Historia inżynierii budowlanej
Historia inżynierii budowlanej sięga co najmniej 2700 rpne, kiedy piramida schodkowa dla faraona Dżesera została zbudowana przez Imhotepa , pierwszego znanego z imienia architekta w historii. Piramidy były najczęstszymi głównymi konstrukcjami zbudowanymi przez starożytne cywilizacje, ponieważ jest to forma konstrukcyjna, która jest z natury stabilna i może być skalowana prawie w nieskończoność (w przeciwieństwie do większości innych form strukturalnych, których nie można liniowo zwiększać rozmiaru proporcjonalnie do zwiększonego obciążenia).
Innym godnym uwagi osiągnięciem inżynierii starożytności, które jest nadal w użyciu, jest system zarządzania wodą qanat . Technologia Qanat rozwinęła się w czasach Medów , poprzedników Imperium Perskiego (współczesny Iran , który ma najstarszy i najdłuższy Qanat (starszy niż 3000 lat i dłuższy niż 71 km), który rozprzestrzenił się także na inne kultury, które miały kontakt z Perski.
W całej starożytnej i średniowiecznej historii większość projektów architektonicznych i budowlanych była wykonywana przez rzemieślników , takich jak kamieniarze i stolarze , dochodząc do roli mistrza budownictwa . Nie istniała żadna teoria struktur, a zrozumienie, w jaki sposób struktury się opierały, było bardzo ograniczone i opierało się prawie wyłącznie na empirycznych dowodach „tego, co działało wcześniej”. Wiedza była zachowywana przez gildie i rzadko zastępowana postępami. Struktury były powtarzalne, a wzrost skali następował stopniowo.
Nie istnieją żadne zapiski dotyczące pierwszych obliczeń wytrzymałości elementów konstrukcyjnych lub zachowania materiału konstrukcyjnego, ale zawód inżyniera budownictwa ukształtował się dopiero wraz z rewolucją przemysłową i ponownym wynalezieniem betonu (patrz Historia betonu ). Nauki fizyczne leżące u podstaw inżynierii budowlanej zaczęto rozumieć w okresie renesansu i od tego czasu rozwijają się.
Wczesna inżynieria budowlana
.jpg)
Udokumentowana historia inżynierii budowlanej zaczyna się od starożytnych Egipcjan . W 27 wieku pne Imhotep był pierwszym znanym z imienia inżynierem budowlanym i zbudował pierwszą znaną piramidę schodkową w Egipcie. W 26 wieku pne Egipcie zbudowano Wielką Piramidę w Gizie . Pozostał największą budowlą wykonaną przez człowieka przez tysiąclecia i był uważany za niezrównane osiągnięcie w architekturze aż do XIX wieku naszej ery. [ potrzebne źródło ]
Zrozumienie praw fizycznych leżących u podstaw inżynierii strukturalnej w świecie zachodnim sięga III wieku pne, kiedy Archimedes opublikował swoją pracę O równowadze płaszczyzn w dwóch tomach, w której określa prawo dźwigni , stwierdzając:
Równe ciężary w równych odległościach są w równowadze, a równe ciężary w nierównych odległościach nie są w równowadze, ale pochylają się ku ciężarowi, który jest w większej odległości.
Archimedes wykorzystał wyprowadzone zasady do obliczenia obszarów i środków ciężkości różnych figur geometrycznych, w tym trójkątów , paraboloid i półkul . Prace Archimedesa na ten temat oraz jego prace nad rachunkiem różniczkowym i geometrią, wraz z geometrią euklidesową , leżą u podstaw matematyki i zrozumienia struktur we współczesnej inżynierii budowlanej.
Starożytni Rzymianie poczynili wielkie postępy w inżynierii budowlanej, będąc pionierami dużych konstrukcji murowanych i betonowych , z których wiele stoi do dziś. Należą do nich akwedukty , termy , kolumny , latarnie morskie , mury obronne i porty . Ich metody zostały zapisane przez Witruwiusza w jego De Architectura napisanym w 25 rpne, podręczniku inżynierii lądowej i konstrukcyjnej z obszernymi rozdziałami dotyczącymi materiałów i maszyn stosowane w budownictwie. Jednym z powodów ich sukcesu są dokładne pomiarowe oparte na dioptrach , gromach i chorobach .
W okresie późnego średniowiecza (XI-XIV wiek) budowniczowie byli w stanie zrównoważyć napór boczny sklepień z przęsłami przyporowymi i sklepieniami bocznymi, budując wysokie, przestronne konstrukcje, z których niektóre były całkowicie zbudowane z kamienia (jedynie z żelaznymi kołkami zabezpieczającymi końcach kamieni) i przetrwały wieki.
W XV i XVI wieku, pomimo braku teorii belek i rachunku różniczkowego , Leonardo da Vinci stworzył wiele projektów inżynierskich opartych na obserwacjach naukowych i rygorze, w tym projekt mostu łączącego Złoty Róg . Chociaż projekt został wówczas odrzucony, od tego czasu uznano, że jest zarówno wykonalny, jak i ważny pod względem konstrukcyjnym
.jpg)
Podstawy współczesnej inżynierii budowlanej położyli w XVII wieku Galileo Galilei , Robert Hooke i Isaac Newton , publikując trzy wielkie prace naukowe. W 1638 roku Galileo opublikował Dialogi dotyczące dwóch nowych nauk , przedstawiając nauki o wytrzymałości materiałów i ruchu obiektów (zasadniczo definiując grawitację jako siłę powodującą stałe przyspieszenie ). Było to pierwsze ustanowienie naukowego podejścia do inżynierii budowlanej, w tym pierwsze próby opracowania teorii belek. Jest to również uważane za początek analizy strukturalnej, matematycznej reprezentacji i projektowania konstrukcji budowlanych.
Następnie w 1676 roku Robert Hooke sformułował pierwsze stwierdzenie dotyczące prawa Hooke'a , dostarczając naukowego zrozumienia sprężystości materiałów i ich zachowania pod obciążeniem.
Jedenaście lat później, w 1687 roku, Sir Isaac Newton opublikował Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , przedstawiając swoje prawa ruchu , dostarczając po raz pierwszy zrozumienia podstawowych praw rządzących strukturami.
Również w XVII wieku Sir Isaac Newton i Gottfried Leibniz niezależnie opracowali fundamentalne twierdzenie rachunku różniczkowego , dostarczając jednego z najważniejszych narzędzi matematycznych w inżynierii.
Dalsze postępy w matematyce potrzebne inżynierom budowlanym do zastosowania zrozumienia konstrukcji zdobytego dzięki pracom Galileusza, Hooke'a i Newtona w XVII wieku nastąpiły w XVIII wieku, kiedy Leonhard Euler był pionierem w wielu dziedzinach matematyki i wielu metodach, które pozwalają inżynierowie budowlani do modelowania i analizowania konstrukcji. W szczególności opracował równanie belki Eulera – Bernoulliego wraz z Danielem Bernoullim (1700–1782) około 1750 r. - podstawową teorię leżącą u podstaw większości projektów inżynierii budowlanej.
Danielowi Bernoulliemu wraz z Johannem (Jeanem) Bernoullim (1667–1748) przypisuje się również sformułowanie teorii pracy wirtualnej , dostarczając narzędzia wykorzystującego równowagę sił i zgodność geometrii do rozwiązywania problemów konstrukcyjnych. W 1717 r. Jean Bernoulli napisał do Pierre'a Varignona , wyjaśniając zasadę pracy wirtualnej, podczas gdy w 1726 r. Daniel Bernoulli pisał o „składaniu sił”.
W 1757 roku Leonhard Euler wyprowadził wzór na wyboczenie Eulera , znacznie zwiększając zdolność inżynierów do projektowania elementów ściskanych.
Współczesne osiągnięcia w inżynierii budowlanej
Pod koniec XIX i na początku XX wieku materiałoznawstwo i analiza strukturalna rozwijały się w ogromnym tempie.
Chociaż elastyczność była rozumiana w teorii na długo przed XIX wiekiem, dopiero w 1821 roku Claude-Louis Navier sformułował ogólną teorię sprężystości w matematycznie użytecznej formie. W swoich lekcjach z 1826 roku zbadał szeroki zakres różnych teorii strukturalnych i jako pierwszy podkreślił, że rolą inżyniera budowlanego nie jest zrozumienie ostatecznego, uszkodzonego stanu konstrukcji, ale przede wszystkim zapobieganie temu uszkodzeniu. . W 1826 r. ustalił również moduł sprężystości jako właściwość materiałów niezależną od drugiego momentu powierzchni , umożliwiając inżynierom po raz pierwszy zrozumienie zarówno zachowania konstrukcji, jak i materiałów konstrukcyjnych.
Pod koniec XIX wieku, w 1873 roku, Carlo Alberto Castigliano przedstawił swoją rozprawę „Intorno ai sistemi elastici”, która zawiera jego twierdzenie o obliczaniu przemieszczenia jako pochodnej cząstkowej energii odkształcenia.
W 1824 roku inżynier Joseph Aspdin opatentował cement portlandzki jako „lepszy cement przypominający kamień portlandzki” , brytyjski patent nr. 5022. Chociaż istniały już różne formy cementu (cement pucolanowy był używany przez Rzymian już w 100 rpne, a jeszcze wcześniej przez cywilizacje starożytnej Grecji i Chin) i były w powszechnym użyciu w Europie od lat pięćdziesiątych XVIII wieku, odkrycie dokonane przez Aspdina wykorzystywało powszechnie dostępnych, tanich materiałów, dzięki czemu konstrukcja z betonu staje się ekonomiczną możliwością.
Rozwój betonu był kontynuowany wraz z budową w 1848 r. łodzi wiosłowej zbudowanej z żelazobetonu - prekursora nowoczesnego betonu zbrojonego - przez Josepha-Louisa Lambota . Opatentował swój system zbrojenia siatką i betonu w 1855 roku, rok po tym, jak WB Wilkinson również opatentował podobny system. Następnie w 1867 r. Joseph Monier opatentował żelbetową wannę do sadzenia w Paryżu, używając zbrojenia z siatki stalowej, podobnej do tej stosowanej przez Lambota i Wilkinsona. Monier rozwinął ten pomysł, zgłaszając kilka patentów na wanny, płyty i belki, co ostatecznie doprowadziło do systemu konstrukcji wzmocnionych Monier, pierwszego zastosowania stalowych prętów zbrojeniowych umieszczonych w obszarach naprężeń w konstrukcji.
Konstrukcja stalowa stała się możliwa po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych XIX wieku, kiedy Henry Bessemer opracował proces Bessemera do produkcji stali . Uzyskał patenty na ten proces w 1855 i 1856 roku, aw 1858 roku pomyślnie zakończył konwersję żeliwa w staliwo. Ostatecznie stal miękka zastąpiła zarówno kute , jak i żeliwo jako preferowany metal konstrukcyjny.
Pod koniec XIX wieku dokonano wielkich postępów w stosowaniu żeliwa, stopniowo zastępując kute żelazo jako preferowany materiał. Ditherington Flax Mill w Shrewsbury , zaprojektowany przez Charlesa Bage'a , był pierwszym budynkiem na świecie z wewnętrzną żelazną ramą. Został zbudowany w 1797 r. W 1792 r. William Strutt podjął próbę budowy ognioodpornego młyna w Belper w Derby (Belper West Mill), stosując żeliwne kolumny i drewniane belki w głębi ceglanych łuków tworzących podłogi. Odsłonięte stropy belkowe zostały zabezpieczone przed ogniem za pomocą tynku. Ten młyn w Belper był pierwszą na świecie próbą zbudowania budynków ognioodpornych i jest pierwszym przykładem inżynierii przeciwpożarowej . Zostało to później ulepszone dzięki budowie Belper North Mill , będącej wynikiem współpracy między Strutt i Bage, która dzięki zastosowaniu pełnej żeliwnej ramy stanowiła pierwszy na świecie „ognioodporny” budynek.
Forth Bridge został zbudowany przez Benjamina Bakera , Sir Johna Fowlera i Williama Arrola w 1889 roku przy użyciu stali , po tym jak oryginalny projekt mostu autorstwa Thomasa Boucha został odrzucony po zawaleniu się jego mostu Tay Rail . Forth Bridge był jednym z pierwszych głównych zastosowań stali i przełomem w projektowaniu mostów. Również w 1889 roku wieża Eiffla z kutego żelaza został zbudowany przez Gustave'a Eiffla i Maurice'a Koechlina, demonstrując potencjał konstrukcji z użyciem żelaza, pomimo faktu, że konstrukcje stalowe były już używane gdzie indziej.
Pod koniec XIX wieku rosyjski inżynier budowlany Władimir Szuchow opracował metody analizy struktur rozciąganych , cienkopowłokowych , kratownicowych i nowych geometrii konstrukcyjnych, takich jak struktury hiperboloidalne . Transport rurociągowy został zapoczątkowany przez Władimira Szuchowa i firmę Branobel pod koniec XIX wieku.
Ponownie idąc do przodu w projektowaniu żelbetu, od 1892 roku firma François Hennebique wykorzystywała jego opatentowany system betonu zbrojonego do budowy tysięcy konstrukcji w całej Europie. Thaddeus Hyatt w USA i Wayss & Freitag w Niemczech również opatentowali systemy. Firma AG für Monierbauten zbudowała w Niemczech 200 mostów żelbetowych w latach 1890-1897 Wielkie pionierskie zastosowania betonu zbrojonego pojawiły się jednak w pierwszej połowie XX wieku, kiedy Robert Maillart i inne pogłębiające zrozumienie jego zachowania. Maillart zauważył, że wiele betonowych konstrukcji mostowych było znacznie popękanych, w wyniku czego pominął pęknięte obszary w swoim następnym projekcie mostu - słusznie uważając, że pęknięcie betonu nie wpływa na wytrzymałość. Doprowadziło to do powstania rewolucyjnego mostu Salginatobel projekt. Wilhelm Ritter sformułował teorię kratownicy do projektowania belek żelbetowych na ścinanie w 1899 r., A Emil Mörsch poprawił ją w 1902 r. Następnie wykazał, że traktowanie ściskanego betonu jako materiału liniowo-sprężystego było konserwatywnym przybliżeniem jego zachowania. Od tego czasu projektowanie i analiza betonu postępują wraz z rozwojem metod analitycznych, takich jak teoria linii załomów, oparta na analizie plastycznej betonu (w przeciwieństwie do analizy liniowo-sprężystej) oraz wielu różnych odmian modelu rozkładu naprężeń w betonie w kompresja
Beton sprężony , którego pionierem był Eugène Freyssinet, który opatentował w 1928 r., dał nowatorskie podejście do przezwyciężania słabości rozciąganych konstrukcji betonowych. Freyssinet skonstruował eksperymentalny łuk sprężony w 1908 r., a później zastosował tę technologię w ograniczonej formie na moście Plougastel we Francji w 1930 r. Następnie zbudował sześć mostów z betonu sprężonego przez rzekę Marnę , mocno ugruntowując technologię.
Teoria inżynierii strukturalnej została ponownie rozwinięta w 1930 r., Kiedy profesor Hardy Cross opracował metodę rozkładu momentów , umożliwiającą szybkie i dokładne przybliżenie rzeczywistych naprężeń wielu złożonych konstrukcji.
W połowie XX wieku John Fleetwood Baker rozwinął teorię plastyczności konstrukcji, dostarczając potężnego narzędzia do bezpiecznego projektowania konstrukcji stalowych. Możliwość tworzenia struktur o złożonej geometrii, wykraczająca poza analizę ręcznymi metodami obliczeniowymi, pojawiła się po raz pierwszy w 1941 r., Kiedy Alexander Hrennikoff przedłożył na MIT swoją pracę doktorską na temat dyskretyzacji płaskich problemów sprężystości za pomocą sieci kratowej. Był to prekursor rozwoju analizy elementów skończonych . W 1942 roku Richard Courant opracował matematyczne podstawy analizy elementów skończonych. Doprowadziło to w 1956 roku do publikacji przez J. Turnera, RW Clougha, HC Martina i LJ Toppa artykułu na temat „Sztywności i ugięcia złożonych struktur”. Artykuł ten wprowadził nazwę „metoda elementów skończonych” i jest powszechnie uznawany za pierwsze kompleksowe omówienie metody, jaką znamy dzisiaj.
Budowa wieżowców, choć możliwa od końca XIX wieku, była znacznie zaawansowana w drugiej połowie XX wieku. Fazlur Khan zaprojektował systemy konstrukcyjne, które pozostają fundamentalne dla wielu nowoczesnych konstrukcji wysokościowych i które zastosował w swoich projektach konstrukcyjnych dla John Hancock Center w 1969 i Sears Tower w 1973. Główną innowacją Khana w projektowaniu i budowie drapaczy chmur była idea „rury " i "rura w pakiecie" systemy konstrukcyjne dla wysokich budynków. Zdefiniował ramową konstrukcję rurową jako „trójwymiarową strukturę przestrzenną złożoną z trzech, czterech lub ewentualnie większej liczby ram, ram usztywniających lub ścian poprzecznych, połączonych na krawędziach lub w ich pobliżu, tworząc pionowy rurowy system konstrukcyjny, który jest w stanie wytrzymać boczne siły w dowolnym kierunku, wypierając się z fundamentu”. Ściśle rozmieszczone połączone ze sobą zewnętrzne kolumny tworzą rurę. Obciążenia poziome, na przykład wiatr, są przenoszone przez konstrukcję jako całość. Około połowa powierzchni zewnętrznej jest dostępna dla okien. Rury w ramie umożliwiają mniej kolumn wewnętrznych, a tym samym tworzą więcej powierzchni użytkowej. Tam, gdzie wymagane są większe otwory, takie jak bramy garażowe, rama rurowa musi zostać przerwana, a dźwigary przenoszące służą do zachowania integralności strukturalnej. Pierwszym budynkiem, w którym zastosowano konstrukcję rurowo-szkieletową, był r Budynek mieszkalny DeWitt-Chestnut zaprojektowany przez Khan w Chicago . To położyło podwaliny pod konstrukcje rurowe używane w większości późniejszych konstrukcji drapaczy chmur, w tym przy budowie World Trade Center .
Kolejną innowacją opracowaną przez Fazlura Khana była koncepcja stężeń w kształcie litery X, która zmniejszała boczne obciążenie budynku poprzez przeniesienie obciążenia na zewnętrzne słupy. Pozwoliło to na zmniejszenie zapotrzebowania na kolumny wewnętrzne, tworząc w ten sposób więcej powierzchni podłogi, co można zobaczyć w John Hancock Center. Pierwszy podniebny hol został również zaprojektowany przez Khana dla Centrum Johna Hancocka w 1969 roku. Późniejsze budynki z podniebnymi holami obejmują World Trade Center , Petronas Twin Towers i Taipei 101 .
W 1987 roku Jörg Schlaich i Kurt Schafer opublikowali zwieńczenie prawie dziesięcioletnich prac nad metodą rozpórek i wiązań do analizy betonu - narzędziem do projektowania konstrukcji z nieciągłościami, takimi jak narożniki i złącza, dostarczając kolejnego potężnego narzędzia do analizy złożonych geometrii betonu .
Pod koniec XX i na początku XXI wieku rozwój potężnych komputerów sprawił, że analiza elementów skończonych stała się znaczącym narzędziem do analizy strukturalnej i projektowania. Rozwój programów elementów skończonych doprowadził do możliwości dokładnego przewidywania naprężeń w złożonych konstrukcjach i umożliwił wielki postęp w projektowaniu i architekturze inżynierii budowlanej. W latach 60. i 70. po raz pierwszy w znaczący sposób zastosowano analizę obliczeniową przy projektowaniu Opery w Sydney dach. Wiele nowoczesnych struktur nie mogłoby być zrozumianych i zaprojektowanych bez użycia analizy obliczeniowej.
Rozwój wiedzy o materiałach i zachowaniu konstrukcji w drugiej połowie XX wieku był znaczny, wraz ze szczegółowym zrozumieniem takich tematów, jak mechanika pękania , inżynieria trzęsień ziemi , materiały kompozytowe , wpływ temperatury na materiały, dynamika i kontrola drgań , zmęczenie , pełzanie i inne. Głębia i szeroki zakres wiedzy dostępnej teraz w inżynierii budowlanej , a rosnący zakres różnych konstrukcji i rosnąca złożoność tych struktur doprowadziły do rosnącej specjalizacji inżynierów budownictwa.
Zobacz też
- Izolacja bazowa
- Historia urządzeń sanitarnych i zaopatrzenia w wodę
- System zarządzania wodą Qanat