Структу́рная инженери́я (англ. structural engineering), научная (инженерная) дисциплина, осуществляющая разработку, анализ и оптимизацию свойств конструкций на основании прикладных физических законов и эмпирических знаний о структурных свойствах материалов и геометрии. Играет ключевую роль в обеспечении безопасности, надёжности и долговечности проектируемых объектов. Структурная инженерия используется как в строительной отрасли (проектирование зданий, мостов, тоннелей, небоскрёбов, подземных, подводных сооружений и др.), так и в промышленной инфраструктуре, в проектировании механических, аэрокосмических и наноразмерных конструкций, а также медицинского и другого оборудования.

В задачи структурной инженерии входят изучение свойств и выбор материалов, анализ статической и динамической устойчивости, расчёт нагрузок на конструкцию (вес, сила, давление и воздействие природных явлений), проверка соответствия нормам и стандартам, поиск решений, которые минимизируют негативное воздействие на окружающую среду (например, путём использования экологически чистых материалов, энергоэффективных систем, учёта конструкционной прочности и жизненного цикла конструкций) и др. Использование компьютерного моделирования и численных методов позволяет более точно анализировать поведение конструкций и оптимизировать проектирование.

Впервые инженерные идеи возникли в древних цивилизациях – Египте, Месопотамии и Древней Греции, где были построены пирамиды и храмы. Как дисциплина структурная инженерия сформировалась в 19 в., с развитием индустриализации. С развитием научных и технических знаний она стала академической дисциплиной и научной областью. В 21 в. структурная инженерия продолжает развиваться и интегрировать новые технологии, такие как компьютерное моделирование и др.

СССР

В СССР, как неотъемлемая часть индустриализации и строительства советской экономики, структурная инженерия развивалась в рамках инженерных наук. В 1950–1980 гг. реализованы амбициозные проекты крупных промышленных и энергетических сооружений, мостов, тоннелей, дамб и других конструкций. Разработаны новые технологии армирования бетона, методы конструктивного расчёта для анализа конструкций и др. Большое внимание уделялось исследованиям и разработке новых материалов (высокопрочные стали и композиты). Важным фактором развития структурной инженерии было сотрудничество между инженерами и архитекторами.

Одно из самых известных сооружений, связанное со структурной инженерией, – Московский метрополитен, в процессе строительства которого было решено множество технических и проектных задач, включая новые технологии в строительстве для создания безопасных и устойчивых станций. В современной России структурная инженерия продолжает развиваться и играть важную роль в проектировании и возведении различных сооружений.

Известные инженеры

Область структурной инженерии представлена в работах инженеров: Г. Эйфеля (известен металлическими конструкциями, создатель Эйфелевой башни в Париже); О. А. Керенского (английский инженер-мостостроитель русского происхождения), принимавшего участие в проектировании знаменитого моста Харбор-Бридж в Сиднее; В. Г. Шухова (известен инновационными конструкциями, создатель одного из символов Москвы – Шуховской башни – гиперболоидной конструкции в виде несущей сетчатой оболочки и др.); Ф. Хана [автор небоскрёбов «Уиллис Тауэр» (до 2009 – «Сирс Тауэр»), 875 Норт-Мичиган-авеню (до 2018 – Центр Джона Хэнкока)]; З. Хадид (известна инновационными и футуристическими проектами, такими как культурный Центр Гейдара Алиева и др.) и др.

Обзор известных сооружений

Международная космическая станция (МКС) – результат научной и инженерной деятельности международного коллектива специалистов. Пилотируемая орбитальная станция массой более 400 т используется как многоцелевой космический исследовательский комплекс для работ в области астрономии, биологии, физики и других дисциплин. МКС находится на высоте около 400 км от поверхности Земли и совершает полный оборот вокруг Земли примерно за 90 мин. Для обеспечения энергией на станции используются солнечные батареи. МКС – одно из наиболее сложных инженерных сооружений, которое постоянно находится в процессе модернизации и расширения.

Большой адронный коллайдер – уникальный ускоритель заряженных частиц, длина основного кольца которого составляет 26 659 м. Расположен в 27-километровом тоннеле под землей, на границе Швейцарии и Франции. Построен для тестирования теорий фундаментальной физики, а также для изучения характеристик элементарных частиц и поиска новых физических явлений, таких как бозон Хиггса.

«Ворота на запад» – арка и инженерное сооружение высотой 192 м., является самым высоким памятником на территории США. Установлена на месте основания г. Сент-Луис (штат Миссури). Арка построена по проекту архитектора Э. Сааринена в 1963–1965 гг. В 1968 г. для проекта разработан уникальный лифт, а именно – система, в которой объединены обычный тросовый лифт и кабинка колеса обозрения на карданной подвеске.

Мост Айчжай занимает 1-е место по длине основного пролёта (1176 м) среди 400 самых высоких мостов мира. Построен на высоте 350 м. Автомобильное движение осуществляется по 2 полосам в каждом направлении с ограничением скорости 80 км/ч. Пешеходы перемещаются по специальной дорожке под автострадой. Структура моста отличается от конструкции обычного подвесного моста, т. к. башни и балки полностью отсоединены, что сокращает длину стальных тросов. Кроме того, инженерное решение позволило сократить земляные работы в горах, благодаря чему значительно уменьшилась стоимость строительства.

«Гонконг – Чжухай – Макао» – комплекс, состоящий из серии мостов и подводных тоннелей, которые пересекают дельту Жемчужной реки. Конструкция способна выдержать землетрясение в 8 баллов.

Шанхайская башня – высочайшее здание Восточной Азии (2015). Сооружение состоит из 9 цилиндрических зданий, уложенных друг на друга. Вся конструкция окружена внутренним слоем стеклянного фасада. Башня относится к самым современным и экологически эффективным постройкам мира.

Даньян-Куньшаньский виадук – самый длинный мост в мире (164 км).

Внесён в Книгу рекордов Гиннесса. Уникальная конструкция включает в себя несколько висячих мостов, наклонных и высоких виадуков, а также множество тросов, поддерживающих подвесные мосты. Построен для улучшения транспортной логистики, соединяя г. Шанхай и провинцию Чжэцзян, а также для пуска по мосту скоростной железной дороги.

Тоннель «Лондон Кроссрейл» – самый масштабный в истории строительства тоннелей и самый крупный проект в Европе. Строится в Лондоне и его пригородах в рамках проекта Elizabeth line (строящаяся с 2009 система железной дороги).

«Бурдж-Джидда» – проект одного из высочайших зданий в мире, временно приостановлен в 2018 г. из-за финансовых затруднений. Проект предназначен стать первым в мире небоскрёбом, чья высота превысит 1 км.

«Бурдж-Халифа» – сверхвысотный небоскрёб с башней над основным зданием, специально оборудованной телекоммуникационной техникой. Как пример эффективного использования ресурсов, проект характеризуется инновационными инженерными решениями, включающими системы подъёмных механизмов, вентиляции и безопасности.

Фолкеркское колесо – первый в мире вращающийся судовой подъёмник. В основе механизма, включающего в себя 2 заполненных водой подъёмника, поднимающих суда длиной до 24 м, весом до 300 т, лежит закон Архимеда. Плавающее на платформе судно поддерживает равновесие в обеих ёмкостях за счёт вытеснения определённого количества воды, равного его весу и объёму. Затем колёса поворачиваются на 180° вокруг оси, опуская судно в другой водоём по другому руслу.

Крымский мост – уникальное инженерное сооружение, соединяющее Крымский полуостров с материковой Россией через Керченский пролив. Этот мост – крупнейший в России и один из самых длинных в мире. Длина около 19 км, из них около 12 км приходятся на дорожную часть и 5,8 км – на железнодорожную часть. Дорожная часть моста состоит из 2 параллельных мостов с 2 полосами движения в каждом направлении. Высота некоторых участков моста достигает более 30 м, что обеспечивает проход больших судов. Строительство моста велось в 2015–2018 гг.