Динамика сооружений

ДИНАМИКА СООРУЖЕНИЙ, раздел строительной механики, в котором рассматриваются методы расчёта параметров дискретных и распределённых систем с упругими, диссипативными и инерционными свойствами и определения колебаний (вибраций) этих систем, вызываемых действием динамических нагрузок; в динамике сооружений также разрабатываются эффективные методы борьбы с вредными вибрациями строительных конструкций. К динамическим относятся воздействия, характеризующиеся достаточно быстрым изменением во времени их величины, направления или места приложения (сразу всех параметров или некоторых из них), в результате чего в элементах конструкций могут возникать значительные силы инерции, которые необходимо учитывать в динамическом расчёте. Примеры динамических воздействий на строительные конструкции: ударные и вибрационные нагрузки, вызванные работой машин и механизмов, размещаемых на фундаментах и перекрытиях зданий; ударные нагрузки от рельсового транспорта, возникающие при прохождении колёсами вагонов стыков и неровностей рельсового пути (трамвай, метро, железная дорога); взрывные, сейсмические, ветровые и волновые воздействия на сооружения и т. п. Колебательный характер имеют не только перемещения точек сооружения, но и возникающие при этом внутренние усилия и напряжения в его элементах. Основное содержание динамического расчёта сооружения составляют определение параметров его напряжённо-деформированного состояния (ожидаемых амплитуд перемещений, внутренних усилий и напряжений) при колебаниях под действием динамической нагрузки и сравнение их с допустимыми значениями. Допустимые значения амплитуд внутренних усилий обусловлены требованиями прочности и долговечности строительных конструкций, а значения амплитуд скоростей и ускорений колебаний зданий и сооружений, в которых находятся люди или установлено чувствительное к вибрациям технологическое оборудование, - требованиями исключения вредного влияния колебаний здания на здоровье людей (устанавливаются санитарными нормами) и на нормальную работу виброчувствительного оборудования (согласно его паспортным данным).

Динамика  сооружений в основном развивается по двум главным направлениям. Первое из них представляет собой аналитическую динамику, связанную с наиболее старым разделом строительной механики - статикой сооружений. Аналитическая динамика использует в расчётах (обобщая на основе Д’Аламбера принципа) разработанные в статике классические методы строительной механики (методы сил, перемещений, начальных параметров и др.). Второе направление - прикладная динамика сооружений, которая на реальных объектах и имитационных моделях изучает динамические нагрузки (природного и техногенного происхождения) на сооружения, определяет динамические характеристики материалов и конструкций (динамические модули упругости, внутреннее трение, пределы выносливости материалов и соединений конструкций - заклёпочных, сварных и др., пределы прочности и текучести при больших скоростях деформирования, вызываемых мощными ударами), проверяет надёжность расчётных схем сооружений и эффективность разрабатываемых методов борьбы с вибрационными повреждениями в промышленности и строительстве, способствует производству средств виброзащиты, шумоглушения и т. п.

Методы динамического расчёта сооружения зависят от вида динамической нагрузки и расчётной схемы сооружения. Динамические нагрузки разделяются на детерминированные (изменяющиеся во времени по определённому закону) и случайные (изменяющиеся во времени незакономерно и характеризуемые статистическими величинами). В зависимости от вида расчётной схемы сооружения (балка, ферма, рама, арка, плита, оболочка) применяют соответствующий метод для определения амплитуды колебаний как функции координат точек сооружения. В динамических расчётах сооружения классифицируются по числу степеней свободы, т. е. по количеству независимых числовых параметров, однозначно определяющих положение всех точек системы в пространстве в любой фиксированный момент времени. Если число степеней свободы сооружения конечно, то для его динамического расчёта обычно используют метод разложения решения по собственным функциям (формам колебаний). Определение спектра собственных частот и соответствующих им форм собственных колебаний является важным этапом динамического расчёта сооружения, позволяющим ещё на ранней стадии проектирования предугадать качественную картину вынужденных колебаний, максимально сократить расчёт и проанализировать необходимость выполнения возможной корректировки проектных решений.

Исторический очерк. Динамика  сооружений как наука зародилась в 1920-30-х годах; её возникновение было обусловлено практическими нуждами строительства, столкнувшегося со значительным увеличением статической и динамической нагрузок на сооружения вследствие быстрого развития технологий и возведения большого количества новых промышленных предприятий. Большой вклад в становление динамики сооружений был  сделан  российскими учёными А. Н. Крыловым, В. В. Болотиным, а также С. П. Тимошенко (США), В. Новацким (Польша), Р. В. Клафом (США), Дж. Ден-Гартогом (США), Э. Раушем (Германия). Тем не менее, в эти годы динамика сооружений ещё существенно отставала от её основной теоретической базы - теории колебаний и строительной механики. Применявшийся в этот период традиционный метод учёта влияния динамики введением в статический расчёт сооружения динамического коэффициента нагрузки был достаточно условным и не учитывал динамической характеристики сооружений. В 1930-х годах развитию динамики сооружений в СССР способствовали труды Д. Д. Баркана, К. С. Завриева, А. Ф. Смирнова, В. А. Ильичёва, О. А. Савинова и др. Новый толчок развитию динамики сооружений дали успехи вычислительной техники после Великой Отечественной войны, позволившие с помощью ЭВМ численно решать многие сложные задачи, выдвигаемые строительной практикой. В 1960-70-х годах в СССР была издана впервые в мировой практике серия справочников и руководств по динамике сооружений, разработанных в Институте строительных конструкций (ЦНИИСК) и НИИ оснований и подземных сооружений (НИИОПС). В эти же годы получили развитие новые важные направления в динамике сооружений: динамический расчёт конструкций с неклассическими диссипативными характеристиками (Я. Г. Пановко,   Г. С. Писаренко,  Е. С. Сорокин, А. И. Цейтлин и др.); расчёт динамических гасителей колебаний (Б. Г. Коренев, Л. М. Резников и др.); расчёт конструкций, опирающихся на упругое инерционное основание (Н. М. Бородачёв); расчёт сооружений на случайные нагрузки с применением методов статистической динамики или теории случайных процессов (В. В. Болотин, И. И. Гольденблат, Н. А. Николаенко, Ю. П. Назаров, М. Ф. Барштейн, Н. А. Попов и др.), в том числе разработка статистических методов расчёта сооружений на групповые динамические нагрузки (А. И.  Цейтлин,  Н. И. Гусева).

Лит.: Баркан Д. Д. Динамика оснований и фундаментов. М., 1948; Ден-Гартог Дж. Механические колебания. М., 1960; Болотин В. В. Статистические методы в строительной механике. 2-е изд. М., 1965; Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. М., 1967; Вибрации в технике: Справочник. М., 1978. Т. 1: Колебания линейных систем / Под редакцией В. В. Болотина; Рауш Э. Фундаменты машин. М., 1978; Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М., 1979; Цейтлин А . И. Прикладные методы решения краевых задач строительной механики. М., 1984.