Структурный анализ

Поддержка опоры крыши на вокзале Бреда , Нидерланды - такие конструкции должны быть проверены конструктивно
Статически нерелевантная конструкция, которая должна выдерживать только собственный вес и незначительные ветровые и снеговые нагрузки. Доказательства также требуются для таких нефункциональных компонентов.
Разрушение ненесущей стены под перекрытием из предварительно напряженного бетона, под такие легкие перегородки также необходимы фундаменты.
Пример статического расчета

Структурная инженерия или статика строительных конструкций - это исследование безопасности и надежности несущих конструкций в строительной индустрии . В проектировании конструкций силы и их взаимные эффекты рассчитываются в здании и в каждом связанном с ним компоненте . Методы расчета инженерных сооружений служат вспомогательными средствами при планировании конструкций и, вместе с обучением моделированию и теории строительства, являются частью теории конструкций. Структурная инженерия использует средства теории прочности , технической механики , статики твердых тел и механики сплошных сред .

Структурный анализ представляет собой набор вычислительных и графических методов, которые служат для вывода нагрузок и деформаций с их напряжениями в зданиях от воздействия внешних нагрузок, для понимания передачи нагрузки конструкции и, таким образом, в конечном итоге для подтверждения ее пригодности к эксплуатации (конструкция - это модельная концепция передающих нагрузку частей конструкции, которые могут существенно различаться по жесткости , прочности и материалам).

Нагрузки, действующие на конструкцию, подразделяются в зависимости от частоты их возникновения на постоянные (например, собственный вес конструкции), изменчивые (например, снег, ветер, температура, движение или колебания уровня воды) и чрезвычайные воздействия (например, землетрясение, пожар. или столкновение транспортных средств). Эти реальные нагрузки равны i. d. Обычно оценивается с помощью стандартов с определенной вероятностью отказа, лежащей в основе. Одна из задач структурной инженерии - найти наиболее неблагоприятную комбинацию i. d. Как правило, в соответствии со стандартом должны быть определены соответствующие комбинации этих предполагаемых нагрузок, а именно в отношении несущей способности (например, разрушение , пластичность , изгиб ) и удобства эксплуатации (например, деформации, ширина трещин, вибрации).

Проблемы в основном включают квазистатические нагрузки, а также доказательства статической прочности и устойчивости, в то время как соответствующая структурная динамика регистрирует реакцию конструкций на изменяющиеся во времени нагрузки (например, ветер), благодаря чему динамические нагрузки могут быть рассчитаны с использованием методов статики. Этот так называемый квазистатический расчет учитывает динамические эффекты с факторами, которые достаточно велики, так что оценка, определенная таким образом, надежно находится в правой части. При нормальном строительстве здания проверка вибрации в ходе структурного анализа автоматически считается выполненной для определенных размеров здания в зависимости от строительного материала (например, в европейском стандарте EN 1992 предел гибкости, который определяет минимальную толщину плиты в зависимости от фиктивный пролет и степень армирования, без необходимости проведения отдельной проверки на вибрацию).

Классический структурный анализ, как особая и специализированная область механики , использует теорию упругости и закон Гука , но его можно использовать в теории пластичности, а также в теории пластических шарниров.

Границы и сроки

Термин « статика» используется неоднозначно и часто относится к теоретико-математико-физической стороне ( статика как раздел технической механики ), в то время как структурная инженерия нацелена на применение этой статики в строительстве. Проектирование конструкции происходит i. d. Обычно без расчетов конструкции (обычно архитектор). Исходя из этого, статическая модель обычно определяется с механизмом передачи нагрузки, за которым обычно следует определение размеров , то есть установка размеров, армирования и т. Д.

Ответственный инженер-строитель или инженер-строитель - сегодня обычно инженер-строитель , реже архитектор - в просторечии часто называют инженером-строителем . Результат его размышлений и расчетов, статический расчет , в некоторых контекстах упоминается как доказательство устойчивости , но чаще всего также упоминается в сокращенной форме как статика .

задачи

Самым важным допущением в проектировании конструкций и статике является то, что несущая система находится в равновесии . Существенным аспектом структурного анализа является моделирование четко определенной несущей системы из сложной конструкции, которая может обеспечить проверки с экономически оправданными усилиями. Сначала определяются расчетные нагрузки. Это приводит к расчетным внутренним силам и деформациям для выполнения расчета . Действующие нагрузки, которые всегда находятся в равновесии в течение статического предположения, замыкаются накоротко через несущие компоненты.

Структуры

Балка на двух опорах
Однопролетная балка с опорными силами
статическая система неразрезной балки

Структурная инженерия знает две большие группы конструкций:

Действия (нагрузки)

Эти действия (или нагрузка) , для которых структура должна иметь размеры с помощью структурного анализа, среди прочих.

Динамические нагрузки (например, удары, вибрации, землетрясения) и возникающие в результате деформации (например, вибрации, колебания ) обычно преобразуются в статические эквивалентные нагрузки в строительстве и строительстве дорог перед их приложением к конструкции.

Метод расчета

Методы расчета в строительной инженерии можно разделить на:

Кремонаплан

Процедуры рисования

Вычислительные процедуры

Вычислительные методы структурной инженерии включают:

Рыцарский крой
Метод трапециевидных напряжений - напряжения в кантилевере

Классические процедуры

Матричный процесс

Компьютерные расчеты

Для Конрада Цузе простота формализации и много времени, необходимого для статических вычислений, были изначальной мотивацией для разработки программируемых компьютеров. Статические вычисления были с самого начала и до компьютера - приложения, которые постепенно превращались в программы статического проектирования, предназначенные для любых целей. Сегодня статические расчеты выполняются почти исключительно с помощью компьютерных программ. Рассматриваемые статические модели зачастую более сложны и требовательны. Расчет конструкций с плоской поверхностью, таких как потолочные панели, упруго заделанные панели, стеновые панели и т. Д., В настоящее время является рутинной задачей на практике. С помощью метода конечных элементов i. d. Обычно исследуются более сложные конструкции, такие как мембранные и оболочечные конструкции.

Расширенная техническая теория изгиба

Техническая теория изгиба была расширена таким образом, что для общей комбинации внутренних сил (N, M y , M z , V z , V y , T) соответствующее состояние деформации также может быть рассчитано для нелинейного материала. поведение. Также необходимо учитывать плоскость расширения, которая также искривляется из-за скольжения. В расширенной технической теории изгиба (ETB), аналогичной технической теории изгиба, выполняются необходимые условия равновесия и геометрической совместимости с реалистичным поведением материала. Применение ETB делает ненужными отдельные проверки измерений изгиба и сдвига.

Теория I., II, или III. заказывать

Деформированная конструкция с учетом равновесия в недеформированном положении

Теория первого порядка

При применении теории первого порядка в поперечном сечении балки преобладают равновесия между нагрузками (силами и моментами ) и напряжением (напряжением) на недеформированных рассматриваемых балках. Положение сил связано с поперечным сечением недеформированного стержня, т.е. ЧАС. искажения и повороты должны быть намного меньше 1; с другой стороны, искажения для расчета напряжения не устанавливаются равными нулю, поскольку недеформированный элемент будет эквивалентен ненагруженному элементу на основе обобщенного закона Хука. Эта процедура i. d. Обычно допустимо только в том случае, если деформации настолько малы, что оказывают незначительное влияние на результаты расчета, или если это регулируется нормативными требованиями .

Деформированная конструкция

Коробление

Если изменением внутренних сил из-за прогиба нельзя пренебречь, при расчете необходимо учитывать геометрию деформируемой конструкции. В общем, необходимо также принимать во внимание нежелательные отклонения структуры от запланированной геометрии (например наклон колонн) и предварительно деформации компонентов (например , кривизны от сжатия стержней ). Размер этих недостатков, которые следует учитывать в гражданском строительстве, предлагается в стандартах.

Теория второго порядка

В случае теории второго порядка , т.е. d. Обычно считается, что деформации компонента невелики . Это правило в строительстве, потому что в том числе и большие скрутки. к тому, что удобство использования i. d. Р. больше не дается. В линеаризованной теории второго порядка предположение о малых поворотах φ приводит к упрощениям sin φ = φ и cos φ = 1 малоуглового приближения (см. Также эффект P-дельта ).

Теории высшего порядка

Редко бывает необходимо также регистрировать большие деформации конструкции, тогда упрощения теории второго порядка больше не применяются. Примером этого является расчет канатных сетей . В этом случае говорят о вычислении по теории III. Заказ .

Между теориями II и III. Нет четкого разделения порядка, поэтому иногда говорят только о теории первого и второго порядка.

В некоторых книгах также можно найти теорию четвертого порядка , z. Б. объяснение поведения после выпячивания.

Строительные материалы

Результаты расчетов структурного анализа используются для определения размеров несущих конструкций. Они также различаются в зависимости от строительных материалов, поэтому для них требуются совершенно разные методы проектирования:

История строительной инженерии

История проектирования конструкций тесно связана, в частности, с исследованиями и публикациями. связаны следующими авторами:

Статические правила

Король Хаммурапи : суровое наказание за плохое строительное проектирование

История статического права

Что касается опасностей, связанных с нестабильными зданиями, инженерные сооружения также были предметом законодательства и прецедентного права в течение нескольких тысяч лет. Даже в ранних культурах Месопотамии существовали особые наказания для строителей, чьи здания рушились и убивали людей, например, в Кодексе Хаммурапи , законном собрании царя Вавилона Хаммураписа (* 1810 г. до н.э .; † 1750 г. до н.э.).

Статические правила в более узком смысле, которые определяют определенное качество, исторически появились позже. В 27 году нашей эры з. Б. В Фиденах, к северу от Рима, обрушился недостроенный деревянный амфитеатр , в результате чего погибли тысячи людей. Затем Сенат Рима издал статические постановления.

Типичное сегодняшнее регулирование

Сегодня статические нормы являются частью строительных норм . Фактические правовые нормы часто очень краткие и общие. Так что читайте з. B. Раздел 13 Строительного кодекса земли Рейнланд-Пфальц:

Каждая структурная система должна быть стабильной и прочной как в целом, так и в отдельных частях, а также сама по себе. Стабильность других структур и несущей способности недр соседнего имущества не должен подвергаться опасности.

Однако, как правило, затем оговаривается, что могут быть изданы дополнительные правила строительства. Указанный LBO предусматривает в Разделе 87:

Ответственное министерство может издавать законодательные постановления о ... 2. необходимых заявлениях, уведомлениях, доказательствах и сертификатах.

В § 5 соответствующего государственного постановления о строительной документации и структурной экспертизе говорится:

(1) Для подтверждения устойчивости необходимо предоставить необходимые расчеты с изображением всей статической системы, а также необходимые строительные чертежи. Чертежи и расчеты должны совпадать и иметь одинаковую информацию о местоположении. (2) Статические расчеты должны подтвердить устойчивость проектируемых конструкций и их частей. Необходимо указать характер грунта и его несущую способность. ...

В свою очередь, существует большое количество технических правил, относящихся к отдельным компонентам структурного анализа. В Германии з. Например, существует большое количество обязательных стандартов DIN . В нескольких параграфах сотни стандартов с тысячами отдельных положений являются обязательными, что в идеале делает технический уровень строительства обязательным.

В руководстве OIB в п. 2.1.1:
конструкции должны проектироваться и изготавливаться таким образом, чтобы они обладали достаточной несущей способностью, удобством использования и долговечностью, чтобы поглощать воздействия, которым подвергается конструкция, и рассеивать их в земле.

Эти доказательства стабильности, которые необходимы практически во всех современных строительных норм и правил, часто создаются с помощью специальной группы инженеров, инженеров - строителей , или инженеров - строителей , для краткости, которые также контролируют строительные работы, такие как соответствие с стальной арматуры , указанной ими в бетонном строительстве .

Смотри тоже

Иллюстрация статики ql² / 8

литература

  • Б. Хартунг: О механике железобетонной балки . Диссертация . ТД Дармштадт, 1985, д 17.
  • Б. Хартунг, А. Кребс: Расширение технической теории изгиба, часть 1. В кн . : Бетонные и железобетонные конструкции. Том 99, Выпуск 5, 2004 г.
  • А. Кребс, Дж. Шнелл, Б. Хартунг: Расширение технической теории изгиба, часть 2. В: Бетонные и железобетонные конструкции. Том 99, Выпуск 7, 2004 г.
  • А. Кребс, Б. Хартунг: Для реалистичного описания несущих и деформационных характеристик железобетонных и предварительно напряженных бетонных балок с помощью ETB. В кн . : инженер-строитель. Том 82, Выпуск 10, 2007.
  • Карл-Ойген Куррер : История структурного анализа. В поисках баланса. 2-е, сильно расширенное издание. Ernst & Sohn, Берлин, 2016 г., ISBN 978-3-433-03134-6 .
  • Карл-Ойген Куррер: История теории структур. От анализа дуги к вычислительной механике . Ernst & Sohn, Берлин 2008 г., ISBN 978-3-433-01838-5 .
  • Карл-Ойген Куррер: История теории структур. В поисках равновесия . 2-е, сильно расширенное издание. Ernst & Sohn, Берлин 2018, ISBN 978-3-433-03229-9 .
  • К.-Дж. Шнайдер: Строительные столы для инженеров. 19-е издание. Вернер Верлаг, Кельн 2008, ISBN 978-3-8041-5242-7 .
  • К.-Дж. Шнайдер: Строительные столы для архитекторов. 18-е издание. Вернер Верлаг, Кельн 2008, ISBN 978-3-8041-5237-3

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Вильфрид Вапенханс, Йенс Рихтер: Первая статика мира 260 лет назад. (pdf)
  2. ↑ Теодор Кисель: лидер масс. В: Рейнпфальц в воскресенье . 31 мая 2009 г., стр.20.
  3. ↑ Статический регламент - DIN. 4 марта 2016, доступ к 27 октября 2020 .
  4. ↑ Руководство OIB 1 Механическая прочность и стабильность. (PDF) Австрийский институт строительной техники, апрель 2019, доступ к 20 июня 2019 года .