История строительной техники
История строительного проектирования восходит по крайней мере к 2700 году до нашей эры, когда ступенчатую пирамиду для фараона Джосера построил Имхотеп , первый архитектор в истории, известный по имени, . Пирамиды были наиболее распространенными крупными сооружениями, построенными древними цивилизациями, поскольку это структурная форма, которая по своей сути стабильна и может почти бесконечно масштабироваться (в отличие от большинства других структурных форм, размер которых не может линейно увеличиваться пропорционально увеличению нагрузки). [1]
Еще одним выдающимся инженерным достижением древности, которое до сих пор используется, является система управления водными ресурсами каналат . Технология Канат была разработана во времена мидян , предшественников Персидской империи (современный Иран). [2] [3] [4] где находится самый старый и длинный Канат (возрастом более 3000 лет и длиной более 71 км). [5] это также распространилось на другие культуры, имевшие контакт с персами.
На протяжении всей древней и средневековой истории большая часть архитектурного проектирования и строительства выполнялась ремесленниками , такими как каменщики и плотники , дошедшие до роли мастеров-строителей . Никакой теории структур не существовало, а понимание того, как возникли структуры, было крайне ограниченным и почти полностью основывалось на эмпирических данных о том, «что работало раньше». Знания сохранялись гильдиями и редко заменялись достижениями. Структуры повторялись, а масштабы увеличивались постепенно. [1]
Не существует никаких записей о первых расчетах прочности элементов конструкции или поведения конструкционных материалов, но профессия инженера-строителя по-настоящему сформировалась только с промышленной революцией и новым изобретением бетона (см. «Историю бетона »). Физические науки, лежащие в основе строительной инженерии, начали пониматься в эпоху Возрождения и с тех пор развиваются.
Раннее структурное проектирование
[ редактировать ]
Записанная история строительной инженерии начинается с древних египтян . В 27 веке до нашей эры Имхотеп был первым инженером-строителем, известным по имени, и построил первую известную ступенчатую пирамиду в Египте. В 26 веке до нашей эры Великая пирамида Гизы была построена в Египте . Он оставался крупнейшим искусственным сооружением на протяжении тысячелетий и считался непревзойденным достижением в архитектуре до 19 века нашей эры. [ нужна ссылка ]
Понимание физических законов, лежащих в основе строительной инженерии в западном мире , восходит к III веку до нашей эры, когда Архимед опубликовал свою работу «О равновесии плоскостей» в двух томах, в которой он изложил Закон рычага , заявив:
Одинаковые веса на равных расстояниях находятся в равновесии, а равные веса на неравных расстояниях не находятся в равновесии, а наклонены к грузу, находящемуся на большем расстоянии.
Архимед использовал полученные принципы для расчета площадей и центров тяжести различных геометрических фигур, включая треугольники , параболоиды и полусферы . [6] Работа Архимеда по этому вопросу, а также его работы по исчислению и геометрии вместе с евклидовой геометрией лежат в основе большей части математики и понимания конструкций в современном строительном проектировании.
Древние римляне добились больших успехов в строительной инженерии, создав большие конструкции из каменной кладки и бетона , многие из которых стоят до сих пор. Они включают в себя акведуки , термы , 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, посвященными материалам и машинам, используемым в строительстве. Одной из причин их успеха являются точные методы съемки , основанные на диоптрах , громах и хоробатах .
В период высокого средневековья (11-14 века) строители могли уравновешивать боковую тягу сводов с боковой тягой аркбутанов и боковых сводов, строить высокие просторные конструкции, некоторые из которых были построены полностью из камня (с железными штырями, крепящими только концы камней) и сохранялись веками.
В 15 и 16 веках, несмотря на отсутствие теории балок и расчетов , Леонардо да Винчи создал множество инженерных проектов, основанных на научных наблюдениях и строгости, в том числе проект моста через Золотой Рог . Хотя в то время эта конструкция была отклонена, с тех пор она была признана как осуществимой, так и структурно обоснованной. [7]
Основы современной строительной техники были заложены в 17 веке Галилео Галилеем , Робертом Гуком и Исааком Ньютоном, опубликовав три великие научные работы. В 1638 году Галилей опубликовал «Диалоги о двух новых науках» . [8] изложение наук о сопротивлении материалов и движении объектов (по сути, определение гравитации как силы, вызывающей постоянное ускорение ). Это было первое утверждение 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 последовало в 1676 году Робертом Гуком первое утверждение закона Гука , обеспечившее научное понимание упругости материалов и их поведения под нагрузкой. [9]
Одиннадцать лет спустя, в 1687 году, сэр Исаак Ньютон опубликовал Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , изложив свои «Законы движения» , впервые обеспечив понимание фундаментальных законов, управляющих структурами. [10]
Также в 17 веке сэр Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц независимо друг от друга разработали Фундаментальную теорему исчисления , предоставив один из наиболее важных математических инструментов в технике. [11]
Дальнейшие достижения в математике, необходимые для того, чтобы инженеры-строители могли применить понимание структур, полученное благодаря работам Галилея, Гука и Ньютона в 17 веке, произошли в 18 веке, когда Леонард Эйлер стал пионером в значительной части математики и многих методов, которые позволяют инженеры-строители для моделирования и анализа конструкций. В частности, он разработал уравнение балки Эйлера-Бернулли вместе с Даниэлем Бернулли (1700–1782) около 1750 года - фундаментальную теорию, лежащую в основе большинства проектов проектирования конструкций. [12] [13]
Даниэлю Бернулли вместе с Иоганном (Жаном) Бернулли (1667–1748) также приписывают формулировку теории виртуальной работы , предоставив инструмент, использующий равновесие сил и совместимость геометрии для решения структурных проблем. В 1717 году Жан Бернулли писал Пьеру Вариньону, объясняя принцип виртуальной работы, а в 1726 году Даниэль Бернулли писал о «составе сил». [14]
В 1757 году Леонард Эйлер вывел формулу Эйлера продольного изгиба , что значительно расширило возможности инженеров по проектированию элементов сжатия. [13]
Современные разработки в области строительного машиностроения
[ редактировать ]
На протяжении конца 19 — начала 20 веков материаловедение и структурный анализ развивались огромными темпами.
Хотя теория теории упругости была понята задолго до XIX века, только в 1821 году Клод-Луи Навье сформулировал общую теорию упругости в математически пригодной форме. В своих уроках 1826 года он исследовал широкий спектр различных структурных теорий и первым подчеркнул, что роль инженера-строителя заключается не в том, чтобы понять окончательное, разрушенное состояние конструкции, а в первую очередь в предотвращении этого разрушения. . [15] 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. [16]
Ближе к концу XIX века, в 1873 году, Карло Альберто Кастильяно представил свою диссертацию «Intorno ai sistemi elastici», в которой содержится его теорема для вычисления смещения как частной производной энергии деформации. [17]
В 1824 году портландцемент был запатентован инженером Джозефом Аспдином как «превосходный цемент, напоминающий портландский камень» . Патент Великобритании №. 5022. Хотя различные формы цемента уже существовали (пуццолановый цемент использовался римлянами еще в 100 г. до н.э. и даже раньше в древнегреческой и китайской цивилизациях) и широко использовались в Европе с 1750-х годов, открытие, сделанное Аспдином, использовало общедоступные и дешевые материалы, что делает бетонное строительство экономически выгодным. [18]
гребной лодки из ферроцемента — предшественника современного железобетона Развитие бетона продолжилось с постройкой в 1848 году Жозефом -Луи Ламбо . Он запатентовал свою систему армирования сеткой и бетона в 1855 году, через год после того, как У. Б. Уилкинсон также запатентовал аналогичную систему. [19] запатентовал железобетонную ванну для растений За этим последовало в 1867 году, когда Жозеф Монье в Париже с использованием армирования стальной сеткой, аналогичной той, которую использовали Ламбот и Уилкинсон. Монье развил эту идею, подав 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 напряжения в конструкции. [20]
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 преобразование чугуна в литейную сталь в 1858 году. [21] Со временем мягкая сталь заменит кованое железо и чугун в качестве предпочтительного металла для строительства.
В конце 19 века были достигнуты большие успехи в использовании чугуна, постепенно вытеснившего кованое железо в качестве предпочтительного материала. Льняная фабрика Дитерингтона в Шрусбери , спроектированная Чарльзом Бэйджем , была первым зданием в мире с внутренним железным каркасом. Он был построен в 1797 году. В 1792 году Уильям Стратт попытался построить огнеупорную мельницу в Белпере в Дерби (Belper West Mill), используя чугунные колонны и деревянные балки в глубине кирпичных арок, образующих полы. Открытые балочные перекрытия были защищены от огня штукатуркой. Эта мельница в Белпере была первой в мире попыткой построить огнестойкие здания и первым примером пожарной техники . Позже это было улучшено благодаря строительству Belper North Mill в результате сотрудничества Стратта и Бэйджа, которое за счет использования цельного чугунного каркаса представляло собой первое в мире «огнестойкое» здание. [22] [23]
Мост Форт был построен Бенджамином Бейкером , сэром Джоном Фаулером и Уильямом Арролом в 1889 году с использованием стали после того, как первоначальный проект моста Томаса Бауча был отклонен после обрушения его моста Тей-Рейл . Мост Форт был одним из первых крупных применений стали и важной вехой в проектировании мостов. Также в 1889 году Гюстав Эйфель и Морис Кёхлин построили кованую Эйфелеву башню , 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 оболочечных конструкций и новых структурных геометрий, таких как гиперболоидные конструкции . Трубопроводный транспорт был изобретен Владимиром Шуховым и компанией «Бранобель» в конце XIX века.
Снова продвигаясь вперед в проектировании железобетона, с 1892 года Франсуа Эннебика фирма использовала его запатентованную систему железобетона для строительства тысяч конструкций по всей Европе. Компании Taddeus Hyatt в США и Wayss & Freitag в Германии также запатентовали системы. Фирма AG für Monierbauten построила в Германии 200 железобетонных мостов в период с 1890 по 1897 год. [24] Однако новаторские применения железобетона произошли в первой трети 20-го века, когда Роберт Майяр и другие способствовали пониманию его поведения. Майяр заметил, что многие бетонные конструкции мостов были значительно потрескавшимися, и в результате исключил участки с трещинами в своей следующей конструкции моста, правильно полагая, что если бетон треснул, это не способствует повышению прочности. Результатом этого стал революционный дизайн моста Салгинатобель . Вильгельм Риттер сформулировал теорию ферм для расчета на сдвиг железобетонных балок в 1899 году, а Эмиль Мёрш усовершенствовал ее в 1902 году. Далее он продемонстрировал, что рассмотрение бетона при сжатии как линейно-упругого материала является консервативным приближением его поведения. [25] С тех пор проектирование и анализ бетона развиваются с развитием таких методов анализа, как теория линии текучести, основанная на пластическом анализе бетона (в отличие от линейно-упругого анализа), а также множество различных вариаций модели распределения напряжений в бетоне. сжатие [26] [27]
Предварительно напряженный бетон , впервые изобретенный Эженом Фрейсине с патентом в 1928 году, дал новый подход к преодолению слабости бетонных конструкций при растяжении. Фрейсине построил экспериментальную арку из предварительно напряженного бетона в 1908 году, а затем использовал эту технологию в ограниченной форме на мосту Плугастель во Франции в 1930 году. Он продолжил строительство шести мостов из предварительно напряженного бетона через реку Марна , прочно закрепив эту технологию. [28]
Теория проектирования конструкций снова получила развитие в 1930 году, когда профессор Харди Кросс разработал свой метод распределения моментов , позволяющий быстро и точно аппроксимировать реальные напряжения во многих сложных конструкциях. [29]
В середине 20 века Джон Флитвуд Бейкер разработал теорию пластичности конструкций, предоставив мощный инструмент для безопасного проектирования стальных конструкций. Возможность создания структур со сложной геометрией, выходящей за рамки анализа методами ручного расчета, впервые возникла в 1941 году, когда Александр Хренников защитил докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте на тему дискретизации плоских задач упругости с использованием решетчатого каркаса. Это было предшественником развития анализа методом конечных элементов . В 1942 году Ришар Курант разработал математическую основу анализа методом конечных элементов. Это привело в 1956 году к публикации Дж. Тернером, Р. В. Клафом, Х. К. Мартином и Л. Дж. Топпом статьи «Жесткость и прогиб сложных структур». В этой статье было введено название «метод конечных элементов», и она широко признана как первая комплексная трактовка метода, известного сегодня. [30]
Высотное строительство, хотя и было возможно с конца 19 века, значительно продвинулось во второй половине 20 века. Фазлур Хан разработал структурные системы, которые остаются основополагающими для многих современных высотных сооружений и которые он использовал в своих структурных проектах для Центра Джона Хэнкока в 1969 году и Сирс-Тауэр в 1973 году. [31] Центральным нововведением Хана в проектировании и строительстве небоскребов была идея структурных систем «труб» и «связанных труб» для высотных зданий. [32] [33] Он определил каркасную трубчатую конструкцию как «трехмерную пространственную конструкцию, состоящую из трех, четырех или, возможно, большего количества рам, скрепленных рам или стенок, работающих на сдвиг, соединенных по краям или рядом с ними, чтобы сформировать вертикальную трубчатую структурную систему, способную противостоять боковым воздействиям». силы в любом направлении, опираясь на фундамент». [34] Близко расположенные соединенные между собой внешние колонны образуют трубу. Горизонтальные нагрузки, например ветровые, воспринимаются конструкцией в целом. Около половины внешней поверхности отведено под окна. Каркасные трубы позволяют уменьшить количество внутренних колонн и тем самым создать больше полезной площади. Там, где требуются проемы большего размера, такие как гаражные ворота, трубчатая рама должна быть прервана с использованием передаточных балок для сохранения структурной целостности. Первым зданием, в котором была применена конструкция трубчатого каркаса, был жилой дом ДеВитт-Честнат , который Хан спроектировал в Чикаго . Это заложило основу для трубчатых конструкций, которые использовались в большинстве более поздних построек небоскребов, включая строительство Всемирного торгового центра .
Еще одним нововведением, разработанным Фазлур Ханом, стала концепция X-образных распорок, которая снизила боковую нагрузку на здание за счет передачи нагрузки на внешние колонны. Это позволило уменьшить потребность во внутренних колоннах, тем самым освободив больше площади, и это можно увидеть в Центре Джона Хэнкока. Первый небесный вестибюль также был спроектирован 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 результат почти десятилетней работы над методом распорок и стяжек для анализа бетона — инструментом для проектирования конструкций с разрывами, такими как углы и стыки, что представляет собой еще один мощный инструмент для анализа сложной геометрии бетона. . [35]
В конце 20-го и начале 21-го веков развитие мощных компьютеров позволило анализу методом конечных элементов стать важным инструментом структурного анализа и проектирования. Разработка программ конечных элементов привела к возможности точно прогнозировать напряжения в сложных конструкциях и позволила добиться больших успехов в проектировании конструкций и архитектуре. В 1960-х и 70-х годах вычислительный анализ впервые был широко использован при проектировании крыши Сиднейского оперного театра . Многие современные структуры невозможно понять и спроектировать без использования компьютерного анализа. [36]
Изменения в понимании материалов и поведения конструкций во второй половине 20-го века были значительными, при этом развивалось детальное понимание таких тем, как механика разрушения , сейсмическая инженерия , композиционные материалы , температурное воздействие на материалы, динамика и контроль вибрации , усталость. , крип и другие. Глубина и широта знаний, доступных сейчас в области строительного проектирования , а также увеличение спектра различных конструкций и возрастающая сложность этих структур привели к увеличению специализации инженеров-строителей.
См. также
[ редактировать ]- Базовая изоляция
- История строительства
- История архитектуры
- История канализации и водоснабжения
- Канатская система управления водными ресурсами
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Виктор Э. Саума. «Конспекты лекций по строительному проектированию» (PDF) . Университет Колорадо. Архивировано из оригинала (PDF) 13 апреля 2018 г. Проверено 2 ноября 2007 г.
- ^ Ахмад И. Хасан , Передача исламских технологий на Запад, Часть II: Передача исламской инженерии. Архивировано 18 февраля 2008 г. в Wayback Machine.
- ^ Канат, Кариз и Хаттара: Традиционные водные системы на Ближнем Востоке - Питер Бомонт, Майкл Э. Бонин, Кит Стэнли
- ^ Традиционные ремесла Персии: их развитие и технологииГанс Э. Вульф
- ^ с. 4 из Мэйс, Л. (30 августа 2010 г.). Древние водные технологии . Спрингер. ISBN 978-90-481-8631-0 .
- ^ Хит, ТЛ (1897 г.). « Труды Архимеда (1897 г.). Полный труд в формате PDF (19 МБ)» . Издательство Кембриджского университета . Проверено 14 октября 2007 г.
- ^ «Человек эпохи Возрождения» . Музей науки, Бостон. Архивировано из оригинала 6 июня 1997 г. Проверено 5 декабря 2007 г.
- ^ Галилей, Г. (Экипаж, Х. и де Сальвио, А. (1954))
- ^ Чепмен, Аллан. (2005)
- ^ Ньютон, Исаак, Лезер, Томас; Джекфрут, Франсуа. (1822)
- ^ Стиллвел, Дж. (2002). стр.159
- ^ Хейман, Жак (1999). Наука строительной техники . Издательство Имперского колледжа. п. 69. ИСБН 1-86094-189-3 .
- ^ Jump up to: а б Брэдли, Роберт Э.; Сандифер, Чарльз Эдвард (2007). Леонард Эйлер: жизнь, работа и наследие . Эльзевир. ISBN 978-0-444-52728-8 .
- ^ Дюга, Рене (1988). стр.231
- ^ Хейман, Жак (1999). Наука строительной техники . Издательство Имперского колледжа. п. 62. ИСБН 1-86094-189-3 .
- ^ Хосфорд, WF (2005)
- ^ Кастильяно, Калифорния (Эндрюс, ES) (1966)
- ^ Прентис, JE (1990) стр.171
- ^ Недвелл, П.Дж.; Свами, Р.Н. (ред.). (1994) стр.27
- ^ Кирби, RS (1990) стр.476
- ^ Суонк, Дж. М. (1965) стр.395
- ^ Бланк, А.; МакЭвой, М.; Планк, Р. (1993) стр.2
- ^ Липс, EA (1994) стр.23
- ^ Леонхардт. стр.41
- ^ Мёрш, Э. стр.83
- ^ Хогнестад, Э.
- ^ Hoogenboom PCJ, «Дискретные элементы и нелинейность в проектировании несущих бетонных стен», Раздел 1.3 Исторический обзор моделирования несущих бетонов, август 1998 г., ISBN 90-901184-3-8 .
- ^ Хьюсон, Северная Каролина (2003)
- ^ Хейман, Дж. (1998) стр.101
- ^ Тернер, Дж.; Клаф, RW; Мартин, ХК; Топп, ЖЖ (1956) с.803-23, 854
- ^ Мир, А. (2001)
- ^ Крис Х. Любкеман (1996). «Трубка в трубке» . Архивировано из оригинала 17 апреля 2008 г. Проверено 22 февраля 2008 г.
- ^ Крис Х. Любкеман (1996). «Связанная трубка» . Архивировано из оригинала 20 апреля 2008 г. Проверено 22 февраля 2008 г.
- ^ «Эволюция бетонных небоскребов» . Архивировано из оригинала 5 июня 2007 г. Проверено 14 мая 2007 г.
- ^ Шлайх, Дж., К. Шефер, М. Йенневейн
- ^ МакНил, Р.Х. (1994)