Жилые, общественные, промышленные здания являются местом скопления большого количества людей. Главная задач архитектора и конструктора создать безопасный для пребывания объект, конструкции которого будут отвечать не только требованиям прочности, но смогут выдержать динамическую нагрузку, сохранив устойчивость.
Проектирование и возведение зданий — это ответственная работа, поэтому над любым проектом трудится целая команда специалистов, действия которых направлены на многократную его проверку для исключения любых проектных и строительных ошибок.
Строительная механика
Динамика и устойчивость - это частью дисциплины «Строительная механика».
Этот раздел необходим для изучения по той простой причине, что здания несмотря на всю свою статичность, монолитность и неподвижность испытывают динамические нагрузки. Эти нагрузки могут быть следствием воздействия техники, машин и механизмов или появиться из-за природных явлений или в сейсмически опасных районах. Динамическая нагрузка может быть детерминированной, то есть заранее определённой или случайной. При этом динамические нагрузки меняются не только во времени, они могут менять свою величину, направление и положение.
К наиболее сложным расчетам относятся расчеты высотных зданий и большепролетных конструкций, которые испытывают влияние сразу большого количества факторов. Известен случай, когда в уже построенном высотном здании "Башня Джона Хэнкока", пришлось заменить размещающиеся на верхних этажах стеклянные панели. Из-за динамических изменений теплового расширения в панелях и рамах, в них образовывались трещины и ветер выбивал стекла, рассыпавшиеся осколками с большой высоты.
В динамике используются 4 основных метода:
- кинетостатический;
- кинематический;
- метод Гамильтона;
- энергетический.
Целью проведения расчета является подбор сечений конструкции, которые обеспечат несущую способность при совокупном действии статический и динамических нагрузок. Также расчет покажет допустимый уровень колебаний, который должен отвечать не только требованиям жёсткости и прочности, но и нормам технологического процесса и санитарно-гигиеническим требованиям.
К задачам динамики относятся:
- определение величин частоты и формы собственных колебаний конструкции;
- проверка на резонанс;
- проверка динамической прочности конструкции;
- проверка динамической жёсткости.
Устойчивость рассматривают с двух позиций - устойчивость положения, то есть способность сохранять свое положение, и устойчивость формы, то есть способность сохранять свою первоначальную форму под воздействием нагрузок.
Последствия игнорирования динамических нагрузок
Строительная отрасль развивает методом проб и ошибок со времен своего появления. К сожалению, история знает много примеров, когда недостаток знаний или компетенций приводил к обрушению зданий (сооружений) и гибели людей. Ошибки в таком случае делятся на два типа – проектные (допущенные при разработке проекта будущего здания, к примеру неправильно подобранное сечение) или строительные (допущенные непосредственно на строительной площадке, чаще всего в результате отклонения от проекта; сложнее всего выявить строительные ошибки, допущенные в скрытых работах).
К примеру, мост Ярмут (Англия), который обрушился и стал местом трагедии в 1845 году. Множество людей, пришедших на представление, резко переместились с одного края моста на другой, наблюдая за проплывающим под мостом клоуном. В результате цепи, удерживающие конструкции моста, не выдержали и лопнули.
В 1940 году произошла авария на Такомском мосту, в которой, к счастью, никто не пострадал, а сам момент разрушения был снят на кинокамеру. Это позволило детально изучит причины, которые вызвали разрушительные колебания моста. Было установлено, что при совпадении частоты колебания ветрового потока с собственной частотой колебания моста, возникает механический резонанс. Полностью восстановленный мост был открыт только через 10 лет после крушения.
Рисунок 1. Такомский мост. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Пример Такомского моста продемонстрировал важность учета всех возможных переменных в расчетах и доказал, что изучение колебаний позволяет избежать печальных последствий. Последовавший вслед за этим повышенный интерес к расчетам колебаний стал основой для более точных расчетов, обеспечивающих надёжность и устойчивость конструкций. Сегодня для выполнения расчетов используются сложные программные комплексы, которые позволяют смоделировать различные динамические нагрузки и за короткое время оценить воздействие на здание(сооружение) целиком или на одну из его конструкций с учетом изменения переменных динамических нагрузок.
