Использование вычислительных и мультимедийных средств при изучении строительной механики на примере участия студентов в конкурсе «Весёлая конструкция»

Конструктивные, функциональные и эстетические качества архитектуры органически взаимосвязаны. Конечно же, бессмертную триаду Витрувия [2, с.56] о необходимости учитывать «прочность, пользу и красоту» никто не отменял, да и отменить её не возможно, поскольку этот постулат отражает тысячелетий опыт строительного искусства.

При сегодняшнем состоянии высшего профессионального образования, когда классическая фраза «знаний лишних не бывает», всё чаще заменяется прагматическим вопросом «а зачем мне это надо», весьма злободневной является проблема установления связей между дисциплинами, включенными в стандарт формирования специалиста любого уровня. Поэтому при изучении курса строительной механики в архитектурном вузе возникает необходимость разработки уникальных и оригинальных сооружений [3, с.4], обеспечивающих безопасность эксплуатации здания и, в то же время, раскрывающих архитектурно-художественные идеи автора. Одновременно с этим в эпоху информационного взрыва архитектура и строительство требуют новых подходов, методов и принципов формообразования, ориентированных на систему научных знаний. Можно говорить о рождении новых направлений в обучении, основанных на научных знаниях и способах подачи материала.

Рисунок 1. Конструкция победитель конкурса в 2016 году

При изучении такого важного раздела строительной механики как статический расчёт строительной фермы весьма уместным стало участие студентов академии архитектуры и искусств в конкурсе "Весёлая конструкция" (рис. 1). Конкурс проводится на базе лаборатории деформируемого твёрдого тела в институте математики, механики и компьютерных наук Южного федерального университета с использованием современного оборудования. У этого конкурса есть своя группа Вконтакте [1] для тематического общения студентов между собой и с преподавателями.

Первое в мире состязание молодых инженеров по строительству мостов из спагетти прошло в 1983 году в Оканаганском колледже (Келоуна, Британская Колумбия, Канада). С тех пор подобные состязания проводятся по всему миру. Последний подобный студенческий чемпионат проходил в Венгрии в 2016 году. Подобные состязания на лучшую модель моста наглядно демонстрируют законы механики и к тому же материал можно приобрести в ближайшем супермаркете.

Главной мотивацией участия в подобном конкурсе кроме, конечно, возможной победы является изучение процесса поведения реальной строительной конструкции на примере её уменьшенной копии, что становится в последнее время обязательным для уникальных зданий и сооружений [3, с.8].

Перед собственно изготовлением модельной конструкции производится исследование материалов, необходимых для её создания. Выполняется поиск различных по сечению прямолинейных по форме макаронных изделий, спагетти и прочих. Проводятся испытания образцов найденных материалов для выяснения их физико-механических характеристик. Каждый участник конкурса может легко отслеживать в табличной форме результаты испытаний на прочность и жесткость и вправе выбрать любого производителя. Кроме этого, модераторами конкурса даются рекомендации по использованию тех или иных видов клеёв для скрепления конструкции в узлах.

В этих предварительных испытаниях самое активное участие принимают студенты ‑ участники конкурса. А это уже первые шаги на пути изучения сопротивления материалов, то есть перебрасывается ещё один мост на новые разделы механики [3, с.36].

Намечается следующий алгоритм практического участия студентов и преподавателей в конкурсе:

1. Изучение теории вопроса: основ статического расчета стержневых ферменных конструкций.

2. Выбор расчетной схемы конструкции в строгом соответствии с условиями конкурса, способом испытания, геометрическими характеристиками испытательной установки.

3. Статический расчет конструкции с целью определения усилий в стержнях и выяснение слабых мест конструкции - зон возможного разрушения.

4. Корректировка расчетной схемы: изменение некоторых геометрических параметров, добавление или удаление некоторых стержней и узлов, оставляя неизменными те размеры, которые однозначно прописаны в условиях конкурса.

5. Повторный статический расчет измененной конструкции. Определение усилий в стержнях и сравнение новой конструкции с её предыдущей версией.

6. На этом этапе делается вывод о том, какая конструкция будет выбрана для дальнейшего участия. Естественно, что та расчётная схема, в которой при действии одной и той же внешней нагрузки будут возникать меньшие по модулю внутренние усилия, и будет приоритетной.

7. Выбор материала конструкции и клеёв для соединения стержней в узлах с учетом предварительных испытаний, а также ограничений по размерам и весу готовой конструкции.

8. Изготовление модели конструкции с обязательным контролем заданной геометрии и веса.

9. Регистрация и участие в испытании конструкции с целью определения самой прочной - выдерживающей наибольшую внешнюю нагрузку конструкции. Фотографирование и видеофиксация процесса нагружения и момента разрушения.

10. Обсуждение результатов конкурса. Изучение сильных сторон конструкций ‑ победителей и недостатков проигравших для учёта в будущей работе.

Остановимся на вычислительной части приведённого алгоритма. Конечно, если расчетная схема конструкции проста, испытывает плоское напряжённое состояние и к тому же статически определима (степень свободы равна нулю), то её расчёт производится вручную, не прибегая к вычислительным программам. Однако, после изменения расчётной схемы (п.4), особенно, если она становится статически неопределимой, и ручной расчёт существенно усложняется, становится целесообразным использование вычислительных программ. Без компьютерных расчетов не обойтись, если пункты 3, 4 и 5 алгоритма (выше) приходится повторять по нескольку раз.

На начальном этапе изучения строительной механики рекомендуется использовать программы для проведения эскизных (предварительных) расчетов. Наиболее удачной для этого является разработка компании Autodesk программа статического расчета плоских стержневых систем ForceEffect (рис. 2). Эта бесплатная программа работает на планшетах и даже телефонах, проста в изучении и использовании, что для студентов младших курсов (1-2) особенно актуально.

Рисунок 2. Пример расчетной схемы в программе ForceEffect

Для более сложных расчетов с учётом пространственной работы конструкции и различных физико-механических характеристик материалов потребуется применение профессиональных расчетных программных комплексов, таких как ПК ЛИРА-САПР и Autodesk Robot Structural Analysis Professional для студентов академии архитектуры и искусств и ANSYS Mechanical для продвинутых студентов мехмата.

Ложка дёгтя от скептиков: "Как такое возможно? Мукомольные изделия из твёрдых пород зерна да под пресс до разрушения и в мусор!" Но, во-первых, чего не сделаешь для науки. А, во-вторых, и это главное, заключается в пользе и бесценном опыте, который получают будущие архитекторы, конструкторы и механики, когда почувствуют буквально кончиками пальцев, как работает и оптимально воспринимает внешнюю нагрузку пока ещё модель будущей конструкции.

Видео-презентация всего мероприятия проведения испытаний доступна в интернете в день проведения конкурса, а затем появляется и в группе "Весёлая конструкция". Призёры награждаются памятными подарками, и все конкурсанты получают незабываемые впечатления, ведь при их активном участии создаётся история изучения прикладной строительной механики.

Большой интерес у заинтересованных студентов вызывает обсуждение результатов конкурса, особенно если среди них присутствуют непосредственные участники этого процесса (рис. 3). В Академии архитектуры и искусств на неделе академической мобильности подробно рассматриваются вопросы участия студентов в подобных мероприятиях, даётся оценка различным вариантам расчетных схем, представляются наиболее удачные из них для практического использования в дальнейшем.