Введение. 
Строительная механика для архитекторов

1. Назначение и состав дисциплины Одной из основных задач при проектировании сооружений является обеспечение их достаточной, но не излишней, надежности на заданный срок эксплуатации.

Памятники архитектуры, пережившие тысячелетия, создавались древними строителями с большим запасом прочности. Определение формы и размеров сооружений чаще всего выполнялось экспериментально или с использованием строительного опыта предшествующих поколений. Доброкачественность сооружений проверялась самой жизнью.

В настоящее время многообразие форм сооружений не позволяет опираться только на опыт проектирования сооружений. Необходимость строить быстро, прочно и экономно порождает потребность в грамотно выполненных и отвечающих действительной работе сооружений расчетах прочности, жесткости и устойчивости любого возводимого сооружения.

Целью таких расчетов является обеспечение достаточной, но не излишней, безопасности сооружений, т. е. сочетания долговечности с экономичностью.

Расчет на жесткость предназначен для устранения возможности появления значительных деформаций сооружения или его элементов (прогибов, осадок, вибраций), которые могут быть и не опасными для самого сооружения, но неприемлемыми по эксплуатационным или эстетическим требованиям.

Методы расчета сооружений на прочность, жесткость и устойчивость излагаются в курсе строительной механики. По мнению Б. Н. Жемочкина, строительная механика в широком смысле этого слова объединяет следующие дисциплины:

• а) теоретическую механику;
• б) сопротивление материалов;
• в) собственно строительную механику;
• г) теорию упругости и теорию пластичности.

Теоретическая механика изучает вопросы равновесия и движения твердых тел. Курс теоретической механики в классической постановке делится на три раздела:

• — статику, изучающую вопросы равновесия;
• — кинематику_у изучающую виды движения;
• — динамику, изучающую зависимости между движением твердых тел и действующими на них силами.

При этом теоретическая механика не учитывает физико-механические свойства самих тел, а считает их абсолютно твердыми. Из трех разделов теоретической механики для архитектора наиболее важным является раздел статики.

Сопротивление материалов, базируясь на основных положениях теоретической механики, но уже с учетом физико-механических свойств строительных материалов, изучает вопросы прочности и устойчивости элементов сооружений, а также определяет изменение их формы под действием внешних сил.

Строительная механика, базируясь на основных положениях теоретической механики и сопротивления материалов, изучает вопросы прочности, жесткости и устойчивости расчетных схем сооружений как совокупности элементов под действием различных видов внешних воздействий.

Теория упругости рассматривает те же вопросы, что и сопротивление материалов, но более углубленно и применительно к континуальным расчетным схемам (плиты, оболочки, балки-стенки и т. д.), используя при этом более сложный и точный математический аппарат.

Теория пластичности изучает работу элементов конструкций с учетом пластических свойств материалов.

Расчет, даже приближенный, позволяет архитектору оценить внутреннее состояние конструкции, рассмотреть взаимосвязь ее элементов, сознательно изменить условия их «работы» путем рационального распределения материала и выбора размеров и форм сечений. Последнее, в свою очередь, дает неограниченные возможности для творчества в формообразовании, так как не существует методики, позволяющей сразу определить оптимальный вариант конструкции, пригодной для конкретного задания при проектировании.

Статический анализ выдающихся памятников архитектуры позволяет утверждать, что архитектурная форма всецело вытекает из правильно примененной и грамотно рассчитанной конструкции.

2. Краткий очерк развития строительной механики Механика является одной из самых древних наук, возникшей на заре человеческой истории и развивавшейся вместе с развитием производительных сил общества, с ростом его материальной и духовной культуры.

Многие простейшие законы механики были известны в глубокой древности, что подтверждают не только археологические раскопки, но и дошедшие до нас древнейшие сооружения и рукописи.

Одним из создателей статики был великий ученый античного мира Архимед (287—322 гг. до н.э.), который точно решил задачу о равновесии рычага, создал учение о центре тяжести и вычислял площади, поверхности и объемы различных тел на основании разработанных им методов.

Великий ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452—1519) ввел в механику понятие момента силы относительно точки и установил, что сила трения скольжения не зависит от величины поверхности соприкасания трущихся тел. Первые дошедшие до нас сведения о прочности также связаны с его именем.

Основы кинематики, динамики и науки о прочности заложены Галилео Галилеем (1473—1543). В 1538 г. им были опубликованы «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», содержащие основы новых наук о прочности и динамике. Также он первым сделал попытку определить путем расчета нагрузку, которую может выдержать балка.

Первое систематическое изложение статики было дано Пьером Вариньоном (1654—1722) в сочинении «Новая механика» (1687 г.).

В 1686 г. вышел в свет трактат Исаака Ньютона (1643—1727) «Математические начала натуральной философии», в котором были изложены аксиомы механики и установлены основные понятия: масса, время, пространство, сила.

Основы науки о прочности (сопротивление материалов) интенсивно разрабатывались в течение XVII—XVIII вв., когда были изучены растяжение и сжатие, сдвиг, изгиб и кручение круглого бруса.

Роберт Гук (1635—1703) установил закон о прямой пропорциональности между нагрузкой и удлинением при растяжении.

Якоб Бернулли (1654—1705) составил уравнение изогнутой оси бруса.

Леонард Эйлер (1707—1783) создал теорию продольного изгиба центрально сжатого стержня.

Шарль Кулон (1736—1806) разработал теорию кручения круглого бруса.

Позже в этой области плодотворно работали К. Кульман, Б. Сен-Венан, Д. К. Максвелл, Б. П. Клайперон, О. Мор, Е. Бетти, Л. Навье и др.

Значительные достижения науки о сопротивлении материалов связаны с именами русских ученых и инженеров.

М. В. Ломоносов (1711 — 1765) и И. II. Кулибин (1733—1818) в своих трудах заложили прочные теоретические основы для создания строительной механики, которая как самостоятельная наука выделилась из общей механики в первой половине XIX в.

Д. И. Журавский (1821 — 1891) впервые разработал теорию расчета мостовых ферм как шарнирно-стержневых систем и создал теорию касательных напряжений при изгибе.

Ф. С. Ясинский (1856—1899) разработал основы расчета стержней на устойчивость.

Существенное развитие теория расчета ферм получила в трудах инженеров-мостовиков Н. А. Белелюбского (1845—1922) и Л. Д. Проскурякова (1858−1926).

Большую роль в развитии отдельных разделов строительной механики (графостатики, основ теории статически неопределимых систем и др.) сыграли работы В. Л. Кирпичева (1845—1913).

В истории отечественной науки и техники видное место занимает инженер-изобретатель В. Г. Шухов (1853—1939), обосновавший методику расчета и разработавший конструкции сетчатых и сводчатых покрытий.

Технический XX в. дал новый импульс развитию строительной механики.

Значительное развитие получила теория расчета сложных статически неопределимых систем в трудах П. Л. Пастернака, И. П. Прокофьева, А. А. Гвоздева, С. А. Бернштейна, Б. Н. Жемочкина, Н. И. Безухова, Б. Н. Горбунова, И. М. Рабиновича, А. А. Уманского, II. Ф. Попковича, Н. С. Стрелецкого, В. А. Киселева, Н. К. Снитко и др.

Большой вклад в развитие теории устойчивости сооружений внесли И. Г. Бубнов, С. П. Тимошенко, А. Н. Динник, Н. В. Корноухов, С. Д. Лейтес,.

A. Ф. Смирнов, А. Р. Ржаницын, Н. К. Снитко, А. С. Вольмир, Ю. Н. Работнов, А. В. Геммерлинг, Р. Р. Матевосян.

Существенное развитие получили теория колебаний деформируемых тел и методы динамического расчета сооружений в трудах И. М. Рабиновича, К. С. Завриева, А. П. Синицына, Я. Г. Пановко, Б. Г. Коренева,.

B. В. Болотина, О. В. Лужина и др.

В настоящее время развитие строительной механики идет по пути разработки все более эффективных, имеющих хорошую сходимость и дающих достоверные результаты аналитических и численных методов, ориентированных на широкое применение ЭВМ (А. В. Александров, Б. Я. Лащеников, А. М. Масленников, А. Ф. Смирнов, Н. Н. Шапошников и др.).

В решение многочисленных проблем сопротивления материалов и строительной механики большой вклад вносили и вносят российские ученые.

Ведущее место российские ученые занимают в вопросах разработки и применения вероятностных методов расчета и исследовании надежности конструкций (Н. С. Стрелецкий, А. Р. Ржаницын, В. В. Болотин и др.).

Развитие теории оптимизации в строительной механике во многом определяется трудами российских ученых (К. М. Хуберян, Ю. А. Радциг, А. И. Виноградов, А. Н. Раевский и др.).

Таким образом, строительная механика была и остается развивающейся наукой, призванной обеспечить проектировщиков современными методами расчета сооружений, позволяющих совмещать формообразование и оценку прочности, поэлементный расчет и расчет сооружения как единого целого, производить оптимизацию и синтез конструкций.

Все это позволяет проектировать и создавать так необходимые современнику прочные, надежные, долговечные, экономичные и эстетически приемлемые сооружения.