Кіріспе

Құрылыс инженерлігі – адам жасаған құрылыстардың формасын және қаңқасын құрайтын "сүйектер мен буындарды" жобалауға дайындалған мамандарды оқытатын құрылыс инженерлерінің бір саласы. Құрылыс инженерлері ғимараттар мен ғимарат емес құрылыстардың тұрақтылығын, беріктігін, қатаңдығын және сейсмикалық қауіпке төзімділігін түсініп, есептеуі тиіс. Құрылымдық жобалар сәулетшілер және ғимараттарды қамтамасыз ету инженерлері сияқты басқа жобалаушылардың жобаларымен үйлестіріледі және көбінесе құрылыс мердігерлері жүзеге асыратын жобалардың құрылысын қадағалайды.

Тарих

Құрылыс инженерлігі б.з.д. 2700 жылға дейін барады, когда фараон Джосер үшін сатылы пирамиданы тарихтағы алғашқы инженер Имхотеп салған. Пирамидалар ежелгі цивилизациялар салған ең көп таралған ірі құрылымдар болды, себебі пирамиданың құрылымдық пішіні өзінен-өзі тұрақты және оны шексіз масштабтауға болады (көптеген басқа құрылымдық пішіндерге қарағанда, олар жүктемелердің артуына пропорционалды түрде сызықты ұлғайтылмайды). Тас блоктары көбінесе құрылыс алаңына жақын карьерден алынды және 30-дан 250 МПа-ға дейін қысымға төзімділікке ие (МПа = Pa × 106). Сондықтан пирамиданың құрылымдық беріктігі оның геометриясынан гөрі, оны салған тастардың материалдық қасиеттерінен туындайды. Ежелгі және орта ғасырлар бойы сәулеттік жобалау мен құрылыстың көп бөлігін шебер құрылысшылар дәрежесіне жеткен тас қасушылар мен ағаш шеберлері сияқты қолөнершілер орындады. Құрылымдар теориясы болған жоқ, ал құрылымдардың қалай тұрғанын түсіну өте шектеулі болды және ол толығымен «бұрын жұмыс істеген» эмпирикалық деректерге және сезімге негізделген. Білім гильдиялар арқылы сақталды және сирек жаңарулармен алмастырылды. Құрылымдар қайталанатын болды, ал масштабтың өсуі біртіндеп жүрді. Құрылымдық элементтердің беріктігін немесе құрылыс материалдарының мінез-құлқының алғашқы есептеулері туралы ешқандай жазба жоқ, бірақ құрылыс инженерінің мамандығы тек өнеркәсіптік революциямен және бетонның қайта жаратылуымен қалыптасты (Бетон тарихына қараңыз). Құрылыс инженерлігінің негізінде жатқан физикалық ғылымдар Ренессанс кезеңінде түсініле бастады және содан бері 1970 жылдары пионерлік жасаған компьютерлік қолданбаларға дамыды.

Уақыт шкаласы

1452–1519 жылдары Леонардо да Винчи көптеген үлес қосты. 1638 ж. Галилео Галилей қарапайым құрылымдардың жетіспеушіліктерін зерттеген «Екі жаңа ғылым» атты кітабын жариялады. 1660 ж.: Роберт Гуктың Гук заңы. 1687 ж. Исаак Ньютон өзінің қозғалыс заңдарын қамтитын «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» атты еңбегін жариялады. 1750 ж.: Эйлер-Бернулли сәулелік теңдеуі. 1700–1782 жж.: Даниэль Бернулли виртуалды жұмыс принципін енгізді. 1707–1783 жж.: Леонхард Эйлер бағаналардың бүктелуі теориясын дамытты. 1826 ж. Клод Луи Навье құрылымдардың серпімді мінез-құлқы туралы трактат жариялады. 1873 ж.: Карло Альберто Кастильяно «Intorno ai sistemi elastici» атты диссертациясын ұсынды, онда ығысуды кернеу энергиясының ішінара туындысы ретінде есептеу теоремасы бар. Бұл теорема «ең аз жұмыс» әдісін ерекше жағдай ретінде қамтиды. 1874 ж.: Отто Мор статикалық анықталмаған құрылым туралы идеяны ресмилендірді. 1922 ж. Тимошенко Эйлер-Бернулли сәулелік теңдеуін түзетеді. 1936 ж.: Харди Крос үздіксіз қаңқаларды жобалаудағы маңызды жаңалық – моментті бөлу әдісін жариялады. 1941 ж.: Александр Хренников торлы құрылымды қолдана отырып, жазықтық серпімділік проблемаларын дискреттеуді шешті. 1942 ж.: Ричард Курант доменді шекті аймақтарға бөлді. 1956 ж.: Дж. Тернер, Р. В. Клоу, Х. С. Мартин және Л. Дж. Топптың «Күрделі құрылымдардың қатаңдығы мен деформациясы» атты мақаласы «шекті элементтер әдісі» деген атауды енгізді және ол бүгінгі таңда белгілі әдістің алғашқы толыққанды қарастырылуы ретінде танылды.

Құрылымдық ақау

Құрылыс-конструкторлық техника тарихында көптеген құлдыраулар мен сәтсіздіктер тіркелген. Кейде бұл, әрине, қарапайым немқұрайлылықтан туындайды, мысалы, Петион-Виль мектебінің құлауында, пастор Фортин Августин "ғимаратты өзі ғана салды, инженердің қажеті жоқ, себебі ол құрылыс ісін жақсы біледі" деген. Үш қабатты мектептің ішінара құлауы көршілерді қашқызуға себеп болды. Ал толық құлау салдарынан 94 адам, олардың көп бөлігі балалар қаза тапты. Басқа жағдайларда құрылымдық ақаулар мұқият зерттеуді талап етеді, ал мұндай зерттеулердің нәтижесі құрылыс тәжірибесін жақсартуға және құрылымдық инженерлік ғылымын тереңірек түсінуге мүмкіндік береді. Мұндай зерттеулердің кейбіреуі сот-медициналық инженерлік сараптамалардың нәтижесінде жүзеге асырылады, онда бастапқы инженер кәсіби стандарттар мен қабылданған тәжірибелерге сәйкес барлық жұмыстарды жасаған сияқты көрінеді, бірақ бәрібір сәтсіздік орын алады. Құрылымдық білім мен тәжірибе осылай дамығандығының танымал мысалы 1970 жылдары Австралияда құлаған қорапша тәрізді фермаларға қатысты бірнеше оқиғада кездеседі.

Теория

Құрылыс инженерлігі құрылыстардың өз салмағына және сыртқы жүктемелерге қалай төтеп беретінін түсіну және болжау үшін қолданбалы механика, материалтану және қолданбалы математика салаларындағы терең білімді қажет етеді. Осы білімді тиімді қолдану үшін инженерге тиісті эмпирикалық және теориялық ережелер, құрылымдық талдау әдістері, сондай-ақ материалдар мен құрылымдардың коррозияға төзімділігі туралы, әсіресе сыртқы орта әсеріне ұшыраған жағдайда, жан-жақты білім керек. 1990 жылдардан бері құрылыстарды жобалауға көмектесетін арнайы бағдарламалық қамтамасыз ету пайда болды, ол құрылымдарды максималды дәлдікпен сызуға, талдауға және жобалауға мүмкіндік береді; мысалдары – AutoCAD, StaadPro, ETABS, Prokon, Revit Structure, Inducta RCB және т.б. Бұл бағдарламалық қамтамасыз ету жер сілкінісі және жел сияқты қоршаған ортадан түсетін жүктемелерді де ескере алады.

Кәсібі

Құрылымдық инженерлер инженерлік жобалау және құрылымдық талдау үшін жауапты. Бастапқы деңгейдегі құрылымдық инженерлер құрылыстың жеке құрылымдық элементтерін, мысалы, ғимараттың арқалықтары мен бағаналарын жобалауы мүмкін. Көбірек тәжірибесі бар инженерлер ғимарат сияқты бүкіл жүйенің құрылымдық жобасын жасауға және оның тұтастығын сақтауға жауапты болуы мүмкін. Құрылымдық инженерлер көбінесе ғимараттар, көпірлер, құбырлар, өнеркәсіптік нысандар, туннельдер, көлік құралдары, кемелер, ұшақтар және ғарыш кемелері сияқты нақты құрылымдардың белгілі бір түрлеріне мамазданады. Ғимараттармен айналысатын құрылымдық инженерлер бетон, болат, ағаш, кірпіш, қорытпалар және композиттер сияқты құрылыс материалдарында, сондай-ақ кеңселер, мектептер, ауруханалар, тұрғын үйлер және т.б. сияқты ғимараттардың нақты түрлерінде мамандануы мүмкін. Құрылымдық инженерия адамдар құрылыстар салуды бастаған кезден бері бар. Бұл мамандық 19-шы ғасырдың соңындағы өнеркәсіптік революция кезінде сәулет өнерінің инженериядан жеке мамандық ретінде қалыптасуымен нақтыланып, ресми статус алды. Осыған дейін сәулетші мен құрылымдық инженер көбінесе бір адам болған – шебер құрылысшы. 19-шы және 20-шы ғасырлардың басында құрылымдық теориялар бойынша арнайы білімнің дамуымен ғана кәсіби құрылымдық инженерлер пайда болды. Бүгінгі таңдағы құрылымдық инженердің рөліне статикалық және динамикалық жүктемелерді, сондай-ақ оларға қарсы тұруға қолда бар құрылымдарды түсіну кіреді. Қазіргі заманғы құрылымдардың күрделілігі инженерден осы құрылымдардың жүктемелерді қабылдауын және оларға төтеп беруін қамтамасыз ету үшін көптеген шығармашылық шешімдерді талап етеді. Құрылымдық инженер әдетте төрт немесе бес жылдық бакалавриат біліміне ие болады, содан кейін толыққанды білікті деп есептелу үшін кем дегенде үш жыл кәсіби тәжірибе жинауы керек. Құрылымдық инженерлер әртүрлі ғылыми қоғамдар мен реттеуші органдарда лицензия алады немесе аккредиттеуден өтеді (мысалы, Ұлыбританиядағы Құрылыс инженерлері институты). Олар оқыған курсына және/немесе лицензия алуға тырысатын мемлекеттік құқыққа байланысты, құрылымдық инженерлер, азаматтық инженерлер немесе екеуінің де білімі бойынша аккредиттелуі (немесе лицензия алуы) мүмкін. Тағы бір халықаралық ұйым – IABSE (International Association for Bridge and Structural Engineering) – Көпірлер мен құрылыстар жөніндегі халықаралық қауымдастық. Аталған қауымдастықтың мақсаты – білім алмасу және құрылыс инженерлігінің практикасын кәсіби және қоғамдық мүдделерге қызмет ету үшін бүкіл әлемде дамыту.

Жер сілкінісі инженерлік құрылыстары

Жер сілкінісіне төзімді құрылыстар – жер сілкінісіне қарсы жасалған инженерлік құрылымдар. Жер сілкінісі инженериясының басты мақсаттары – құрылыстардың жердің дірілдеуімен өзара әрекеттесуін түсіну, мүмкін болатын жер сілкінісінің салдарына болжам жасау, сондай-ақ жер сілкінісі кезінде жұмыс істейтін құрылыстарды жобалау және салу. Жер сілкінісіне төзімді құрылыстар міндетті түрде Чичен-Ицадағы Эль-Кастильо пирамидасы сияқты аса мықты болуы керек емес. Жер сілкінісі инженериясының маңызды құралы – негізді оқшаулау, ол құрылыстың негізіне жермен бірге еркін қозғалуға мүмкіндік береді.

Азаматтық инженерлік құрылыстар

Құрылыс конструкциялық инженериясы құрылған ортаға қатысты барлық конструкциялық инженериялық жұмыстарды қамтиды. Оған мыналар кіреді:

Конструктор-инженер осы құрылымдардың бас дизайнері және көбінесе жалғыз дизайнер болып табылады. Мұндай құрылымдарды жобалау кезінде конструкциялық қауіпсіздік ең маңызды мәселе (Ұлыбританияда бөгеттер, атом электр станциялары және көпірлердің жобаларына лицензияланған инженердің қол қоюы міндетті). Құрылыс конструкциялары көбінесе температураның күрт өзгеруі, толқындар немесе көлік сияқты динамикалық жүктемелерге, немесе судың немесе қысылған газдардың жоғары қысымына ұшырайды. Олар сондай-ақ теңізде, өнеркәсіптік объектілерде немесе жер астында сияқты коррозиялық ортада салынады.

Әуе-ғарыш құрылыстары

Аэроғарыш құрылымының типтеріне ұшыру құралдары (Атлас, Дельта, Титан), зымырандар (АЛКМ, Харпун), гипердыбыстық көліктер (ғарыш шаттлы), әскери ұшақтар (F 16, F 18) және коммерциялық ұшақтар (Боинг 777, MD 11) жатады. Аэроғарыш құрылымдары әдетте сыртқы беттерін нығайтатын материалдары бар жұқа пластиналардан, пішін сақтау үшін күшелендіргіштерден, қабырғалардан және оларды бірге ұстау үшін дәнекерлеу, қада, бұрандалар және болттар сияқты бекіткіш элементтерден тұрады.

Наноөлшедегі құрылымдар

Наноқұрылым – молекулалық және микроскопиялық (микрометрлік) құрылымдар арасындағы аралық өлшемдегі нысан. Наноқұрылымдарды сипаттағанда, наноөлшемдегі өлшемдер санын ажырату қажет. Нанотекстуралы беттердің бір өлшемі наноөлшемде болады, яғни нысанның бетінің қалыңдығы 0,1 мен 100 нм аралығында. Нанотүтіктердің екі өлшемі наноөлшемде болады, яғни түтіктің диаметрі 0,1 мен 100 нм аралығында; ал оның ұзындығы одан әлдеқайда ұзын болуы мүмкін. Ал шар тәрізді нанобөлшектердің үш өлшемі наноөлшемде болады, яғни бөлшектің әрбір кеңістіктік өлшемі 0,1 мен 100 нм аралығында. Нанобөлшектер және ультражұқа бөлшектер (UFP) терминдері көбінесе синоним ретінде қолданылады, бірақ UFP микрометрлік диапазонға жете алады. "Наноқұрылым" термині көбінесе магниттік технология туралы сөз болғанда қолданылады.

Медициналық ғылымға арналған құрылыс инженериясы

Медициналық жабдық (сонымен қатар, armamentarium деп те аталады) медициналық жағдайларды диагностикалауға, бақылауға немесе емдеуге көмектесу үшін жасалған. Оның негізгі түрлері бірнеше: диагностикалық жабдыққа диагностикаға көмектесетін медициналық бейнелеу машиналары жатады; жабдыққа инфузиялық насостар, медициналық лазерлер және LASIK хирургиялық аппараттары кіреді; медициналық мониторлар медициналық қызметкерлерге пациенттің денсаулық жағдайын өлшеуге мүмкіндік береді. Мониторлар пациенттің өмірлік көрсеткіштерін және басқа да параметрлерді, соның ішінде ЭКГ, ЭЭГ, қан қысымын және қандағы еріген газдарды өлшей алады; диагностикалық медициналық жабдықты белгілі бір мақсаттар үшін, мысалы, қант диабетін бақылау үшін үйде де қолдануға болады. Биомедициналық жабдықтар жөніндегі техник (БМТ) – денсаулық сақтау жүйесінің маңызды бөлігі. БМТ-лер көбінесе ауруханаларда жұмыс істейді және мекеменің медициналық жабдықтарын күтіп-ұстауға жауапты.

Бағандар

Бағаналар – тек осьтік күшті (сығу) немесе осьтік күш пен иілуді (техникалық тұрғыдан сәуле-бағана деп аталады, бірақ практикалық тұрғыдан қарағанда, жай ғана бағана) қабылдайтын элементтер. Бағананың жобасы элементтің осьтік жүктемеге төзу қабілетін және бүктелуге төзу қабілетін тексеруі керек. Бүктелуге төзу қабілеті – элементтің бүктелуге ұмтылуына қарсы тұру қабілеті. Оның төзу қабілеті геометриясына, материалына және бағананың тиімді ұзындығына байланысты, ал тиімді ұзындығы бағананың жоғарғы және төменгі ұштарындағы бекіту шарттарына байланысты. Тиімді ұзындық – L = K * l, мұнда L – бағананың нақты ұзындығы, ал K – бекіту шарттарына тәуелді фактор. Бағананың осьтік жүктемені қабылдау қабілеті оның иілу деңгейіне, керісінше, иілу деңгейі жүктемеге тәуелді. Бұл өзара әрекеттесу графигінде көрсетіледі және күрделі сызықты емес байланыс болып табылады.

Қалқалар

Ферма – мүшелер мен байланыс нүктелері немесе түйіндерден құралған құрылым. Мүшелер түйіндерде қосылғанда және түйіндерге күштер қолданылғанда, мүшелер керілу немесе қысылу күйінде жұмыс істей алады. Қысылу күшіне ұшырайтын мүшелер қысылу мүшелері немесе тіреулер деп аталады, ал керілу күшіне ұшырайтын мүшелер керілу мүшелері немесе байланыстар деп аталады. Көптеген фермалар қиылысатын элементтерді қосу үшін қабырғалық пластиналарды пайдаланады. Қабырғалық пластиналар салыстырмалы түрде икемді және иілу моменттерін беруге қабілетсіз. Қосылыс әдетте мүшелердегі күштердің бағыттары түйінде сәйкес келетіндей етіп жасалады, осылайша ферма мүшелері таза керілу немесе қысылу күшімен жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Фермалар көбінесе үлкен аралықтағы құрылыстарда қолданылады, онда массивті қабырғаларды пайдалану тиімсіз болар еді.

Тақталар

Плиталар екі бағытта иіледі. Бетоннан жасалған жалпақ плита – плитаның мысалы. Плиталар континуум механикасы арқылы түсіндіріледі, бірақ олардың күрделілігіне байланысты көбінесе нормативтік эмпирикалық тәсілдермен немесе компьютерлік талдау арқылы есептеледі. Оларды өнімділік сызығы теориясымен де есептеуге болады, онда болжамды құлау механизмі құлау жүктемесінің ең жоғарғы шегін анықтау үшін талданады. Бұл әдіс практикада қолданылады, бірақ нашар ойластырылған құлау механизмдері үшін әдіс ең жоғарғы шек (яғни, құлау жүктемесінің қауіпсіз емес болжамы) беретіндіктен, болжамды құлау механизмінің дұрыстығына көз жеткізу үшін ерекше сақтылық қажет.

Қабықшалар

Қабықшалар өздерінің беріктігін пішінінен алады және күштерді екі бағытта қысым арқылы тасымалдайды. Күмбез – қабықшаның бір түрі. Оларды ілмекті тізбек моделі жасау арқылы жобалауға болады, ол таза кернеуде катенерлік сияқты жұмыс істейді, ал пішінін кері бұру арқылы таза қысымға қол жеткізіледі.

Қақпақтар

Доғалар күштерді тек бір бағытта ғана қысыммен қабылдайды, сондықтан доғаларды тас қалаудан салу тиімді. Олар күштің итермелеу сызығы доғаның тереңдігінде қалатындай етіп жобаланады. Бұл көбінесе кез келген құрылыстың беріктігін арттыру үшін қолданылады.

Кабельдік желілер

Кабельдер өздерінің күшін пішінінен алады және көлденең күштерді таза созу арқылы қабылдайды, иіліп (сіреу арқанға біреу басқанда созылғандай). Олар көбінесе кабельдік немесе матадан жасалған құрылымдар болып табылады. Матадан жасалған құрылым екі бағытта катенария ретінде әрекет етеді.