Самарский государственный архитектурно-строительный университет (СГАСУ) с 1997 года приступил к подготовке бакалавров и магистров по специальности «Теория и проектирование зданий и сооружений» на 5-м и 6-м годах обучения. Для подготовки магистров в Самарском архитектурно-строительном университете организован деканат магистерской подготовки. «Металлические и деревянные конструкции».
Двухгодичная подготовка обеспечивает высокий теоретический уровень знаний магистрантов. Однако после окончания магистратуры для успешной работы на производстве, обучения в аспирантуре и дальнейшей работы на кафедрах, связанных с проектированием и производством конструкций, требуется инженерный опыт и знания. Поэтому кафедра «Металлические и деревянные конструкции» СГАСУ по согласованию с руководством университета проводят на 5-м году обучения параллельную инженерную подготовку магистрантов с выполнением дипломных проектов, как правило, реальных, выполняемых по хоздоговорам с предприятиями. При этом в дипломные работы, выполняемые магистрантами, включаются элементы научных исследований.
Главным итогом обучения в магистратуре является подготовка и защита магистерской диссертации. Магистерская диссертация содержит элементы научных исследований. Однако эти исследования направлены на достижение практических результатов в проектировании строительных конструкций и, как правило, связаны с инженерными проработками.
К сожалению, при подготовке магистрантов кафедра сталкивается с проблемами, связанными с особенностями бакалаврской подготовки. Предлагаемые государственные стандарты массовой подготовки бакалавров в строительстве предполагают освоение только самых общих проблем строительной механики и строительных конструкций. Разделы строительной механики, связанные с анализом устойчивости и динамики, а также курсы конструкций предполагается в сильно урезанном виде перенести из обязательных дисциплин в разделы по выбору вуза. Количество выделяемых часов на аудиторные и самостоятельные занятия при этом существенно ограничивается.
В настоящее время при подготовке специалистов изучение вопросов устойчивости и динамики рассматривается в курсе строительной механики в отрыве от проектирования строительных конструкций. Очевидно, что в новых условиях, когда бакалаврскую подготовку предполагается ограничить «ознакомительными» курсами, а магистерская подготовка продолжается всего 1,5-2 года, для повышения качества обучения необходимо разрабатывать новые методические пособия, отличающиеся объединением достаточно глубокого изложения теоретических основ строительной механики и соответствующих разделов, связанных с проектированием строительных конструкций.
В процессе длительной работы по подготовке магистров в Строительном институте Самарского архитектурно-строительного университета (СГАСУ) кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» совместно с деканатом магистерской подготовки сформировались программы, курсы дисциплин и учебные планы, предусматривающие объединение углубленных теоретических знаний с практическими требованиями к проектированию конструкций.
Для обеспечения глубокой связи теоретических положений в области динамики с практическими задачами, возникающими при определении динамических воздействий на здания и сооружения, на кафедре «Металлические и деревянные конструкции» СГАСУ под руководством и при непосредственном участии академика РАЕ И.С.Холопова разработан курс лекций «РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ».
Предлагаемый курс лекций насыщен многочисленными примерами расчета строительных конструкций на динамические нагрузки. Данная работа включает материал, излагаемый автором магистрантам строительного профиля (специализация 550101 "Теория и проектирование зданий и сооружений") при чтении курса лекций "Конструирование, расчет и реконструкция сооружений при динамических воздействиях" (6-й курс, 11-й семестр). Лекция 10 написана проф. М.Д.Мосесовым, лекция 13 написана автором при участии асп. Д.Д.Чернышева, л. 14 совместно с Р.А.Улицкой.
В предлагаемом курсе лекций отражаются вопросы, связанные с проблемами расчета сооружений на динамические воздействия различного вида. Описаны основные методы решения дифференциальных уравнений, характеризующих колебательные процессы. Рассматриваются свободные и вынужденные колебания систем с одной степенью свободы при действии гармонических и импульсных нагрузок.
Ряд разделов посвящен практическому изучению методик расчета активной и пассивной виброизоляции. Описываются основные типы приборов для экспериментального изучения динамических процессов. Приводится методика решения задач с несколькими степенями свободы при действии детерминированных динамических нагрузок на основе разложения по собственным формам колебаний.
Особое внимание уделено изучению частотного анализа. Изложены основы теории случайных процессов и вопросы, связанные с определением случайной ветровой нагрузки на здания и сооружения, разработкой и использованием соответствующих нормативных документов. Рассматриваются современные подходы учета вероятностных свойств ветровой нагрузки при определении реакции сооружений с большим количеством степеней свободы.
Выполнен исторический обзор развития методик определения сейсмической нагрузки на здания и сооружения. Описаны различные методики сейсмического анализа, в том числе методика на основе разложения по собственным формам и методики расчета на основе пошагового интегрирования дифференциальных уравнений. Рассматриваются также нормативные методики расчета и их связь с теоретическими задачами динамического расчета.
При изучении курса предполагается владение основами строительной механики в области статического расчета и знаниями математики в объеме вузовского (бакалаврского) курса.
В процессе изучения курса предусматриваются практические занятия и выполнение курсовой работы по расчету и проектированию активной и пассивной виброизоляции и расчету плоских рам на основе разложения решения по собственным формам. При этом производится сопоставление полученных в курсовой работе с использованием программы MathCad результатов с аналогичными решениями, полученными магистрантами, на основе известных вычислительных комплексов (ЛИРА, СКАД, СТАРК и др.)
Курс лекций используется магистрантами строительного профиля (специализация 550101 "Теория и проектирование зданий и сооружений"). Его можно использовать также при изучении разделов строительной механики студентами строительных специальностей (290300 «промышленное и гражданское строительство», 290301 «городское строительство и хозяйство», 270200 «Транспортное строительство», 291300 «механизация и автоматизация в строительстве») и рядом других.
Предлагаемый курс лекций рекомендуется для использования научными работниками, аспирантами, а также при повышении квалификации проектировщиками.
Подготовка бакалавров, магистров на кафедре «Металлические и деревянные конструкции» Самарского государственного архитектурно-строительного университета показывает, что переход на двухуровневую систему обучения должен сопровождаться значительной инновационной работой по созданию нового методического комплекса для обучения магистрантов и бакалавров. При разработке новых пособий и учебников необходимо опираться на новые государственные стандарты и собственный опыт подготовки бакалавров, магистров и специалистов, а также на опыт по повышению квалификации кадров строительного профиля.
Необходимо также сохранить лучшие традиции одноступенчатой системы образования, используя богатейший отечественный и зарубежный опыт.
В заключение приведем краткое содержание курса лекций
|
Лекция 1 |
Общие понятия о динамическом анализе |
|
1.1 |
Цель динамического анализа |
|
1.2 |
Виды хорошо определенных нагрузок |
|
1.3 |
Основные характеристики задач динамики |
|
1.4 |
Методы дискретизации |
|
1.4.1 |
Метод сосредоточенных масс |
|
1.4.2 |
Обобщенные перемещения |
|
1.4.3 |
Метод конечных элементов (МКЭ) |
|
1.5 |
Общие методы вывода уравнений движения |
|
1.6 |
Расчетные динамические модели |
|
|
|
|
Лекция 2 |
Системы с 1-й степенью свободы |
|
2.1 |
Цель динамического анализа |
|
2.2 |
Примеры. Использование принципа Даламбера |
|
2.3 |
Использование принципа Гамильтона |
|
2.4 |
Двумерные задачи |
|
|
|
|
Лекция 3 |
Реакция систем при динамических воздействиях общего вида |
|
3.1 |
Решение однородного дифференциального уравнения |
|
3.1.1 |
Общая методика решения однородного дифференциального уравнения с учетом затухания |
|
3.1.2 |
Свободные колебания без учета затухания |
|
3.1.3 |
Свободные колебания с учетом затухания |
|
3.1.4 |
Пример. Определение параметров затухания |
|
3.2 |
Общая методика решения неоднородного дифференциального уравнения |
|
3.3 |
Иллюстрация решения неоднородного дифференциального уравнения. Интеграл Дюамеля. Коэффициент динамичности |
|
|
|
|
Лекция 4 |
Реакция систем с одной степенью свободы при гармонических воздействиях |
|
4.1 |
Недемпфированная система |
|
4.2 |
Демпфированная система |
|
4.3 |
Пример. Определение динамических характеристик сооружения |
|
4.4 |
Резонансный режим |
|
|
|
|
Лекция 5 |
Виброизоляция (виброзащита) |
|
5.1 |
Вибрации и виброизоляция |
|
5.2 |
Активная виброизоляция |
|
5.3 |
Пассивная виброизоляция |
|
5.4 |
Проектирование виброизоляции |
|
5.5 |
Расчет характеристик пружинных демпферов |
|
5.6 |
Примеры расчета виброизоляции |
|
|
|
|
Лекция 6 |
Динамические гасители колебаний |
|
6.1 |
Динамический гаситель без учета демпфирования |
|
6.2 |
Динамический гаситель с учетом демпфирования |
|
6.3 |
Пример расчета динамического гасителя для активной виброзащиты |
|
6.4 |
Пример расчета динамического гасителя для пассивной виброзащиты |
|
|
|
|
Лекция 7 |
Реакция системы с одной степенью свободы при импульсных и непериодических нагрузках |
|
7.1 |
Мгновенный импульс |
|
7.2 |
Сила, действующая за короткий отрезок времени |
|
7.3 |
Внезапно приложенная нагрузка |
|
7.4 |
Внезапно приложенная нагрузка при t=0 и удаленная при t=τ |
|
7.5 |
Периодическое повторное нагружение |
|
7.6 |
Реакция при линейном возрастании возмущающей нагрузки |
|
7.7 |
Реакция при линейном возрастании возмущающей нагрузки и затем постоянной |
|
7.8 |
Линейно убывающая нагрузка (взрыв) |
|
7.9 |
Реакция от синусоидальной импульсной нагрузки |
|
7.10 |
Приближенный метод определения реакций при импульсной нагрузке. Спектры реакций |
|
|
|
|
Лекция 8 |
Удар |
|
8.1 |
Общие понятия об ударе |
|
8.2 |
Удар абсолютно твердого тела об упругую невесомую преграду |
|
8.3 |
Примеры расчета конструкций при ударном воздействии |
|
8.4 |
Неупругий удар (прилипание) |
|
8.5 |
Удар падающего тела по упругой балке с распределенной массой |
|
|
|
|
Лекция 9 |
Реакция системы с одной степенью свободы при произвольных периодических нагрузках |
|
9.1 |
Представление нагрузки в виде ряда Фурье |
|
9.2 |
Реакция системы при нагрузках, представляемых рядами Фурье |
|
9.3 |
Другая форма ряда Фурье |
|
9.4 |
Экспоненциальная (комплексная) форма решения при воздействии в виде рядов Фурье. Передаточная функция |
|
9.5 |
Частотный анализ систем |
|
|
|
|
Лекция 10 |
Основы виброметрии |
|
10.1 |
Теоретические основы устройства измерительных приборов |
|
10.2 |
Конструкции измерительных приборов |
|
10.3 |
Калибровка измерительной аппаратуры |
|
10.4 |
Нагрузочные устройства |
|
10.5 |
Проведение динамических испытаний |
|
10.6 |
Регистрация показаний измерительных приборов |
|
|
|
|
Лекция 11 |
Расчет линейных системы с большим количеством степеней свободы при динамических воздействиях |
|
11.1 |
Формирование исходных уравнений |
|
11.2 |
Использование метода конечных элементов для построения матриц жесткости, матриц инерционных коэффициентов, затухания |
|
11.3 |
Анализ частот и форм собственных колебаний |
|
11.4 |
Пример определения частот и форм собственных колебаний |
|
11.5 |
Образование несвязанных уравнений колебаний и их решение |
|
11.6 |
Нормирование векторов собственных форм колебаний |
|
11.7 |
Пример решения задачи на основе разделения на несвязанные уравнения |
|
|
|
|
Лекция 12 |
Cлучайные процессы и случайные воздействия |
|
12.1 |
Фундаментальные соотношения теории вероятности |
|
12.2 |
Случайные величины и распределения вероятностей |
|
12.3 |
Характеристики случайной величины |
|
12.4 |
Случайные функции и их характеристики |
|
12.5 |
Стационарные случайные функции и случайные процессы |
|
12.6 |
Распределение вероятности максимальных значений нормального стационарного случайного сигнала |
|
|
|
|
Лекция 13 |
Основные положения расчета зданий и сооружений на ветровую нагрузку |
|
13.1 |
Ветровые воздействия на сооружения |
|
13.2 |
Случайные процессы и спектры пульсации компонент скорости ветра |
|
13.3 |
Динамический расчет конструкций на ветровую нагрузку |
|
13.4 |
Определение эквивалентной статической нагрузки при пульсации ветра |
|
13.5 |
Расчет конструкций на ветровую нагрузку по СНиП с использованием ЭВМ |
|
13.6 |
Полная динамическая реакция на действие ветра как сумма квазистатической и резонансной составляющих |
|
Лекция 14 |
Основные направления в методике расчета сооружений и оборудования на сейсмостойкость |
|
14.1 |
Основные характеристики землетрясений |
|
14.2 |
Краткая история развития теории расчета |
|
14.3 |
Представление сейсмического воздействия в виде случайного процесса |
|
14.4 |
Влияние рассеяния энергии на колебания системы |
|
|
|
|
Лекция 15 |
Расчетные модели и методы решения задач сейсмостойкости |
|
15.1 |
Формирование исходных уравнений при сейсмическом воздействии |
|
15.2 |
Расчетная модель сложной системы при использовании акселерограмм и спектров ускорений |
|
15.3 |
Численные методы пошагового интегрирования системы дифференциальных уравнений |
|
15.3.1 |
Уравнения колебаний в приращениях |
|
15.3.2 |
Метод центральных разностей |
|
15.3.3 |
Метод Рунге-Кутта |
|
15.4 |
Частотный анализ при определении сейсмической реакции |