Введение

Конструкторская инженерия – это поддисциплина гражданского строительства, занимающаяся созданием искусственных сооружений.

Конструкторская инженерия – это поддисциплина гражданского строительства, в рамках которой инженеры-конструкторы обучаются проектированию "костей и сочленений", формирующих структуру и геометрию созданных человеком сооружений. Инженеры-конструкторы также должны понимать и рассчитывать устойчивость, прочность, жесткость и сейсмостойкость возведенных конструкций – как зданий, так и незданий. Проекты конструкций интегрируются с проектами других специалистов, таких как архитекторы и инженеры по инженерным системам зданий, и часто инженеры-конструкторы осуществляют надзор за строительством проектов, выполняемым подрядчиками непосредственно на строительной площадке.

История

Структурная инженерия берет свое начало в 2700 г. до н.э., когда Имхотеп построил ступенчатую пирамиду для фараона Джосера, став первым инженером в истории, имя которого дошло до нас. Пирамиды были наиболее распространенными крупными сооружениями, возводимыми древними цивилизациями, поскольку структурная форма пирамиды по своей природе стабильна и может быть масштабирована практически до бесконечности (в отличие от большинства других конструктивных форм, которые нельзя линейно увеличивать в размере пропорционально возрастающим нагрузкам). Известняковые блоки часто добывались в каменоломне неподалеку от строительной площадки и обладали прочностью на сжатие от 30 до 250 МПа (МПа = Па × 106). Таким образом, структурная прочность пирамиды обусловлена свойствами материала, из которого она построена, а не ее геометрией. На протяжении всей древней и средневековой истории большинство архитектурного проектирования и строительства осуществлялось ремесленниками, такими как каменщики и плотники, которые достигали уровня мастеров-строителей. Теории конструкций не существовало, а понимание устойчивости сооружений было крайне ограничено и основывалось почти исключительно на эмпирических данных о "том, что работало раньше", и интуиции. Знания передавались через гильдии и редко заменялись новыми достижениями. Сооружения были однотипными, а увеличение масштаба происходило постепенно. Нет никаких записей о первых расчетах прочности конструктивных элементов или поведения строительных материалов, но профессия инженера-конструктора окончательно сформировалась лишь с началом промышленной революции и повторным изобретением бетона (см. История бетона). Физические науки, лежащие в основе структурной инженерии, начали изучаться в эпоху Возрождения и с тех пор развились в компьютерные приложения, впервые разработанные в 1970-х годах.

Хронология

1452–1519 Леонардо да Винчи внес значительный вклад. 1638: Галилео Галилей опубликовал книгу «Две новые науки», в которой исследовал причины разрушения простых конструкций. 1660: Закон Гука, сформулированный Робертом Гуком. 1687: Исаак Ньютон опубликовал «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), содержащую его законы движения. 1750: Уравнение Эйлера — Бернулли для балок. 1700–1782: Даниэль Бернулли ввел принцип виртуальной работы. 1707–1783: Леонард Эйлер разработал теорию устойчивости колонн. 1826: Клод Луи Навье опубликовал трактат об упругом поведении конструкций. 1873: Карло Альберто Кастильяно представил диссертацию «Intorno ai sistemi elastici», содержащую его теорему для вычисления перемещений как частной производной энергии деформации. Эта теорема включает метод наименьшей работы как частный случай. 1874: Отто Мор формализовал понятие статически неопределимой конструкции. 1922: Тимошенко уточнил уравнение Эйлера — Бернулли для балок. 1936: Харди Кросс опубликовал метод распределения моментов, являющийся важным нововведением в расчете непрерывных рам. 1941: Александр Хренников решил задачу дискретизации задач плоской упругости, используя решетчатую модель. 1942: Ричард Курант разбил область на конечные подзоны. 1956: В статье Дж. Тернера, Р. У. Клоу, Х. С. Мартина и Л. Дж. Топпа «Жесткость и прогиб сложных конструкций» впервые было введено название «метод конечных элементов», и она признана первым всесторонним изложением метода в его современном понимании.

Структурный сбой

История строительной техники знает немало обрушений и аварий. Иногда это происходит из-за явной халатности, как в случае с обрушением школы в Петион-Виль, где преподобный Фортин Августин "построил здание в одиночку, заявив, что ему не нужен инженер, поскольку он хорошо разбирался в строительстве" после частичного обрушения трехэтажного школьного здания, что заставило соседей бежать. Окончательное обрушение унесло жизни 94 человек, в основном детей. В других случаях структурные разрушения требуют тщательного изучения, а результаты этих расследований привели к улучшению практик и более глубокому пониманию науки строительной механики. Некоторые из этих исследований являются результатом инженерно-судебной экспертизы, когда первоначальный инженер, казалось бы, выполнил все работы в соответствии с уровнем развития профессии и общепринятыми нормами, однако разрушение все же произошло. Ярким примером развития знаний и практики в области строительной механики благодаря подобным случаям служит серия аварий с коробчатыми балками, произошедших в Австралии в 1970-х годах.

Теория

Структурная инженерия опирается на глубокие знания прикладной механики, материаловедения и прикладной математики для понимания и прогнозирования того, как конструкции поддерживают собственный вес и воспринимают внешние нагрузки. Для успешного применения этих знаний инженеру-конструктору обычно требуются детальные знания соответствующих практических и теоретических норм проектирования, методов структурного анализа, а также сведения о коррозионной стойкости материалов и конструкций, особенно при их эксплуатации во внешней среде. С 1990-х годов для проектирования конструкций стало доступно специализированное программное обеспечение, обеспечивающее высокую точность при разработке чертежей, проведении анализа и расчетов; к таким программам относятся AutoCAD, StaadPro, ETABS, Prokon, Revit Structure, Inducta RCB и другие. Данное программное обеспечение также может учитывать воздействие внешних факторов, таких как землетрясения и ветры.

Профессия

Структурные инженеры отвечают за проектирование и структурный анализ. Инженеры-конструкторы начального уровня могут проектировать отдельные конструктивные элементы сооружения, такие как балки и колонны здания. Более опытные инженеры могут отвечать за конструктивное проектирование и целостность всей системы, например, здания. Структурные инженеры часто специализируются на определенных типах сооружений, таких как здания, мосты, трубопроводы, промышленные объекты, тоннели, транспортные средства, корабли, самолеты и космические аппараты. Структурные инженеры, специализирующиеся на зданиях, часто специализируются на конкретных строительных материалах, таких как бетон, сталь, дерево, каменная кладка, сплавы и композиты, и могут фокусироваться на конкретных типах зданий, таких как офисы, школы, больницы, жилые здания и так далее. Структурная инженерия существует с тех пор, как люди начали возводить сооружения. Она стала более определенной и формализованной профессией с появлением архитектуры как самостоятельной профессии, отличной от инженерии, во время промышленной революции в конце XIX века. До этого архитектор и инженер-строитель обычно были одним и тем же лицом – главным строителем. Только с развитием специализированных знаний в области структурных теорий, возникших в XIX и начале XX веков, появились профессиональные инженеры-конструкторы. Роль структурного инженера сегодня предполагает глубокое понимание как статических, так и динамических нагрузок, а также конструкций, способных им противостоять. Сложность современных сооружений часто требует от инженера значительной изобретательности, чтобы обеспечить надежную поддержку и сопротивление воздействующим нагрузкам. Обычно структурный инженер имеет четырех- или пятилетнюю степень бакалавра, за которой следует не менее трех лет профессиональной практики, прежде чем он будет считаться полностью квалифицированным. Структурные инженеры лицензируются или аккредитуются различными научными обществами и регулирующими органами по всему миру (например, Институтом инженеров-строителей в Великобритании). В зависимости от выбранной образовательной программы и/или юрисдикции, в которой они стремятся получить лицензию, они могут быть аккредитованы (или лицензированы) как инженеры-конструкторы, как инженеры-строители, или как инженеры-строители и инженеры-конструкторы одновременно. Другая международная организация – IABSE (Международная ассоциация мостов и конструкций). Целью этой ассоциации является обмен знаниями и развитие практики структурной инженерии во всем мире на службе профессии и общества.

Строительные сооружения для землетрясений

Сооружения сейсмостойкого строительства – это сооружения, спроектированные для выдерживания землетрясений. Основные цели сейсмостойкого строительства – понимание взаимодействия сооружений с колеблющейся землей, прогнозирование последствий возможных землетрясений, а также проектирование и возведение сооружений, способных функционировать во время землетрясения. Сейсмостойкие сооружения не обязательно должны быть чрезвычайно прочными, как, например, пирамида Эль-Кастильо в Чичен-Ице, изображенная выше. Важным инструментом сейсмостойкого строительства является сейсмоизоляция, позволяющая основанию сооружения свободно перемещаться вместе с землей.

Строительные сооружения

Гражданское и строительное проектирование включает в себя все аспекты строительного проектирования, связанные с созданной средой. В этом виде проектирования инженер-конструктор является главным проектировщиком этих сооружений, и зачастую – единственным. При проектировании подобных сооружений конструктивная безопасность имеет первостепенное значение (в Великобритании проекты плотин, атомных электростанций и мостов должны быть утверждены дипломированным инженером). Гражданские и строительные сооружения часто подвергаются воздействию экстремальных сил, таких как значительные колебания температуры, динамические нагрузки, например от волн или транспортного потока, или высокое давление воды или сжатых газов. Кроме того, они часто возводятся в агрессивных средах, например, в морской воде, на промышленных объектах или под землей.

Аэрокосмические конструкции

Типы аэрокосмических конструкций включают ракеты-носители (Atlas, Delta, Titan), ракеты (ALCM, Harpoon), гиперзвуковые аппараты (Space Shuttle), военные самолеты (F 16, F 18) и коммерческие самолеты (Boeing 777, MD 11). Аэрокосмические конструкции обычно состоят из тонких обшивок с усилителями для наружных поверхностей, шпангоутов и рам для поддержания формы, а также крепежных элементов, таких как сварные швы, заклепки, винты и болты, для соединения компонентов.

Наноразмерные структуры

Наноструктура – это объект промежуточного размера между молекулярными и микроскопическими (микрометровыми) структурами. При описании наноструктур необходимо различать количество наноразмерных измерений. Нанотекстурированные поверхности имеют одно наноразмерное измерение, то есть только толщина поверхности объекта находится в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Нанотрубки имеют два наноразмерных измерения, то есть диаметр трубки находится в диапазоне от 0,1 до 100 нм, а её длина может быть значительно больше. Наконец, сферические наночастицы имеют три наноразмерных измерения, то есть размер частицы составляет от 0,1 до 100 нм по каждому пространственному измерению. Термины «наночастицы» и «ультрадисперсные частицы» (УДЧ) часто используются как синонимы, хотя УДЧ могут достигать микрометрового диапазона. Термин «наноструктура» часто используется применительно к магнитной технологии.

Строительные конструкции для медицинских наук

Медицинское оборудование (также известное как арсенал) предназначено для помощи в диагностике, мониторинге или лечении заболеваний. Существует несколько основных типов: диагностическое оборудование включает в себя аппараты медицинской визуализации, используемые для облегчения диагностики; лечебное оборудование включает инфузионные насосы, медицинские лазеры и хирургические установки LASIK; медицинские мониторы позволяют медицинскому персоналу измерять состояние пациента. Мониторы могут измерять жизненно важные показатели пациента и другие параметры, включая ЭКГ, ЭЭГ, артериальное давление и растворенные газы в крови; диагностическое медицинское оборудование также может использоваться дома для определенных целей, например, для контроля сахарного диабета. Техник по биомедицинскому оборудованию (BMET) является важным звеном в системе здравоохранения. В основном работая в больницах, техники BMET отвечают за техническое обслуживание медицинского оборудования учреждения.

Колонки

Колонны – это элементы, воспринимающие только осевую силу (сжатие) или одновременно осевую силу и изгиб (который технически называется колонной-балкой, но на практике обычно просто колонной). При расчете колонны необходимо проверять ее несущую способность по осевой силе и устойчивость к потере устойчивости. Несущая способность по устойчивости – это способность элемента сопротивляться тенденции к выпучиванию. Она зависит от геометрии, материала и расчетной длины колонны, которая определяется условиями закрепления на ее концах. Расчетная длина определяется как L<sub>e</sub> = K * L, где L – фактическая длина колонны, а K – коэффициент, зависящий от условий закрепления. Несущая способность колонны по осевой нагрузке зависит от величины изгибающего момента, которому она подвергается, и наоборот. Это отображается на диаграмме взаимодействия и представляет собой сложную нелинейную зависимость.

Штуфляжи

Ферма – это конструкция, состоящая из стержней и узлов соединения. Когда стержни соединены в узлах и к узлам прикладываются силы, стержни могут испытывать растяжение или сжатие. Стержни, работающие на сжатие, называются сжатыми стержнями или стойками, а стержни, работающие на растяжение, – растянутыми стержнями или растяжками. В большинстве ферм для соединения пересекающихся элементов используются накладки. Накладки относительно гибкие и не способны передавать изгибающие моменты. Соединение обычно выполняется таким образом, чтобы линии сил в стержнях совпадали в узле, что позволяет стержням фермы работать только на растяжение или сжатие. Фермы обычно используются в конструкциях с большими пролетами, где использование сплошных балок было бы неэкономичным.

Плиты

Плиты воспринимают изгибающие моменты в двух направлениях. Бетонная плоская плита является примером плиты. Плиты рассматриваются с использованием механики сплошных сред, но из-за сложности, связанной с этим, они чаще всего проектируются с применением нормативного эмпирического подхода или компьютерного анализа. Также возможно проектирование с использованием теории пластических линий, где анализируется предполагаемый механизм разрушения для определения верхней границы несущей способности. Этот метод применяется на практике, однако, поскольку он дает верхнюю границу (то есть, завышенную оценку) несущей способности для неоптимальных механизмов разрушения, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы убедиться в реалистичности принятого механизма разрушения.

Раковины

Раковины получают свою прочность благодаря своей форме и воспринимают нагрузки сжатия в двух направлениях. Купол является примером оболочки. Их можно спроектировать, создав модель висячей цепи, которая будет работать как цепная линия в чистом растяжении, а затем инвертировав форму для достижения чистого сжатия.

Арки

Арки воспринимают усилия сжатия только в одном направлении, что делает целесообразным их возведение из каменной кладки. Их конструкция обеспечивается за счет того, что линия распора усилия остается в пределах глубины арки. В основном это используется для увеличения прочности любой конструкции.

Цепные линии

Цепные кривые получают свою прочность благодаря своей форме и воспринимают поперечные силы в чистом растяжении, прогибаясь (как, например, натянутый канат провисает под весом идущего по нему человека). Как правило, это канаты или мембранные конструкции. Мембранная конструкция работает как цепная кривая в двух направлениях.