Барилгын бүтцийн тооцооллын үндсэн физик
Бүтцийн тооцоолол нь зөвхөн "багана болон дам нурууг зурж", дараа нь тэдгээрийг аюулгүй мэт мэдрүүлэхийн тулд масштаблах тухай биш юм. Дамбааны хэмжээс, баганын зай, шалны хавтангийн зузаанаас эхлээд холболтын нарийн ширийн зүйлс хүртэлх дизайны шийдвэр бүрийн цаана барилгын бат бөх, тогтвортой байдал, тав тухыг хангадаг үндсэн физикийн үндэс суурь оршино. Физик нь инженерүүдэд хүч хэрхэн үйлчилдэг, материалууд ачаалалд хэрхэн хариу үйлдэл үзүүлдэг, бүтэц нь эдгээр ачааллыг газарт хэрхэн дамжуулдаг болохыг ойлгоход тусалдаг. Энэ нийтлэлд бүтцийн тооцооллын үндэс суурь болсон гол физикийн ойлголтуудыг авч үзэх болно.
1. Хүч, Ачаалал ба Тэнцвэр (Статистик)
Бүтцийн тооцооллын мөн чанар нь статикаас эхэлдэг: хөдөлгөөнгүй байгаа объектуудыг судалдаг механикийн салбар. Хэвийн нөхцөлд аюулгүй барилга нь тэнцвэрийн шаардлагыг хангах ёстой, тухайлбал үр дүнд хүрэх хүч ба үр дүнд хүрэх момент тэгтэй тэнцүү байх ёстой.
Ерөнхийдөө тэнцвэрийн нөхцлийг дараах байдлаар бичнэ.
– ΣF = 0 (тодорхой чиглэлд үйлчилж буй хүчний нийлбэр тэг)
– ΣM = 0 (өгөгдсөн цэгийн эргэн тойрон дахь моментуудын нийлбэр тэгтэй тэнцүү)
Барилгын байгууламжид үйлчлэх хүч нь янз бүрийн төрлийн ачааллаас үүсдэг, үүнд:
1. Үхлийн ачаалал: бетон, ган, хана, дээвэр, өнгөлгөө зэрэг бүтцийн элементүүдийн өөрийн жин.
2. Ачаалал: хүний үйл ажиллагаа болон зогсоолын талбай дахь хүмүүс, тавилга, бараа, тээврийн хэрэгсэл зэрэг орон зайг ашигласнаас үүдэлтэй ачаалал.
3. Байгаль орчны ачаалал: салхины ачаалал, газар хөдлөлтийн ачаалал, температурын өөрчлөлт, бороо болон бусад тусгай ачаалал (жишээлбэл, зоорийн ханан дээрх газрын даралт).
Статик физикийг тулгуурын урвал, дотоод хүч (хөрөөний хүч ба нугалах момент), хүрээний систем, хавтан, суурийн ачааллын тархалтыг тооцоолоход ашигладаг.
2. Стресс ба ачаалал: Ачаалалд материалын хариу үйлдэл
Хэрэв статик нь бидэнд "хүч хэр их үйлчилж байгааг" хэлж өгдөг бол стресс ба омог гэсэн ойлголтууд нь "энэ нь материалд ямар нөлөө үзүүлдэгийг" тайлбарладаг.
– Стресс (σ) нь хөндлөн огтлолын талбайд ногдох хүчээр тодорхойлогдоно:
σ = F/A
– Осол (ε) нь уртын харьцангуй өөрчлөлт юм:
ε = ΔL/L
Дамба, багана, хавтанг зохион бүтээхдээ хүчдэл нь материалын багтаамжаас хэтрэхгүй байх ёстой. Бетон нь шахалтын хувьд хүчтэй боловч суналтын хувьд сул байдаг бол ган нь суналт болон шахалтын аль алинд нь хүчтэй байдаг. Тиймээс төмөр бетон бүтээц нь суналтын болон шахалтын хүчний хослолыг тэсвэрлэхийн тулд эдгээр хоёр материалыг хослуулдаг.
Энэхүү ойлголт нь хөндлөн огтлолын хэмжээс, материалын чанар, арматурын нарийн ширийн зүйлс нь бүтцийн даацад яагаад ихээхэн нөлөөлдөг болохыг тайлбарладаг.
3. Гукийн хууль ба уян хатан чанарын модуль
Уян харимхайн хязгаарт (материал байнгын гэмтэлд өртөхөөс өмнө) олон материал шугаман зан төлөвт ойртдог: стресс нь хэв гажилттай пропорциональ байдаг. Үүнийг Хүүкийн хууль гэж нэрлэдэг:
σ = E · ε
энд E нь уян хатан чанарын модуль (Юнгийн модуль) бөгөөд материалын хөшүүн байдлын хэмжүүр юм. E нь том байх тусам ижил ачааллын үед деформаци бага байна.
Барилгын бүтцийн хувьд хатуулаг нь гол түлхүүр юм, учир нь барилгууд нь зөвхөн бат бөх төдийгүй хэт их хазайлтаас урьдчилан сэргийлэх хангалттай хатуу байх ёстой. Хэт их хазайлт нь дүүргэгч хананд хагарал, таазанд гэмтэл учруулах, шаланд "үсрэх" мэдрэмж төрүүлэх, эсвэл бүтэц нь хангалттай бат бөх байсан ч таагүй мэдрэмж төрүүлдэг.
4. Гулзайлтын момент, зүсэлтийн хүч ба дотоод диаграмм
Дамба, хавтан зэрэг бүтцийн элементүүд нугалахад өргөн хэрэглэгддэг. Хоёр үндсэн хэмжигдэхүүнийг шинжилсэн:
– Хяргах хүч (V): хөндлөн огтлолыг “шилжүүлэх” хандлага.
– Гулзайлтын момент (M): элементийг “нугалах” хандлага.
Физик нь тархсан ачаалал, зүсэлтийн хүч болон нугалах моментуудын хоорондын хамаарлыг гаргаж авахад тусалдаг. Дараа нь инженерүүд дараахь зүйлийг бий болгодог.
– Хяргах хүчний диаграмм (SFD)
– Моментийн диаграмм (BMD)
Энэхүү диаграммаас хамгийн их моментуудын (ихэвчлэн энгийн дам нурууны хувьд дунд хэсэгт) болон хамгийн их зүсэлтийн хүчний (ихэвчлэн тулгууруудын ойролцоо) байршлыг тодорхойлно. Энэ мэдээллийг төмөр бетонд гулзайлтын болон зүсэлтийн арматур (хутгуур) зохион бүтээх эсвэл хангалттай ган профайлыг тодорхойлоход ашигладаг.
5. Баганын тогтвортой байдал ба гулзайлт
Баганууд нь дээрх шалнаас ирэх шахалтын хүчийг дэмждэг. Материалын шахалтын бат бэхээс гадна баганууд нь гулзайлтаас хамгаалагдсан байх ёстой бөгөөд энэ нь нарийхан багана нь шахалтын ачаалалд өртөх үед бүтцийн тогтворгүй байдлаас болж эвдрэлд ордог.
Бие махбодийн хувьд, муруйлт нь дараахь зүйлээс ихээхэн хамаардаг.
– Баганын үр дүнтэй урт
– Тулгуурын нөхцөл (хавчаар, холбоос, хосолсон)
– Хөндлөн огтлолын инерцийн момент (I), энэ нь нугалахад үзүүлэх “хэлбэрийн эсэргүүцэл”-ийг тусгадаг
– Материалын уян хатан чанарын модуль (E)
Хэт нарийхан багана нь материалынхаа шахалтын бат бэхээс бага ачаалалд яагаад эвдэрч болохыг нугалах гэсэн ойлголт нь тайлбарладаг. Тиймээс дизайнерууд нарийхан харьцаанд анхаарлаа хандуулж, шаардлагатай бол тулгуур хийх эсвэл баганын хэмжээг өөрчлөхийг хичээдэг.
6. Бүтцийн динамик: Чичиргээ, газар хөдлөлт, барилгын хариу үйлдэл
Барилга байгууламжууд үргэлж статик ачааллыг мэдэрдэггүй. Газар хөдлөлт болон салхи нь цаг хугацааны явцад өөрчлөгдөж, динамик шинж чанартай байдаг. Энэ бол бүтцийн динамикийн физик хүчин зүйл болох масс, хатуулаг, чийгшүүлэх нөлөөллийн хариу үйлдэл юм.
Чухал ойлголтуудад дараахь зүйлс орно.
– Масс (м): инерцтэй холбоотой; масс их байх тусам газар хөдлөлтийн хурдатгалын үед инерцийн хүч их байна.
– Хатуулаг (k): барилгын байгалийн чичиргээний хугацаанд нөлөөлдөг.
– Норгосгох (c): чичиргээг “намсаргүйжүүлэх чадвар”.
Нэг эрх чөлөөний зэрэгтэй чичиргээний системийн энгийн загвар нь динамик хүч нь хурдатгалтай холбоотой болохыг харуулж байна (F = m·a). Газар хөдлөлтийн үед газар хөдөлж, барилга хурдасдаг; инерцийн хүч үүсдэг бөгөөд үүнийг бүтцийн элементүүд болон хажуугийн хязгаарлалтын системүүд (хөрөөний хана, моментийн хүрээ, бэхэлгээ) чиглүүлэх ёстой.
Тиймээс газар хөдлөлтийн зураг төсөл нь зөвхөн "багануудыг томруулах" тухай биш, харин барилга нурахгүйгээр энерги шингээх боломжтой байхын тулд бүтцийн тохиргоо, хажуугийн хүчний зам, уян хатан чанар, арматурын нарийн ширийн зүйлийг тохируулах тухай юм.
7. Ачааллын зам ба хүчний тархалт
Физикийн талаарх ойлголт нь ачааллын замын тухай ойлголтод хүргэдэг: ачаалал бүр ачааллын хэрэглээний цэгээс газар хүртэл тодорхой "зам"-тай байх ёстой.
Жишээлбэл, таталцлын ачаалал:
шалны хавтан → хүүхдийн дам нуруу → гол дам нуруу → багана → суурь → хөрс.
Газар хөдлөлт/салхины ачааллын хувьд:
шалны хавтан нь өрц → хажуугийн тулгуур элемент (хяргах хана/бэхэлгээ/моментийн хүрээ) → суурь.
Хэрэв ачааллын зам тасалдалтай бол - жишээлбэл, багана "эвдэрсэн" эсвэл шал хоорондын хатуулгийн хэт өөрчлөлттэй бол - хүчний концентраци үүсч, эвдрэлийн эрсдэл нэмэгддэг. Энэ ойлголт нь маш физик шинж чанартай: хүч сарнидаггүй; тэдгээрийг хангалттай элементүүд дамжуулж, эсэргүүцэх ёстой.
8. Хөрс ба суурийн механик: Даралт, даацын багтаамж ба суулт
Суурь нь дээд бүтцийг газартай холбодог. Даралтын физик болон хөрсний зан төлөв нь энд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Хөрс нь ган шиг нэгэн төрлийн материал биш; түүний шинж чанар нь усны агууламж, нягтрал, ачааллын түүхээс хамаардаг.
Суурийн тооцоонд дараахь зүйлс орно.
– Суурь болон хөрсний хоорондох холбоо барих даралт
– Хөрсний даацын чадвар нь зүсэлтийн эвдрэлээс сэргийлдэг
– Деформацийн үйлчилгээний хязгаараас хэтрэхгүй байхаар тохиролцсон
Суурийн нэг хэсэг нь нөгөөгөөсөө илүү живэх үед ялгавартай суулт нь хана, шаланд том ан цав үүсгэж болзошгүй бөгөөд энэ нь дээд бүтцийг бат бөх байхаар зохион бүтээсэн ч гэсэн үйлчлэх чадвар нь бат бөх чанараас дутахгүй чухал юм.
9. Аюулгүй байдлын хүчин зүйлс ба дизайны философи
Физик нь загваруудыг өгдөг боловч бодит ертөнцөд тодорхойгүй байдал агуулагдаж байдаг: материалын чанарын хэлбэлзэл, хэрэгжилтийн алдаа, ачааллын өөрчлөлт, зэврэлт болон цаг агаарын нөлөөллөөс үүдэлтэй доройтол. Тиймээс аюулгүй байдлын хүчин зүйлс болон хязгаарын төлөвийн загвар гэх мэт орчин үеийн дизайны аргуудыг ашигладаг бөгөөд эдгээр нь дараахь зүйлийг ялгадаг.
– Эцсийн хязгаар (хүч чадал, тогтвортой байдал)
– Үйлчилгээний хязгаар (хазайлт, хагарал, чичиргээ)
Зорилго нь барилга байгууламжийг зөвхөн "нурахгүй" төдийгүй төлөвлөсөн ашиглалтын хугацаанд нь сайн ажиллахыг баталгаажуулах явдал юм.
Хаах
Бүтцийн тооцооллын үндсэн физик нь статик, материалын механик, тогтвортой байдал, динамик, хөрсний механикийг хамардаг. Эдгээр ойлголтууд нь үндсэн асуултуудад хариулахын тулд хоорондоо холбоотой байдаг: ямар хүч үйлчилж байгаа, тэдгээр нь бүтэц дотор хэрхэн урсаж байгаа, элементүүд эдгээр хүчийг хэрхэн эсэргүүцэж, алдаагүйгээр хэв гажилт нь хэрхэн хүлээн зөвшөөрөгдөх хязгаарт хэвээр байна. Физикийн талаар бат бөх ойлголттой болсноор бүтцийн зураг төсөл нь зөвхөн элементүүдийн хэмжээг таах асуудал биш, харин оновчтой, хэмжигдэхүйц, аюулгүй үйл явц болдог. Эцсийн эцэст сайн барилга нь бат бөх чанар, хатуулаг, тогтвортой байдал, тэдгээрийг зохицуулдаг байгалийн хуулиудын хоорондын тэнцвэрийн үр дүн юм.
