Курс лекций

по дисциплине «Основы научных исследований и инновационной деятельности» для студентов специальности 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство»

Тема 1

Введение. Цель и задачи дисциплины, ее связь с другими дисциплинами.

Общие сведения о научных исследованиях. Краткий исторический обзор развития строительных конструкций зданий и сооружений. Сущности методов, используемых на теоретическом и практическом уровне исследований. Системный подход к решению научно-технических задач.

Введение

Курс «Основы научных исследований и инновационной деятельности» направлен на формирование навыков самостоятельного анализа и синтеза организационных и технологических систем.

Что такое научные исследования? Научные исследования или научно-исследовательские работы – творческая деятельность, направленная на получение новых знаний и способов их применения. Научные исследования могут быть фундаментальными и прикладными [1].

Что такое инновационная деятельность? Инновационная деятельность – деятельность обеспечивающая создание и реализацию инноваций [1].

Что-же тогда инновации? Инновации (нововведение) – создаваемые (осваиваемые) новые или усовершенствованные технологии, виды товарной продукции или услуг, а также организационно-технические решения производственного, административного, коммерческого или иного характера, способствующие продвижению технологий, товарной продукции и услуг на рынок [1].

Все вышеуказанное закреплено в Законе Республики Беларусь «Об основах государственной научно-технической политики» № 2105-XII от 19 января 1993г.

Цели и задачи дисциплины, ее связь с другими дисциплинами.

Целью преподавания дисциплины является получение студентами необходимых знаний о роли и организации научных исследований при разработке конструкторских и технологических решений, а также освоение методик решения наиболее часто встречающихся практических инженерных задач в области надземных и подземных строительных конструкций зданий и сооружений.

В процессе обучения студент ознакамливается с основами инновационной деятельности, классификацией научно-исследовательских работ, этапами их выполнения, математическими методами и схемами, используемыми при решении задач анализа и синтеза достаточно сложных технологических, конструктивных и организационных систем, с методами экспериментов, как на реальных объектах, так и на моделях.

Студент, изучивший дисциплину, должен знать:

- методы исследований, используемые на теоретическом и экспериментальном уровнях;

- вопросы планирования эксперимента;

- статистическую обработку экспериментальных данных;

- основы дисперсионного и корреляционного анализа;

- исследования, анализ и синтез систем обслуживания, ремонта и эксплуатации зданий и сооружений;

- методы выработки и принятия решений;

- основы инновационной деятельности на предприятиях стройиндустрии, ЖКХ, в строительных организациях трестов и управлений.

Студент, изучивший дисциплину, должен уметь:

- анализировать поведение производственных систем;

- составлять планы экспериментов;

- разрабатывать вероятностные модели функционирования систем;

- составить алгоритмы функционирования производственных систем предприятий строительной отрасли Республики Беларусь и ремонта зданий и сооружений;

- синтезировать и оптимизировать модели производственных процессов;

- планировать инновационную деятельность для реальных предприятий;

- составлять научно-технические отчеты.

Для понимания и усвоения читаемой дисциплины студент должен быть подготовлен по смежным дисциплинам, способствующим углубленному изучению основ научных исследований и инновационной деятельности.

«Математика» - все разделы;

«Эксплуатация и техническое обслуживание зданий и сооружений» - все разделы;

«Метрология и контроль качества в строительстве» - все разделы;

«Проектирование ремонта зданий» - все разделы.

Общие сведения о научных исследованиях

В процессе подготовки инженера-строителя значительный объем информации отведен к изучению строительных конструкций: металлических и деревянных, бетонных и железобетонных, каменных и армокаменных. Такое разделение конструкций связано с разными свойствами материалов, технологий их изготовления и другими обстоятельствами. Вместе с тем много вопросов проектирования имеют общий характер, независимо от вида используемого материала. К ним можно отнести основы расчета по предельным состояниям, методики определения нагрузок и воздействий, принципы разработок расчетных схем и др.

Так как со всех видов строительных материалов в настоящее время и в обозримом будущем при возведении зданий и сооружений является железобетон, во всех его модификациях, то и мы в этом курсе уделим ему особое внимание. Существующая литература ориентирована на то чтобы преимущественно научить студента решению конкретных задач, в то – же время сведения о теории железобетона даются элементарно, а физическому обоснованию используемых зависимостей уделяется мало внимания. Между тем, любому творчески мыслящему инженеру, не только формально знать, как рассчитывать конструкцию, но и понимать – почему используются именно эти зависимости и какова их физическая сущность. Тем более физику явления необходимо знать и понимать будущему научному сотруднику.

Научные исследования основываются на общих методах научного познания, включая методы эмпирического и теоретического исследования – это проведение эксперимента, абстрагирование, моделирование, анализ и синтез. Сюда можно отнести применение вероятностных методов для оценки технического состояния железобетонных конструкций.

Краткий исторический обзор развития строительных конструкций зданий и сооружений.

Строительные конструкции – искусственно созданные из строительных материалов элементы зданий и сооружений выполняющие несущие, ограждающие или совмещенные функции.

Свое начало строительные конструкции будут у истоков человеческого общества. Так, первой ограждающей конструкцией можно считать примитивную каменную кладку, закрывшую вход в пещеру первобытного человека. Весьма вероятно, что первой несущей конструкцией был ствол дерева, поваленного человеком поперек ущелья или ручья для облегчения переправы с одного берега на другой. Стены землянок первобытного человека, выполненные из поставленных вертикально вплотную друг к другу бревен, можно рассматривать одновременно как несущую и ограждающую конструкцию.

Развитие строительных конструкций неразрывно связано с развитием изготовления орудий труда, с изменением характера и направления производственной деятельности людей. По мере совершенствования орудий труда для каменных строений стали применять грубо обработанные естественные камни, а также кирпич – сырец и кирпич подвергнутый обжигу. С течением времени достигли высокого совершенства в изготовлении и использовании каменных материалов, которые успешно применяют при устройстве дорожных покрытий, возведении подпорных стен, опор мостов, строительстве автостоянок, гаражей, различных подземных и надземных инженерных сооружений, жилых и общественных зданий, сооружений спецназначения, а также в гидротехническом и ^с/_х строительстве. Каменные конструкции получают путем соединения отдельных камней или каменных изделий строительным раствором. Их развитие идет по пути укрупнения штучных материалов (кирпич, керамика, блоки) и применения крупных каменных блоков и панелей.

Интенсивное развитие строительных конструкций началось в XVIII веке, когда основными строительными материалами были дерево, бетон и металл, а с середины XIX века – железобетон.

Деревянные конструкции

Начиная с XVIII века при возведении зданий и сооружений стала интенсивно использоваться древесина. В 1714г. была построена и сохранилась до наших дней 22-главая деревянная Преображенская церковь в селе Кижи. В 1738г. был построен деревянный шпиль башни здания Адмиралтейства в Петербурге высотой 72 м. К этому периоду относится возведение гидротехнических сооружений – Приладожских каналов.

В 1776г. выдающийся и талантливейший русский изобретатель – самоучка И. П. Кулибин в результате двадцатилетнего труда предложил проект однопролетного арочного деревянного моста через р. Неву пролетом 298 м. Мост имел комбинированную систему и состоял из ряда гибких арок и жестких арочных ферм. Модель этого моста в ¹/₁₀ натуральной величины была построена и ее испытания показали правильность решений и достаточную прочность конструкции. Несмотря на то, что мост не был возведен, новые прогрессивные принципы конструирования его оказали значительное влияние на дальнейшее развитие инженерных сооружений. Особое место в развитии конструкций из дерева принадлежит Д.И. Журавскому, который не только проектировал, но и строил. Под его непосредственным руководством в середине XIX века построены деревянные железнодорожные мосты: через р. Мсту – девять пролетов по 61 м; через р. Сходню – четыре пролета по 61 м; мост через овраг р. Веребье – девять пролетов по 54 м. при высоте 49м. над уровнем воды, Д.И. Журавскому принадлежит заслуга создания теории расчета решетчатых ферм, а также составных балок, работающих на сдвиг при изгибе.

К концу XIX века начало развиваться лесопильное производство, что способствовало созданию новых видов конструкций: дощатых кружальных арок, дощатых конструкций с соединением на гвоздях, нагелях, шайбах шпоночного типа. В начале XX века стали применятся сетчатые деревянные пространственные конструкции системы В.Г. Шухова. В 30^х годах прошлого века начали применять трехшарнирные арки пролетом 60 м, а также балки и арки на пластинчатых нагелях.

После Отечественной войны (1941-1945гг.) происходит внедрение в строительство деревянных конструкций заводского изготовления: металлодеревянные фермы, клеефанерные балки, стойки, рамы, клеефанерные плиты и панели, дощатоклеенные рамы, арки, клееные балки с фанерной стенкой коробчатого сечения. Значительное распространение в настоящее время получили трехслойные плиты, панели покрытий и стеновые панели, состоящие из среднего пенопластового слоя и наружных слоев из листового материала – металла, асбестоцемента или фанеры.

Металлические конструкции

Первые металлические конструкции в строительстве появились в конце XVIII века, однако широкого применения они не получили из-за недостатка металла. Лишь со второй половины XIX столетия развитие железнодорожного и водного транспорта способствовало созданию металлических конструкций различных систем для строительства мостов, промышленных зданий и сооружений, резервуаров, портов. Стала развиваться металлургическая промышленность, производство профильного проката и вместе с ним заклепочные и болтовые соединения, сварочные соединения узлов и деталей.

Большой вклад в развитие металлических конструкций внесли видные ученые и инженеры как проф. Н.А. Белелюбский, проф. Проскуряков Л.Г., академик Е.О. Патон, проф. И.П. Прокофьев, проф. Н.С. Стрелецкий, проф. М.М. Жербин и другие. Ими созданы прекрасные мосты оригинальной конструкции, развита теория расчета мостов, создана отечественная школа мостостроения. Оригинальные и разнообразные стальные сооружения в конце XIX начале XX века создал почетный академик В.Г. Шухов – сетчатые башни, цилиндрические сетчатые своды, своды двоякой кривизны, арочные фермы с лучевыми затяжками, нефтяные барки, резервуары, трубопроводы.

Создание новых, более жестких схем сооружений, лучше учитывающих эксплуатационные требования производства и менее материалоемких, с учетом требований технологии изготовления и монтажа характеризует современную школу проектирования металлических конструкций. Большое развитие получили сооружения связи, телебашни, радиомачты, вращающиеся радиотелескопы, строительство мачт ЛЭП, теплоэлектростанций и других сооружений. В последние годы успешно применяют несущие и ограждающие конструкции из алюминиевых сплавов. Металл находит применение в большепролетных зданиях общественного и производственного назначения (спортивные сооружения, выставочные павильоны, ангары, авиасборочные цеха, судостроительные эллинги и т.п.). Дальнейшее совершенствование металлических конструкций характеризуется широким применением сталей повышенной и высокой прочности, новыми рациональными профилями проката, введением автоматизированного производства на заводах металлоконструкций.

Железобетонные конструкции

Железобетон в строительстве нашел свое применение, начиная с середины XIX века. В 1850г. француз Ж. Ламбо сделал гребное судно из бетона, армированного отдельными стержнями, которое затем было выставлено на всемирной выставке в Париже в 1855г. Около этого времени американец Хайэтт производил уже опыты с армированными балками и дал описание некоторых конструкций, характеризуемых включением железа в бетон. Французский инженер Ф. Куанье в 1861г. предложил свои конструкции перекрытия сводов и труб, основанных на принципе совместной работы бетона и железа. И лишь в 1867г. садовник Ж. Монье, который долго считался создателем железобетона, получил патент на изготовление цветочных кадок из железа и цементного раствора.

На территории нашей страны железобетон начал применятся с 1885г. Большая заслуга в деле развития и популяризации железобетона в России принадлежит Н.А. Белелюбскому, профессору института инженеров путей сообщения, испытавшему в 1891г. значительное количество различных железобетонных конструкций – плит, сводов, резервуаров, труб и др. Результаты испытаний были весьма убедительными, они показали большие преимущества железобетона, рассеяли сомнения у многих инженеров и явились толчком к распространению железобетона в строительстве. В конце 1898г. после принятия Инженерным Советом Министерства путей сообщения решения о применении железобетона на железных и шоссейных дорогах началось интенсивное строительство мостов, труб, путепроводов, резервуаров, баков и др. Только на железнодорожной линии Витебск-Жлобин в 1901-1902гг. было построено 27 железобетонных путепроводов и мостов общей длиной 412 пог. метров.

В годы первых пятилеток железобетон находит применение при строительстве гидротехнических сооружений (Волховская ГЭС, Днепро-ГЭС, Беломоро-Балтийский канал, канал им. Москвы и пр.), транспортных объектов (мост через Москва-река, первые линии Московского метрополитена и пр.), предприятий тяжелой индустрии (Днепросталь, Запорожсталь, завод в Ижевске, Магнитогорский комбинат), зданий и сооружений гражданского и специального назначения. В практику строительства начали внедряться тонкостенные пространственные конструкции – оболочки, складки, шатры.

Замысел создания более совершенного, предварительно напряженного железобетона, где нашли применение высокопрочная арматура, и бетон был шагом вперед по пути развития железобетона. Впервые высокопрочная арматура была применена в предварительно-напряженных железобетонных конструкциях во Франции инженером Е. Фрейссине в 1928г., а в нашей стране – проф. В.В. Михайловым в 1930г., когда начались экспериментальные исследования предварительно напряженных центрифугированных железобетонных элементов.

Дальнейшее развитие железобетонных конструкций базируется на эффективном использовании местных материалов, отходов промышленности, получении бетонов и сталей с высокими прочностными деформативными характеристиками, созданий низко энергоемких технологий.

Понятие научного познания и определение научных проблем

Прежде чем перейти к научному познанию коротко рассмотрим необходимость инновационного управления как новую социальную реальность.

В конце XX века человечество вступило в качественно новый период своего развития. Как утверждает основатель и первый президент Римского клуба Аурелио Печчеи, при решении любых проблем человеку всегда приходится считаться с «внешними пределами планеты», «внутренними пределами» самого человека, полученным им культурным наследием, которое он обязан передать тем, кто придет после него; с мировым сообществом, которое он должен построить, экосредой, которую он должен защитить любой ценой, и наконец, сложной и комплексной производственной системой, к реорганизации которой ему пора приступить.

Объективные условия, в которых пройдется действовать человеку в XXI веке, диктуют новые формы мышления, поведения и сотрудничества людей. Соответственно по-новому должен быть развит и организован субъективный фактор. Время, в которое мы живем, - это время динамических перемен. Все процессы развиваются быстро и очень противоречиво. Подобную ситуацию американцы называют словом «вызов», которое таит в себе как определенные возможности, так и угрозы.

Среди особенно тревожных тенденций (их можно отнести к научным проблемам) основными являются:

а) происходящие планетарные изменения в природной среде и грядущее изменение климата, истощение озонового слоя, сокращение площади лесов и деградация почв, загрязнение атмосферы, воды и почв токсичными отходами человеческой деятельности;

б) быстрый рост численности населения Земли при сокращении ресурсных возможностей планеты;

в) расточительное расходование невозобновимых природных ресурсов, неучет в деятельности современников интересов будущих поколений людей.

Так, что же такое научное познание? Для выяснения этого понятия дадим определение самого познания.

Познание – обусловленный развитием общественно-исторический практики процесс отражения и воспроизведения действительности в мышлении, взаимодействие субъекта и объекта, результатом которого является новое знание о мире.

Теория познания – раздел философии, в котором изучаются закономерности и возможности познания, отношение знания к объективной реальности, исследуются ступени и формы процесса познания, условия и критерии его достоверности и истинности. Материализм исходит из того, что знание есть отражение материального мира. Теория познания диалектического материализма основой познания и критерием истины признает общественно-историческую практику: все наши знания есть отражение объективного мира, его связей и закономерностей, познаваемых в процессе этой практики. Процесс познания развивается «от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике» (В.И. Ленин). Обобщая методы и приемы, используемые современной наукой (эксперимент, моделирование, анализ и синтез) теория познания выступает в качестве ее философско-методологической основы.

Наука строительная – призвана способствовать внедрению достижений научно-технического прогресса в проектировании и строительство, повышению эффективности капитальных вложений, сокращению продолжительности строительства и улучшению качества строительно-монтажных работ (СМР).

Наука управления строительством – сфера деятельности, задачами которой являются: познание закономерностей управления строительством, разработка методологии их познания и применения в решении практических задач.

Научные проблемы – могут быть глобального характера, которые относятся к фундаментальным исследованиям (работа на перспективу), в которых решаются задачи, открытия и важнейшие направления в области возведения, эксплуатации и реанимирования существующих зданий и сооружений, создание новых материалов и технологий, организации и технологии строительного производства способствующий строить и эксплуатировать безотказно. Это, как правило, отражается в докторских диссертациях.

Научные проблемы прикладного характера – это решение отдельных вопросов и задач, связанных с решением работ приносящих экономический эффект от внедрения разработок в строительную отрасль в настоящее время или в ближайшее пятилетие. Примерами могут служить разработки по повышению несущей способности плит пустотного настила методом создания неразрезности; повышение несущей способности железобетонных колонн, кирпичных столов и простенков с различными видами усилений, усиления стальных и деревянных конструкций, исследования сталетрубобетонных элементов, разработка добавок для улучшения прочностных и деформативных характеристик бетона и т.д. Это, как правило, отражается в магистерских и кандидатских диссертациях.

Сущность методов, используемых на теоретическом и практическом уровне исследований

К теоретическим основам экспериментальных методов исследований относятся:

1. Основы теории вероятности и математической статистики.

2. Дисперсионный, корреляционный и регрессивный анализ результатов измерений.

3. Планирование эксперимента.

4. Метрологическое обеспечение испытаний.

5. Экспериментально-статистическая оценка модуля упрости, продольных относительных деформаций, секущего модуля деформаций, касательного модуля, коэффициента упругости бетона. Все эти вопросы будут изложены в темах: 5,6,7,8,12,13,14.