Предисловие. 
Динамика и устойчивость сооружений

Данный учебник по строительной механике посвящен решению задач динамики и устойчивости стержневых систем и начальным сведениям по динамике и устойчивости пластин и оболочек. Большая часть учебника посвящена стержневым системам. Стержневые системы выбраны неслучайно, так как стержневые элементы встречаются повсеместно не только в строительстве, но и в других областях техники.

Знание строительной механики остается актуальным со времен Средневековья и до нашего времени. Начало развития строительной механики относят к 1637 г., когда в Голландии была опубликована работа Г. Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению». Но действительным началом создания механики следует считать труды И. Ньютона XVIII в. Другим известным событием стало получение Л. Эйлером решения дифференциальных уравнений, приведших к новому направлению — устойчивости прямолинейных стержней. Правда, тогда они не нашли применения из-за отсутствия области приложения. Но настоящий бум развития строительной механики начался в XIX и XX вв. в связи с развитием капитализма, требовавшего расчета и возведения сложных ответственных сооружений: мостов, высоких труб, зданий больших пролетов, башен и т. п. Первоначальные исследования осуществлялись в Европе, но позже они появились и в России. Бурно развивалась строительная механика и в Советском Союзе.

Изучение строительной механики формирует у студентов инженерное мышление и дает знания по оценке напряженного и деформированного состояния конструкций при различных внешних воздействиях. Знание напряженно-деформированного состояния позволяет судить о надежности сооружения, возможности его безаварийного существования в течение намеченного срока эксплуатации. Без этих знаний конструкция для инженера остается «вещью в себе».

Интересно отметить, что одни и те же идеи решения тех или иных задач возникали одновременно у нескольких исследователей. Так, предложения решать задачи устойчивости рам методом сил и методом перемещений возникли одновременно. Такая же история произошла и с методом конечных элементов. Первая статья, в которой появилось название «конечные элементы», была посвящена расчету крыла самолета методом сил. Однако и в первом, и во втором случае дорогу «пробил» метод перемещений из-за простоты его программирования. Об одновременности появления идей свидетельствуют двухфамильные методы и принципы, например, метод Бубнова — Галёркина, принцип Остроградского — Гамильтона и т. п. О роли ученых в развитии механики и времени их работы в какой-то мере можно судить по списку использованной литературы и алфавитному списку упомянутых в книге лиц.

В настоящее время все сложные расчеты и проектирование, в том числе по динамике и устойчивости сооружений, решаются, как правило, с использованием ЭВМ по готовым программам. Уже имеются программы, которые позволяют начать создание проекта с архитектурной планировки и закончить всевозможными расчетами. Такие программы включают даже такие детали, как армирование железобетонных элементов. Еще на заре использования вычислительной техники к автору учебника обращались преподаватели из зарубежных стран с вопросом, в какой степени можно регламентировать ручные вычисления и использование готовых программ, так как у этих преподавателей возникали эти проблемы.

Опыт преподавания уже при наличии готовых вычислительных программ показал, что без опыта ручного счета, без получения некоторых навыков и осмысления физической сущности задачи использование программ бессмысленно. Например, студент получает распечатку решения задачи из компьютера, где конструкция прогибается навстречу нагрузке, и это ему не «режет глаз». Это происходит из-за отсутствия опыта ручного счета. Сколько этого опыта нужно? Конечно, больше. Но постоянное сокращение часов на практические занятия усложняет решение этой проблемы.

Количество часов, как и паспорта специальностей, определяется Министерством образования и науки Российской Федерации, поэтому учебные планы по всем вузам страны примерно одинаковы. В зарубежных вузах больше внимания уделяется практическим вопросам, а по уровню теоретического материала их учебники уступают нашим.

Хотя учебные планы и одинаковы, но практически каждый вуз через собственные возможности или через Ассоциацию строительных вузов (АСВ) издает свои учебники. В них каким-либо образом отражаются особенности преподавания этого вуза. В данном учебнике также просматриваются склонности автора и его исследования. Особенностью и преимуществом данного издания являются классический подход, устоявшийся в России, краткость и доступность изложения вопросов, которыми студент должен овладеть. Изложение теоретического материала сопровождается числовыми примерами и упражнениями с ответами. Ряд задач ориентирован на использование вычислительной техники с включением небольших программ, реализуемых с помощью вычислительных комплексов типа MATLAB.

В книге излагаются вопросы динамики и устойчивости сооружений при упругой работе материала с введением понятия расчета нелинейных систем.

Книга состоит из двух разделов: динамика и устойчивость.

В первом разделе представлен расчет систем с одной и несколькими степенями свободы на вибрационное воздействие, внезапно приложенную нагрузку, импульс, кинематическое воздействие. Часть внимания уделена сейсмическим воздействиям. Приведено понятие о расчете систем с распределенной массой, приближенные методы решения задач динамики, понятие о нелинейных расчетах, распространение волн в упругой среде и вопросы защиты конструкций от вибраций. Также приведены начальные сведения о колебаниях пластин и оболочек.

Во втором разделе изложены метод Эйлера, метод перемещений для решения задач устойчивости стержневых систем, расчет арок на устойчивость, приближенные методы решения задач устойчивости, понятия о расчете рам по деформированной схеме и о нелинейном решении задач устойчивости, начальные сведения об устойчивости пластин и оболочек.

В конце каждой главы приводится список вопросов для самоподготовки. В конце книги приведен практикум, представляющий задания для домашних работ.

Книга предназначена для бакалавров и магистров очной и заочной форм обучения по направлению «Строительство». Содержание книги отвечает дисциплине «Строительная механика». Также она будет полезна и инженерам.

В результате изучения предлагаемого курса студент должен:

знать

• • основные принципы механики;
• • основные методы решения задач динамики стержневых систем, включая расчет зданий для сейсмических районов;
• • аналитические и приближенные методы определения критических нагрузок на стержневые системы, пластины и оболочки;

уметь

• • вести расчеты стержневых систем на динамические воздействия;
• • определять критические нагрузки стержневых систем в линейной постановке;
• • обобщать и систематизировать получаемые результаты расчетов;
• • решать элементарные задачи по динамике и устойчивости пластин и оболочек;

владеть

• • аналитическими и численными методами расчета конструкций на динамические воздействия и устойчивость;
• • навыками использования практических приемов расчета стержневых систем, пластин и оболочек на динамические воздействия и устойчивость;
• • навыками работы с учебной и научной литературой по рассматриваемой теме.

Автор выражает искреннюю благодарность Елене Тимофеевне Масленниковой, оказавшей бесценную помощь при подготовке рукописи этой книги. Без этой помощи книга бы не состоялась.