Введение в строительную механику

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная меха-ника.
2. Шакирзянов Р.А. Краткий курс лекций по строительной механике.
3. Анохин Н.Н. Строительная механика в примерах и задачах. Ч. 1-2.
4. Киселев В.А. Строительная механика.
5. Саргсян А.Е., Дворянчиков Н.В., Джинчвелашвили Г.А. Строительная механика. Основы теории с примерами расчетов.

1. Предмет строительной механики

Единый объект, построенный (сооруженный) человеком, называется сооружением. Если говорим о внутреннем строении сооружения, его будем называть системой.
Сооружения должны быть удобными, прочными, устойчивыми и безопасными.
Вопросами расчета сооружений занимается наука строительная механика, которую часто называют механикой сооружений.
Строительная механика возникла сравнительно недавно, после выхода в свет в 1638 году сочинения великого итальянского ученого Галилео Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению …».
Строительная механика является частью общей механики.
В XIX веке, после бурного начала строительства железных дорог, мостов, больших кораблей, плотин, различных промышленных сооружений, строительная механика стала самостоятельной наукой.
А в XX веке, в результате развития методов расчета и компьютерных технологий, строительная механика поднялась на современный высокий уровень.

Строительная механика – наука о принципах и методах расчета сооружений на прочность, жесткость и устойчивость.
Для правильного расчета сооружений следует правильно применять общие законы механики, основные соотношения, учитывающие механические свойства материала, условия взаимодействия элементов, частей и основания сооружения. На их основе формируется математическая модель сооружения в виде системы уравнений и ставится задача их решения.

Задачи строительной обычно механики решаются в линейной постановке. Но при больших деформациях или использовании неупругих материалов ставятся и решаются нелинейные задачи.
В строительной механике большое место занимают статические и динамические задачи. В статике внешняя нагрузка постоянна, элементы и части системы находятся в равновесии. В динамике рассматривается движение системы от динамических нагрузок.
Строительная механика быстро развивается. Ещё недавно, в первой половине XX века, для расчета сооружений использовались только простейшие математические модели. Но в 60-70 годы, когда начали широко внедряться компьютеры, стали применяться более сложные модели. Поэтому стало возможным проектирование и строительство сложных современных сооружений из новейших материалов.

2. Сооружения и их элементы

Сооружения весьма разнообразны. И поэтому они классифици-руются по-разному. Например, только по назначению сооружения делятся на промышленные, общественные, жилищные, транспортные, гидротехнические, подземные, сельскохозяйствен-ные, военные и др.
В сооружениях используются элементы разных типов − стержни, плиты, массивные тела:

Простейшие сооружения, состоящие из таких элементов, можно подразделять на стержневые сооружения, складчатые сооружения, оболочки и массивные сооружения: подпорные стенки и каменные своды:

Сейчас возводятся очень сложные сооружения. Например, часто встречаются сооружения, у которого основание массивное, средняя часть может состоять из колонн стержневого типа и плит, а верхняя часть − из плит или оболочек.

Все особенности сооружений учесть невозможно. Поэтому рассматривают их упрощенную модель, которая называется расчетной схемой.
Любое сооружение представляет собой пространственный объект. Действующая на него внешняя нагрузка также действует в пространстве. Значит, расчетную схему сооружения надо выбирать как пространственную. Однако такая схема приводит к сложной задаче составления и решения большого числа уравнений. Поэтому реальное сооружение часто приводится к плоской системе. Например:

Переход от сооружения к его расчетной схеме является сложной и ответственной задачей. Правильная расчетная схема должна отражать основные особенности сооружения. Неправильный выбор расчетной схемы приводит к неправильным результатам.
Для одного и того же сооружения можно выбирать разные расчетные схемы. Выбор хорошей расчетной схемы приводит к экономии вычислений и вполне точным результатам.
Расчетные схемы сооружений можно классифицировать по-разному. Например, различают плоские и пространственные расчетные схемы, расчетные схемы по типу или способу соединения элементов, по направлению опорных реакций, по статическим и динамическим особенностям и т.д.
Сооружения опираются или закрепляются к основанию через опорные устройства. Взаимосвязь сооружения и основания в расчетных схемах учитывается с помощью специальных знаков – опор. В пространственных и плоских расчетных схемах используются различные типы опор. Например, в плоских системах встречаются следующие типы опор:

Типы простейших сооружений

Балка − изгибаемый брус. Бывают простая балка, консоль, консольная балка. Многопролетные балки бывают разрезные, неразрезные и составные.

Рама − – система прямых (ломаных или кривых) стержней. Ее стержни могут соединяться жестко или через шарнир. Вот некоторые типы рам – простая рама, составная рама, многоэтажная рама:

Ферма − система стержней, соединенных шарнирами. Типов ферм много. Например, бывают стропильная ферма, мостовая ферма, крановая ферма, башенная ферма:

Арка − система из кривых стержней. Некоторые типы арок − трехшарнирная арка, одношарнирная арка, бесшарнирная арка:

Существуют более сложные системы как комбинации простых систем. Они называются комбинированными системами. Например, имеются арочные фермы, фермы с аркой, висячие системы:

По статическим особенностям различают статически определимые и статически неопределимые системы.

При малых нагрузках большинство материалов сооружений являются упругими и подчиняются закону Гука. При возрастании нагрузки этот закон перестает выполняться.
В нашем курсе рассмотрим только упругие материалы.
Примем некоторые гипотезы, позволяющие выбирать более простые расчетные модели, упрощать и уменьшать объем вычислений:
1. Материал сооружения является упругим.
2. Перемещения точек сооружения намного меньше его размеров.
3. Перемещения пропорциональны величине нагрузки.
4. Выполняется принцип суперпозиции (принцип независимости действия сил): результат воздействия нескольких сил равен сумме воздействий отдельных сил и не зависит от порядка приложения этих сил.

Внешние силы, действующие на сооружение называются нагрузкой. Также за нагрузку принимаются различные сочетания внешних сил, изменение температуры, осадки опор и т.д.
Нагрузки различают:
– по способу приложения. Объемная нагрузка действует во всех точках (собственный вес, инерционные силы и др.), поверхностная нагрузка распределена по поверхности (снег, ветер и др.).
– по времени действия. Постоянная нагрузка действует всегда и часто сохраняется в течение всей жизни сооружения (собственный вес), временная нагрузка действует только в определенный период или момент (снег, ветер).
– по способу действия. Например, есть статические, динамические, подвижные нагрузки.
Нагрузка, распределяясь между элементами сооружения, вызывает внутренние напряжения и деформации. В строительной механике определяются их обобщенные характеристики – внутренние усилия и перемещения. А напряжения и деформации определяются через них по известным формулам сопротивления материалов.