Рассмотреть роль понятий «устойчивость», «прочность» и «жесткость конструкций» при создании сложных конструкций
Применить знания, полученные при изучении данной темы, в объяснении окружающих явлений
1. История создания памятника Петру I как задача о равновесии
2. Рассмотрение проблемы в общем виде: как обеспечить равновесие предмета?
3. Загадка Пизанской башни
4. Падающие башни мира
5. Требования к конструктивным элементам зданий и сооружений
6. Выводы, д/з
Во дворе мастерской строители возвели помост, имитирующий пьедестал. Лучшие берейторы на лучших скакунах взлетали на этот помост. Сотни раз они повторяли эти взлеты, пока, наконец, скульптор не понял, что удержать вздыбленную лошадь на двух опорах ему не удастся.
На каждой парте у Вас находятся спичечные коробки
Постройте из них вертикальные конструкции со смещенными относительно друг друга коробками на максимально возможную высоту, и так, чтобы они не падали
Дайте ответ: какое условие надо выполнить при строительстве, чтобы конструкция была высокой и не падала
1.Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры – значит, следует увеличить площадь опоры.
2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е. соблюдается принцип минимума потенциальной энергии (принцип неваляшки)- значит, следует понизить центр тяжести.
3. А теперь выскажите предположения:
Что надо сделать для того, чтобы удержать всадника в скачущем положении
Решение очевидно: для усиления устойчивости фигуры необходимо увеличить площадь ее основания, то есть создать еще одну точку опоры. Таково мнение наших учеников.
А вот решение скульптора: под задними копытами коня появляется третья точка опоры – змея, символизирующая поверженных врагов России.
Несмотря на свой наклон, пизанская башня не падает, т.к. отвесная линия, проведенная из центра тяжести не выходит за пределы основания.
Высота башни 54,5м. Вершина башни отклонена от вертикали на 4,5 м.
Равновесие нарушится и башня упадет, когда отклонение её вершины от вертикали достигнет 14 м.
Сложите на краю стола книги стопкой так, чтобы верхняя книжка выступала над нижней. Укладывайте книги одна на другую до тех пор, пока ваша «Пизанская башня» не начнет заваливаться. Убедитесь, что падение книг началось, когда центр тяжести стопки книг вышел за пределы нижней книги.
Полагают, что во всем мире около 300 падающих башен. Из них башня церкви в г.Зуурхузен (Германия) занимает первое место по углу наклона, далее- Пизанскаябашня, Болонская Гаризенда, Косая башня Невьянска на Урале. Правда, некоторые «призовики» были выпрямлены реставраторами, например минареты Улугбека В Самарканде.
«Падающие» башни есть в Пизе, Болонье, в Афганистане и др. местах.
В Болонье рядом высятся две знаменитые «падающие» башни из простого кирпича. Более высокая башня (высота 97 м, вершина отклонена на 1,23 м от вертикали), продолжает наклоняться и ныне. Вторая -достигает половины высоты своей соседки и наклонена ещё сильнее (её высота 49 м, отклонение от вертикали 2,4 м).
На фото две башни. Слева- башня церкви в г. Зуурхузен в Гемании. Угол отклонения от вертикали 5,19 градуса. Справа- пизанская башня. Угол её отклонения 4.95 градуса.
Архитектурные сооружения должны возводиться на века.
Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно обеспечивать прочность, жёсткость и устойчивость зданий и сооружений.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др. Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением легирующих добавок в сплавы, радиоактивным облучением, применением армированных и композиционных материалов.
Груз S, опирающийся на клинообразный средний камень свода, давит вниз с силой А, но сдвинуться вниз камень не может; он только давит на соседние камни. Сила А разлагается по правилу параллелограмма на две силы С и В. Таким образом, сила, давящая снаружи, не может разрушить свод.
Опыт 1
Опыт 1
Возьмем обычный лист бумаги формата А4 , скрутим его в трубку и склеим, сделаем так же еще с тремя листами, поставим их вертикально и положим на них как можно больше одинаковых книжек, чем больше книжек тем сильнее прогибаются листы и ломаются.
Опыт 2
Опыт 2
Возьмем гофрированный (сложенный «гармошкой») лист бумаги формата А4 , скрутим его в трубку и склеим, сделаем так же еще с тремя листами, поставим их вертикально и положим на них как можно больше одинаковых книжек, этот опыт показывает, что такое строение наиболее устойчивое и может выдерживать большую нагрузку, чем в опыте 1.
Первая в нашей стране телебашня (проект В.Г. Шухова).Особенностью конструкции является то, что все их элементы работают только на сжатие. Это обеспечивает прочность сооружения. Ажурность конструкции скрадывает вес башни. При такой высоте (148,3 м) это самое легкое сооружение.
Увеличение жёсткости изгибаемой балки и вертикальной колонны.
1. Если положить лист бумаги на две опоры, то он легко прогнётся даже под своей тяжестью.
2. Если изменить его форму, то можно значительно увеличить жёсткость такой конструкции.
Жёсткость балки определяется профилем её сечения и материалом. Если лист бумаги сделать в виде короба или П - образной формы или профилю придать форму двутавровой балки, то жёсткость значительно возрастёт.
Деформацию изгиба уменьшают разного вида подпоры, подкосы.
Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости.
Причиной устойчивости Эйфелевой башни в Париже и многих других высотных сооружений является близкое к земле расположение центра масс сооружения.
«На устройство подошвы и поддела ни трудов, ни иждивения жалеть не должно».
Фундамент – это в полном смысле слова основа здания. Расчёты фундаментов основаны прежде всего на учёте силы давления на грунт: при данной массе сооружения давление уменьшается с ростом площади опоры. Отсутствие должного внимания к этим зависимостям могут подвести строителей. Например, Останкинская башня по первоначальному проекту должна была опираться на 4 «ноги».
Поставим один на другой 15 – 20 пустых спичечных коробков так, чтобы получить из них ровную прямую колонну. Она будет очень неустойчива: Малейшего толчка достаточно, чтобы колонна рассыпалась.
Составим колонну из тех же спичечных коробков, устанавливая их так, чтобы каждый верхний коробок был немного сдвинут относительно нижнего, на который он опирается. Создается такое впечатление, что колонна очень неустойчива и вот - вот упадет. Но оказывается, что она может простоять, не падая, столько же, если не больше времени, что и первая, прямая колонна.
У неваляшки внутреннее устройство со смещенным вниз центром тяжести.
У неваляшки внутреннее устройство со смещенным вниз центром тяжести.
На использовании законов статики на Тайване возведено самое высокое здание: 101 этаж поднимается на 508- метровую высоту, а внутри него – гиганский демпфер, который держит небоскреб в положении устойчивого равновесия.
В основе созданных человеком архитектурных композиций лежат результаты многосторонних исследований.
В данном проекте учащимися рассмотрены проблемы равновесия, устойчивости, прочности и жесткости конструкций.
Изготовить модель неваляшки
Изготовить модель неваляшки
Построить Останкинскую башню из бумаги, картона, дерева…
1. Абышева Н.А. Авторская программа предпрофильного межпредметного курса «Физика и искусство» Газета «Физика» 1 сентября №2 2006г
2. Я.И. Перельман «Занимательная физика» Москва «Наука» 1982г.
3. И.Л. Юфанова «Занимательные вечера по физике в средней школе» Москва «Просвешение» 1990г.
4 И.Я. Ланина «Внеклассная работа по физике» Москва «Просвещение» 1977г.
5. М.И. Блудов «Беседы по физике» Москва «Просвещение» 1984г. Часть 1
В учебном пособии изложены теоретические основы архитектурного проектирования зданий различного функционального назначения с учетом климатических условий места строительства с целью создания в них комфортных условий проживания и трудовой деятельности. Рассмотрены вопросы климатологии и влияния климатических факторов на архитектурно-планировочное, конструктивное и пластическое решение зданий. Приведены методики оценки климатических факторов и архитектурно-климатические основы проектирования зданий. Изложены теоретические вопросы теплопередачи, паропроницаемости и инфильтрации через однослойные и многослойные ограждающие конструкции. Рассмотрены вопросы звукоизоляции помещений от воздушного и ударного шума, а также мероприятия по обеспечению нормативных требований по защите селитебных территорий от различных шумов. Приведены современные методики по определению общего и приведенного сопротивления теплопередачи однородных и неоднородных ограждающих конструкций с учетом энергосбережения на отопление зданий, а также звукоизолирующих качеств вертикальных (стены и перегородки) и горизонтальных (междуэтажные перекрытия) ограждающих конструкций. Значительная часть учебного пособия посвящена архитектурной акустике, раскрывающей теоретические вопросы распространения звука в помещениях и практические рекомендации по акустическому проектированию зрительных залов с учетом беспрепятственной видимости в них. Рассмотрены вопросы естественного и искусственного освещения жилых, общественных и производственных зданий. Приведены методики по расчету необходимых площадей остекления в вышеперечисленных помещениях и последовательность проведения проверочных расчетов в зависимости от принятой системы освещения. Рассмотрены вопросы проектирования освещения городов, архитектурных ансамблей и светоцветовой режим городской застройки.
Предназначено для самостоятельной работы бакалавров направления 270800.62 «Строительство» профилей «Промышленное и гражданское строительство» и «Проектирование зданий и сооружений».
Связь между климатом и архитектурой зданий.
На территории нашей страны здания и сооружения подвергаются комплексу климатических воздействий в различных сочетаниях и различной интенсивности. Строительная климатология - наука, раскрывающая связи между климатическими условиями и архитектурой зданий и градостроительных образований. Основная задача строительной климатологии - обоснование целесообразности решений планировки городской застройки, выбор типов зданий и ограждающих конструкций с учетом климатических особенностей района строительства. Правильный выбор размеров и формы помещений зависит от ряда факторов, среди которых особое место занимает воздушная среда, характеристики которой зависят от климатических условий и места строительства. На протяжении тысячелетий архитекторам было известно, что города и здания следует проектировать и строить в соответствии с климатом, а ширину улиц, высоту зданий и размеры окон - выбирать с учетом ориентации и глубины помещений. Необходимо бережно и композиционно оправдано вписывать здания и сооружения в природу. Как показывает практика, все архитектурные и градостроительные шедевры создавались с учетом этих вечных истин.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Глава 1. Строительная климатология
1.1. Связь между климатом и архитектурой зданий
1.2. Климатические факторы и их роль при проектировании зданий и сооружений
1.3. Климатическое районирование
1.4. Архитектурно-климатические основы проектирования зданий
1.5. Архитектурный анализ климатических условий погоды
Глава 2. Строительная теплотехника
2.1. Общие положения
2.2. Виды теплообмена
2.3. Теплопередача через ограждения
2.4.Сопротивление теплопередачи через однослойные и многослойные ограждающие конструкции, выполненные из однородных слоев
2.5. Расчет температуры внутри ограждающих конструкций
2.6. Графический метод определения температуры внутри многослойной ограждающей конструкции
2.7. Влияние расположения конструктивных слоев на распределение температуры внутри ограждающих конструкций
2.8. Методика проектирования тепловой защиты зданий
2.9. Исходные данные для проектирования тепловой защиты зданий
2.9.1. Параметры внутреннего воздуха помещений
2.9.2. Наружные климатические условия района строительства
2.9.3. Расчетные характеристики строительных материалов и конструкций
2.9.4. Расчет отапливаемых площадей и объемов зданий
2.10. Определение нормируемого (требуемого) сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
2.11. Расчет общего или приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
2.12. Конструктивное решение наружных ограждений
2.13. Определение санитарно - гигиенических показателей тепловой защиты зданий
2.14. Расчет удельного расхода тепловой энергии на отопление зданий
2.15. Влажность воздуха и конденсация влаги в ограждениях
2.15.1. Расчет ограждающих конструкций на конденсацию водяного пара
2.15.2. Графо - аналитический метод определения зоны возможной конденсации внутри многослойной ограждающей конструкции
2.15.3. Паропроницаемость и защита от переувлажнения наружных ограждений
2.16. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций
2.17. Теплоустойчивость наружных ограждений
2.17.1. Расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций в теплый период года
2.17.2. Теплоусвоение поверхности полов
2.18. Повышение теплозащитных свойств существующих зданий
2.19. Энергетический паспорт здания
Контрольные вопросы
Глава 3. Архитектурная и строительная светотехника
3.1. Основные понятия, величины и единицы измерения
3.2. Световой климат
3.3. Количественные и качественные характеристики освещения
3.4. Естественное освещение зданий
3.5. Естественное и искусственное освещение зданий
3.6. Выбор систем естественного освещения помещений и световых проемов
3.7. Нормирование естественного освещения
3.8. Проектирование естественного освещения
3.8.1. Определение площади световых проемов жилых и общественных зданий при боковом или верхнем естественном освещении помещений
3.8.2. Расчет площади световых проемов производственных зданий при боковом или верхнем естественном освещении помещений
3.9. Проверочный расчет естественного освещения помещений
3.9.1. Последовательность проведения проверочного расчета при боковом освещении производственных зданий
3.9.2. Расчет естественного освещения производственных помещений при верхнем и комбинированном расположении световых проемов
3.9.3. Проверочный расчет естественного освещения при боковом размещении световых проемов в жилых и общественных зданиях
3.9.4. Последовательность проведения проверочного расчета при верхнем или комбинированном освещении жилых и общественных зданий
3.10. Расчет времени использования естественного освещения в помещениях
3.11. Совмещенное освещение зданий
3.12. Технико-экономическая оценка систем естественного и совмещенного освещения по энергетическим затратам
3.13. Нормирование и проектирование искусственного освещения помещений
3.14. Архитектурная светотехника
3.14.1. Нормирование и проектирование освещения городов
3.14.2. Проектирование освещения архитектурных ансамблей
3.15. Светоцветовой режим помещений и городской застройки
3.16. Инсоляция и защита помещений от солнечных лучей
3.17. Солнцезащита и светорегулирование в зданиях
3.18. Экономическая эффективность использования инсоляции и солнцезащиты
Глава 4. Архитектурная акустика и звукоизоляция помещений
4.1. Общие понятия о звуке и его свойствах
4.2. Источники шума и их шумовые характеристики
4.3. Нормирование шума и звукоизоляция ограждений
4.4. Распространение шума в зданиях
4.5. Звукоизоляция помещений от воздушного и ударного шума
4.5.1. Определение индекса изоляции воздушного шума для вертикальных однослойных плоских ограждающих конструкций сплошного сечения
4.5.2. Определение индекса изоляции воздушного шума для каркасно-обшивных перегородок
4.5.3. Определение индекса изоляции воздушного шума для междуэтажных перекрытий
4.5.4. Расчет междуэтажных перекрытий на ударное воздействие шума
4.6. Измерение звукоизолирующих свойств ограждающих конструкций в акустических камерах
4.7. Мероприятия, обеспечивающие нормативную звукоизоляцию помещений
4.8. Защита от шума селитебных территорий городов и населенных пунктов
4.9. Архитектурная акустика
4.9.1. Оценка акустических качеств залов
4.9.2. Экспериментальные способы проверки акустических качеств залов
4.10. Общие принципы акустического проектирования залов
4.11. Специфические особенности акустического проектирования залов различного функционального назначения
4.12. Моделирование акустических свойств зрительных залов
4.13. Видимость и обозреваемость в зрелищных сооружениях
4.13.1. Общие принципы проектирования беспрепятственной видимости в зрительных залах
4.13.2. Обеспечение беспрепятственной видимости в зрительных залах
4.14. Расчет беспрепятственной видимости в зрительных залах
Контрольные вопросы
Основные термины и определения
Список литературы
Приложения.
В учебнике рассматриваются теоретические основы формирования комфортной светоцветовой, тепловой и акустической среды в городах и зданиях. Излагаются методы нормирования, расчёта и проектирования ограждающих конструкций, освещения, инсоляции, солнцезащиты, цветового решения, акустики, звукоизоляции зданий и борьбы с городскими и производственными шумами. Для студентов архитектурных вузов и факультетов.
Предисловие.5
Введение. Предмет и место архитектурной физики в творческом методе архитектора... 7
Часть I. Архитектурная климатология. . 12
Глава 1. Климат и архитектура...12
Глава 2. Климатический анализ.15
Часть II. Архитектурная светология..46
Глава 3. Светоцветовая среда - основа-восприятия архитектуры.46
3.1. Свет, зрение и архитектура..46
3.2. Основные величины, единицы и законы...63
Глава 4. Архитектурное освещение..71
4.1. Системы естественного освещения помещений..73
4.2. Световой климат. 87
4.3. Количественные и качественные характеристики освещения.96
4.4. Нормирование естественного освещения помещений.99
4.5. Расчет естественного освещения помещений.110
4.6. Оптическая теория естественного светового поля..121
4.7. Источники искусственного света и осветительные приборы...129
4.8. Нормирование и проектирование искусственного освещения.158
4.9. Совмещенное освещение помещений.173
4.10. Нормирование и проектирование освещения городов..177
4.11. Моделирование архитектурного освещения. 196
Глава 5. Инсоляция и солнцезащита в архитектуре.205
5.1. Основные понятия...205
5.2. Нормирование и проектирование инсоляции застройки.209
5.3. Солнцезащита и светорегулирование в городах и зданиях..219
5.4. Моделирование инсоляции. 238
5.5. Экономическая эффективность нормирования инсоляции
И солнцезащиты.242
Глава 6. Архитектурное цветоведение. . 244
6.1. Основные понятия...244
6.2. Систематизация цветов. Колориметрическая система МКО... 254
6.3. Воспроизведение цвета...258
6.4. Нормирование и проектирование цвета.. 266
Часть III. Архитектурная акустика 286
Глава 7. Звуковая среда в городах изданиях.286
7.1. Основные понятия...286
7.2. Звук и слух.292
7.3. Основные закономерности распространения звука и шума. 297
Глава 8. Шумозащита и звукоизоляция в городах и зданиях..304
8.1. Источники шума и их характеристики.304
8.2. Нормирование шума и звукоизоляции ограждений..313
8.3. Проектирование шумозащиты и звукоизоляции.321
8.4. Моделирование шумозащиты и звукоизоляции.364
8.5. Технико-экономическая эффективность мероприятий по шумозащите и звукоизоляции. . . 366
Глава 9. Акустика залов..368
9.1. Основные акустические характеристики залов.371
9.2. Оценка акустического качества залов.378
9.3. Общие принципы акустического проектирования залов.384
9.4. Залы для речевых программ. 398
9.5. Залы для музыкальных программ..404
9.6. Залы с совмещением речевых и музыкальных программ..411
9.7. Моделирование акустики залов. . 418
9.8. Системы озвучания залов..425
Приложения..430
Предметно-именной указатель.438
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебник по архитектурной физике издается под таким названием впервые и является развитием учебника «Основы строительной физики», изданного в 1975 г. проф. Н. М. Гусевым, основателем кафедры строительной физики МАрхИ.
Новое название учебника и кафедры не случайно. Актуальность проблемы экологизации современной архитектуры ныне признана во всем мире, а поскольку свет, цвет, климат и звук являются основными факторами, формирующими комфортность искусственной окружающей среды (архитектуры), вписываемой в естественную среду (природу), эта проблема имеет огромное значение для развития качественно нового этапа в капитальном строительстве и массовой урбанизации.
Естественна поэтому и необходимость экологизации высшего архитектурного образования. По существу, архитектурная физика является второй частью новой дисциплины, которую должен изучать современный архитектор, - «Архитектурная экология». Первая часть этой дисциплины - «Архитектурное природопользование» («Охрана окружающей среды») включает основы защиты живой и неживой природы от воздействия на нее урбанистической деятельности человека, принявшей ныне глобальный характер, что вызывает обостренную озабоченность во всем мире.
Архитектурная физика изучает теоретические основы и практические методы формирования архитектуры под воздействием солнечного и искусственного света, цвета, тепла, движения воздуха и звука, а также природу их восприятия человеком с оценкой социологических, гигиенических и экономических факторов.
Кроме того, эта наука - фундамент, на котором базируются важнейшие положения основных строительных документов - СНиПов, регламентирующих комфортность, плотность и экономичность застройки.
Архитектурная физика как часть архитектурной экологии (а ныне одной из важнейших и обязательных частей проекта является его экологический раздел) непосредственно помогает определить качество проекта на всех стадиях (а следовательно, и качество архитектуры) по нескольким основным группам критериев¹: 1) комфортность городских пространств и интерьеров зданий и их функциональность; 2) надежность (долговечность) сооружений; 3) выразительность (композиция, светоцветовой образ, масштабность, пластика и т.п.); 4) экономическая эффективность (особенно при индустриальном строительстве).
Все эти критерии в значительной степени предопределяются при проектировании профессиональным учетом светоклиматических и акустических параметров среды и элементов зданий.
Следовательно, архитектурная физика имеет самые непосредственные связи с профилирующими дисциплинами - «Архитектурное проектирование» , «Теория, история и критика архитектуры» и «Архитектурные конструкции», а также с системой государственной экспертизы проектов. Архитектурная физика находится на стыке таких наук, как астрономия, метеорология и климатология, а поскольку архитектура служит для обеспечения жизнедеятельности человека и представляет основные материальные и культурные фонды любой страны, эта наука тесно связана с гигиеной, эстетикой, психологией, социологией и экономикой.
Содержание учебника отвечает современному уровню развития этой науки и учитывает многолетний опыт ее преподавания в Московском архитектурном институте, дискуссии, проведенные в последние годы в научных изданиях нашей страны и за рубежом, правительственные постановления по экологическим и градостроительным вопросам и программы Академии наук России по биосферным и экологическим исследованиям.
В каждой из основных частей учебника приводятся примеры проектирования комфортной среды из отечественной и зарубежной архитектурной и градостроительной практики.
Изучение курса сопровождается выполнением студентами учебноисследовательских работ, связанных с архитектурным проектированием городов и зданий. Для адаптации расчетных работ к реальным условиям творческой работы архитектора в учебнике приведены графические, табличные и справочные материалы.
Основные разделы учебника завершаются списками литературы, с помощью которых студенты и аспиранты могут расширить свои знания и освоить методы научно-исследовательских работ по архитектурной физике.
В учебнике использованы действующие нормативные документы и результаты новейших исследований отечественных и зарубежных ученых в области архитектуры, градостроительства, архитектурной физики и экологии.
Предисловие, введение и главы 3 и 5 написаны Н.В. Оболенским, главы 1 и 2 - В.К. Лицкевичем, глава 4 - Н.В. Оболенским и Н.И. Щепетковым, глава 6 - И.В. Мигалиной, главы 7 и 8 - А.Г. Осиповым, глава 9 -Л. И. Макриненко.
¹ По аналогии с критериями Витрувия «польза, прочность, красота» (обратим внимание на то, что даже Витрувий говорит о красоте здания только после пользы и прочности).
Скачать книгу . Книга выкладывается в научных и образовательных целях.