Строительная физика

Строи́тельная фи́зика

Совокупность научных дисциплин (разделов прикладной физики (См. Физика)), рассматривающих физические явления и процессы, связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, и разрабатывающих методы соответствующих инженерных расчётов. Основными и наиболее развитыми разделами С. ф. являются Строительная теплотехника, Строительная акустика, строительная светотехника (см. Светотехника), изучающие закономерности переноса тепла, передачи звука и света (т. е. явлений, непосредственно воспринимаемых органами чувств человека и определяющих гигиенические качества окружающей его среды) с целью обеспечения в зданиях (сооружениях) необходимых температурно-влажностных, акустических и светотехнических условий. Получают развитие и др. разделы С. ф. — теория долговечности строительных конструкций и материалов, строительная климатология, строительная аэродинамика. Вопросы прочности, жёсткости и устойчивости зданий и сооружений рассматриваются в особом разделе прикладной физики — строительной механике (См. Строительная механика).

При решении задач С. ф. используются: теоретические расчёты на основе устанавливаемых общих закономерностей; методы моделирования (См. Моделирование), с помощью которых исследуемые процессы воспроизводятся или в измененном масштабе, или на базе известных аналогий; лабораторные испытания элементов конструкций (например, в камерах искусственного климата); натурные наблюдения и измерения в сооруженных объектах. Развитие С. ф. обеспечивается наличием теоретических и экспериментальных данных современной физики и физической химии (См. Физическая химия).

Данные С. ф. служат основой для рационального проектирования строительных объектов, обеспечивающего соблюдение требуемых эксплуатационных условий в течение заданного срока их службы. Разрабатываемые в С. ф. методы расчёта и испытаний позволяют дать оценку качеству строительства (как на стадии проектирования, так и после возведения зданий и сооружений).

Становление С. ф. как науки относится к началу 20 в. До этого времени вопросы С. ф. обычно решались инженерами и архитекторами на основе практического опыта. В СССР первые научные лаборатории этого профиля были организованы в конце 20-х — начале 30-х гг. при Государственном институте сооружений (ГИС) и Центральном научно-исследовательском институте промышленных сооружений (ЦНИПС). В последующие годы важнейшие научно-исследовательские работы по основным разделам С. ф. были сосредоточены в Институте строительной техники (ныне — Строительной физики институт). Особенно интенсивное развитие С. ф. получила в связи со значительным увеличением объёмов строительства различных по назначению зданий с применением индустриальных облегчённых конструкций и новых материалов, требующих предварительной оценки их свойств. Советскими учёными впервые были разработаны теория теплоустойчивости ограждающих конструкций (См. Ограждающие конструкции) зданий (О. Е. Власов), методы расчёта влажностного состояния конструкций (К. Ф. Фокин) и их воздухопроницаемости, выполнен ряд др. фундаментальных исследований по важнейшим проблемам С. ф., имеющим большое значение для современного строительства.

Расширение масштабов полносборного строительства (См. Полносборное строительство) потребовало проведения комплексных исследований в области долговечности (См. Долговечность) строительных конструкций и материалов. Происходящие в конструкциях процессы неустановившегося, изменяющегося по направлению теплообмена и, в гораздо большей степени, явления перемещения и замерзания влаги вызывают постепенное изменение структурно-механических свойств материалов, что проявляется в их набухании, усадке, образовании микротрещин и постепенном необратимом разрушении. Температурные напряжения при неустановившемся теплообмене, фазовые переходы и особенно объёмно-напряжённое состояние материалов (при неравномерном распределении влаги) являются основными причинами процесса постепенного нарушения прочности строительных конструкций и в значительном мере определяют их долговечность. Чрезмерное увлажнение материалов и конструкций содействует их ускоренному разрушению от мороза, коррозии, биологических процессов (см. Морозостойкость, Влагостойкость).

Расчётные методы С. ф., а также основные положения физико-химической механики (См. Физико-химическая механика), изучающей влияние физико-химических процессов на деформации твёрдых тел, являются необходимым фундаментом для создания материалов с заданными свойствами и развития теории долговечности, особенно важной при массовом применении новых материалов и облегчённых индустриальных конструкций, не проверенных опытом многолетней эксплуатации. Структурно-механические свойства строительных материалов (бетонов, кирпича и др.) зависят от процессов переноса тепла и влаги при обжиге, сушке, тепловлажностной обработке. Изменяя режимы технологических процессов в соответствии с закономерностями целесообразного переноса тепла и вещества, можно существенно повысить качество материалов. Т. о., расчётные методы С. ф. служат научной основой и для совершенствования технологии производства строительных материалов и изделий.

Разработка методов инженерного расчёта долговременного сопротивления конструкций зданий разрушающим физико-химическим воздействиям внутренней и наружной атмосферы связана с необходимостью изучения закономерностей изменения внутреннего микроклимата помещений и внешних климатических условий. Внешние воздействия на здания и их конструкции рассматриваются самостоятельным разделом С. ф. — строительной климатологией, развивающейся на основе достижений физики атмосферы и общей климатологии (См. Климатология). В большинстве случаев воздействие климата является комплексным (совместное влияние температуры и ветра, осадков и ветра и т.п.). Интенсивному развитию строительной климатологии способствует увеличение объёмов строительства в разнообразных климатических условиях.

Отдельным разделом С. ф., изучающим воздействие на здания и сооружения ветра и др. потоков воздуха, возникающих при разности температур и давлений, является строительная аэродинамика. Учёт распределения аэродинамических давлений на внешних поверхностях важен для проектирования естественной и искусственной (механической) вентиляции, предотвращения местных снежных заносов (например, на кровле здания), а также для установления ветровых нагрузок на здания и сооружения. Особенности внутреннего климата помещений зависят от их размещения в здании и аэродинамических характеристик последнего, поскольку распределение температур и влажности в помещениях связано с условиями естественного воздухообмена. Изучение аэродинамических характеристик объектов строительства с различными геометрические очертаниями и объёмами позволяет обеспечить хорошие эксплуатационные качества производственных и общественных зданий, а также установить рациональные типы городской застройки при различных климатических условиях.

Перспективы дальнейшего развития С. ф. связаны с использованием новых средств и методов научных исследований. Так, например, структурно-механические характеристики материалов и их влажностное состояние в конструкциях зданий изучаются с помощью ультразвука, лазерного излучения, гамма-лучей, с применением радиоактивных изотопов и т.д. При создании эффективных средств отопления и кондиционирования воздуха, а также ограждающих конструкций, характеризующихся малыми потерями тепла, находит применение полупроводниковая техника. Распределение температур на поверхностях конструкций, в воздушной среде помещений и потоках воздуха исследуется методами моделирования и термографии (См. Термография) на основе закономерностей интерференции света при различном тепловом состоянии среды.

Лит.: Строительная физика. Состояние и перспективы развития, М., 1961; Ильинский В. М., Проектирование ограждающих конструкций зданий (с учетом физико-климатических воздействий), 2 изд., М., 1964; Реттер Э. И., Стриженов С. И., Аэродинамика зданий, М., 1968. См. также лит. при статьях Строительная теплотехника, Строительная акустика, Светотехника.

В. М. Ильинский.