История развития строительной механики

Строительная механика — наука о расчете прочности, жесткости и устойчивости конструкций. Конструкция представляет собой совокупность твердых тел, жестко соединенных друг с другом.
В расчетах используется ряд допущений, предпосылок и принципов. Наиболее важными из них являются:
- гипотеза малости деформаций и перемещений – деформации и перемещения деформируемого тела считаются малыми по сравнению с его размерами;
- гипотеза идеальной упругости тела - если после снятия нагрузки деформации тела полностью исчезают, восстанавливаются его первоначальные размеры и форма, то такой процесс деформирования называется абсолютно упругим;
- гипотеза непрерывности тела - материя тела полностью, без пробелов (непрерывно) заполняет объем, ограниченный его поверхностями;
- гипотеза однородности тела - состав вещества тела по всему его объему считается однородным;
- гипотеза изотропности свойств материала тела - физико-механические свойства материала тела одинаковы во всех направлениях;
- гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли) – плоские сечения до деформации остаются плоскими после деформации.[8]
Предположение об идеальной упругости тела для большинства конструкционных материалов в действительности не реализуется: после нагружения в нем сохраняются, хотя и небольшие, остаточные деформации. Это явление называется пластичностью. Если пластические свойства материала достаточно выражены, это явление необходимо учитывать. Процессы деформирования тела с учетом пластических свойств материала изучаются в теории пластичности.
Одним из важнейших принципов строительной механики является принцип независимости действия сил, согласно которому результат действия системы нагрузок на конструкцию (опорные реакции, деформации, напряжения) равен сумме результатов действия каждой нагрузки в отдельности. Этот принцип применим только к материалам, подчиняющимся закону Гука. В противном случае, как и в некоторых других особых случаях, при соблюдении закона Гука этот принцип не может быть применен.
Другой важный принцип — принцип Сен-Венана — позволяет существенно упростить схемы проектирования конструкций. Суть этого принципа заключается в том, что напряженное состояние тела на достаточно большом расстоянии от точки приложения нагрузки не зависит от способа передачи нагрузки на конструкцию.
Поскольку строительная механика — это наука, основанная на расчетах, давайте рассмотрим, что такое расчетная схема.
Расчетная схема — это некая условная идеализированная схема реальной конструкции, которая проявляет ее важнейшие свойства и закономерности поведения при определенных внешних воздействиях и не учитывает второстепенные факторы, которые в каждом конкретном случае считаются несущественными.[7]
Важнейшим условием при проектировании конструкции является необходимость обеспечения рациональности соединения всех ее элементов. Это значит, что необходимо правильно выбрать опорные звенья, соединения и их количество. Они должны быть организованы таким образом, чтобы система была геометрически неизменна. Геометрически изменчивые системы не могут использоваться в качестве конструкций в строительстве.
Строительная механика также подразделяется на разделы, связанные с расчетом конструкций определенного типа, а именно: стержневых конструкций, пластин и систем пластин, оболочек, гибких проводов и канатных систем, упругих и неупругих оснований, мембран и т. д.
Рассмотрев все общие понятия, перейдем к историческим объектам строительной механики.
Отдельный объект, построенный (возведенный) одним человеком, называется сооружением. Когда мы говорим о внутренней структуре здания как о системе элементов, мы говорим о системе.
Объекты необходимы для удовлетворения жизненно важных потребностей населения и улучшения качества его жизни. Они должны быть удобными, прочными, устойчивыми и безопасными.
Строительство зданий — древнее занятие человека и древнее искусство. Доказательством этому служат результаты многочисленных археологических раскопок, проведенных в разных частях света, а также сохранившиеся до наших дней древние сооружения и здания. Их совершенство и красота, даже с точки зрения современных знаний, свидетельствуют об искусстве и большом опыте древних строителей.
Вопросами расчета конструкций занимается специальная наука — строительная механика, часто ее называют просто строительной механикой. Считается, что структурная механика возникла сравнительно недавно, после публикации в 1638 году труда великого итальянского ученого Галилео Галилея «Беседы и математические доказательства относительно двух новых отраслей науки, относящихся к механике и локальному движению...».
Строительная механика является частью общей механики. В XIX веке, после бурного развития строительства железных дорог, мостов, крупных судов, плотин и различных промышленных сооружений, строительная механика выделилась в самостоятельную науку. А в XX веке, благодаря развитию методов расчета и компьютерных технологий, строительная механика достигла современного высокого уровня.
Строительная механика — наука о принципах и методах расчета прочности, жесткости и устойчивости конструкций.
Строительная механика является как теоретической, так и прикладной наукой. С одной стороны, он разрабатывает теоретические основы методов расчета, а с другой — является расчетным инструментом, поскольку решает важные практические задачи, связанные с прочностью, жесткостью и устойчивостью конструкций.
Воздействие нагрузок вызывает деформацию отдельных элементов и конструкции в целом. Расчет и теоретическую оценку результатов их воздействия рассматривает механика деформируемого твердого тела. Частью этой науки является прикладная механика (сопротивление материалов), которая занимается расчетом простых конструкций или их отдельных элементов. Другая ее составляющая – строительная механика – уже позволяет рассчитывать разнообразные и весьма сложные многоэлементные конструкции.
Для правильного расчета конструкций необходимо правильно применять общие законы механики, основные соотношения, учитывающие механические свойства материала, условия взаимодействия элементов, деталей и оснований конструкции. На этой основе формируется расчетная схема конструкции в виде механической системы и ее математическая модель в виде системы уравнений.
Обычно задачи строительной механики решаются в линейной постановке. Однако при больших деформациях или использовании неупругих материалов возникают и решаются нелинейные проблемы.
В строительной механике большое место занимают статические и динамические задачи. Если в статике конструкций внешняя нагрузка постоянна, а элементы и части системы находятся в равновесии, то в динамике конструкций учитывается движение системы под действием переменных динамических нагрузок.