1 Содержание. Введение........................................................................................................3 1.Физические воздействия на здание..........................................................3 2. Физические свойства строительных материалов...................................5 3. Выбор почвы для строительства здания.................................................8 4. Примеры физики в строительстве...........................................................9 Вывод............................................................................................................11 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................11 ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................13 2 Введение. Проект "Физика в архитектуре" является увлекательным исследованием взаимосвязи физических принципов и архитектурного дизайна. Его целью является изучение того, как физика влияет на форму, структуру и функциональность архитектурных объектов. Основной задачей проекта является исследование различных физических явлений, таких как гравитация, оптика, звуковые волны и теплопередача, и их влияние на архитектурное творчество. Мы стремимся раскрыть потенциал физики как вдохновения для создания инновационных и устойчивых архитектурных решений, способных находить гармонию между природой и технологией. В результате выполнения проекта мы планируем создать уникальные проекты, объединяющие в себе современные архитектурные концепции с фундаментальными законами физики, что поможет расширить представление об архитектуре и стимулирует к новым креативным исследованиям на стыке науки и искусства. Цели: 1. Исследование взаимосвязи между физическими законами и архитектурным дизайном для создания инновационных решений. 2. Применение принципов физики для улучшения устойчивости и энергоэффективности зданий. 3. Исследование физических явлений в контексте их влияния на акустику, освещение, теплоизоляцию и другие аспекты архитектуры. Задачи: 1. Провести обзор литературы и изучить существующие исследования в области взаимодействия физики и архитектуры. 2. Определить основные физические принципы, оказывающие влияние на архитектурное творчество, и выявить их применимость в проектах. 3. Разработать методики и инструменты для интеграции физических параметров в процесс проектирования и конструирования архитектурных объектов. 1.Физические воздействия на здание. В процессе строительства и эксплуатации здания подвергаются различным нагрузкам. Внешние воздействия можно разделить на две категории: силовые и несиловые, или воздействия окружающей среды. Воздействие сил включает в себя различные типы нагрузок (приложение 1): 3 Постоянные - за счет собственного веса (массы) конструктивного элемента, что обусловлено давлением грунта на подземный элемент; Временные (долгосрочные) нагрузки - за счет собственного веса стационарного оборудования, предметов длительного хранения и постоянных конструктивных элементов (например, перегородок); и Кратковременные - за счет веса (массы) мобильного оборудования (например, кранов в промышленных зданиях), людей, мебели, снега, ветра; специальные - например, сейсмические толчки, толчки, возникающие в результате отказа оборудования. К несиловым воздействиям относятся: Воздействие температуры, которое изменяет линейные размеры материалов и конструкций. Это вызывает силовые воздействия, а также влияет на температурный режим в помещении; Изменение свойств материалов строительных конструкций под действием атмосферной и грунтовой влажности, а также влажности паров в атмосфере и в воздухе на площадке; Движение воздуха, а также нагрузки (в случае ветра), проникающие в конструкцию и на площадку, изменяющие влажностный и температурный режимы; Изменение физико-технических свойств поверхностных слоев материалов и конструкций в результате локального нагрева под воздействием лучистой энергии солнца (солнечной радиации), изменяющего световой и тепловой режим в здании; Воздействие агрессивных химических примесей в воздухе. В присутствии влаги, которая может привести к разрушению материалов строительных конструкций (коррозионные явления); Биологическое воздействие микроорганизмов и насекомых. Это может привести к разрушению конструкций из органических строительных материалов; Воздействие звуковой энергии (шума) и вибрации изнутри и снаружи здания. В зависимости от места приложения силы, нагрузки можно разделить на сосредоточенные (например, вес оборудования) и равномерные (собственный вес, снег). 4 В зависимости от характера движения нагрузки можно разделить на статические, то есть те, величина которых остается постоянной во времени, и динамические (ударные). По направлению действия различают горизонтальные (давление ветра) и вертикальные (собственный вес). Таким образом, здания подвергаются самым разнообразным нагрузкам по величине, направлению, характеру воздействия и месту приложения. Могут быть такие сочетания нагрузок, что все они действуют в одном направлении и усиливают друг друга. Конструкция здания рассчитывается на такие неблагоприятные сочетания нагрузок. Справочные значения для всех сил, действующих на здание, приведены в ДБН или СНиП. Следует отметить, что воздействие на конструкцию начинается с момента изготовления и продолжается во время транспортировки, при строительстве здания и во время эксплуатации. 2.Физические свойства строительных материалов. Конструктивные элементы (например, деревянные, каменные, стальные и бетонные), воспринимающие основные нагрузки здания или сооружения, должны обеспечивать прочность, теплопроводность и устойчивость здания или сооружения. Чем выше конструкция здания, тем более жесткие требования предъявляются к ее устойчивости. Прочность - это способность материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, вызванным действием нагрузок и других факторов, без разрушения (Приложение 2). Знание показателя прочности позволяет правильно выбрать максимальную нагрузку, прикладываемую к тому или иному элементу конструкции. Прочность твердого тела обусловлена силами взаимодействия между атомами и ионами, входящими в его состав. Прочность зависит не только от самого материала, но и от типа напряженного состояния (например, растяжение, сжатие, изгиб) и условий эксплуатации (например, температура, воздействие окружающей среды). Прочность оценивается такими показателями, как предел прочности при растяжении. Для хрупких строительных материалов, таких как кирпич и бетон, основным показателем прочности является прочность на сжатие. Для металлических материалов более важны прочность на изгиб и растяжение. 5 Прочность материалов можно повысить с помощью термообработки, механической обработки, добавок в сплавы и облучения радиоактивными веществами. Устойчивость равновесия - это способность конструкции сохранять равновесное положение под нагрузкой. Равновесное положение конструкции устойчиво, если при незначительных отклонениях от него конструкция возвращается в исходное положение. Объект находится в устойчивом равновесном положении, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы опорной площадки (Приложение 3). Устойчивость равновесия можно повысить следующим образом 1. увеличить площадь опоры, расположив точки опоры дальше друг от друга. Лучше всего расположить точки опоры за пределами проекции тела на плоскость опоры. 2. если центр тяжести расположен ниже, чем площадь опоры, вертикальные линии с меньшей вероятностью выйдут за пределы площади опоры. Звукоизоляция - это комплекс мер по снижению уровня шума, проникающего в помещение извне. Количественная мера звукоизоляции ограждающих конструкций здания выражается в децибелах. Степень необходимости звукоизоляции напольного покрытия зависит от характеристик материалов, использованных при его строительстве, и соблюдения всех технических норм. Звукоизоляционные меры предназначены для борьбы с четырьмя типами шума Ударный шум возникает, когда конструкция помещения подвергается ударам и возникающие при этом вибрации передаются на стены и пол. Ударный шум вызывается ударами тяжелых предметов о пол, перемещением мебели, шагами и стенами. Звуковые колебания передаются через конструкции на все прилегающие стены, потолки и полы и поэтому могут передаваться на значительное расстояние. Воздушный шум распространяется по воздуху, но стены и полы недостаточно хорошо поглощают воздушные звуковые колебания. Звукопоглощающая способность стен и потолков зависит от их материала. Чем прочнее перегородки, тем эффективнее звукопоглощение. Воздушный шум обычно вызывается городским движением всех видов, автомобильными гудками и громкой музыкой. 6 Структурный шум вызывают трубы, вентиляционные шахты и другое коммуникационное оборудование, передающее вибрацию. Некоторые виды коммуникационного оборудования передают звук на большие расстояния. Акустический шум обычно возникает в необорудованных помещениях и проявляется в виде эха. Существуют различные типы звукоизоляционных материалов и конструкций, которые отличаются по своим физическим свойствам и способности защищать помещения от различных видов шума. Звукоизоляционные материалы отражают шум и препятствуют его дальнейшему распространению (Приложение 4). Звукоизоляционные материалы эффективно снижают уровень воздушного шума. К таким материалам относятся тяжелый бетон, силикатный кирпич, высокомассивные резиновые листы и другие материалы высокой плотности при условии, что они имеют достаточный вес и толщину. Звукоизолирующие конструкции более эффективны в сочетании со звукоизолирующими материалами, поскольку они рассчитаны на высокопроникающие звуковые волны. Эффективность звукоизоляционных конструкций важна благодаря использованию материалов и конструкций различной плотности и соблюдению правил герметичности. Современные деревянные окна - хороший пример звукоизолирующих конструкций. Благодаря использованию стекол различной толщины, увеличению количества воздушных камер и обеспечению полной герметичности конструкции, деревянные окна полностью изолируют интерьер от внешних звуков и шумов. Теплопроводность - это количество тепла, которое материал может провести за единицу времени. Другими словами, чем ниже этот коэффициент, тем хуже теплопроводность материала. И наоборот, чем выше этот показатель, тем лучше материал отводит тепло. Выбирая строительные материалы для строительства, следует обращать внимание на свойства материала. Важной позицией является теплопроводность. Она выражается в виде коэффициента, называемого теплопроводностью. Материалы с низкой теплопроводностью используются для теплоизоляции, а материалы с высокой теплопроводностью - для передачи и распределения тепла. Например, радиаторы изготавливаются из алюминия, меди и стали, потому что эти материалы хорошо передают тепло, то есть обладают высокой теплопроводностью. Изоляция изготавливается из материалов с низкой теплопроводностью. Если объект изготовлен из нескольких материалов, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. 7 В качестве изоляционных материалов используются минеральная вата, базальтовая вата и пенопласт. 3.Выбор почвы для строительства здания. Тип грунта - важный фактор, который необходимо учитывать в процессе проектирования зданий. Для определения его свойств проводятся инженерные и геотехнические изыскания. Грунты оцениваются по различным параметрам, которые позволяют определить надежность типа грунта. В первую очередь проверяется прочность, регистрируются данные об устойчивости и уклоне. Некоторые виды грунта склонны к быстрому промерзанию и эрозии, что приводит к сползанию и оседанию фундамента. Самостоятельно рассчитывать надежность не стоит. Основание фундамента должно обладать следующими характеристиками Он должен быть ровным и обладать низкой сжимаемостью, чтобы не происходило оседание дома. Он устойчив к воздействию грунтовых вод и защищает фундамент от влияния влаги. Неподвижность и хорошая несущая способность для обеспечения устойчивости дома. Неожиданное поведение грунтов в экстремальных условиях может быть опасным для фундамента, поэтому необходимо заранее знать, чего ожидать в будущем. Специалисты выделяют четыре основных типа грунта. Скальные. На сегодняшний день это самые надежные грунты. Они прочные, не подвержены влиянию грунтовых вод и не деформируются от больших нагрузок. Они морозоустойчивы и практически не проседают под давлением фундамента; Песчаный. Хорошо пропускает воду, не расширяется и медленно оседает. Песок обладает отличной несущей способностью. Важно рассчитать степень оседания до начала строительства и полагаться на тип фундамента, предназначенный для таких грунтов; Глина. Глинистые грунты состоят из очень мелких частиц, называемых глинистыми минералами. Благодаря своей пористой структуре эти грунты хорошо удерживают воду, что может привести к разбуханию и разрушению фундамента. Однако дренажные работы могут устранить этот недостаток. 8 Мягкокостные. Мягкие костные грунты состоят в основном из камней, гравия и щебня. Они практически не промерзают, не расширяются и выдерживают большие нагрузки. 4.Примеры физики в строительстве. 1. Бурдж-Халифа. Бурдж-Халифа - самое высокое здание в мире. Его полная высота составляет 828 метров. Площадь здания эквивалентна 17 футбольным полям. Для строительства этой гигантской конструкции был разработан специальный предварительно напряженный железобетон, способный выдерживать температуру до +50°C. Главная особенность этого бетона - способность выдерживать большие растягивающие напряжения. В отличие от небоскребов Нью-Йорка, фундамент Бурдж-Халифы не закреплен на скальном грунте. Фундамент здания состоит из подвесных свай длиной 45 метров и диаметром 1,5 метра. Всего насчитывается около 200 свай. Чем выше стальной каркас здания, тем больше оно подвержено воздействию ветра. В свое время было найдено решение перенести металлический каркас наружу, чтобы создать своего рода внешнюю раму. Однако на высоте 800 метров жесткий экзоскелет уже не может эффективно противостоять ветру. Сильные ветры чрезвычайно опасны для небоскребов. Воздушные потоки вокруг здания создают мини-вихри и вихри. Вместо того чтобы бороться с ветром, архитекторы нашли собственное решение, перейдя от плоской прямоугольной формы к более непредсказуемой. Секции башни спроектированы таким образом, чтобы изгибаться в разных направлениях. Это позволяет вихревым силам рассеиваться. Ветер, дующий вокруг БурджХалифы, никогда не является единым потоком. Вихри движутся с разной скоростью вокруг каждой секции здания Останкинская башня в Москве - внешне легкое и элегантное сооружение высотой 533 метра, которое хорошо вписывается в окружающий ландшафт. Вместе со своим фундаментом башня имеет массу 55 000 тонн. Почему она прочная? Основание башни опирается на десять железобетонных опор, заглубленных на 4 метра в землю на круглом фундаменте с внешним диаметром 74 метра. Такие фундаменты обеспечивают шестикратный запас прочности против опрокидывания. Был выбран двукратный запас прочности против опрокидывания. Это связано с тем, что амплитуда колебаний на вершине башни во время сильного ветра может достигать 3,5 метра. Проектировщики Останкинской телебашни утверждали, что башня очень 9 прочная. Три четверти общего веса башни приходится на одну девятую ее высоты. Три четверти общего веса башни сосредоточено в девятой части ее высоты. Чтобы опрокинуть такую башню, потребуется огромная сила. 2. История памятника Петру I как вопрос равновесия: На протяжении двухсот лет Петр I шествовал по Неве, им восхищались, о нем писали стихи и прозу, его изображали в скульптурах и картинах. Во дворе мастерской архитекторы соорудили площадку в виде пьедестала. На эту платформу взлетали лучшие наездники на лучших лошадях. После сотен взлетов скульпторы, наконец, не поняли, что вздыбленная лошадь не может опираться на два столба. Решение было очевидным. Чтобы повысить устойчивость скульптуры, нужно увеличить площадь постамента, то есть добавить еще одну точку опоры. Так же считали и студенты. Под копытом задней ноги коня находится змея, символизирующая поверженного врага России и служащая той самой третьей точкой опоры. 3. Эйфелева башня. В 1889 г. в Париже по проекту Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая башня, ставшая символом столицы Франции. Эта конструкция является ярким примером единства закона формообразования естественных и искусственных структур. Ученые обнаружили, что распределение силовых линий в конструкциях башни и в берцовой кости человека идентично, хотя при создании инженер не пользовался живыми моделями. 4. Пизанская башня Наклон башни оказался полезным. В последние столетия он привлекает потоки туристов, а в XVII веке профессор Пизанского университета, придворный философ герцога Козимо II Медичи - Галилео Галилей - бросал с башни шары различной массы, проверяя свои гипотезы о природе свободного падения. При отклонении почти в 4 метра, башня устояла при землетрясении 14 августа 1846 г, не пострадала она и при бомбардировках в годы Второй мировой войны, хотя казалось, достаточно легкого толчка для ее падения. В настоящий момент грунт под основанием башни просел примерно на 10 метров, башня отклонена от вертикали на 4,2 м. Угол наклона увеличивается на 1,1° каждые десять лет. В ожидании катастрофы за башней наблюдают несколько видеокамер-автоматов различных телеканалов. Будем надеяться, однако, что им не придется заснять ничего ужасного: несколько лет назад проведена реконструкция здания, фундамент укреплен, а на колокольню снова пускают туристов. 10 5. Останкинская башня Высота Останкинской башни, построенной в 1967 г. Достигла 539 м., она и сейчас сохраняет 1-е место среди высотных сооружений в России. Пределы прочности у нее фантастические: башня обладает столь сильным полем, что отталкивает от себя электрический разряд - молнии уходят параллельно стволу и бьют в землю, она в состоянии выдержать 8-балльное по шкале Рихтера землетрясение, ураганный ветер силой до 44 м в секунду, а также отклонение вершины в радиусе до 14 м. Каждый материал обладает многими физико-техническими качествами (плотность, хрупкость, теплопроводность, морозостойкость и т.д.) Также в основе архитектурного строительства лежат законы статики – раздела механики в курсе физики. Для строительства Эйфелевой башни использовалась сталь. А основной материал, используемый при строительстве Останкинской телебашни – это железобетон. И Эйфелева, и Останкинская башни используются для радиопередачи и телевещания. 6. Пизанская башня. Пизанская башня явилась местом великих открытий Галилео Галилея. На ней он проводил свои опыты, бросая с нее вниз ядра разной массы и тем самым, вывел закон свободного падения тел. Вывод. Роль физики в современной архитектуре несомненно важна, она влияет на все аспекты проектирования и строительства зданий, начиная с выбора материалов и заканчивая оценкой аэродинамических и термодинамических характеристик. Физика играет важную роль в современной архитектуре, помогая создавать инновационные и устойчивые здания, сочетающие в себе эстетику, функциональность и экологическую ответственность. Интегрируя принципы физики в процесс проектирования, архитекторы и инженеры могут создавать здания, отвечающие современным потребностям общества и природы. Список литературы. 1. Ливенцов М.А. «Климатические условия и их влияние на особенности проектирования зданий и сооружений». Московский государственный строительный университет. г. Москва, 2018 г. 11 2. Сулейманов Е.В. «Свойства материалов и методы их прогнозирования». Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Физикохимические основы нанотехнологий». Нижний Новгород, 2007 г. 3. Я.И. Перельман «Занимательная физика» Москва «Наука» 1982г. 4. Чудновский А.Ф.: Теплофизические характеристики дисперсных материалов. - М.: Госфизматиздат, 1962 5. Костко О.К. Физика для строительных и архитектурных вузов. Ростов-на Дону: «Феникс», 2004. 6. Гусев Н.М. Основы строительной физики. М.: Стройиздат, 1975. 7. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: «Высшая школа», 2004. 8. Омаров С.С. Архитектурно-строительная акустика. Алматы: КазГАСА, 1991. 9. Богословский В.Н.. Строительная теплофизика. М.: «Высшая школа», 1982. 10. Строительная физика в XXI веке. Материалы научно-технической конференции. М: НИИСФ РААСН. 2006. 11. Омаров С.С. и др. МУ к курсовой работе по разделу «Архитектурная светотехника» - Алматы: КазГАСА.- 2002. 12. Омаров С.С. и др. МУ к курсовой работе по разделу «Архитектурная акустика» - Алматы: КазГАСА.- 2002. 13. Сайт «Культура.РФ». https://www.culture.ru/architecture 14. Сайт «Architect.ru». https://www.architect4u.ru/articles.html 15. Сайт журнала «Arzamas». https://arzamas.academy/themes/architecture 16. Сайт «Cyberlenika» https://cyberleninka.ru/article/c/civil-engineering 12 Приложение 1. Приложение 2. 13 Приложение 3. Приложение 4. 14 15
