Что такое структурный дизайн? Чем занимается инженер-строитель?




Что такое структурный дизайн? Чем занимается инженер-строитель?

Альберту Эйнштейну приписывают множество цитат, в том числе: «Все должно быть как можно проще, но не проще».

Эти слова хорошо описывают идею конструкции конструкции. Инженеры сталкиваются с огромной проблемой — как аппроксимировать реальные конструкции, чтобы предсказать их поведение с помощью вычислительных методов. Предполагается, что модели, используемые для проектирования, упрощают реальность, но проблема заключается в балансе между отображением фактического состояния и сложностью модели.

История изготовления материала и конструкции для лепки восходит к глубокой древности. Доказательств недостаточно, но можно предположить, что древние римляне, греки или египтяне умели «по-научному» описывать поведение определенных элементов конструкции. Однако безопаснее предположить, что они во многом полагались на опыт. Однако несомненно, что первые работы по вычислительному подходу к строительным работам были выполнены Леонардо да Винчи и Галилео. Дальнейшее развитие науки в этом направлении принесло много достижений в области прочности материалов, строительной механики, механики сплошных сред, теории упругости и смежных областях. В этом продвижении участвовало много выдающихся людей, часто математиков.

Пример

Хорошим примером аппроксимации (упрощения) является обычно используемая модель линейно-упругого материала. При расчетах чаще всего предполагается, что материал однородный, изотропный и именно линейно-упругий. Что все это значит и как это соотносится с реальностью?

Изотропия означает, что, независимо от направления, данный материал имеет одинаковые свойства. Примером хорошо известного материала, не укладывающегося в это предположение, является дерево. Структура древесины на основе продольных волокон хорошо известна каждому, и тот факт, что изготовленный из нее элемент может иметь различные свойства в направлении, параллельном и перпендикулярном волокнам, является интуитивно понятным.

Однородность, или непрерывность материала (центра), — это полностью абстрактное понятие, но частично согласуется с нашим восприятием реальности. Сталь, которая лучше всего соответствует этому предположению, на самом деле состоит из зерен, воздушных пор, различных включений и грязи. В случае с бетоном или грунтом (который также считается линейно-упругим) мы еще больше отдаляемся от реальности, и неоднородность видна невооруженным глазом.

Эластичность означает, что деформация материала нестабильна. Самый простой пример — губка, которая меняет форму при нажатии, но возвращается к своему первоначальному объему при снятии нагрузки. Линейность означает, что указанные деформации увеличиваются пропорционально приложенной силе, то есть зависимость силы от деформации является линейной. Такое поведение материала описывается законом Гука. Фактически, многие материалы можно лишь приблизительно считать линейно упругими, и для многих эта модель описывает поведение только в определенном диапазоне нагрузок.

Поскольку все эти предположения сомнительны, безопасны ли используемые методы расчета? Да потому, что в этом случае теория дополняется экспериментальными  знаниями. Лабораторные испытания, а также существующие конструкции составляют ключевой элемент инженерных знаний и являются лучшим подтверждением методов расчета.

Ключевые термины

Если вы хотите знать о проектировании строительных конструкций чуть больше, чем средний прохожий, стоит знать несколько ключевых понятий:

  • статическая диаграмма — это аппроксимация конструкции или ее элемента, позволяющая рассчитать внутренние силы,
  • внутренние силы — удобное в вычислительном отношении описание напряжений (сил), возникающих в данном элементе (например, колонне, балке),
  • удары / нагрузки — это все факторы, вызывающие появление внутренних сил в элементе, основными из которых являются: собственный вес, ветер, снег или нагрузка, возникающая в результате использования здания,
  • несущая способность, устойчивость, удобство обслуживания — столпы конструкции, в то время как несущая способность может быть понята в просторечии как прочность конструкции, устойчивость как ее баланс и устойчивость, например, к перегрузкам, и удобство обслуживания как набор требований, связанных в первую очередь с эстетика.

Резюме

Приведенные выше несколько терминов — лишь верхушка айсберга. Вы должны знать, что современные инженерные знания — это совокупность достижений во многих областях науки за десятки (а то и сотни) лет. Это включает в себя множество взглядов на предмет и множество вычислительных инструментов. Кроме того, эти знания постоянно расширяются, появляются новые материалы, а также новые научные открытия. В некоторых случаях дизайн ограничивается применением требований, содержащихся в стандартах или правилах, часто это творческая работа, которую смело можно назвать искусством.