Strukturteknikkens historie - History of structural engineering
Den historien om strukturelle ingeniør dateres tilbake til minst 2700 f.Kr. når trinnet pyramiden for Farao Djoser ble bygget av Imhotep , den første arkitekten i historien kjent ved navn. Pyramidene var de vanligste hovedstrukturene som ble bygget av gamle sivilisasjoner fordi det er en strukturell form som er iboende stabil og kan være nesten uendelig skalert (i motsetning til de fleste andre strukturelle former, som ikke kan økes lineært i størrelse i forhold til økte belastninger).
En annen bemerkelsesverdig ingeniørbragd fra antikken fortsatt i bruk i dag er den qanat vannforvaltning system. Qanat teknologi utviklet i den tiden av Medes , forgjengerne til den persiske riket (dagens Iran som har den eldste og lengste Qanat (eldre enn 3000 år, og lengre enn 71 km) som også sprer seg til andre kulturer har hatt kontakt med Persisk.
Gjennom antikkens og middelalderens historie mest arkitektonisk utforming og bygging ble utført av håndverkere , for eksempel stein murere og snekkere , stigende til rollen som byggmester . Ingen teori om strukturer eksisterte, og forståelsen av hvordan strukturer sto opp var ekstremt begrenset, og nesten helt basert på empiriske bevis på "det som hadde fungert før". Kunnskap ble beholdt av laug og sjelden erstattet av fremskritt. Strukturene var repeterende, og økningen i skala var trinnvis.
Det finnes ingen oversikt over de første beregningene av styrken til konstruksjonselementer eller oppførselen til konstruksjonsmateriale, men yrket som konstruksjonsingeniør tok først form med den industrielle revolusjonen og gjenoppfinnelsen av betong (se Betonghistorie ). De fysiske vitenskapene som ligger til grunn for konstruksjonsteknikk begynte å bli forstått i renessansen og har utviklet seg siden.
Tidlig konstruksjonsteknikk
.jpg)
Den registrerte konstruksjonsteknikken starter med de gamle egypterne . På 2700 -tallet f.Kr. var Imhotep den første konstruksjonsingeniøren som ble kjent ved navn og konstruerte den første kjente trinnpyramiden i Egypt. På 26 -tallet f.Kr. ble den store pyramiden i Giza konstruert i Egypt . Det forble den største menneskeskapte strukturen i årtusener og ble ansett som en uovertruffen bragd innen arkitektur frem til 1800-tallet e.Kr.
Forståelsen av de fysiske lovene som ligger til grunn for konstruksjonsteknikk i den vestlige verden, dateres tilbake til det 3. århundre f.Kr., da Archimedes publiserte sitt verk On the Equilibrium of Planes i to bind, der han beskriver Law of the Lever , og uttalte:
Like vekter på like avstander er i likevekt, og like vekter ved ulik avstand er ikke i likevekt, men skråner mot vekten som er på den større avstanden.
Archimedes brukte prinsippene som ble avledet til å beregne områdene og tyngdepunktene til forskjellige geometriske figurer, inkludert trekanter , paraboloider og halvkuler . Archimedes arbeid med dette og hans arbeid med kalkulus og geometri, sammen med euklidisk geometri , underbygger mye av matematikken og forståelsen av strukturer i moderne konstruksjonsteknikk.
De gamle romerne gjorde store grenser innen konstruksjonsteknikk, banebrytende for store strukturer i mur og betong , hvorav mange fortsatt står i dag. De inkluderer akvedukter , termaer , søyler , fyrtårn , forsvarsmurer og havner . Metodene deres er registrert av Vitruvius i hans De Architectura skrevet i 25 f.Kr., en håndbok for sivil- og konstruksjonsteknikk med omfattende seksjoner om materialer og maskiner som brukes i konstruksjonen. En årsak til deres suksess er deres nøyaktige kartlegging teknikker basert på dioptra , groma og chorobates .
I løpet av høymiddelalderen (11. til 14. århundre) var byggherrer i stand til å balansere sidestøtten til hvelvene med de flygende støttene og sidehvelvene, for å bygge høye romslige strukturer, hvorav noen var bygget helt av stein (med jernnåler som bare festet enden av steiner) og har vart i århundrer.
På 1400- og 1500 -tallet og til tross for manglende stråleteori og beregning , produserte Leonardo da Vinci mange tekniske design basert på vitenskapelige observasjoner og strenghet, inkludert et design for en bro som spenner over Det gylne horn . Selv om designet ble avvist på den tiden, har designet siden blitt vurdert å være både gjennomførbart og strukturelt gyldig
.jpg)
Grunnlaget for moderne konstruksjonsteknikk ble lagt på 1600 -tallet av Galileo Galilei , Robert Hooke og Isaac Newton med utgivelsen av tre store vitenskapelige arbeider. I 1638 publiserte Galileo Dialogues Relating to Two New Sciences , og skisserte vitenskapene om materialers styrke og gjenstanders bevegelse (i hovedsak definere tyngdekraften som en kraft som gir opphav til en konstant akselerasjon ). Det var den første etableringen av en vitenskapelig tilnærming til konstruksjonsteknikk, inkludert de første forsøkene på å utvikle en teori for bjelker. Dette blir også sett på som begynnelsen på strukturanalyser, den matematiske representasjonen og utformingen av bygningsstrukturer.
Dette ble fulgt i 1676 av Robert Hookes første uttalelse av Hookes lov , som ga en vitenskapelig forståelse av elastisiteten til materialer og deres oppførsel under belastning.
Elleve år senere, i 1687, publiserte Sir Isaac Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica og redegjorde for sine lov om bevegelse , og ga for første gang en forståelse av de grunnleggende lovene som regulerer strukturer.
Også på 1600 -tallet utviklet Sir Isaac Newton og Gottfried Leibniz begge uavhengig grunnregningssetningen , som ga et av de viktigste matematiske verktøyene innen ingeniørfag.
Ytterligere fremskritt innen matematikken som trengs for å tillate konstruksjonsingeniører å anvende forståelsen av strukturer oppnådd gjennom arbeidet til Galileo, Hooke og Newton i løpet av 1600 -tallet, kom på 1700 -tallet da Leonhard Euler var banebrytende på mye av matematikken og mange av metodene som tillater konstruksjonsingeniører for å modellere og analysere strukturer. Spesielt utviklet han Euler - Bernoulli -stråle -ligningen med Daniel Bernoulli (1700–1782) rundt 1750 - den grunnleggende teorien som ligger til grunn for mest konstruksjonsteknisk design.
Daniel Bernoulli , med Johann (Jean) Bernoulli (1667–1748), får også æren for å ha formulert teorien om virtuelt arbeid , og ga et verktøy som bruker likevekt mellom krefter og geometriens kompatibilitet for å løse strukturelle problemer. I 1717 skrev Jean Bernoulli til Pierre Varignon og forklarte prinsippet om virtuelt arbeid, mens Daniel Bernoulli i 1726 skrev om "sammensetningen av krefter".
I 1757 Leonhard Euler fortsatte med å utlede den Euler knekking formel, i stor grad å fremme muligheten for ingeniører til å designe kompresjonselementer.
Moderne utvikling innen konstruksjonsteknikk
Gjennom slutten av 1800- og begynnelsen av 1900 -tallet gjennomgikk materialvitenskap og strukturanalyse utvikling i et enormt tempo.
Selv om elastisitet ble forstått i teorien i god tid før 1800-tallet, var det først i 1821 at Claude-Louis Navier formulerte den generelle teorien om elastisitet i en matematisk brukbar form. I lejonene fra 1826 utforsket han et stort utvalg av forskjellige strukturteorier, og var den første som fremhevet at rollen som konstruksjonsingeniør ikke er å forstå den endelige, mislykkede tilstanden til en struktur, men å forhindre denne feilen i utgangspunktet . I 1826 etablerte han også den elastiske modulen som en egenskap av materialer uavhengig av det andre arealmomentet , slik at ingeniører for første gang både kunne forstå strukturell oppførsel og strukturelle materialer.
Mot slutten av 1800 -tallet, i 1873, presenterte Carlo Alberto Castigliano sin avhandling "Intorno ai sistemi elastici", som inneholder hans teorem for beregning av forskyvning som delvis derivat av tøyenergien.
I 1824 ble Portland sement patentert av ingeniøren Joseph Aspdin som "en overlegen sement som lignet Portland Stone" , britisk patent nr. 5022. Selv om det allerede eksisterte forskjellige former for sement (pozzolansk sement ble brukt av romerne så tidlig som 100 f.Kr. og enda tidligere av de gamle greske og kinesiske sivilisasjonene) og var i vanlig bruk i Europa fra 1750 -årene, ble funnet funnet av Aspdin brukt allment tilgjengelige, billige materialer, noe som gjør betongkonstruksjon til en økonomisk mulighet.
Utviklingen i betong fortsatte med konstruksjonen i 1848 av en robåt bygget av ferrocement - forløperen til moderne armert betong - av Joseph -Louis Lambot . Han patenterte sitt system med meshforsterkning og betong i 1855, ett år etter at WB Wilkinson også patenterte et lignende system. Dette ble fulgt i 1867 da et badekar av armert betong ble patentert av Joseph Monier i Paris, ved bruk av armering av stålnett som lignet på det som ble brukt av Lambot og Wilkinson. Monier tok ideen videre og inngav flere patenter for kar, plater og bjelker, noe som til slutt førte til Monier -systemet med forsterkede strukturer, den første bruken av stålarmeringsstenger plassert i spenningsområder i strukturen.
Stålkonstruksjon ble først muliggjort på 1850 -tallet da Henry Bessemer utviklet Bessemer -prosessen for å produsere stål . Han fikk patenter for prosessen i 1855 og 1856 og fullførte konverteringen av støpejern til støpt stål i 1858. Etter hvert ville mildt stål erstatte både smijern og støpejern som det foretrukne metallet for konstruksjon.
På slutten av 1800 -tallet ble det gjort store fremskritt i bruken av støpejern, som gradvis erstattet smijern som et valgfritt materiale. Ditherington Flax Mill i Shrewsbury , designet av Charles Bage , var den første bygningen i verden med en innvendig jernramme. Det ble bygget i 1797. I 1792 hadde William Strutt forsøkt å bygge en brannsikker kvern på Belper i Derby (Belper West Mill) ved hjelp av støpejernssøyler og tømmerbjelker innenfor dypet av murbuer som dannet gulvene. De eksponerte bjelkesofene ble beskyttet mot brann av gips. Denne fabrikken på Belper var verdens første forsøk på å bygge brannsikre bygninger, og er det første eksempelet på brannteknikk . Dette ble senere forbedret med byggingen av Belper North Mill , et samarbeid mellom Strutt og Bage, som ved bruk av en hel støpejernsramme representerte verdens første "brannsikre" bygning.
Den Forth Bridge ble bygget av Benjamin Baker , Sir John Fowler og William Arrol i 1889, ved hjelp av stål , etter at den opprinnelige design for broen ved Thomas bouch ble avvist etter sammenbruddet av hans Tay Rail Bridge . Forth Bridge var en av de første store bruksområdene for stål, og et landemerke i brodesign. Også i 1889 ble Eiffeltårnet i smijern bygget av Gustave Eiffel og Maurice Koechlin, og demonstrerte potensialet ved konstruksjon ved bruk av jern, til tross for at stålkonstruksjon allerede ble brukt andre steder.
Under slutten av det 19. århundre, russisk Bygningsingeniør Vladimir Sjukhov utviklet analysemetoder for strekk strukturer , tynne skallkonstruksjoner , gitterskallkonstruksjoner og nye strukturelle geometrier slik som hyperboloid strukturer . Rørledningstransport ble pioner av Vladimir Shukhov og Branobel -selskapet på slutten av 1800 -tallet.
Igjen tok design av armert betong fremover, fra 1892 og fremover brukte François Hennebiques firma sitt patenterte armerte betongsystem til å bygge tusenvis av strukturer i hele Europa. Thaddeus Hyatt i USA og Wayss & Freitag i Tyskland patenterte også systemer. Firmaet AG für Monierbauten konstruerte 200 armerte betongbroer i Tyskland mellom 1890 og 1897 De store banebrytende bruksområdene for armert betong kom imidlertid i løpet av den første tredjedelen av 1900 -tallet, med Robert Maillart og andre som forsterket forståelsen av dens oppførsel. Maillart la merke til at mange betongbrokonstruksjoner var betydelig sprukket, og som et resultat forlot de sprukne områdene utenfor hans neste brodesign - og trodde riktig at hvis betongen var sprukket, bidro det ikke til styrken. Dette resulterte i den revolusjonerende Salginatobel Bridge -designen . Wilhelm Ritter formulerte fagverksteorien for skjærdesign av armerte betongbjelker i 1899, og Emil Mörsch forbedret dette i 1902. Han demonstrerte videre at behandling av betong i kompresjon som et lineært-elastisk materiale var en konservativ tilnærming til dens oppførsel. Konkret design og analyse har utviklet seg siden den gang, med utvikling av analysemetoder som avkastningslinjeteori, basert på plastisk analyse av betong (i motsetning til lineær-elastisk), og mange forskjellige variasjoner på modellen for spenningsfordelinger i betong i kompresjon
Spenningsbetong , som ble pioner av Eugène Freyssinet med et patent i 1928, ga en ny tilnærming for å overvinne svakheten i betongkonstruksjoner i spenning. Freyssinet konstruerte en eksperimentell forspent bue i 1908 og brukte senere teknologien i begrenset form i Plougastel -broen i Frankrike i 1930. Han bygde seks forspente betongbroer over Marne -elven og etablerte teknologien godt.
Strukturteknikkteorien ble igjen avansert i 1930 da professor Hardy Cross utviklet Moment -distribusjonsmetoden , slik at de virkelige belastningene til mange komplekse strukturer kunne tilnærmes raskt og nøyaktig.
På midten av 1900 -tallet fortsatte John Fleetwood Baker med å utvikle plastisitetsteorien om strukturer, og ga et kraftig verktøy for sikker design av stålkonstruksjoner. Muligheten for å lage strukturer med komplekse geometrier, utover analyse med håndberegningsmetoder , oppsto først i 1941 da Alexander Hrennikoff leverte sin D.Sc -avhandling ved MIT om temaet diskretisering av planelastisitetsproblemer ved hjelp av et gitterramme. Dette var forløperen til utviklingen av endelig elementanalyse . I 1942 utviklet Richard Courant et matematisk grunnlag for endelig elementanalyse. Dette førte i 1956 til utgivelsen av J. Turner, RW Clough, HC Martin og LJ Topp's av et papir om "Stivhet og nedbøyning av komplekse strukturer". Denne artikkelen introduserte navnet "finite-element method" og er allment anerkjent som den første omfattende behandlingen av metoden slik den er kjent i dag.
Høybygg, selv om det var mulig fra slutten av 1800-tallet og fremover, ble sterkt avansert i løpet av andre halvdel av 1900-tallet. Fazlur Khan designet konstruksjonssystemer som forblir grunnleggende for mange moderne høyhuskonstruksjoner og som han brukte i sine konstruksjonsdesigner for John Hancock Center i 1969 og Sears Tower i 1973. Khans sentrale innovasjon innen skyskraperdesign og konstruksjon var ideen om "røret "og" bundled tube " konstruksjonssystemer for høye bygninger. Han definerte den innrammede rørstrukturen som "en tredimensjonal romstruktur bestående av tre, fire eller muligens flere rammer, avstivede rammer eller skjærvegger, forbundet ved eller nær kantene deres for å danne et vertikalt rørlignende konstruksjonssystem som er i stand til å motstå lateral styrker i hvilken som helst retning ved å utligge fra fundamentet. " Tett innbyrdes forbundne utvendige søyler danner røret. Horisontale belastninger, for eksempel vind, støttes av strukturen som helhet. Omtrent halvparten av den ytre overflaten er tilgjengelig for vinduer. Innrammede rør tillater færre innvendige søyler, og skaper dermed mer brukbar gulvplass. Der det er behov for større åpninger som garasjeporter, må rammen avbrytes, med overføringsbjelker som brukes for å opprettholde strukturell integritet. Den første bygningen som brukte rørkonstruksjonen var i DeWitt-Chestnut Apartment Building som Khan tegnet i Chicago . Dette la grunnlaget for rørkonstruksjonene som ble brukt i de fleste senere skyskrapekonstruksjoner, inkludert byggingen av World Trade Center .
En annen innovasjon som Fazlur Khan utviklet var konseptet med X-bracing, som reduserte sidelasten på bygningen ved å overføre lasten til de ytre søylene. Dette tillot et redusert behov for innvendige søyler og skapte dermed mer gulvplass, og kan sees i John Hancock Center. Den første sky lobbyen ble også designet av Khan for John Hancock Center i 1969. Senere bygninger med sky lobbyer inkluderer World Trade Center , Petronas Twin Towers og Taipei 101 .
I 1987 publiserte Jörg Schlaich og Kurt Schafer kulminasjonen på nesten ti års arbeid med strut and tie -metoden for betonganalyse - et verktøy for å designe strukturer med diskontinuiteter som hjørner og ledd, og gir et annet kraftig verktøy for analyse av komplekse betonggeometrier .
På slutten av 1900 -tallet og begynnelsen av det 21. århundre har utviklingen av kraftige datamaskiner tillatt endelig elementanalyse å bli et viktig verktøy for strukturanalyse og design. Utviklingen av endelige elementprogrammer har ført til evnen til å forutsi påkjenningene i komplekse strukturer nøyaktig, og tillatt store fremskritt innen konstruksjonsteknisk design og arkitektur. På 1960- og 70 -tallet ble beregningsanalyse brukt på en betydelig måte for første gang på designet av taket i operahuset i Sydney . Mange moderne strukturer kunne ikke forstås og utformes uten bruk av beregningsanalyse.
Utviklingen i forståelsen av materialer og strukturell atferd i siste del av 1900 -tallet har vært betydelig, med detaljert forståelse som er utviklet av temaer som bruddmekanikk , jordskjelvsteknikk , komposittmaterialer , temperatureffekter på materialer, dynamikk og vibrasjonskontroll , tretthet , krype og andre. Dybden og bredden av kunnskap som nå er tilgjengelig innen konstruksjonsteknikk , og det økende utvalget av forskjellige strukturer og den økende kompleksiteten til disse strukturene har ført til økende spesialisering av konstruksjonsingeniører.
Se også
- Grunnisolasjon
- Historie om sanitet og vannforsyning
- Qanat vann styringssystem
