорошо разбирается в строительстве». после частичного обрушения трехэтажного здания школы, из-за которого соседи разбежались. В результате окончательного обрушения погибли 94 человека, в основном дети.
В других случаях структурные разрушения требуют тщательного изучения, и результаты этих исследований привели к улучшению практики и лучшему пониманию науки о структурном проектировании. Некоторые из таких исследований являются результатом судебно-технических расследований, в которых первоначальный инженер, кажется, сделал все в соответствии с состоянием профессии и приемлемой практикой, однако сбой все же произошел. Известный случай развития таким образом структурных знаний и практики можно найти в серии отказов коробчатых балок , обрушившихся в Австралии в 1970-х годах.
Структурное проектирование зависит от детальных знаний прикладной механики , материаловедения и прикладной математики , чтобы понять и предсказать, как конструкции поддерживают и сопротивляются собственному весу и приложенным нагрузкам. Чтобы успешно применить знания, инженеру-строителю обычно требуется детальное знание соответствующих эмпирических и теоретических норм проектирования , методов структурного анализа , а также некоторые знания о коррозионной стойкости материалов и конструкций, особенно когда эти конструкции подвергаются внешнему воздействию. среда. С 1990-х годов стало доступно специализированное программное обеспечение, помогающее в проектировании конструкций, с функциональностью, позволяющей создавать чертежи, анализировать и проектировать конструкции с максимальной точностью; примеры включают 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. [ нужна цитата ]
Инженеры-строители отвечают за инженерное проектирование и структурный анализ. Инженеры-строители начального уровня могут проектировать отдельные конструктивные элементы конструкции, такие как балки и колонны здания. Более опытные инженеры могут нести ответственность за конструктивное проектирование и целостность всей системы, например здания. [ нужна цитата ]
Инженеры-строители часто специализируются на определенных типах конструкций, таких как здания, мосты, трубопроводы, промышленные предприятия, туннели, транспортные средства, корабли, самолеты и космические корабли. Инженеры-строители, 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. [ нужна цитата ]
Структурная инженерия существовала с тех пор, как люди впервые начали строить свои конструкции. Эта профессия стала более определенной и формализованной с появлением архитектуры как отдельной от инженерной профессии во время промышленной революции в конце 19 века. До этого архитектор и инженер-строитель обычно были одним и тем же – главным строителем. Только с развитием специальных знаний в области структурных теорий, возникших в XIX и начале XX веков, появились профессиональные инженеры-строители. [ нужна цитата ]
Роль инженера-строителя сегодня предполагает глубокое понимание как статических, так и динамических нагрузок, а также конструкций, которые могут им противостоять. Сложность современных конструкций часто требует от инженера большого творчества, чтобы обеспечить поддержку конструкций и сопротивление нагрузкам, которым они подвергаются. Инженер-строитель обычно имеет четырех- или пятилетнюю степень бакалавра, за которой следует минимум три года профессиональной практики, прежде чем он будет 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, который они изучали, и / или юрисдикции, в которой они претендуют на получение лицензии, они могут быть аккредитованы (или лицензированы) просто как инженеры-строители, или как инженеры-строители, или как инженеры-строители и инженеры-строители. Другая международная организация — IABSE (Международная ассоциация мостов и строительного проектирования). [7] Целью этой ассоциации является обмен знаниями и продвижение практики структурного проектирования во всем мире на службе профессии и общества.
_version.jpg/1280px-Millennium_Dome_(zakgollop)_version.jpg)
Строительное проектирование зданий включает в себя все структурное проектирование, связанное с проектированием зданий. Это отрасль строительной техники, тесно связанная с архитектурой . [ нужна цитата ]
Проектирование строительных конструкций в первую очередь основано на творческом манипулировании материалами и формами, а также на лежащих в их основе математических и научных идеях для достижения цели, которая соответствует функциональным требованиям и является структурно безопасной при воздействии всех нагрузок, которые можно было бы разумно ожидать. Это слегка отличается от архитектурного дизайна, который основан на творческом манипулировании материалами и формами, массой, пространством, объемом, текстурой и светом для достижения эстетической, функциональной и часто художественной цели.
Конструктивный проект здания должен гарантировать, что здание может стоять безопасно, функционировать без чрезмерных отклонений или движений, которые могут вызвать усталость элементов конструкции, растрескивание или выход из строя арматуры, арматуры или перегородок или дискомфорт для жителей. Он должен учитывать движения и силы, вызванные температурой, ползучестью , растрескиванием и приложенными нагрузками. Он также должен гарантировать, что конструкция практически осуществима в пределах приемлемых производственных допусков материалов. Оно должно позволять архитектуре работать, а коммуникациям здания вписываться в здание и функционировать (кондиционирование воздуха, вентиляция, дымоудаление, электрика, освещение и т. д.). Структурное проектирование современного здания может быть чрезвычайно сложным, и для его выполнения часто требуется большая команда.
К специальностям проектирования зданий относятся:
Сейсмостойкие инженерные сооружения – это сооружения, спроектированные так, чтобы выдерживать землетрясения .
Основными задачами сейсмической инженерии являются понимание взаимодействия конструкций с трясущейся землей, предвидение последствий возможных землетрясений, а также проектирование и строительство конструкций, которые будут работать во время землетрясения.
Сейсмостойкие конструкции не обязательно настолько прочны, как пирамида Эль-Кастильо в Чичен-Ице, показанная выше.
Одним из важных инструментов сейсмической инженерии является изоляция основания , которая позволяет основанию конструкции свободно перемещаться вместе с землей.
Гражданское структурное проектирование включает в себя все структурное проектирование, связанное с искусственной средой. Оно включает:
Инженер-строитель является ведущим проектировщиком этих конструкций, а часто и единственным проектировщиком. При проектировании таких сооружений первостепенное значение имеет структурная безопасность (в Великобритании проекты плотин, атомных электростанций и мостов должны быть подписаны дипломированным инженером ) .
Строительные конструкции часто подвергаются очень экстремальным нагрузкам, таким как большие перепады температур, динамические нагрузки, такие как волны или движение транспорта, или высокое давление воды или сжатых газов. Их также часто строят в агрессивных средах, например, на море, на промышленных объектах или под землей.
Принципы структурной инженерии применимы к различным механическим (подвижным) конструкциям. При проектировании статических конструкций предполагается, что они всегда имеют одинаковую геометрию (на самом деле, так называемые статические конструкции могут значительно перемещаться, и при проектировании конструкций это необходимо учитывать, где это необходимо), но при проектировании подвижных или движущихся конструкций необходимо учитывать усталость . , вариация способа восприятия нагрузки и значительные прогибы конструкций.
Силы, которым подвергаются части машины, могут значительно различаться и происходить с большой скоростью. Силы, которым подвергается лодка или самолет, сильно различаются и будут меняться тысячи раз в течение срока службы конструкции. Конструктивное проектирование должно гарантировать, что такие конструкции могут без сбоев выдерживать такую нагрузку в течение всего расчетного срока службы.
Эти работы могут потребовать проектирования механических конструкций:
Типы аэрокосмических конструкций включают ракеты-носители ( Атлас , Дельта , Титан), ракеты (КРВБ, Гарпун), гиперзвуковые аппараты (Спейс Шаттл), военные самолеты (F-16, F-18) и коммерческие самолеты ( Боинг 777, MD-11). ). Аэрокосмические конструкции обычно состоят из тонких пластин с ребрами жесткости для внешних поверхностей, переборок и рам для поддержки формы, а также крепежных элементов, таких как сварные швы, заклепки, винты и болты, для скрепления компонентов.
Наноструктура – это объект промежуточного размера между молекулярными и микроскопическими (микрометровыми) структурами. При описании наноструктур необходимо различать количество измерений на 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 на наноуровне, т. е. диаметр трубки составляет от 0,1 до 100 нм; его длина могла быть значительно больше. Наконец, сферические наночастицы имеют три измерения в наномасштабе, т.е. размер частицы составляет от 0,1 до 100 нм в каждом пространственном измерении. Термины «наночастицы» и «ультрамелкие 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 машины медицинской визуализации, используемые для помощи в диагностике; оборудование включает инфузионные насосы, медицинские лазеры и хирургические аппараты LASIK; медицинские мониторы позволяют медицинскому персоналу измерять состояние здоровья пациента. Мониторы могут измерять жизненные показатели пациента и другие параметры, включая ЭКГ , ЭЭГ , кровяное давление и растворенные газы в крови; диагностическое медицинское оборудование также можно использовать 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, — это люди, ответственные за обслуживание медицинского оборудования в учреждении.
Любая структура по существу состоит лишь из небольшого количества элементов разного типа:
Многие из этих элементов можно классифицировать по форме (прямые, плоскости/кривые) и размерности (одномерные/двумерные):
Колонны — это элементы, которые воспринимают только осевую силу (сжатие) или одновременно осевую силу и изгиб (технически это называется балкой-колонной, но практически это просто колонна). При проектировании колонны необходимо учитывать осевую нагрузку элемента и устойчивость к продольному изгибу.
Способность к короблению – это способность элемента противостоять склонности к короблению. Его емкость 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, у которого один размер намного больше двух других, а приложенные нагрузки обычно перпендикулярны главной оси элемента. Балки и колонны называются линейными элементами и при структурном моделировании часто представляются простыми линиями.
Балки — это элементы, допускающие только чистый изгиб. При изгибе одна часть сечения балки (разделенная по длине) переходит в сжатие, а другая часть в растяжение. Сжимающая часть должна быть спроектирована таким образом, чтобы противостоять короблению и раздавливанию, тогда как растягивающая часть должна быть способна адекватно противостоять растяжению.
Ферма — это конструкция, состоящая из элементов и точек соединения или узлов . Когда элементы соединены в узлах и к узлам приложены силы, 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 . В большинстве ферм для соединения пересекающихся элементов используются косынки . Косынки относительно гибки и не способны передавать изгибающие моменты . Соединение обычно устроено так, что силовые линии в элементах совпадают в месте соединения, что позволяет элементам фермы действовать в чистом растяжении или сжатии.
Фермы обычно применяют в большепролетных сооружениях, где применять сплошные балки было бы неэкономично.
Пластины осуществляют изгиб в двух направлениях. Бетонная плоская плита является примером плиты. Пластины понимаются с помощью механики сплошной среды , но из-за сложности их чаще всего проектируют с использованием систематизированного эмпирического подхода или компьютерного анализа.
Их также можно спроектировать с использованием теории линии текучести, при которой предполагаемый механизм разрушения анализируется, чтобы дать верхнюю границу нагрузки на разрушение. Этот метод используется на практике [8] , но поскольку метод обеспечивает верхнюю границу (т.е. небезопасный прогноз нагрузки при обрушении) для плохо продуманных механизмов обрушения, необходима большая осторожность, чтобы гарантировать реалистичность предполагаемого механизма обрушения. [9]
Оболочки черпают силу из своей формы и переносят силы сжатия в двух направлениях. Купол является примером оболочки. Их можно спроектировать, создав модель подвесной цепи, которая будет действовать как цепная связь при чистом растяжении и инвертировать форму для достижения чистого сжатия.
Арки несут сжимающие силы только в одном направлении, поэтому целесообразно строить арки из каменной кладки. Они спроектированы таким образом, чтобы линия действия силы оставалась в пределах глубины арки. В основном он используется для увеличения изобилия любой структуры.
Цепные линии черпают силу из своей формы и несут поперечные силы в чистом натяжении путем отклонения (так же, как натянутый канат провисает, когда кто-то идет по нему). Почти всегда они представляют собой тросовые или тканевые конструкции. Тканевая структура действует как цепная связь в двух направлениях.
Строительная инженерия зависит от знаний материалов и их свойств, чтобы понять, как различные материалы выдерживают и сопротивляются нагрузкам. Это также предполагает знание техники защиты от коррозии , чтобы избежать, например, гальванического соединения разнородных материалов.
Распространенными конструкционными материалами являются:
