Analiză structurală

Susținerea unui suport de acoperiș în gara Breda , Olanda - astfel de construcții trebuie verificate structural
Construcție statistic irelevantă care trebuie să suporte doar propria greutate și sarcini neglijabile de vânt și zăpadă. Sunt necesare dovezi și pentru astfel de componente nefuncționale
Eșecul unui perete neportant sub un tavan din beton precomprimat, fundațiile sunt necesare și pentru astfel de pereți despărțitori ușori.
Exemplu de calcul static

Ingineria structurală sau statica structurilor de construcții este studiul siguranței și fiabilității structurilor de susținere din industria construcțiilor . În ingineria structurală, forțele și efectele lor reciproce sunt calculate într-o clădire și în fiecare componentă asociată . Metodele de calcul ale ingineriei structurale sunt ajutoare în planificarea structurală și, cu predarea teoriei modelării și a construcției, fac parte din teoria structurală. Ingineria structurală folosește mijloacele teoriei rezistenței , mecanicii tehnice , statica corpurilor rigide și mecanica continuumului .

Analiza structurală este o colecție de metode de calcul și grafice care servesc la deducerea sarcinilor și deformărilor cu solicitări ale acestora în clădiri din efectul sarcinilor externe , pentru a înțelege transferul de sarcină al structurii și, astfel, în cele din urmă pentru a dovedi funcționalitatea acesteia (o structură este conceptul modelului de transfer al sarcinii Părți ale unei structuri care pot diferi fundamental în ceea ce privește rigiditatea , rezistența și materialul).

Sarcinile care acționează asupra unei structuri sunt împărțite în funcție de frecvența apariției lor în permanente (de ex. Greutatea moartă a structurii), schimbătoare (de ex. Zăpadă, vânt, temperatură, trafic sau niveluri fluctuante ale apei) și efecte extraordinare (de exemplu cutremur, incendiu sau impactul vehiculelor). Aceste sarcini reale sunt i. d. De obicei, estimată cu ajutorul unor standarde cu o anumită probabilitate de eșec care se află pe partea sigură. Unul dintre obiectivele ingineriei structurale este de a găsi cea mai nefavorabilă combinație de i. d. De regulă, în conformitate cu standardul, trebuie determinate combinațiile relevante ale acestor sarcini presupuse, și anume în ceea ce privește siguranța portantă (de exemplu , ruperea , plasticitatea , flambarea ) și capacitatea de întreținere (de exemplu, deformări, lățimi de fisură, vibrații).

Problemele includ în principal sarcini cvasi-statice , precum și rezistență statică și dovezi de stabilitate, în timp ce dinamica structurală aferentă înregistrează reacția structurilor la sarcini care schimbă timpul (cum ar fi vântul), prin care sarcinile dinamice pot fi calculate folosind metode statice. Acest așa-numit calcul cvasi-static ia în considerare efectele dinamice cu factori suficient de mari, astfel încât estimarea determinată în acest mod să fie în siguranță pe partea dreaptă. În construcția normală a clădirilor, verificările vibrațiilor pe parcursul analizei structurale sunt considerate automat îndeplinite cu anumite dimensiuni ale clădirii în funcție de materialul de construcție (de exemplu, în standardul european EN 1992 , limita de zveltură, care specifică grosimea minimă a unei plăci un interval fictiv și gradul de armare, nefiind nevoit să efectueze o verificare separată a vibrațiilor).

Ca o sub-zonă specială și specializată a mecanicii , analiza structurală clasică folosește teoria elasticității și legea lui Hooke , dar poate fi utilizată atât în ​​teoria plasticității, cât și în teoria balamalelor plastice.

Limite și termeni

Termenul statică este folosit în mod ambiguu și se referă adesea la latura teoretic-matematică-fizică ( statica ca sub-zonă a mecanicii tehnice ), în timp ce ingineria structurală vizează aplicarea acestei statici în construcții. Planificarea structurii are loc i. d. De obicei fără calcule structurale (de obicei de către arhitect). Din aceasta, un model static este definit în mod convențional cu mecanismul de transfer al încărcăturii care apoi urmează de obicei dimensionarea , deci setarea dimensiunilor, armarea etc.

Inginerul responsabil structural sau inginer structural - astăzi , de obicei , un inginer civil , mai rar un arhitect - este adesea menționată colocvial ca inginer structural . Rezultatul considerațiilor și calculelor sale, calculul static , este denumit în unele contexte drept dovada stabilității , dar mai ales denumit în formă scurtată statica .

sarcini

Cea mai importantă presupunere în ingineria structurală și statică este că sistemul portant este în echilibru . Un aspect esențial al analizei structurale este modelarea unui sistem portant clar definit dintr-o structură complexă care poate asigura verificările cu un efort sensibil din punct de vedere economic. În primul rând, se determină sarcinile calculate. Acest lucru are ca rezultat forțe interne și deformări calculate pentru a realiza o proiectare. Sarcinile care acționează, care sunt întotdeauna în echilibru în cursul unei ipoteze statice, sunt scurtcircuitate prin intermediul componentelor portante.

Structuri

Grinzi pe două suporturi
Fascicul cu o singură deschidere cu forțe de sprijin
sistem static al unui fascicul continuu

Ingineria structurală cunoaște două grupuri mari de structuri:

Acțiuni (încărcări)

În acțiunile (sau sarcinile) pentru care o structură trebuie să fie dimensionate cu ajutorul analizei structurale sunt, printre altele.

Sarcinile dinamice (de exemplu, șocuri, vibrații, cutremure) și deformările rezultate (de exemplu, vibrații, oscilații ) sunt de obicei convertite în sarcini statice echivalente în construcția de clădiri și construcția de drumuri înainte de a fi aplicate pe o structură.

Metoda de calcul

Metodele de calcul în ingineria structurală pot fi împărțite în:

Cremonaplan

Proceduri de desen

Proceduri de calcul

Metodele de calcul ale ingineriei structurale includ:

Tăiat cavaleresc
Metoda stresului trapezoidal - solicitări în consolă

Proceduri clasice

Procesul matricial

Calcule computerizate

Pentru Konrad Zuse , ușurința formalizării și timpul necesar pentru calculele statice au fost motivația inițială pentru dezvoltarea calculatoarelor programabile. Calculele statice au fost de la început până la computer - aplicații care treptat devin programe de proiectare statice realizate în orice scop. Astăzi, calculele statice se fac aproape exclusiv cu programe de calculator. Modelele statice examinate sunt adesea mai complexe și mai solicitante. Calculul structurilor de suprafață plană, cum ar fi panourile de tavan, panourile încorporate elastic, panourile de perete etc. este acum o sarcină de rutină în practică. Cu metoda elementelor finite i. d. De obicei, sunt examinate structuri mai complicate, cum ar fi structurile de membrană și coajă.

Teoria extinsă a îndoirii tehnice

Teoria tehnică a îndoirii a fost extinsă în așa fel încât pentru combinația generală a forțelor interne (N, M y , M z , V z , V y , T) starea de distorsiune asociată poate fi calculată și pentru material neliniar comportament. Este, de asemenea, un plan de expansiune care este, de asemenea, deformat datorită alunecării care trebuie luată în considerare. În teoria extinsă a îndoirii tehnice (ETB), analog teoriei tehnice a îndoirii, sunt îndeplinite condițiile necesare de echilibru și compatibilitate geometrică cu comportamentul material realist. Aplicarea ETB face inutile verificările separate ale măsurătorilor de îndoire și forfecare.

Teoria I., II. Sau III. Ordin

Structură deformată cu luarea în considerare a echilibrului în poziția nedeformată

Teoria primului ordin

În aplicarea teoriei de ordinul întâi în secțiunea transversală a fasciculului de voință, echilibrele dominante dintre sarcini (forțe și momente ) și tensiune (tensiune) pe grinzi considerate nedeformate . Poziția forțelor este legată de secțiunea transversală a tijei nedeformate, adică H. distorsiunile și rotațiile trebuie să fie mult mai mici decât 1; pe de altă parte, distorsiunile pentru calculul tensiunii nu sunt setate la zero, deoarece un membru nedeformat ar fi echivalent cu un membru descărcat pe baza legii generalizate a lui Hook. Această procedură este i. d. De obicei, este permisă numai dacă deformările sunt atât de mici încât au doar o influență nesemnificativă asupra rezultatelor calculului sau dacă aceasta este reglementată în mod normativ .

Structura deformată

Flambând

În cazul în care modificarea forțelor interne datorată deviației nu poate fi neglijată, geometria structurii deformate trebuie luată în considerare în calcul . In general, este de asemenea necesar să se țină seama de abaterile nedorite ale structurii din geometria planificată ( de exemplu , înclinarea coloanelor) și pre-deformațiile componentelor ( de exemplu , curbura de tije de compresie ). Dimensiunea acestor imperfecțiuni care trebuie luate în considerare în ingineria civilă este sugerată în standarde.

Teoria de ordinul doi

În cazul teoriei de ordinul doi , i. d. În general, se presupune că deformările unei componente sunt mici . Aceasta este regula în construcții, deoarece răsucirile mari conduc, printre altele. la faptul că utilizabilitatea i. d. R. nu se mai dă. În teoria liniarizată de ordinul doi, presupunerea rotațiilor mici φ are ca rezultat simplificările sin φ = φ și cos φ = 1 ale aproximării cu unghi mic (vezi și efectul P-Delta ).

Teorii de ordin superior

Rareori este necesar să se înregistreze și deformări mari ale unei structuri, simplificările teoriei de ordinul doi nu se mai aplică. Un exemplu în acest sens este calculul rețelelor de cablu . În acest caz se vorbește despre un calcul conform teoriei III. Comanda .

Între teorii II și III. Nu există o separare clară a ordinii, motiv pentru care uneori se vorbește doar despre teoria primului și celui de-al doilea ordin.

În unele cărți puteți găsi, de asemenea, o teorie de ordinul al patrulea , care z. B. explicat comportamentul post-bombat.

Materiale de construcții

Rezultatele calculului analizei structurale sunt utilizate pentru dimensionarea structurilor de susținere. Acestea diferă, de asemenea, în funcție de materialele de construcție, care necesită, prin urmare, metode de proiectare foarte diferite:

Istoria ingineriei structurale

Istoria ingineriei structurale este strâns legată de cercetare și publicații, printre altele. legat de următorii autori:

Reglementări statice

Regele Hammurabi : pedeapsă severă pentru ingineria structurală deficitară

Istoria dreptului staticii

În ceea ce privește pericolele care decurg din clădirile instabile, ingineria structurală a făcut obiectul legislației și jurisprudenței de câteva mii de ani. Chiar și în primele culturi ale Mesopotamiei au existat sancțiuni speciale pentru constructorii ale căror clădiri s-au prăbușit și au ucis oameni, de exemplu în Codex Hammurapi , o colecție legală a regelui Hammurapis al Babilonului (* 1810 î.Hr .; † 1750 î.Hr.).

Reglementările statice în sens restrâns, care specifică o anumită calitate, sunt din punct de vedere istoric mai recente. În anul 27 d.Hr. z. B. În Fidenae, la nord de Roma, s-a prăbușit un amfiteatru din lemn sub construit , ucigând mii. Senatul Romei a emis apoi reglementări statice.

Regulamentul tipic de astăzi

Astăzi, reglementările statice fac parte din reglementările clădirilor . Regulile legale actuale sunt adesea foarte scurte și generale. Deci, citește z. B. Secțiunea 13 din Codul de construcție al statului Renania-Palatinat:

Fiecare sistem structural trebuie să fie stabil și durabil în ansamblu și în părțile sale individuale, precum și singur. Stabilitatea altor structuri și capacitatea portantă a subsolului proprietății vecine nu trebuie să fie pusă în pericol.

Cu toate acestea, de regulă, se stipulează apoi că pot fi emise reglementări suplimentare cu privire la construcție. LBO citat prevede în secțiunea 87:

Ministerul responsabil poate emite ordonanțe statutare la ... 2. cererile, notificările, dovezile și certificatele necesare.

În § 5 din ordonanța de stat relevantă privind documentele de construcție și examinarea structurală, aceasta prevede:

(1) Pentru a demonstra stabilitatea, trebuie prezentate calculele necesare cu o reprezentare a întregului sistem static, precum și desenele de construcție necesare. Desenele și calculele trebuie să se potrivească și să aibă aceleași informații despre poziție. (2) Calculele statice trebuie să dovedească stabilitatea structurilor planificate și a părților lor. Trebuie specificată natura subsolului și capacitatea sa portantă. ...

La rândul lor, există un număr mare de reguli tehnice referitoare la componentele individuale ale analizei structurale. În Germania z. Există, de exemplu, un număr mare de standarde DIN obligatorii . De-a lungul câtorva paragrafe, sute de standarde cu mii de prevederi individuale sunt obligatorii, ceea ce în mod ideal face ca starea tehnică a artei construcției să fie obligatorie.

În ghidul OIB din 2.1.1:
Structurile trebuie să fie planificate și fabricate în așa fel încât să aibă suficientă capacitate portantă, utilizare și durabilitate pentru a absorbi efectele la care este expusă structura și a le disipa în sol.

Aceste dovezi de stabilitate, care sunt necesare în practic toate reglementările moderne de construcții, sunt deseori create de un grup special de ingineri, inginerii structurali sau inginerii structurali pe scurt, care monitorizează și lucrările de construcție, cum ar fi respectarea armăturii din oțel specificate de către aceștia în construcția betonului .

Vezi si

Ilustrarea statisticilor ql² / 8

literatură

  • B. Hartung: Despre mecanica grinzii de beton armat . Disertație . TH Darmstadt, 1985, D 17.
  • B. Hartung, A. Krebs: Extinderea teoriei tehnice a îndoirii partea 1. În: Construcție de beton și beton armat. Volumul 99, numărul 5, 2004.
  • A. Krebs, J. Schnell, B. Hartung: Extinderea teoriei tehnice a îndoirii partea 2. În: Construcția betonului și betonului armat. Volumul 99, numărul 7, 2004.
  • A. Krebs, B. Hartung: Pentru o descriere realistă a comportamentului portant și de deformare a betonului armat și a grinzilor din beton precomprimat cu ETB. În: inginer civil. Volumul 82, numărul 10, 2007.
  • Karl-Eugen Kurrer : Istoria analizei structurale. În căutarea echilibrului. A doua ediție, foarte extinsă. Ernst & Sohn, Berlin 2016, ISBN 978-3-433-03134-6 .
  • Karl-Eugen Kurrer: Istoria teoriei structurilor. De la analiza arcului la mecanica calculațională . Ernst & Sohn, Berlin 2008, ISBN 978-3-433-01838-5 .
  • Karl-Eugen Kurrer: Istoria teoriei structurilor. Căutarea echilibrului . A doua ediție, foarte extinsă. Ernst & Sohn, Berlin 2018, ISBN 978-3-433-03229-9 .
  • K.-J. Schneider: Mese de construcții pentru ingineri. Ediția a 19-a. Werner Verlag, Köln 2008, ISBN 978-3-8041-5242-7 .
  • K.-J. Schneider: Mese de construcție pentru arhitecți. Ediția a 18-a. Werner Verlag, Köln 2008, ISBN 978-3-8041-5237-3

Link-uri web

Dovezi individuale

  1. ↑ Wilfried Wapenhans, Jens Richter: Prima statică a lumii acum 260 de ani. (pdf)
  2. ^ Theodor Kissel: lider de masă. În: Rheinpfalz duminică . 31 mai 2009, p. 20.
  3. ↑ Reglementări statice - DIN. 4 martie 2016, accesat la 27 octombrie 2020 .
  4. ↑ Linia directoare OIB 1 Rezistența și stabilitatea mecanică. (PDF) Institutul austriac pentru inginerie structurală, aprilie 2019, accesat la 20 iunie 2019 .