Na czym polega projektowanie konstrukcji? Czym zajmuje się inżynier budownictwa?

Wiele cytatów przypisuje się Albertowi Einsteinowi, między innymi taki: „Wszystko powinno być tak proste, jak to tylko możliwe, ale nie prostsze”.

Te słowa dobrze opisują ideę projektowania konstrukcji. Inżynierowie stoją przed wielkim wyzwaniem – jak przybliżyć rzeczywiste konstrukcje, aby przewidzieć jej zachowanie przy pomocy metod obliczeniowych. Modele stosowane do projektowania z założenia są uproszczeniem rzeczywistości, ale problem polega na balansie pomiędzy odwzorowaniem faktycznego stanu, a skomplikowaniem modelu.

Historia modelowania materiału i konstrukcji sięga starożytności. Brak dostatecznych dowodów, ale można przypuszczać, że starożytni Rzymianie, Grecy lub Egipcjanie potrafili w „naukowy” sposób opisać zachowanie niektórych elementów konstrukcji. Bezpieczniej jest jednak założyć, że opierali się oni głównie na doświadczeniu. Pewne jest za to, że pierwsze prace na temat obliczeniowego ujęcia pracy konstrukcji prowadzili Leonardo Da Vinci i Galileusz. Późniejszy rozwój nauki w tym kierunku to wiele osiągnięć w zakresie wytrzymałości materiałów, mechaniki budowli, mechaniki ośrodków ciągłych, teorii sprężystości i dziedzinach pokrewnych. Zaangażowanych w ten postęp było wielu wybitnych ludzi, bardzo często matematyków. Najnowsza historia wiąże się z metodami numerycznymi i tutaj kluczowe osiągnięcie to opracowanie metody elementów skończonych (warto zwrócić uwagę na wkład polskiego uczonego Olgierda Zienkiewicza).

Przykład

Dobrym przykładem przybliżenia (uproszczenia) jest powszechnie stosowany model materiału liniowo-sprężystego. W trakcie obliczeń najczęściej zakłada się, że materiał jest jednorodny, izotropowy i właśnie liniowo-sprężysty. Co to wszystko oznacza i jak wygląda w starciu z rzeczywistością?

Izotropia oznacza, że niezależnie od kierunku dany materiał ma jednakowe właściwości. Przykładem materiału dobrze znanego, a niepasującego do tego założenia jest drewno. Struktura drewna oparta o podłużne włókna jest wszystkim dobrze znana i fakt, że wykonany z niego element może mieć inne właściwości w kierunku równoległym i prostopadłym do włókien, jest dość intuicyjny.

Jednorodność, czyli ciągłość materiału (ośrodka) to pojęcie całkowicie abstrakcyjne, ale częściowo zgodne z naszym postrzeganiem rzeczywistości. Stal, która najbardziej odpowiada temu założeniu, w rzeczywistości składa się z ziaren, porów powietrza, różnych wtrąceń i zabrudzeń. W przypadku betonu czy gruntu (który także bywa w założeniach liniowo-sprężysty) oddalamy się od rzeczywistości jeszcze bardziej, a niejednorodność jest widoczna gołym okiem.

Sprężystość oznacza, że odkształcenie materiału jest nietrwałe. Najprościej przytoczyć przykład gąbki, która zmienia kształt przy nacisku, ale po zniknięciu obciążenia wraca do pierwotnej objętości. Liniowość oznacza że wspomniane odkształcenia rosną proporcjonalnie do przyłożonej siły, tzn. zależność siła-odkształcenia jest linowa. Takie zachowanie materiału opisuje prawo Hooke’a. W rzeczywistości wiele materiałów można tylko w przybliżeniu uznać za liniowe sprężyste, a dla wielu ten model opisuje jedynie zachowanie w pewnym zakresie obciążeń.

Skoro wszystkie te założenia są dyskusyjne, to czy stosowane sposoby obliczeń są bezpieczne? Tak, ponieważ teoria jest w tym przypadku uzupełniona o wiedzę doświadczalną. Badania laboratoryjne, a także istniejące konstrukcje stanowią kluczowy element wiedzy inżynierskiej i są najlepszym potwierdzeniem dla metod obliczeniowych.

Kluczowe określenia

Chcąc wiedzieć trochę więcej, niż przeciętny przechodzień, na temat projektowania konstrukcji budowlanych, warto znać kilka kluczowych pojęć:

• schemat statyczny – jest to przybliżenie konstrukcji lub jej elementu, która pozwala w obliczeniowych sposób określić siły wewnętrzne,
• siły wewnętrzne – wygodny obliczeniowo opis naprężeń (sił) jakie występują w danym elemencie (np. słup, belka),
• oddziaływania/obciążenia – jest to ogół wszystkich czynników powodujących pojawienie się sił wewnętrznych w elemencie, podstawowe to: ciężar własny, wiatr, śnieg czy obciążenie wynikające z użytkowania obiektu budowlanego,
• nośność, stateczność, użytkowalność – filary projektowania, przy czym nośność można rozumieć potocznie jako wytrzymałość konstrukcji, stateczność jako jej równowagę i odporność np. na przeciążenie, a użytkowalność jako zbiór wymagań związanych przede wszystkim z estetyką.

Podsumowanie

Kilka określeń powyżej stanowi jedynie wierzchołek góry lodowej. Trzeba wiedzieć, że za obecna wiedza inżynierska to zbiór dokonań wielu dziedzin nauki przez dziesiątki (a nawet setki) lat. Obejmuje to wiele spojrzeń na dane zagadnienie i mnóstwo narzędzi obliczeniowych. Dodatkowo wiedza ta cały czas się poszerza, pojawiają się nowe materiały, ale też nowe odkrycia naukowe. W niektórych przypadkach projektowanie ogranicza się do zastosowania wymagań zawartych w normach czy przepisach, jedna często jest to praca kreatywna, którą śmiało można nazwać sztuką.