загрузка...
загрузка...
На головну

Вступ. Мета і завдання дисципліни, її зв'язок з іншими дисциплінами.

  1. B. Зв'язок
  2. I. ЗАВДАННЯ АРТИЛЕРІЇ
  3. I. Мета і завдання дисципліни
  4. II. Основні завдання та їх реалізація
  5. III. Взаємозв'язок держави і права.
  6. VII. Шматки ТА ЗАВДАННЯ
  7. А. Умова завдання

Загальні відомості про наукові дослідження. Короткий історичний огляд розвитку будівельних конструкцій будівель і споруд. Суті методів, використовуваних на теоретичному і практичному рівні досліджень. Системний підхід до вирішення науково-технічних завдань.

Вступ

Курс «Основи наукових досліджень та інноваційної діяльності» спрямований на формування навичок самостійного аналізу і синтезу організаційних і технологічних систем.

Що таке наукові дослідження? Наукові дослідження або науково-дослідні роботи - творча діяльність, спрямована на отримання нових знань і способів їх застосування. Наукові дослідження можуть бути фундаментальними і прикладними [1].

Що таке інноваційна діяльність? Інноваційна діяльність - діяльність забезпечує створення і реалізацію інновацій [1].

Що-ж тоді інновації? Інновації (нововведення) - створювані (освоюються) нові або вдосконалені технології, види товарної продукції або послуг, а також організаційно-технічні рішення виробничого, адміністративного, комерційного або іншого характеру, що сприяють просуванню технологій, товарної продукції і послуг на ринок [1].

Все вищевказане закріплено в Законі Республіки Білорусь «Про основи державної науково-технічної політики» № 2105-XII від 19 січня 1993р.

Цілі і завдання дисципліни, її зв'язок з іншими дисциплінами.

Метою викладання дисципліни є отримання студентами необхідних знань про роль і організації наукових досліджень при розробці конструкторських і технологічних рішень, а також освоєння методик вирішення найбільш часто зустрічаються практичних інженерних задач в області надземних і підземних будівельних конструкцій будівель і споруд.

В процесі навчання студент ознайомлюється з основами інноваційної діяльності, класифікацією науково-дослідних робіт, етапами їх виконання, математичними методами і схемами, використовуваними при вирішенні задач аналізу і синтезу досить складних технологічних, конструктивних і організаційних систем, з методами експериментів, як на реальних об'єктах, так і на моделях.

Студент, що вивчив дисципліну, повинен знати:

- Методи досліджень, що використовуються на теоретичному і експериментальному рівнях;

- Питання планування експерименту;

- Статистичну обробку експериментальних даних;

- Основи дисперсійного та кореляційного аналізу;

- Дослідження, аналіз і синтез систем обслуговування, ремонту і експлуатації будівель і споруд;

- Методи вироблення і прийняття рішень;

- Основи інноваційної діяльності на підприємствах будіндустрії, ЖКГ, в будівельних організаціях трестів і управлінь.

Студент, що вивчив дисципліну, повинен вміти:

- Аналізувати поведінку виробничих систем;

- Складати плани експериментів;

- Розробляти імовірнісні моделі функціонування систем;

- Скласти алгоритми функціонування виробничих систем підприємств будівельної галузі Республіки Білорусь і ремонту будівель і споруд;

- Синтезувати і оптимізувати моделі виробничих процесів;

- Планувати інноваційну діяльність для реальних підприємств;

- Складати науково-технічні звіти.

Для розуміння і засвоєння читається дисципліни студент повинен бути підготовлений з суміжних дисциплін, що сприяє поглибленому вивченню основ наукових досліджень та інноваційної діяльності.

«Математика» - все розділи;

«Експлуатація та технічне обслуговування будівель і споруд» - все розділи;

«Метрологія та контроль якості в будівництві» - все розділи;

«Проектування ремонту будівель» - все розділи.

Загальні відомості про наукові дослідження

У процесі підготовки інженера-будівельника значний обсяг інформації відведено до вивчення будівельних конструкцій: металевих і дерев'яних, бетонних і залізобетонних, кам'яних і армокам'яних. Такий поділ конструкцій пов'язано з різними властивостями матеріалів, технологій їх виготовлення та іншими обставинами. Разом з тим багато питань проектування мають загальний характер, незалежно від виду використовуваного матеріалу. До них можна віднести основи розрахунку за граничними станами, методики визначення навантажень і впливів, принципи розробок розрахункових схем і ін.

Так як з усіх видів будівельних матеріалів в даний час і в доступному для огляду майбутньому при зведенні будівель і споруд є залізобетон, у всіх його модифікаціях, то і ми в цьому курсі приділимо йому особливу увагу. Існуюча література орієнтована на те щоб переважно навчити студента вирішення конкретних завдань, в той - же час відомості про теорію залізобетону даються елементарно, а фізичній обгрунтування використовуваних залежностей приділяється мало уваги. Тим часом, будь-якого творчо мислячій інженеру, не тільки формально знати, як розраховувати конструкцію, але і розуміти - чому використовуються саме ці залежності і яка їхня фізична сутність. Тим більше фізику явища необхідно знати і розуміти майбутньому науковому співробітнику.

Наукові дослідження ґрунтуються на загальних методах наукового пізнання, включаючи методи емпіричного і теоретичного дослідження - це проведення експерименту, абстрагування, моделювання, аналіз і синтез. Сюди можна віднести застосування імовірнісних методів для оцінки технічного стану залізобетонних конструкцій.

Короткий історичний огляд розвитку будівельних конструкцій будівель і споруд.

Будівельні конструкції - штучно створені з будівельних матеріалів елементи будівель і споруд виконують несучі, огороджувальні або сполучені функції.

Свій початок будівельні конструкції будуть біля витоків людського суспільства. Так, першою огороджувальної конструкцією можна вважати примітивну кам'яну кладку, яка закрила вхід до печери первісної людини. Досить імовірно, що першою несучою конструкцією був стовбур дерева, поваленого людиною поперек ущелини або струмка для полегшення переправи з одного берега на інший. Стіни землянок первісної людини, виконані з поставлених вертикально впритул один до одного колод, можна розглядати одночасно як несучу і огороджувальну конструкцію.

Розвиток будівельних конструкцій нерозривно пов'язане з розвитком виготовлення знарядь праці, зі зміною характеру і напряму виробничої діяльності людей. У міру вдосконалення знарядь праці для кам'яних будівель стали застосовувати грубо оброблені природні камені, а також цегла - сирець і цегла підданий випалу. З плином часу досягли високої досконалості у виготовленні і використанні кам'яних матеріалів, які успішно застосовують при влаштуванні дорожніх покриттів, зведенні підпірних стін, опор мостів, будівництві автостоянок, гаражів, різних підземних і надземних інженерних споруд, житлових і громадських будівель, споруд спецпризначення, а також в гідротехнічному і с/х будівництві. Кам'яні конструкції отримують шляхом з'єднання окремих каменів або кам'яних виробів будівельним розчином. Їх розвиток йде шляхом укрупнення штучних матеріалів (цегла, кераміка, блоки) і застосування великих кам'яних блоків і панелей.

Інтенсивний розвиток будівельних конструкцій почалося в XVIII столітті, коли основними будівельними матеріалами були дерево, бетон і метал, а з середини XIX століття - залізобетон.

дерев'яні конструкції

Починаючи з XVIII століття при зведенні будівель і споруд стала інтенсивно використовуватися деревина. У 1714р. була побудована і збереглася до наших днів 22-главая дерев'яна Преображенська церква в селі Кижи. У 1738г. був побудований дерев'яний шпиль вежі будівлі Адміралтейства в Петербурзі висотою 72 м. До цього періоду відноситься зведення гідротехнічних споруд - Пріладожскіх каналів.

У 1776р. видатний і талановитий російський винахідник - самоучка І. П. Кулібін в результаті двадцятирічної праці запропонував проект однопролітного арочного дерев'яного моста через р. Неву прольотом 298 м. Міст мав комбіновану систему і складався з ряду гнучких арок і жорстких аркових ферм. Модель цього моста в 1/10 натуральної величини була побудована і її випробування показали правильність рішень і достатню міцність конструкції. Незважаючи на те, що міст не був зведений, нові прогресивні принципи конструювання його мали значний вплив на подальший розвиток інженерних споруд. Особливе місце в розвитку конструкцій з дерева належить Д.І. Журавському, який не тільки проектував, а й будував. Під його безпосереднім керівництвом в середині XIX століття побудовані дерев'яні залізничні мости: через р. Мсту - дев'ять прольотів по 61 м; через р. Сходню - чотири прольоти по 61 м; міст через яр р. Вереб - дев'ять прольотів по 54 м. При висоті 49м. над рівнем води, Д.І. Журавському належить заслуга створення теорії розрахунку ґратчастих ферм, а також складових балок, що працюють на зрушення при вигині.

До кінця XIX століття почало розвиватися лісопильне виробництво, що сприяло створенню нових видів конструкцій: дощатих кружальної арок, дощатих конструкцій із з'єднанням на цвяхах, нагелях, шайбах шпоночного типу. На початку XX століття стали застосовуватися сітчасті дерев'яні просторові конструкції системи В.Г. Шухова. У 30х роках минулого століття почали застосовувати трехшарнірной арки прольотом 60 м, а також балки і арки на пластинчастих нагелях.

Після Вітчизняної війни (1941-1945рр.) Відбувається впровадження в будівництво дерев'яних конструкцій заводського виготовлення: металлодеревянние ферми, клеефанерние балки, стійки, рами, клеефанерние плити і панелі, дощатоклеенние рами, арки, клеєні балки з фанерною стінкою коробчатого перетину. Значного поширення в даний час отримали тришарові плити, панелі покриттів та стінові панелі, що складаються з середнього пінопласту шару і зовнішніх шарів з листового матеріалу - металу, азбестоцементу або фанери.

Металеві конструкції

Перші металеві конструкції в будівництві з'явилися в кінці XVIII століття, однак широкого застосування вони не отримали через нестачу металу. Лише з другої половини XIX століття розвиток залізничного і водного транспорту сприяло створенню металевих конструкцій різних систем для будівництва мостів, промислових будівель і споруд, резервуарів, портів. Стала розвиватися металургійна промисловість, виробництво профільного прокату і разом з ним заклепочні і болтові з'єднання, зварювальні з'єднання вузлів і деталей.

Великий внесок у розвиток металевих конструкцій внесли видатні вчені та інженери як проф. Н.А. Белелюбський, проф. Проскуряков Л.Г., академік Є.О. Патон, проф. І.П. Прокоф'єв, проф. Н.С. Стрілецький, проф. М.М. Жербін і інші. Ними створені прекрасні мости оригінальної конструкції, розвинена теорія розрахунку мостів, створена вітчизняна школа мостобудування. Оригінальні та різноманітні сталеві споруди в кінці XIX початку XX століття створив почесний академік В.Г. Шухов - сітчасті вежі, циліндричні сітчасті зведення, склепіння двоякою кривизни, арочні ферми з променевими затяжками, нафтові барки, резервуари, трубопроводи.

Створення нових, більш жорстких схем споруд, краще враховують експлуатаційні вимоги виробництва і менш матеріаломістких, з урахуванням вимог технології виготовлення і монтажу характеризує сучасну школу проектування металевих конструкцій. Велике розвиток отримали споруди зв'язку, телевежі, радіощогли, що обертаються радіотелескопи, будівництво щогл ЛЕП, теплоелектростанцій і інших споруд. В останні роки успішно застосовують несучі та огороджувальні конструкції з алюмінієвих сплавів. Метал знаходить застосування в великопрольотних будівлях громадського і виробничого призначення (спортивні споруди, виставкові павільйони, ангари, авіасборочние цеху, суднобудівні елінги і т.п.). Подальше вдосконалення металевих конструкцій характеризується широким застосуванням сталей підвищеної та високої міцності, новими раціональними профілями прокату, введенням автоматизованого виробництва на заводах металоконструкцій.

Залізобетонні конструкції

Залізобетон в будівництві знайшов своє застосування, починаючи з середини XIX століття. У 1850р. француз Ж. Ламбо зробив гребное судно з бетону, армованого окремими стрижнями, яке потім було виставлено на всесвітній виставці в Парижі в 1855р. Близько цього часу американець Хайетт виробляв вже досліди з армованими балками і дав опис деяких конструкцій, що характеризуються включенням заліза в бетон. Французький інженер Ф. Куанье в 1861р. запропонував свої конструкції перекриття склепінь і труб, заснованих на принципі спільної роботи бетону і заліза. І лише в 1867р. садівник Ж. Моньє, який довго вважався творцем залізобетону, отримав патент на виготовлення квіткових діжок з заліза і цементного розчину.

На території нашої країни залізобетон почав застосовуватися з 1885р. Велика заслуга в справі розвитку і популяризації залізобетону в Росії належить Н.А. Белелюбський, професорові інституту інженерів шляхів сполучення, випробував в 1891р. значна кількість різних залізобетонних конструкцій - плит, склепінь, резервуарів, труб та ін. Результати випробувань були вельми переконливими, вони показали великі переваги залізобетону, розсіяли сумніви у багатьох інженерів і стали поштовхом до поширення залізобетону в будівництві. В кінці 1898р. після прийняття Інженерним Радою Міністерства шляхів сполучення рішення про застосування залізобетону на залізничних і шосейних дорогах почалося інтенсивне будівництво мостів, труб, шляхопроводів, резервуарів, баків та ін. Тільки на залізничній лінії Вітебськ-Жлобин в 1901-1902гг. було побудовано 27 залізобетонних шляхопроводів і мостів загальною довжиною 412 пог. метрів.

У роки перших п'ятирічок залізобетон застосовується при будівництві гідротехнічних споруд (Волховська ГЕС, Дніпро-ГЕС, Беломоро-Балтійський канал, канал ім. Москви і ін.), Транспортних об'єктів (міст через Москва-ріка, перші лінії Московського метрополітену та ін.) , підприємств важкої індустрії (Дніпросталь, Запоріжсталь, завод в Іжевську, Магнітогорський комбінат), будівель і споруд цивільного та спеціального призначення. В практику будівництва почали впроваджуватися тонкостінні просторові конструкції - оболонки, складки, намети.

Задум створення досконалішого, попередньо напруженого залізобетону, де знайшли застосування високоміцна арматура, і бетон був кроком вперед по шляху розвитку залізобетону. Вперше високоміцна арматура була застосована в попередньо-напружених залізобетонних конструкціях у Франції інженером Е. Фрейссіне в 1928р., А в нашій країні - проф. В.В. Михайловим в 1930р., Коли почалися експериментальні дослідження попередньо напружених центрифугованих залізобетонних елементів.

Подальший розвиток залізобетонних конструкцій базується на ефективному використанні місцевих матеріалів, відходів промисловості, отриманні бетонів і сталей з високими характеристиками міцності деформативними характеристиками, створінь низько енергоємних технологій.

Поняття наукового пізнання і визначення наукових проблем

Перш ніж перейти до наукового пізнання коротко розглянемо необхідність інноваційного управління як нову соціальну реальність.

В кінці XX століття людство вступило в якісно новий період свого розвитку. Як стверджує засновник і перший президент Римського клубу Ауреліо Печчеї, при вирішенні будь-яких проблем людині завжди доводиться зважати на «зовнішніми межами планети», «внутрішніми межами» самої людини, отриманим їм культурною спадщиною, яке він зобов'язаний передати тим, хто прийде після нього; зі світовим співтовариством, яке він повинен побудувати, екосреди, яку він повинен захистити будь-яку ціну, і нарешті, складної і комплексної виробничої системою, до реорганізації якої йому пора приступити.

Об'єктивні умови, в яких пройдеться діяти людині в XXI столітті, диктують нові форми мислення, поведінки і співпраці людей. Відповідно по-новому повинен бути розвинений і організований суб'єктивний фактор. Час, в який ми живемо, - це час динамічних змін. Всі процеси розвиваються швидко і дуже суперечливо. Подібну ситуацію американці називають словом «виклик», яке таїть в собі як певні можливості, так і загрози.

Серед особливо тривожних тенденцій (їх можна віднести до наукових проблем) основними є:

а) відбуваються планетарні зміни в природному середовищі і прийдешнє зміна клімату, виснаження озонового шару, скорочення площі лісів і деградація ґрунтів, забруднення атмосфери, води і ґрунтів токсичними відходами людської діяльності;

б) швидке зростання чисельності населення Землі при скороченні ресурсних можливостей планети;

в) марнотратне витрачання невідновних природних ресурсів, неврахування в діяльності сучасників інтересів майбутніх поколінь людей.

Так, що ж таке наукове пізнання? Для з'ясування цього поняття дамо визначення самого пізнання.

пізнання - Обумовлений розвитком суспільно-історичний практики процес відображення і відтворення дійсності в мисленні, взаємодія суб'єкта й об'єкта, результатом якого є нове знання про світ.

теорія пізнання - Розділ філософії, в якому вивчаються закономірності та можливості пізнання, відношення знання до об'єктивної реальності, досліджуються ступені і форми процесу пізнання, умови і критерії його достовірності та істинності. Матеріалізм виходить з того, що знання є відображенням матеріального світу. Теорія пізнання діалектичного матеріалізму основою пізнання і критерієм істини визнає суспільно-історичну практику: всі наші знання є відображенням об'єктивного світу, його зв'язків і закономірностей, пізнаваних в процесі цієї практики. Процес пізнання розвивається «від живого споглядання до абстрактного мислення і від нього до практики» (В. І. Ленін). Узагальнюючи методи і прийоми, які використовуються сучасною наукою (експеримент, моделювання, аналіз і синтез) теорія пізнання виступає в якості її філософсько-методологічної основи.

наука будівельна - Покликана сприяти впровадженню досягнень науково-технічного прогресу в проектуванні і будівництво, підвищення ефективності капітальних вкладень, скорочення тривалості будівництва і поліпшенню якості будівельно-монтажних робіт (БМР).

Наука управління будівництвом - Сфера діяльності, завданнями якої є: пізнання закономірностей управління будівництвом, розробка методології їх пізнання і застосування у вирішенні практичних завдань.

наукові проблеми - Можуть бути глобального характеру, які відносяться до фундаментальних досліджень (робота на перспективу), в яких вирішуються завдання, відкриття і найважливіші напрямки в області зведення, експлуатації та реанімації існуючих будівель і споруд, створення нових матеріалів і технологій, організації і технології будівельного виробництва сприяє будувати і експлуатувати безвідмовно. Це, як правило, відбивається в докторських дисертаціях.

Наукові проблеми прикладного характеру - Це рішення окремих питань і завдань, пов'язаних з вирішенням робіт приносять економічний ефект від впровадження розробок в будівельну галузь в даний час або в найближче п'ятиріччя. Прикладами можуть служити розробки по підвищенню несучої здатності плит пустотного настилу методом створення нерозрізності; підвищення несучої здатності залізобетонних колон, цегляних столів і простінків з різними видами підсилень, посилення сталевих і дерев'яних конструкцій, дослідження сталетрубобетонних елементів, розробка добавок для поліпшення характеристик міцності і деформативних характеристик бетону і т.д. Це, як правило, відбивається в магістерських та кандидатських дисертаціях.

Сутність методів, використовуваних на теоретичному і практичному рівні досліджень

До теоретичних основ експериментальних методів досліджень відносяться:

1. Основи теорії ймовірності та математичної статистики.

2. Дисперсійний, кореляційний і регресивний аналіз результатів вимірювань.

3. Планування експерименту.

4. Метрологічне забезпечення випробувань.

5. Експериментально-статистична оцінка модуля спрости, поздовжніх відносних деформацій, колія модуля деформацій, дотичного модуля, коефіцієнта пружності бетону. Всі ці питання будуть викладені в темах: 5,6,7,8,12,13,14.

Питання для самоконтролю за темою 1

1. Дати поняття наукових досліджень та інноваційної діяльності.

2. Коротко опишіть загальні відомості про наукових досліджень.

3. Опишіть розвиток дерев'яних конструкцій.

4. У чому полягає розвиток в будівництві металевих конструкцій?

5. Викладіть в короткій формі розвиток залізобетонних конструкцій.

6. Поняття наукового пізнання і визначення наукових проблем.

7. У чому полягає сутність методів використовуваних на теоретичному і практичному рівні досліджень?

Тема 2

Розвиток методів розрахунку будівельних конструкцій. Поперечний вигин, поздовжній вигин, крутіння, матеріали, міцність. Основи розрахунку за граничними станами. Навантаження і впливи. Параметри опору матеріалів.

Розвиток методів розрахунку будівельних конструкцій

Міцність конструкцій будівель і споруд цікавила людини з давніх часів. Однак основним критерієм протягом багатьох століть і тисячоліть був безпосередній досвід будівництва та експлуатації будівель. Якщо будівля тривалий час експлуатувалося і не руйнувалося, то за цим принципом зводили йому подібні будови.

Наші сучасники часто з захопленням дивляться на старовинні споруди, дивуючись їх конструктивними рішеннями. При цьому іноді забувають, що невдало спроектовані або неякісно зведені будівлі часто руйнувалися вже в процесі будівництва або незабаром після його завершення. До нашого часу збереглися тільки найбільш надійні споруди.

Безліч конструктивних рішень людство зайняло у природи. Колода, що впало через струмок, випадкові лісові завали, печера первісної людини допомагали людям осмислити користь і можливість використання балочних перекриттів, стінових огороджень, ізольованого приміщення.

Перш за все, з'явилися будови балочно-стоечной системи, які складалися з вертикальних (стіни, стовпи) і горизонтальних (балки, перекриття) елементів. Форми природних склепінь в печерах підказали ідею склепінних і арочних перекриттів. Ліани з їх переплетенням стали прообразом підвісних систем.

На малюнку 2.1-2.3 схематично показано взаємозв'язок між різними конструктивними рішеннями. Природно, поява тих чи інших рішень здійснюється хаотично. Деякі рішення відомі з глибокої давнини, інші здійснені в середні століття, а багато хто з них з'явилися в останні століття. На цих схемах на власні очі представлено, як з найпростіших конструктивних елементів можуть бути отримані складні конструкції і схеми.

Логічний взаємозв'язок різних стрижневих елементів і конструкцій показана на рис. 2.1. Такі елементи, як стиснута стійка (колона) і елементарна балка відомі з доісторичних часів. З цих елементів ще в стародавньому світі виконана основна конструктивне рішення ордерної архітектури - рама з шарнірним з'єднанням горизонтального ригеля. Одночасно для перекриття прогонів почали використовувати арочні і склепінчасті конструкції. Цікаво відзначити, що кроквяна конструкція у вигляді трикутної форми з'явилася набагато пізніше - в кінці першого тисячоліття нової ери у народів Центральної та Східної Європи, де основний розвиток отримує дерев'яне зодчество.

Першим дослідником (в сучасному розумінні) в науці про міцність матеріалів і конструкцій став геній епохи відродження Леонардо да Вінчі (1452-1519). Він першим осмислив роль експерименту для встановлення наукової істини. Леонардо да Вінчі вивчав опір колон стиску і встановив, що міцність колон прямо пропорційна площі поперечного перерізу і обернено пропорційна її довжині. Цим вперше були встановлені чіткі залежності для міцності конструкцій. Крім цього, в результаті експериментів Леонардо да Вінчі першим сформулював завдання про стійкість стиснутих елементів. Для вигину він виявив взаємозв'язок між довжиною прольоту балки і величиною руйнівного зосередженого зусилля прикладеного в середині прольоту. Леонардо да Вінчі відчував на розтягнення дріт, дав опис методики випробувань, і вказав яке, з цього треба робити висновок. Займався він і міцністю арок, однак, не зміг повністю звільниться від панівних у той час помилкових уявлень.

Малюнок 2.1 - Плоскі стрижневі системи

Малюнок 2.2-просторово конструкції

Малюнок 2.3 -Нітчатие (тросові) конструкції

Однак всі ці роботи залишилися невідомими як сучасникам Леонардо да Вінчі, так і наступним дослідникам.

Рукописи Леонардо да Вінчі були виявлені тільки в XX столітті і на сьогодні мають історичну цінність. Однак, на жаль, впливу на розвиток будівельної науки вони не надали.

Тільки лише через два століття - в 1638р. була опублікована книга Г. Галілея «Бесіди і математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки, що належать до механіки і місцевого руху». Цим Галілей заклав основи «двох нових галузей науки», а саме - динаміки і науки про міцність. Коротше кажучи, з ім'ям Галілея пов'язано зародження науки «будівельна механіка»; адже механіка і опір матеріалів - розділи сучасної будівельної механіки.

Особливий інтерес представляє підхід Галілея до проблеми міцності, яка представляє собою перші кроки опору матеріалів.

Галілей розглядав два види напруженого стану стержнів - осьовий розтяг і вигин. При цьому його цікавила тільки величина руйнівного навантаження. Як визначав сам Галілей, його трактат «відноситься до опору твердих тіл силі, яка прагне це тіло зруйнувати». А важливі питання опору матеріалів, такі як поведінка стрижнів, в умовах нормальної експлуатації, величина і розподіл зусиль при звичайних навантаженнях, особливо переходу від нормального стану до руйнування - все це залишилося поза увагою дослідника. Умови для постановки подібних завдань ще не дозріли. Тому перше дослідження міцності було засновано на граничному стані стрижня, тобто на вивченні його стадії руйнування.

Характеристики міцності матеріалів в той час ще не були відомі, тому Галілей розглядав вплив на міцність стрижня (конструкції, елемента) тільки геометричні параметри - розміри поперечного перерізу, довжину стержня і ін. Строго кажучи, вивчалася порівняльна оцінка міцності елемента з одного і того - ж матеріалу. Припускаємо, Галілей давав собі звіт, що міцність елемента залежить і від матеріалу, але для відповідних оцінок у нього були відсутні передбачувані дані про міцність матеріалів. Тому йому довелося обмежити завдання.

Галілей виходив з того, що міцність розтягнутого елемента (стержня, каната) прямо пропорційна площі поперечного перерізу елемента і є такий, що не залежить від його довжини. Не можна не відзначити, що цей розділ Галілей викладає так, ніби - б питання міцності розтягнутих елементів добре відомий читачеві. Очевидно, зазначена вище залежність була задовго до Галілея, відомості про неї переходили від покоління до покоління, від вчителя до учня, від майстра до підмайстру. Тому заслуга Галілея в тому, що він у своїй роботі вперше оприлюднив відомості про міцності розтягнутих елементів. Оскільки нам відомо раніших публікацій не виявлено. Матеріал цієї книги дає підставу вважати, що Галілей розумів значення матеріалу для міцності розтягнутого елемента. Прямі вказівки на це відсутні, в наявності тільки непрямі, проте слід припускати, що міцність при розтягуванні для Галілея лише передумова при вирішенні зовсім нової на той час завдання - про міцність згинаного елемента. І в цьому розумінні він став основоположником нової галузі знань - науки про міцність.

Простежимо розвиток думки Галілея при вирішенні задачі про міцність згинаного елемента. Ось що писав Галілей з цього явища: «... Легко усвідомити причину того, що тверді циліндри або призми зі скла, чавуну, дерева або іншого крихкого матеріалу, підвішені вертикально (тобто центрально розтягнуті), витримують досить велике навантаження, в Водночас при горизонтальному положенні (тобто при вигині) вони - можуть бути зруйновані невеликими навантаженнями, і тим меншими, чим більше довжина циліндра або призми перевищує їх товщину (висоту перетину) ».

Уявімо собі призму АВСД (рис. 2.4), закріпленої в стіну своєї частиною АВ, на другому кінці прикладений вантаж F.

Очевидно, що призма повинна зламані, це здійсниться в точці В, де межа стіни є точка опори, а відстань ВС є перше плече, з яким діє сила F. Товщина тіла АВ є другим плечем, яке визначає опір, обумовлене зчепленням частинок тіла АВСД з його частинками, закладеними в стіні.

Малюнок 2.4-Схема дії зусиль при вигині за Галілеєм

... Тому абсолютне опір призми АВСД розриву (під яким розуміємо опір дії сили в поздовжньому напрямку, при якому сила розтягування і опору рівні між собою) так відноситься до опору розриву за допомогою плеча ВС, як довжина ВС до половини товщини призми АВ або до радіусу, якщо взяти циліндр.

Викладемо думки Галілея з позиції сучасних наукових публікацій.

Розглянуто стан сучасної консольної балки, навантаженої на вільному кінці зосередженою силою F. Необхідно визначити в якому місці, і при якому значенні сили F балка буде зруйнована.

Оскільки Галілею було відомо правило ричага, то місце руйнування визначити легко - чим далі плече від точки прикладання сили F, тим імовірніше місце руйнування. Стає зрозумілим, чому Галілей вважав небезпечним місцем саме опорний переріз консольної балки. Що - ж чинить опір дії сили F в небезпечному перерізі безпосередньо перед руйнуванням? Відповідь очевидна - міцність балки в цьому перерізі.

Галілей прийняв наступну схему руйнування:

- В небезпечному перерізі зусилля опору розподілені рівномірно по перетину;

- Зусилля опору - розтягнуті (по аналогії з центральним розтягуванням);

- Злам консолі здійснюється при утворенні тріщини вгорі небезпечногоперетину з подальшим її розкриттям і поворотом балки навколо осі, що збігається з нижньою межею перетину - навколо точки В.

Прийнята схема руйнування балки наближена до реальності для тендітних матеріалів (камінь, чавун, скло), які краще пручаються стиску, ніж розтягування. Оскільки в результаті при цьому здійснюється розрив всього перерізу, то логічною є передумови Галілея про ідентичність руйнування консолі і центрально розтягнутого елемента. Звідси виникло припущення про рівномірність розподілу розтягують зусиль по висоті небезпечногоперетину.

З огляду на ту обстановку, що під час Галілея (перша половина XVII ст.) Про напружений стан згинаного елемента нічого не було відомо, слід належне віддати Галілею, який наважився вирішити задачу про міцність при вигині.

Таким чином, відповідно прийнятого Галілеєм передбачення, в небезпечному перерізі руйнування перешкоджає сила, що розтягує  . За правилом ричага величина цієї сили тим більша, чим далі розташована перетин від точки прикладання сили F.

Відповідно сучасних поглядів запишемо рівняння, що відображає рівність суми моментів щодо точки в безпосередньо перед руйнуванням:

 ... (2.1)

звідси випливає запропоноване Галілеєм співвідношення

 .... (2.2)

Якщо позначити опір матеріалу через R, то для прямокутного перерізу маємо  тобто

 ... (2.3)

Інакше кажучи, за сучасною термінологією, Галілей отримав значення моменту опору для прямокутника.

 ... (2.4)

і для круглого перетину

 ... (2.5)

Сучасний інженер таке рішення вважає глибоко помилковим. Адже в даному перетині не задоволені умови рівності сил і умови рівності деформацій. Міцність балки прямокутного перетину завищена в три рази, а балки круглого перетину - в чотири рази. Разом з тим це перше рішення можна вважати правильним, коли згадаємо поставку завдання.

Галілей вивчав неабсолютності, а порівняльну міцність геометрично подібних стрижнів. І саме це завдання він правильно вирішив для кожного виду профілю окремо.

Своєрідність постановки задачі дозволило Галілею виключити визначення міцності матеріалів і пошуку дійсного розподілу напружень в перерізі, тим більше самого поняття «напруга» тоді не існувало. Природно, про існування нульової лінії тоді ніхто не мав поняття.

Саме з Галілея почалася і в подальшому набула розвитку одна з основних галузей будівельної науки - будівельна механіка.

Пізніше встановили, що напруги по висоті перетину не однакові і є функціями координати по висоті (поряд з іншими факторами), тобто

?  ... (2.6)

і де б не проходила нульова лінія напруги, момент опору для прямокутного перерізу має вигляд

 ... (2.7)

а для круглого перетину  ... (2.8)

де m и n - Числові параметри, незалежні від розмірів перетину.

Цю теорему в 1718р. вперше довів для прямокутного профілю французький дослідник Паран (Parent).

Якщо з відповідністю допущення Галілея прийняти  , То отримаємо m= 2 і n= 8, як раніше показано.

Маріотт (E. Mariotte) в 1686р. для вигину прийняв трикутну епюру напружень, розмістивши нульову (нейтральну) лінію на кордоні перетину, тобто допустив що  . У цих умовах він отримав m= 3 і n= 12,8.

Паран розмістив нейтральну лінію в середині висоти перерізу при тій - таки залежно  і отримав m= 6 і n= 32, тобто ті значення коефіцієнтів, якими користуємося і в даний час.

Слід зазначити, що всі висновки XVII-XVIII ст. базуються при розгляді тільки симетричних профілів - прямокутник, коло. Тому Паран і отримав правильне рішення. Несиметричні перерізи, такі як тавр, або трапеція практично не застосовувалися, тому дослідниками вони не розглядалися. Тільки на початку XIX ст. почали застосовувати сталеві балки подібних профілів. Завдання вигину стержня довільного перетину в пружною постановці питання вирішив француз Л. Нав'є (L. Navier), який встановив, що нульова лінія завжди розташована в центрі ваги перерізу.

Таким чином, рішенням задачі про вигин займалися багато вчених майже два століття. Якщо враховувати, що були відсутні багато понять і багато явищ доводилося відкривати, стануть зрозумілими ті труднощі, які постали перед вченими.

Найтяжче було Галілею як першопрохідникові. Природно, першим, по суті, був Леонардо да Вінчі. Однак результати його пошуків залишилися невідомими, і Галілей починав з нуля.

Слід зазначити ще одне обставин. Галілей вважав, що будь-яке руйнування відбувається шляхом відриву і обумовлено дією розтягуючих зусиль (точніше - напружений). Пізніше, коли ввели поняття «напруга», такий погляд на природу міцності і руйнування отримав назву «перша теорія міцності».

Основна роль Галілея в історії наука про міцність, слід зазначити наступне:

1. Галілей розглядав міцність статично визначної балки в стадії руйнування.

2. Місце і схему руйнування він визначав умовно, спираючись на інтуїцію.

3. Опір небезпечногоперетину при вигині визначено на основі припущень, - в балці діє таке ж розтяжне зусилля, як і в центрально розтягнутому елементі.

4. Взаємозв'язок між руйнують навантаженнями, розмірами балки і її міцністю він встановлював з рівняння рівноваги.

Порівнюючи міцність простий балки на двох опорах з міцністю балки, опертої посередині її довжини, в якості ілюстрації Галілей призводить схеми вигину, представлені на рис. 2.5, що образно пояснює його підхід до проблем міцності.

Малюнок 2.5 -Разрушеніе балок при згині по Галілею

У висновку відзначимо основну заслугу Галілея перед наукою про міцність. Він перший (якщо не брати до уваги Леонардо да Вінчі) зробив спробу вирішити задачу міцності балки, а також намагався вирішити питання природи міцності матеріалу. Багато його положень ми вважаємо загальноприйнятими і на сьогодні. Адже і сьогодні ми не маємо відповіді на питання про природу міцності, крім деяких гіпотез якісного характеру, які не дозволяють давати кількісної оцінки. Природно, тепер ми знаємо набагато більше Галілея, навчилися емпірично визначати безліч параметрів міцності матеріалів, але остаточно проблема міцності буде вирішена після того, коли виходячи з відомих фізико-хімічних і структурних особливостей матеріалу, дослідник зможе передбачити його характеристики. Однак це - справа майбутнього.

Перш ніж продовжувати виклад про розвиток методів розрахунку, не зайвим буде зазначити, що до початку XIX століття проектувальники будівель і споруд дуже рідко зверталися до розрахунку конструкцій. Інакше кажучи, результатом наукових пошуків практично не впливали на проектування. Причин цього чимало.

По-перше, будівельна галузь давно проявляє консерватизм, і навіть інертність щодо різних теоретичних пошуків і розрахункових методів, дотримуючись професійних традицій. Будівельники ще не усвідомили користі від науки і тому не вміли пред'являти їй свої вимоги. Частковим виправданням можуть бути ті обставини, що соціально-економічна обстановка в країнах Європи XVII-XVIII століть не тільки не сприяла, а переважно стояла на початку розвитку техніки, в тому числі і будівельної.

По-друге, вчені, які вивчають опір твердих тіл, не дуже активно займалися практичним впровадженням своїх пошуків. Як сьогодні прийнято говорити, спостерігався величезний відрив науки від практики. Вчені ще не осмислили того, що шлях розвитку наукових ідей лежить в постановці дослідів, перевірці практикою для підтвердження, як початкових припущень, так і правильності отриманих висновків.

Про відриві науки від практичної діяльності можна судити на основі багатьох джерел того часу. Наведемо дві цитати що характеризують взаємозв'язок науки і практики в галузі будівництва.

У 1727р. Готьє (Gautter) опублікував в Парижі «Дисертацію про товщину мостових склепінь», в якій з приводу роботи свого попередника Делагіра (про розрахунок склепінь) написав:

«Я чесно зізнаюся, що недостатньо навчений, щоб зрозуміти все. Я не зміг навіть простежити викладки автора, настільки вони мені були складними. І я вважаю: все що він написав, не зможуть збагнути не полуучение, не тим більше робітники. Бо для розуміння його висновків необхідно знати алгебру, яку він використовував, то не думаю, щоб муляр чи архітектор, для яких слід писати подібні роботи, можуть коли-небудь їх зрозуміти і використовувати ».

Набагато пізніше, в 1809г. Е. Готі (E. Gouthey) в своєму «Курс мостобудування» зазначив:

«Кожен будівельник оцінює, наскільки важливо йому знати міру міцності матеріалів, тому розділ механіки, відомий під найменуванням опір твердих тіл, обіцяє дуже плідні доповнення. Багато було таких, які займалися цією наукою, однак і Л. Ейлер і Лагранж не цуралися зробити з неї предметами своїх досліджень, отримані результати не давали можливості допомоги будівництва. Аналітичні формули не ефективні поки не будуть визначені значення постійних величин в них використовуваних; однак і нині спроби їх визначення залишаються майже безплідними ».

Ці та подібні вислови свідчать, що теорія і практика будівельного проектування тривалий час існували незалежно один від одного.

У науці про міцність конструкцій або точніше в будівельній механіці наступний крок (після Галілея) зробив Р. Гук (R. Hooke), який в 1678г. опублікував свій закон - «ut tensio, sic vis», в перекладі з латині значиться: яке подовження, така сила. Для цього йому довелося знайти пристосування, яке відображало б більше деформації, - кручені пружину. Спостерігаючи за поведінкою пружини під навантаженням, Гук вивів закон пропорційності між навантаженням і деформацій.

Крім цього, своїм законом Гук встановив ще одну, невідому йому особливість твердих тіл - пружність. Між іншим, до XIX століття наукові пошуки, засновані на законі Гука, були поза увагою інженерів-будівельників, для них вони були абстрактними, відірваними від реального життя і непристосованими до практики.

І тільки коли в 1807г. англієць Т. Юнг (T. Young) ввів чисельну характеристику пружності - модуль Юнга (модуль пружності), тоді і з'явилася можливість практичного використання закону Гука.

Будівельну механіку в ті часи цікавила проблема міцності, тобто граничний стан тіла в стадії руйнування. Теорія пружності і науку про міцність розвивалося незалежно одне від іншого. З одного боку, йде вивчення пружних деформацій тіл, але це ніяк не пов'язано з міцністю. З іншого боку, дослідження граничних станів конструкцій (злам балки, руйнування склепіння) цілком обходилося без поняття пружності. Цей взаємний розрив двох розділів однієї науки був основною причиною того, що будівельна механіка ще не стала прикладною наукою.

Незалежно і практично одночасно з Гуком в 1680г. закон пропорційності відкрив Маріотт (E. Mariotte). Однак пріоритет Гука сьогодні загальновизнаний.

Маріотт разом з тим висунув ще одну дуже важливу гіпотезу. Він озвучив припущення, що розтягнутий стрижень розірветься тоді, коли його подовження перевищать деяку безпечну кордон, і обгрунтував це припущення шляхом роздуми про силах притягання між частинками тіла. При взаємному видаленні частинок сили тяжіння слабшають, що призводить до розриву стрижня. Сьогодні цю гіпотезу називають «другий теорією міцності».

Найважливішим спадщиною закону Гука - Маріотта стало встановлення пропорційності між изгибающим моментом і кривизною лінії прогинів. Цю залежність отримав Я. Бернуллі (J. Bernoulli). Для її докази в 1695р. Бернуллі прийняв гіпотезу плоских перетинів, яка покладена в основу сучасних розрахунків на вигин і носить його ім'я - гіпотеза Бернуллі.

Завдання про деформації вигину грає величезну роль в будівельній механіці, оскільки на її рішеннях заснована вся сучасна теорія статично невизначених систем. Однак в XVII столітті вона виявилася вельми ранній, практичного впровадження не знаходила і тривалий час залишалася предметом абстрактних дій математиків.

Протягом всього XVIII століття вивчення пружних деформацій твердих тіл залишалося чисто науковою проблемою. А технічним завданням були спроби вирішити задачу міцності балки і склепінь.

Таким чином, основним об'єктом досліджень в той час була міцність конструкцій, або, як ми зараз говоримо, граничний стан конструкцій по міцності. При цьому питанні міцність матеріалів поки що навіть не зачіпалася. Природно, багато вчених здогадувалися про вплив міцності матеріалу на міцність конструкції, проте це положення ніхто чітко не сформулював, тому вивчення властивостей міцності матеріалів почалося набагато пізніше, вже в XIX столітті.

Поведінка ж конструкцій в робочому стані вивчалося стихійно, під впливом загального розвитку механіки і математики.

Одним з перших дослідників, який почав більш - менш систематичне експериментальне вивчення міцності матеріалів і на цій основі визначати закономірність роботи конструкцій був французький військовий інженер Ш. - О. Кулон (S. - O. Coulomb). У 1773г. він опублікував роботу «Досвід застосування правил максимуму і мінімуму до деяких питань статики, пріналожних до архітектури», де розглянуті наступні питання:

- Теорія міцності матеріалів;

- Теорія вигину балок;

- Теорія відсічі грунту на підпірну стінку;

- Теорія розрахунку склепінь.

Кулон привів випробування зразків з каменю і вапняного розчину. Зразки у вигляді «вісімок» випробовувалися на осьовий розтяг, а у вигляді призм - на зріз і вигин. Кулон отримав близькі значення кордонів міцності при розтягуванні і зрізі, тому він прийняв їх однаковими.

Опір стиску Кулон спробував пояснити силами зчеплення і силами тертя. У призмі, центрально навантаженої стискає силою F, Кулон розглядає похилий переріз, складові кут ? з нормальним перетином. зовнішню силу F він розкладає на дві складові: нормальну до нахиленого перерізу F  cos? і дотичну до того ж перетину F  sin?. Остання прагне зрушити верхню частину призми, тому здійснює опір матеріалу зрушенню Т і сили тертя від дії нормальної складової.

Якщо позначити коефіцієнт тертя через  , То по Кулону, отримаємо тангенс кута нахилу небезпечногоперетину:

 ... (2.9)

Оскільки у Кулона власних досліджень (дослідів) із стисненими елементами не було, для зіставлення досвідчених даних з прогнозованими теоретичними він використовує результати випробувань Пітера Мушенбрук, в яких знаходить підтвердження своїх теоретичних висновків.

Ізучаючі вигин балки, Кулон з умови рівності нулю суми проекцій сил на поздовжню вісь бруса визначає положення нейтральної осі. По всій видимості, він не знав, що Паран ще в 1713г. (60 років раніше) знайшов правильне рішення задачі про вигин балки прямокутного профілю. Кулон прийняв опуклі криволінійні епюри напруг, як у стислій, так і в розтягнутій зонах. Для випадку пружних матеріалів він прийняв прямолінійну епюру напружень і слідом за Парані отримав правильне значення моменту опору. Кулон вказав, що стиснута зона повинна бути такої величини, щоб вона могла сприйняти припадає на неї стискає силу. Завдання про міцність балки він пропонує розраховувати по своїй теорії міцності матеріалу при стисненні.

У задачі про тиск грунту на підпірну стінку Кулон пропонує враховувати тертя і зчеплення грунту. Як він зазначив, у цьому завданні використаний той самий метод, що і у теорії міцності матеріалу. Багато положень Кулона про тиск сипких матеріалів, про лінії їх руйнування і інші відомості використовуються і в сучасній розрахунковій практиці.

В останній завданню Кулон розглядає розрахунок міцності зводу кам'яної кладки, де знову ж враховує тертя і зчеплення в швах.

Таким чином, своїми дослідженнями Кулон вніс великий вклад в розвиток будівельної механіки. Він показав, що руйнування стиснутого стержня часто відбувається внаслідок зсуву, і висловив припущення, що причиною якого-небудь руйнування є зрушення.

Виявлено існування дотичних напружень (або як він висловлювався зусиль), Кулон зумів дати перше рішення задачі про міцність круглої дроту при крученні. Крім цього, з дослідів на вигин і крутіння він встановив пропорційність між навантаженням і пружною частиною деформацій аж до руйнування.

Запропоновані Кулоном ідеї щодо впливу дотичних напружень (зсуву) в подальшому отримаємо найменування «третя теорія міцності».

Що стосується експериментальних досліджень, то в XVIII столітті мало хто займався експериментальним вивченням проблем міцності. Окремі досліди проводили Гук, Маріотт і інші вчені. Першим дослідником - експериментатором був професор Лейденського університету П. Мушенбрук (P. Van Musehenbroek). Він винайшов випробувальну машину, в якій відчував міцність різноманітних матеріалів і елементів. Результати випробувань довгих стрижнів на стиск дозволили йому виявити явище поздовжнього вигину і встановити, що критична сила обернено пропорційна квадрату довжини стрижня. Цим Мушенбрук першим почав (поклав в основу) вивчення проблеми стійкості споруд.

Першим завдання поздовжнього вигину в 1774г. вирішив Л. Ейлер (L. Euler), швейцарець за походженням пропрацював майже все життя в Петербурзькій академії наук. Ейлер займався дослідженнями в галузі математики, був творцем варіаційного обчислення. У будівельній механіці його ім'я пов'язане з завданням поздовжнього вигину. Він вивчав форми кривих, які відповідають умови мінімуму потенційної енергії, і за цими формами визначав врівноважену навантаження. Одна з дев'яти форм кривих, які вивчав Ейлер, врівноважувалася двома рівними і протилежно спрямованими стискають силами, прикладеними по кінцях дуги. Ейлер відразу - ж помітив, що цей випадок відповідає завданню про поздовжньому згині або, за словами автора, «Задачі про силу колон». До розгляду завдань поздовжнього вигину Ейлер повертався двічі - в публікаціях 1757г. і в 1778р.

Подальшого розвитку завдання про поздовжньому згині отримала в роботах французького математика Лагранжа (Lagrange), де наведено точний інтеграл рівняння поздовжнього вигину, отримані в залежності між стрілою прогину і величиною навантаження. Лагранж першим визначив можливість поздовжнього вигину по деяких напівхвилях і отримав значення критичної сили для різних умов закріплення стержня по кінцях.

Не можна не відзначити француза С.Д. Пуассона (S. D. Poisson), який в 1811р. ввів поняття «механічне напруження» як внутрішнього зусилля, віднесеного в одиниці площі перетину. Крім цього, відкрив наявність поперечних деформацій і сформулював залежність між поздовжньої і поперечної деформацією.

Таким чином, в області будівельної механіки на початок XIX століття було виконано багато основоположних відкриттів. Підсумуємо все вище сказане.

Вигин. Запропоновано різні способи розрахунку балок прямокутного і круглого перерізів для елементарних схем навантаження - консоль з навантаженням на кінці і звичайна з навантаженням в середині прольоту. Поки ще немає чіткого розмежування між параметрами жорсткості при згині (моментом опору) і параметром міцності (моментом опору). Навіть визначення розмірності цих параметрів не завжди правильне. До 1807г. відсутнє поняття модуля пружності, а конкретні його величини (значення) не визначений навіть для найбільш поширених будівельних матеріалів (камінь, деревина).

Поздовжній вигин. Виявлено явище поздовжнього вигину, отримано правильне рішення задачі Ейлера-Лагранжа в пружною постановці.

Кручення. Правильне рішення Кулона для елементів круглого поперечного перерізу не має кількісних оцінок з причини відсутності відомостей про опір матеріалів зрізу, а основне - відсутність самого поняття про модуль зсуву.

Матеріали. Відкрито явище пружності, дотичні напруження (зсувні зусилля, як тоді виражалося) і одночасно з цим - повна відсутність відомостей про характеристики міцності і деформативних характеристиках матеріалів.

Міцність. Викладено три спірні теорії міцності.

З одного боку - підсумки вражаючі, з іншого - зовсім незначні щодо практичного використання. Щоб точніше оцінити ситуацію, нагадаємо: аж до початку XIX століття увагу дослідників було приділено лише проблемам міцності. Вчені в основному розглядали тільки стадію руйнування (граничний стан за міцністю) конструкцій. Стан роботи цих конструкцій їх цікавило значно менше.

Такі основні підсумки першого періоду в історії розвитку будівельної механіки: основна увага приділялася питанням руйнування конструкцій; вивчення конструкцій в робочому стані проводилося епізодично, дуже непослідовно - над усіма «висів вантажем» авторитет Галілея.

Першим зважився відійти від основного підходу Галілея до проблеми міцності, тобто розгляд граничного стану конструкцій за міцністю, французький вчений Л. Нав'є (L. Havier). Він прийняв новий підхід, заснований на розгляді робочого стану конструкцій - розглядалася стадія її нормальної експлуатації. З ім'ям Нав'є пов'язаний початок другого періодув розвитку будівельної механіки.

Новий період будівельної механіки почався в 1826р., Коли Л. Нав'є опублікував свій курс лекцій з прикладної механіки. У цій роботі в якості основної розрахункової стадії вперше взяли стадію робочого стану конструкцій. Це автору дало можливість отримати надійний розрахунковий апарат, придатний для практичного використання.

Теорія Нав'є, яка визначила шляхи розвитку будівельної механіки на століття вперед і отримала найменування класичної, базувалася на таких положеннях:

- Зіставлення найбільших напружень від зовнішніх навантажень в стадії експлуатації з допустимими напруженнями для даного матеріалу - принцип Нав'є;

- Робочий стан і стадія руйнування в цілому подібні, тому ставлення зусиль, напружень і деформацій в цих стадіях однакові - допущення Нав'є;

- Перетину, плоскі до деформацій, залишаються плоскими і після деформацій - гіпотеза Я. Бернуллі;

- Напруги пропорційні відносним подовження або вкорочення - закон Р. Гука.

Сутність методики, розробленої Л. Нав'є полягає в тому, щоб задовольнити умову

 ... (2.10)

де  - Найбільшу напругу в перерізі елемента, викликане впливом зовнішніх навантажень;

 - Допустиме напруження для матеріалу елемента, отримане безпосередньо з дослідів.

Крім створення науки про опір матеріалів, Л. Нав'є заклав основи нового розділу будівельної механіки - теорії пружності.

Прийнятий їм принцип малих переміщень спільно з законом Гука сприяв розвитку теорії пружності, яка з перших кроків вивчає тільки робочий стан конструкції, повністю відмовившись від розгляду стадії руйнування. В цьому і лежить основна цінність теорії пружності: з'явилася можливість вирішувати багато важливих питань з проектування конструкцій. Однак в цьому і її основний недолік: відмова від розгляду стадії руйнування не дасть можливості відповісти на питання (дуже важливий) про величину запасу міцності конструкцій і її працездатності.

Основні досягнення будівельної механіки XIX століття можна коротко перерахувати, що не вдаючись до детального розгляду кожного завдання.

Сен-Відень (Sant-Venant), учень Л. Нав'є, в 1843р. вирішив задачу косого згину; він же багато зробив для розвитку теорії пружності і на її основі вирішив багато завдань напруженого стану конструкцій.

Завдання про відцентровому стисканні і внеценренном розтягуванні в загальному вигляді першим в 1854г. вирішив Шарль Бресс (Bresse); він же ввів поняття про ядро ??перетину. Бресс першим знайшов підхід до вирішення завдання статично невизначених систем методом сил, вказав способи визначення кількості невідомих і сформулював поняття про рівність спільності деформацій. Він же вперше в 1848р. почав застосовувати епюри моментів і інших внутрішніх зусиль.

Перше рішення задачі про поперечний вигині з урахуванням дотичних напружень в 1855р. отримав російський вчений Д.І. Журавський, формулу яку для обчислення дотичних напружень широко застосовують в сучасних розрахунках конструкцій.

У 1857р. француз Клайперон (Clapeyron) отримав рівняння трьох моментів, завершивши створення теорії нерозрізних балок.

Роботами англійця Максвелла (Maxwell) і італійця Кремони (Cremona) в 1864г. розроблений графо-аналітичний метод розрахунку статично визначених ферм. Максвелл також створив методику розрахунку статично невизначеної ферми, представив рівняння деформацій в канонічній формі і вказав загальний метод обчислення переміщень як коефіцієнтів канонічних рівнянь методу сил.

Роботи багатьох дослідників - Бресса, Клайперона, Максвелла, Кастільяно (Castilliana), Мора (Mohr) і ін. - Дозволили розробити зручний метод обчислення переміщень, давши тим самим потужний поштовх розвитку методу сил.

Розпочаті ще Ейлером дослідження стійкості стиснутих стержнів розвинув і фактичний завершив російський вчений Ф.С. Ясинський (поляк за походженням), який опублікував в 1894. роботу «Досвід розвитку теорії поздовжнього вигину», в якій навів формули до обчислення критичної сили, які використовуються і тепер.

В цей же період почалося народження іншого основного методу розрахунку статично невизначених систем - методу переміщень.

Бресс в 1865р. отримав рівняння трьох кутів для нерозрізної балки. Однак на цю роботу не звернули належної уваги. Тільки через 20 років при розрахунку статично невизначених ферм (ферм з жорсткими вузлами) почали використовувати кути поворотів вузлів в якості основних невідомих. Це були перші кроки по створенню методу переміщень. Основні ж дослідження і розробка методу переміщень здійснені на початку XX століття.

Таким чином, друга половина XIX століття ознаменувалася повсюдним визначенням принципу розрахунку по робочих станів (розрахунок по напрузі, що допускається).

В період кінця XIX і початку XX століття характерним є швидкий розвиток теорії стійкості споруд, накопичення дослідних даних про міцність, втоми і пластичності матеріалів. Інженери отримали в своє розпорядження надійний розрахунковий апарат, який гарантує міцність конструкцій. Ця обставина зіграла вирішальну роль в протягом багатьох десятиліть.

Забезпечити міцність конструкцій будь-яку ціну - таким був загальний підхід, навіть коли ця ціна була значно вище можливого мінімуму. Природно, такий підхід приводив до великих запасів міцності, але гарантував від руйнування конструкцій, будівель і споруд.

Природно, так довго продовжаться, не могло. Коли після першої світової війни в усіх країнах різко зросли обсяги будівництва, ігнорування економічних показників стало неможливим. У цей час сформульовано головне призначення будівельної механіки як прикладної науки - забезпечити достатню надійність конструкцій при мінімальній витраті матеріалів. По-іншому - економічні показники стали невіддільними від технічних.

На початку XX століття накопичилося багато фактів, які не вкладаються в схему розрахунків за робочим станам. Внаслідок вивчення роботи конструкцій із пластичних матеріалів при високих навантаженнях виявили, що поведінка статично невизначених конструкцій з пластичних матеріалів якісно змінюється після виходу з пружною області. Так, в зігнутих елементів після прояву «плинності» лінійний розподіл напружень переходить в нелінійне. У нерозрізний балки або рами відбувається перерозподіл зусиль таким чином, що при досягненні граничного стану конструкцій перетворюється в статично визначену систему, яка має пластичні шарніри в найбільш напружених перетинах.

Особливо чітко подібні факти і протиріччя з'явилися в зв'язку застосування нового комплексного матеріалу - залізобетону. Спроби використати класичну теорію опору матеріалів до розрахунку залізобетонних конструкцій навіть в робочому стані були невдалими. Виникнення тріщин в розтягнутій зоні, прояв непружних деформацій бетону, порушення зчеплення арматури з бетоном не дали можливості правдиво оцінювати напружений стан залізобетону.

У будівельній механіці настала криза. Про це знали всі фахівці. Однак у кожного авторитету був свій шлях подолання суперечностей між теорією і досвідом.

В кінці-кінців сформулювати два основних напрямки.

Деякі дослідники пішли шляхом розширення теоретичних рішень теорії пружності в пластичної області та це призвело до створення теорії пластичності. Основою цього напряму стала відмова від закону Гука і його заміна більш складною залежністю між напруженнями, деформаціями і їх зміною в часі. Головна мета цього напрямку - спрогнозувати поведінку конструкції на всіх етапах програми навантаження: від початкового стану до граничного, аж до руйнування. В цьому напрямку найбільш відомі роботи Надаї, Прагера, Мізеса, Генки, Ільюшина і ін.

Слід зазначити, що багато рішень теорії пластичності вимагають визначення великої кількості емпіричних характерів, а це значно ускладнює застосування пропонованих рішень.

Другий шлях заснований тільки на розгляді граничного стану, без урахування передісторії навантаження, що дозволяє визначати руйнівне навантаження для тієї нової схеми, яку конструкція набуває в граничному стані.

Такий підхід є відродження старого принципу щодо граничного стану, але з урахуванням точних відомостей про поведінку конструкції в робочому стані, тобто в пружною стадії. Через це вибір схеми руйнування здійснюється не довільно, як раніше, а в перетинах з найбільшими внутрішніми зусиллями в пружною стадії.

Піонером другого напрямку став російський вчений А.Ф. Лолейт (литовець за походженням), який в 1905р. зробив висновок про необхідність «розглядати миттєве рівновагу безпосередньо перед руйнуванням» як основну стадію розрахунку конструкції. Відзначимо, що Лолейт висловив це положення до желе



1   2   3
загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати