История строительной инженерии - History of structural engineering
История структурных инженерные восходит по крайней мере 2700 до н.э. , когда шаг пирамида для фараона Джосера была построена Имхотеп , первым архитектором в истории известного по имени. Пирамиды были наиболее распространенными крупными сооружениями, построенными древними цивилизациями, потому что это структурная форма, которая по своей природе стабильна и может почти бесконечно масштабироваться (в отличие от большинства других структурных форм, размер которых нельзя линейно увеличивать пропорционально увеличению нагрузок).
Еще один выдающийся инженерный подвиг древности, который все еще используется сегодня, - это система управления водными ресурсами qanat . Технология каната, разработанная во времена мидийцев , предшественников Персидской империи (современный Иран, который имеет самый старый и самый длинный Канат (старше 3000 лет и протяженностью более 71 км), который также распространился на другие культуры, имевшие контакт с Персидский.
На протяжении всей древней и средневековой истории большая часть архитектурного проектирования и строительства выполнялась ремесленниками , такими как каменщики и плотники , которые стали мастерами-строителями . Никакой теории структур не существовало, а понимание того, как возникают структуры, было чрезвычайно ограниченным и почти полностью основывалось на эмпирических доказательствах того, «что работало раньше». Знания сохранялись гильдиями и редко вытеснялись достижениями. Структуры повторялись, а масштаб увеличивался постепенно.
Не существует никаких записей о первых расчетах прочности конструктивных элементов или поведения конструкционных материалов, но профессия инженера-строителя действительно сформировалась только с промышленной революцией и повторным изобретением бетона (см. Историю бетона ). В физических науках , лежащие в основе структурной инженерии стали понимать в эпохе Возрождения и развиваются до сих пор.
Ранняя структурная инженерия
.jpg)
Записанная история строительной инженерии начинается с древних египтян . В 27 веке до нашей эры Имхотеп был первым известным по имени инженером-строителем и построил первую известную ступенчатую пирамиду в Египте. В 26 веке до нашей эры Великая пирамида Гизы была построена в Египте . Он оставался крупнейшим рукотворным сооружением на протяжении тысячелетий и считался непревзойденным архитектурным достижением до 19 века нашей эры.
Понимание физических законов, лежащих в основе структурной инженерии в западном мире, восходит к 3 веку до нашей эры, когда Архимед опубликовал свою работу « О равновесии планов» в двух томах, в которой он излагает Закон рычага , в котором говорится:
Равные веса на равных расстояниях находятся в равновесии, а равные веса на неравных расстояниях не находятся в равновесии, а склоняются к весу, находящемуся на большем расстоянии.
Архимед использовал полученные принципы для вычисления площадей и центров тяжести различных геометрических фигур, включая треугольники , параболоиды и полушария . Работа Архимеда над этим и его работа по исчислению и геометрии, вместе с евклидовой геометрией , лежат в основе большей части математики и понимания структур в современной структурной инженерии.
В древние римляне сделали большие оценки в структурной инженерии, пионерами крупные структуры в кирпичной кладке и бетоне , многие из которых все еще стоят сегодня. Они включают акведуки , парилки , колонны , маяки , оборонительные стены и гавани . Их методы описаны Витрувием в его De Architectura, написанном в 25 г. до н.э., руководстве по гражданскому и строительному проектированию с обширными разделами о материалах и машинах, используемых в строительстве. Одной из причин их успеха является их точные геодезические методы , основанные на dioptra , GROMA и хоробат .
В период высокого средневековья (11-14 вв.) Строители могли уравновешивать боковую тягу сводов с усилием аркбутанов и боковых сводов, чтобы построить высокие просторные сооружения, некоторые из которых были построены полностью из камня (с железными штифтами, удерживающими только концы камней) и длились веками.
В 15-м и 16-м веках Леонардо да Винчи, несмотря на отсутствие теории балок и расчетов , создал множество инженерных проектов, основанных на научных наблюдениях и строгости, в том числе проект моста через Золотой Рог . Хотя тогда проект был отклонен, с тех пор проект был признан как выполнимым, так и конструктивно обоснованным.
.jpg)
Основы современной строительной инженерии были заложены в 17 веке Галилео Галилеем , Робертом Гуком и Исааком Ньютоном, опубликовав три великих научных труда. В 1638 году Галилей опубликовал « Диалоги, касающиеся двух новых наук» , в которых излагаются науки о прочности материалов и движении объектов (по существу определяя гравитацию как силу, вызывающую постоянное ускорение ). Это было первое установление научного подхода к проектированию конструкций, включая первые попытки разработать теорию балок. Это также считается началом структурного анализа, математического представления и проектирования строительных конструкций.
За этим в 1676 году последовало первое заявление Роберта Гука о законе Гука , дающем научное понимание эластичности материалов и их поведения под нагрузкой.
Одиннадцать лет спустя, в 1687 году, сэр Исаак Ньютон опубликовал « Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» , в котором изложил свои законы движения , впервые представив понимание фундаментальных законов, управляющих структурами.
Также в 17 веке сэр Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц независимо друг от друга разработали Фундаментальную теорему исчисления , предоставив один из важнейших математических инструментов в инженерии.
Дальнейшие успехи в математике, необходимые для того, чтобы позволить инженерам-строителям применять понимание структур, полученное благодаря работам Галилея, Гука и Ньютона в течение 17 века, произошли в 18 веке, когда Леонард Эйлер впервые применил большую часть математики и многие методы, которые позволяют инженеры-строители для моделирования и анализа конструкций. В частности, он разработал уравнение пучка Эйлера-Бернулли с Даниэлем Бернулли (1700–1782) около 1750 года - фундаментальную теорию, лежащую в основе большинства инженерных конструкций.
Даниэлю Бернулли и Иоганну (Жану) Бернулли (1667–1748) также приписывают формулировку теории виртуальной работы , обеспечивающей инструмент, использующий равновесие сил и совместимость геометрии для решения структурных проблем. В 1717 году Жан Бернулли написал Пьеру Вариньону, объясняющий принцип виртуальной работы, а в 1726 году Даниэль Бернулли написал о «составе сил».
В 1757 году Леонард Эйлер продолжал выводит Эйлер коробление формулы, значительно опережений способности инженеров для проектирования элементов сжатия.
Современные разработки в строительной инженерии
На протяжении конца 19 - начала 20 веков материаловедение и структурный анализ развивались огромными темпами.
Хотя теория упругости была понята задолго до XIX века, только в 1821 году Клод-Луи Навье сформулировал общую теорию упругости в математически пригодной для использования форме. В своих лекциях 1826 года он исследовал широкий спектр различных структурных теорий и был первым, кто подчеркнул, что роль инженера-строителя заключается не в понимании окончательного, отказавшего состояния конструкции, а в том, чтобы в первую очередь предотвратить этот отказ. . В 1826 году он также установил модуль упругости как свойство материалов, не зависящее от второго момента площади , что позволило инженерам впервые понять как структурное поведение, так и конструкционные материалы.
В конце 19 века, в 1873 году, Карло Альберто Кастильяно представил диссертацию «Intorno ai sistemi elastici», в которой содержится его теорема для вычисления смещения как частной производной энергии деформации.
В 1824 году портландцемент был запатентован инженером Джозефом Аспдином как «превосходный цемент, напоминающий портлендский камень» , британский патент No. 5022. Хотя различные формы цемента уже существовали (пуццолановый цемент использовался римлянами еще в 100 г. до н.э. и даже раньше древнегреческой и китайской цивилизациями) и широко использовался в Европе с 1750-х годов, открытие, сделанное Аспдином, использовало общедоступные, дешевые материалы, делающие бетонное строительство экономичной возможностью.
Разработка бетона продолжилась, когда в 1848 году Жозеф-Луи Ламбо построил весельную лодку из ферроцемента - предшественника современного железобетона . Он запатентовал свою систему армирования сетки и бетона в 1855 году, через год после того, как Уилкинсон также запатентовал аналогичную систему. Это последовало в 1867 году, когда Жозеф Монье в Париже запатентовал железобетонную кадку для посадки растений , в которой использовалась арматура из стальной сетки, аналогичная той, что использовали Ламбот и Уилкинсон. Монье развил эту идею, зарегистрировав несколько патентов на ванны, плиты и балки, что в конечном итоге привело к созданию системы армированных конструкций Монье - первого использования стальных арматурных стержней, расположенных в зонах растяжения конструкции.
Стальная конструкция впервые стала возможной в 1850-х годах, когда Генри Бессемер разработал бессемеровский процесс производства стали . Он получил патенты на этот процесс в 1855 и 1856 годах и успешно завершил переработку чугуна в стальное литье в 1858 году. В конце концов, мягкая сталь заменит кованое и чугунное железо в качестве предпочтительного металла для строительства.
В конце 19 века в использовании чугуна были достигнуты большие успехи, постепенно вытеснив кованое железо в качестве предпочтительного материала. Льнокомбинат Дизерингтон в Шрусбери , спроектированный Чарльзом Бейджем , был первым зданием в мире с внутренним железным каркасом. Он был построен в 1797 году. В 1792 году Уильям Стратт попытался построить огнестойкую мельницу в Белпере в Дерби (Belper West Mill), используя чугунные колонны и деревянные балки в глубине кирпичных арок, образующих перекрытия. Открытые перекрытия балок были защищены от возгорания штукатуркой. Эта фабрика в Белпере была первой в мире попыткой возвести пожаробезопасные здания и первым примером пожарной техники . Позже это было улучшено с постройкой Belper North Mill в сотрудничестве между Strutt и Bage, которая с использованием полностью чугунного каркаса стала первым в мире «огнестойким» зданием.
Forth Bridge был построен Бенджамин Бэйкер , Джон Фоулер и Уильям Аррол в 1889 году, используя сталь , после того, как оригинальный дизайн моста при помощи Томаса Бауч был отвергнут после распада его Tay железнодорожный мост . Форт-Бридж был одним из первых крупных применений стали и важной вехой в дизайне мостов. Также в 1889 году Гюстав Эйфель и Морис Кехлин построили Эйфелеву башню из кованого железа , продемонстрировав потенциал строительства с использованием железа, несмотря на то, что стальные конструкции уже использовались в других местах.
В конце 19 века русский инженер-строитель Владимир Шухов разработал методы анализа растянутых конструкций , тонкостенных конструкций , решетчатых оболочек и новых структурных геометрий, таких как гиперболоидные конструкции . Трубопроводный транспорт был изобретен Владимиром Шуховым и компанией Branobel в конце 19 века.
Снова двигаясь вперед в проектировании железобетона, с 1892 года фирма Франсуа Хеннебика использовала его запатентованную систему железобетона для строительства тысяч конструкций по всей Европе. Thaddeus Hyatt в США и Wayss & Freitag в Германии также запатентовали системы. Фирма AG für Monierbauten построила 200 железобетонных мостов в Германии между 1890 и 1897 годами. Однако великие новаторские применения железобетона пришли в первую треть 20 века, когда Роберт Майярт и другие способствовали пониманию его поведения. Майяр заметил, что многие бетонные конструкции моста были значительно потрескавшимися, и в результате оставил трещины вне его следующего проекта моста - правильно полагая, что если в бетоне есть трещины, это не способствует увеличению прочности. Это привело к революционному дизайну моста Салгинатобеля . Вильгельм Риттер сформулировал теорию фермы для расчета сдвига железобетонных балок в 1899 году, а Эмиль Мёрш улучшил ее в 1902 году. Далее он продемонстрировал, что рассмотрение сжатого бетона как линейно-упругого материала было консервативным приближением его поведения. С тех пор конструирование и анализ бетона прогрессируют с развитием таких методов анализа, как теория пределов текучести, основанная на пластическом анализе бетона (в отличие от линейно-упругого), и множестве различных вариаций модели для распределения напряжений в бетоне в сжатие
Предварительно напряженный бетон , впервые примененный Эженом Фрейсине (Eugène Freyssinet) с патентом в 1928 году, дал новый подход к преодолению слабости бетонных конструкций при растяжении. Фрейссине построил экспериментальную предварительно напряженную арку в 1908 году, а затем использовал эту технологию в ограниченном виде на мосту Плугастель во Франции в 1930 году. Он построил шесть мостов из предварительно напряженного бетона через реку Марна , прочно утвердив эту технологию.
Теория структурной инженерии снова получила развитие в 1930 году, когда профессор Харди Кросс разработал свой метод распределения моментов , позволяющий быстро и точно аппроксимировать реальные напряжения многих сложных конструкций.
В середине 20-го века Джон Флитвуд Бейкер разработал теорию пластичности конструкций, предоставив мощный инструмент для безопасного проектирования стальных конструкций. Возможность создания структур со сложной геометрией, помимо анализа с помощью методов ручного расчета, впервые возникла в 1941 году, когда Александр Хренникофф защитил докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте на тему дискретизации плоских задач упругости с использованием решетчатого каркаса. Это было предвестником развития анализа методом конечных элементов . В 1942 году Ричард Курант разработал математическую основу для анализа методом конечных элементов. Это привело в 1956 г. к публикации Дж. Тернером, Р. У. Клафом, Х. К. Мартином и Л. Дж. Топпом статьи «Жесткость и прогиб сложных конструкций». В этой статье было введено название «метод конечных элементов», и она широко известна как первая исчерпывающая трактовка этого метода в том виде, в каком он известен сегодня.
Высотное строительство, хотя и возможно с конца 19 века, было значительно продвинуто во второй половине 20 века. Фазлур Хан разработал структурные системы, которые остаются фундаментальными для многих современных высотных сооружений, и которые он использовал в своих конструктивных решениях для Центра Джона Хэнкока в 1969 году и Сирс-Тауэр в 1973 году. Центральным нововведением Хана в проектировании и строительстве небоскребов была идея «трубы». Конструкционные системы "и" пучки труб " для высотных зданий. Он определил каркасную трубчатую конструкцию как "трехмерную пространственную структуру, состоящую из трех, четырех или, возможно, более рамок, скрепленных рам или стенок, соединенных срезом, соединенных на их краях или рядом с ними, чтобы сформировать вертикальную трубчатую конструктивную систему, способную противостоять боковым стенкам. сил в любом направлении за счет консольного крепления от фундамента ". Трубку образуют близко расположенные взаимосвязанные внешние колонны. Горизонтальные нагрузки, например ветер, воспринимаются конструкцией в целом. Около половины внешней поверхности отводится под окна. Обрамленные трубы позволяют использовать меньше внутренних колонн и, таким образом, создают более полезную площадь пола. Там, где требуются большие проемы, такие как гаражные ворота, трубная рама должна быть прервана с использованием передаточных балок для сохранения структурной целостности. Первое здание, в котором была применена конструкция из трубчатого каркаса, было в жилом доме ДеВитт-Честнат, который Хан спроектировал в Чикаго . Это положило начало трубчатым конструкциям, используемым в большинстве более поздних построек небоскребов, включая строительство Всемирного торгового центра .
Еще одним нововведением, разработанным Фазлур Хан, была концепция крестообразных распорок, которые снижали боковую нагрузку на здание, передавая нагрузку на внешние колонны. Это позволило уменьшить потребность во внутренних колоннах, создавая больше места на полу, и это можно увидеть в Центре Джона Хэнкока. Первое небесное лобби было также спроектировано Ханом для Центра Джона Хэнкока в 1969 году. Более поздние здания с небесными вестибюлями включают Всемирный торговый центр , башни-близнецы Петронас и Тайбэй 101 .
В 1987 году Йорг Шлайх и Курт Шафер опубликовали итоги почти десятилетней работы над методом стоек и стяжек для анализа бетона - инструментом для проектирования конструкций с неоднородностями, такими как углы и стыки, предоставляя еще один мощный инструмент для анализа сложной геометрии бетона. .
В конце 20-го и начале 21-го веков развитие мощных компьютеров позволило конечно-элементному анализу стать важным инструментом структурного анализа и проектирования. Разработка программ конечных элементов привела к способности точно прогнозировать напряжения в сложных конструкциях и позволила добиться значительных успехов в проектировании конструкций и архитектуре. В 1960-х и 70-х годах вычислительный анализ впервые был существенно использован при проектировании крыши Сиднейского оперного театра . Многие современные конструкции невозможно понять и спроектировать без использования вычислительного анализа.
Развитие в понимании материалов и структурного поведения во второй половине 20-го века было значительным, с подробным пониманием таких тем, как механика разрушения , сейсмическая инженерия , композитные материалы , температурное воздействие на материалы, динамика и контроль вибрации , усталость. , ползучесть и другие. Глубина и широта знаний, доступных в настоящее время в проектировании конструкций , а также увеличивающийся диапазон различных конструкций и возрастающая сложность этих структур привели к увеличению специализации инженеров-строителей.
Смотрите также
- Базовая изоляция
- История канализации и водоснабжения
- Канатская система управления водными ресурсами