Строительная физика

Строительная физика, совокупность научных дисциплин (разделов прикладной физики), 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.

При решении задач С. ф. используются: теоретические расчёты на основе устанавливаемых общих закономерностей; методы моделирования, 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.

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 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 потребовало проведения комплексных исследований в области долговечности 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, 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. 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 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.