Физика в современной архитектуре

Государственное бюджетное образовательное учреждение лицей №150

Калининского района Санкт-Петербурга

ФИЗИКА В СОВРЕМЕННОЙ АРХИТЕКТУРЕ

Работу выполнила:

Галактионова Апполинария Сергеевна

Учащаяся 10 "А" класса

Руководитель: Бородуля Наталья Александровна

Учитель физики

Санкт-Петербург,

2022 г.

В современном мире архитектура и строительство являются одними из самых значимых и востребованных специальностей. Любое архитектурное сооружение, определяющее облик современного города, требует множества различных знаний и технологий для его реализации: не только творческих, но и научных. Однако, не все, кто желает получить архитектурное, инженерное образование, понимают, какие знания из курса физики им необходимы для этой работы, какие физические законы, свойства, реакции они должны изучить на более глубоком, а не на поверхностном уровне.

Физика – это наука, о природе, практически во всех ее областях. Она изучает механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые явления, которые применяются практически во всех научных направлениях. В такой важной науке как архитектура используются различные законы физики. Любая форма вещества неизбежно подвергается действию физических процессов. В основе выбора архитектурной композиции лежит знание многих законов физики: надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий (приложение 1).

Архитектура - искусство проектировать и строить объекты, оформляющие пространственную среду для жизни и деятельности человека. Произведения архитектуры - общественные здания, жилые дома, а также сооружения, организующие открытые пространства: монументы, террасы, набережные и т.п. Сама архитектура относится к той области человеческой деятельности, где особенно прочен союз науки, техники и искусства. В архитектуре взаимосвязаны функциональное, техническое и художественное начала (т.е. польза, прочность, красота).

Основная задача архитектора состоит в выработке новых архитектурных идей, создание концепции здания, его облик и соединение всех критериев воедино. Несмотря на все требования к функциональным свойствам построек, архитектор, в первую очередь, это творец. Его главной задачей является создание новых инновационных идей в плане зданий, комплексов и сооружений.

Стили архитектуры - единая совокупность черт и признаков произведения архитектуры присущие определенному времени и месту. Архитектурные стили формируются с помощью особенностей, свойств и возможностей различных исторических периодов страны или региона.

Основные базовые стили:

1. Античная архитектура (греческая ордерная система, римская ячейка);

2. Средневековая архитектура (романский стиль, готика);

3. Архитектура нового времени (барокко, классицизм, модерн);

4. Архитектура новейшего времени (конструктивизм).

Архитектура, как часть искусства, имеет свои виды:

1. Архитектура объемных сооружений (жилые дома, общественные здания, промышленные сооружения, культовые постройки, крепостные постройки);

2. Ландшафтная архитектура (скверы, бульвары и парки с фонтанами, мостиками и т.д.);

3. Градостроительство (создание нового и реконструкция старого).

Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно обеспечивать прочность, теплопроводность и устойчивость зданий и сооружений.

Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости. 

Прочность - это способность материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов (приложение 2). Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные нагрузки, которые может воспринимать данный конструктивный элемент. Прочность твёрдых тел обусловлена силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), от условий эксплуатации (температура, воздействие окружающей среды и т. д.).

Прочность оценивается таким показателем как предел прочности. Для хрупких строительных материалов, таких как кирпич или бетон, основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии. Для металлических материалов более важной считается прочность при изгибе и растяжении.

Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением добавок в сплавы и радиоактивным облучением.

Устойчивость равновесия - это способность конструкции сохранять положение равновесия под нагрузкой. Положение равновесия конструкции устойчиво в том случае, если, получив незначительное отклонение от этого положения, конструкция снова к нему возвращается. Тело находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры (приложение 3).

Повысить устойчивость равновесия можно следующими способами:

1. Следует увеличить площадь опоры, размещая точки опоры дальше друг от друга. Лучше всего, если они будут вынесены за границу проекции тела на плоскость опоры.

2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры

Звукоизоляция – это совокупность мероприятий по снижению уровня шума, проникающего в помещения извне. Количественная мера звукоизоляции ограждающих конструкций выражается в децибелах. Степень необходимости звукоизоляции перекрытий зависит от характеристик используемых в строительстве материалов и соблюдения всех технологических норм.

Меры по звукоизоляции помещений призваны бороться с четырьмя видами шумов:

• Ударный шум возникает, когда конструкция помещения принимает удар и рождаемые при этом колебания передаются на стены или перекрытия. Ударный шум возникает при ударах о пол тяжелых предметов, перемещении мебели, звуке шагов, ударах по стене. По конструкциям звуковые колебания могут распространяться достаточно далеко, так как они передаются на все смежные стены, потолки и полы.

• Воздушный шум распространяется по воздуху, но стены и перекрытия поглощают воздушные звуковые колебания недостаточно хорошо. Способность поглощать звуки стенами и перекрытиями зависит от того материала, из которого они состоят. Чем массивней перегородки, тем большим звукоизоляционным эффектом они обладают. Причиной возникновения в помещениях воздушного шума чаще всего являются потоки всех видов городского транспорта, автомобильные сирены, громкая музыка.

• Структурный шум возникает при передаче вибраций трубами, шахтами вентиляции и другими элементами коммуникаций. Некоторые элементы коммуникаций могут передавать звуки на большие расстояния.

• Акустический шум чаще всего возникает в необустроенных помещениях и проявляется в виде эха.

 Существуют различные звукоизоляционные материалы и звукоизоляционные конструкции, различающиеся по физическим характеристикам и способности защищать помещение от разного шума .

Звукоизоляционные материалы отражают шумы, препятствуя дальнейшему распространению звука (приложение 4). Они эффективны при борьбе с воздушным шумом. К таким материалам относятся тяжёлый бетон, силикатный кирпич, слои резины высокой массы и другие высокоплотные материалы, при условии их достаточного веса и толщины.

Звукоизоляционные конструкции более эффективны наряду со звукоизоляционными материалами, поскольку рассчитаны звуковые волны, обладающие высокими проникающими свойствами. За счёт применения в звукоизоляционных конструкциях материалов разной плотности и структуры, а также соблюдения правил герметичности, эффективность значительно. Наглядным примером звукоизоляционной конструкции может быть современное деревянное окно. Благодаря использованию стёкол разной толщины, увеличению количества воздушных камер и обеспечению полной герметичности конструкции деревянные окна отлично изолируют помещение от посторонних звуков и шумов.

Теплопроводность - количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше. При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности.

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. В качестве утеплителей применяются такие материалы, как минеральная вата, базальтовая вата или пенопласт.

Вид грунта — важный фактор, на который следует обратить внимание в процессе проектирования любой постройки. Для определения его свойств проводятся инженерно-геологические изыскания. Грунты оценивают по нескольким параметрам, позволяющим узнать надежность типа почвы. Для начала следует проверить ее на прочность, зафиксировать данные об устойчивости и уклоне. Некоторые типы грунтов имеют склонность к быстрому промерзанию или размытию, что приводит к сдвигам и оседанию фундамента. Производить расчет надежности самостоятельно не стоит, заниматься этим должны только специалисты.

Основание под фундамент должно обладать такими качествами:

• Равномерная и незначительная сжимаемость, за счет чего исключается проседание дома

• Стойкость к грунтовым водам, что убережет фундамент от влияния влаги

• Неподвижность и хорошая несущая способность для обеспечения устойчивости дома

Поскольку для фундамента опасно любое непредвиденное поведение почвы в суровых условиях, необходимо заранее знать, чего можно ожидать в будущем. Специалисты выделяют четыре основных вида грунта (приложение 5):

• Скалистый. Это самый надежный грунт в настоящий момент. Он прочный, не поддается воздействию подземных вод и не деформируется даже при сильных нагрузках. Стойко переносит заморозки, практически не оседает из-за давления фундамента;

• Песчаный. Хорошо пропускает воду, поэтому не вспучивается, но постепенно проседает. Песок имеет хорошую несущую способность. Важно рассчитать уровень проседания до начала строительства и прибегнуть к типу фундамента, предназначенного для этого типа земли;

• Глинистый. Глинистые почвы состоят из очень мелких частиц - глинистых минералов. За счет пористой структуры такая почва хорошо удерживает влагу, из-за чего вероятны вспучивания и разрушение фундамента. Однако, при проведении дренажных работ, этот недостаток удается исключить.

• Хрящеватый. Хрящеватые почвы состоят в основном из камней, гравия и щебня. Они практически не промерзают, не вспучиваются и могут выносить большие нагрузки.

1. Влияние климата на постройку зданий

При проектировании дома необходимо учесть множество факторов, и один из этих факторов – влияние климата на строительство. От того, в какой климатической зоне происходит стройка, зависят многие конструктивные решения здания: толщина стены, выбор утеплителя и так далее.

При строительстве жилого дома важно в полной мере учесть природно-климатические условия района строительства, которые существенно влияют на принятие правильных инженерных решений. К факторам, связанным с природно-климатическими условиями, относят температуру и влажность наружного воздуха, высоту снегового покрова, преобладающее направление ветра, глубину сезонного промерзания грунта, уровень грунтовых вод (приложение 6).

На территории России выделяют 4 климатических района, 16 подрайонов (приложение 7). Требования к строительству в этих зонах разные и определяются климатическими факторами.

Температурный режим. Проектирование и строительство ведется так, чтобы компенсировать резкие колебания температур, исключить вероятность перегрева на юге и переохлаждения на севере.

Для первого, второго климатических районов (холодный климат) применяют определенные решения:

• для обустройства технических и других помещений не возводят отдельные постройки;

• при возведении группы зданий их соединяют крытыми переходами;

• использование многослойных ограждающих конструкций

Для третьего, четвертого районов с жарким климатом используется другой подход к строительству:

• обустройство открытых помещений в составе зданий (террас, балконов, лоджий);

• вынос хозяйственных, технических объектов за пределы основного здания;

• использование озеленения и обводнения

• использование эффективной вентиляции, кондиционирования внутренних помещений.

При частых переходах температуры через 0°C используют материалы, стойкие к перепадам, сохраняющие свои свойства при замерзании и оттаивании.

Температурный режим влияет на глубину промерзания грунта и требования к обустройству фундаментов, подведению коммуникаций. Водопроводные, канализационные трубы укладывают ниже глубины промерзания. Дополнительно для них могут использоваться теплоизоляционные материалы. Подошва фундамента также должна располагаться ниже отметки глубины промерзания.

Следующий параметр - показатели влажности: относительная влажность воздуха, средние значения объема осадков (дождей, снега), показатели увлажненности почвы, их колебания в течение года.

Территорию России делят на 3 зоны: сухая, влажная, нормальная. При строительстве во влажной зоне обеспечивают:

• отвод воды с кровли;

• водоотвод на территории;

• распределение снеговую нагрузку и защита от схода снега с крыши;

• гидроизоляцию фундамента, подвалов, цокольных этажей, кровли, стен и т.д.

Еще один параметр - ветровой режим. Проектирование выполняют с учетом розы ветров.

При комплексной застройке ветровой режим влияет на взаимное расположение отдельных объектов. Для усиления циркуляции воздуха между строениями оставляют больше пространства. В местности с сильными ветрами застройку уплотняют, чтобы исключить выдувание тепла.

Строительство с учетом ветрового режима:

• расположение, размеры окон, отверстий вентиляции корректируют в зависимости от направления ветра. С наветренной стороны площадь остекления меньше, чем с подветренной;

• ориентация строения, конструкция, расположение кровли соответствуют направлению ветра так, чтобы исключить выдувание тепла;

• для района с сильными ветрами используют ограждающие конструкции с надежным креплением, минимальной парусностью, хорошими показателями ветровой стойкости;

• если ветер переносит влагу, пыль, предусматривают обустройство ветрозащиты, экранирующих конструкций или просветы, пустоты в здании на всю глубину корпуса.

И последний пример - инсоляция территории. Это — уровень освещенности, вероятность облачности и чистого неба, интенсивность действия солнечной радиации (приложение 8).

Влияние показателей инсоляции:

• Уровень освещенности внутренних помещений. При низкой естественной освещенности территории увеличивают площадь остекления;

• Расположение окон. Определяется комплексом климатических факторов. В жарком, сухом климате с высоким уровнем освещенности целесообразно располагать окна на затененной стороне. В холодном климате окна располагают на солнечной стороне здания;

• Выбор материалов наружной отделки. При высоких показателях солнечной радиации темные по цвету материалы быстро выгорают, и потому в наружной отделке используют светлые, пастельные оттенки.

Бурдж-Халифа - самое высокое когда-либо существовавшее сооружение в мире. Точная высота сооружения составляет 828 м. Площадь поверхности здания примерно равна площади 17 футбольных полей. Для строительства огромного сооружения был специально разработан специальный вид предварительно напряжённого железобетона, который выдерживает температуру до +50 °C. Главной отличительной особенностью такого бетона является способность сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

В отличие от нью-йоркских небоскрёбов фундамент Бурдж-Халифа не закреплён в скальном грунте. В фундаменте здания применялись висячие сваи длиной 45 м и диаметром 1,5 м. Всего таких свай около 200.

Чем выше стальной каркас здания, тем больше оно подвержено воздействию ветра. В своё время решение было найдено – металлический каркас выносится наружу, создавая своего рода внешний скелет здания. Но при высоте 800 м жёсткий внешний скелет уже не может достаточно эффективно противостоять ветру. Сильный ветер чрезвычайно опасен для небоскрёба. Поток воздуха, обтекающий здание, образует мини-смерчи и вихри. Вместо борьбы с ветром архитекторы  применили оригинальное решение и, уходя от плоских и прямоугольных форм, они обратились к более непредсказуемым.  Секции башни спроектированы так, чтобы отклонять башню в разные стороны. Это разрушает мощь вихрей. Обдувая здание «Бурдж-Халифа», ветер никогда не образует единого потока. Вокруг каждой части здания вихри движутся с различной скоростью (приложение 9).

Останкинская башня в Москве – внешне лёгкое элегантное сооружение высотой 533 м, удачно вписанное в окружающий ландшафт. Масса башни вместе с фундаментом составляет 55 000 т.

Почему же она устойчива? У основания башня опирается десятью железобетонными «ногами» в кольцевой фундамент с внешним диаметром 74 м, заложенный в грунт на глубину 4 м. Такой фундамент обеспечивает шестикратный запас прочности на опрокидывание. На изгиб запас прочности был выбран двукратный. И это неслучайно, т. к. амплитуда колебаний верхней части башни при сильном ветре достигает 3,5 м. Инженерные расчеты авторов Останкинской телебашни утверждали, что она очень устойчива. Огромная полукилометровая башня была построена по принципу неваляшки : три четверти всего веса башни приходится на одну девятую ее высоты. Вся основная тяжесть сосредоточена внизу у основания. Требуются колоссальные силы, чтобы заставить упасть такую башню.

В ходе исследования я выяснила, что архитектура тесно связана с физикой и не может существовать без нее. Строгое соблюдение законов физики при проектировании и реализации построек обеспечивает устойчивость и долговечность зданий. В основе созданных человеком архитектурных композиций лежат результаты проверенных и многосторонних исследований. Рассматривая архитектурные памятники разных эпох можно сделать вывод: открытие новых законов физики позволяло совершенствовать архитектуру.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10