3660

2. Расчет на собственные частоты. Для исследования свободных колебаний стержня применялись уравнения движения из [3].

Простейшим периодическим решением уравнения для свободных крутильных колебаний являются так называемые главные колебания, в которых перемещения и углы изменяются во времени по гармоническому закону. Главные формы колебаний для угла закручивания, функции депланации, характеристик бимомента и полного крутящего момента окончательно представлены в матричном виде:

Рассматривалась неразрезная балка, имеющая n пролетов, опирающаяся по концам и пролетами на (n + 1) шарниров. Считалось, что геометрические характеристики сечения во всех пролетах одинаковы, длина i-го пролета li. Для определения собственных частот колебаний балки выделялись два соседних пролета (рис. 2). Для определения опорных бимоментов использовались условия непрерывности в виде непрерывности угла поворота сечения и непрерывности депланации.

Рис. 2. Фрагмент неразрезной балки

При рассмотрении колебаний отдельных пролетов были получены частотные уравнения для изгибных колебаний в вертикальной плоскости и крутильно-депланационных колебаний в виде

где pj, rj — функции частот колебаний v.

Уравнения (6) и (7) представляют собой уравнения трех моментов и трех бимоментов для свободных колебаний балки. Для определения частот этих колебаний необходимо было

161

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

решить системы из (n-1) уравнений каждого вида. При этом следует учесть, что на крайних

опорах изгибающий момент и бимомент равны нулю: M1(0) = M1(n) = 0, B0 = Bn = 0.

Таким образом, с использованием полученных соотношений могут быть определены частоты изгибных и крутильных колебаний неразрезной балки для различных форм. На основе полученных аналитических выражений составлен алгоритм и разработано программное средство расчета.

Для оценки влияния учета сдвигов производилось сравнение полученных значений собственной частоты v со значениями v̅, полученными по теории, не учитывающей сдвиги.

Рассматривалась двухпролетная стальная балка двутаврового и коробчатого сечения. На рис. 3а изображены графики зависимости относительной частоты от относител ь- ной длины балки, на рис. 3б, в — от размеров сечения. Относительная частота определялась формулой v vv .

Рис. 3. Относительная собственная частота крутильных колебаний двухпролетной балки:

а) в зависимости от длины пролетов балки; б, в) в зависимости от ширины и толщины поперечного сечения; г) сравнение собственных частот с расчетами МКЭ;

1 — без учета сдвигов; 2 — первая форма колебаний балки двутаврового профиля с учетом вторичных сдвигов; 3 и 4 — первая и третья формы колебаний балки коробчатого профиля с учетом вторичных сдвигов;

5 — собственные частоты, рассчитанные с учетом вторичных сдвигов; 6 — собственные частоты, рассчитанные с помощью Autodesk Inventor

Графики показывают, что учет сдвигов от стесненного кручения при исследовании колебаний балок открытого профиля вносит корректировку в значения частот собственных ко-

162

лебаний в размере от 1 до 3 процентов, при этом наибольшее влияние оказывает изменение размеров сечение. Для стержней, имеющих замкнутый контур, влияние учета сдвигов больше, и находится в диапазоне от 10 до 25 %, что подтверждает необходимость учета сдвигов от стесненного кручения при исследовании колебаний балки.

На рис. 3г приведено сравнение значений собственных частот первых четырех форм колебаний балки коробчатого сечения со значениями собственных частот, рассчитанных с помощью Autodesk Inventor. Эти значения также представлены в виде относительных величин.

3. Постановка и решение задачи оптимизации. Считалось, что балка находится под действием преимущественно статической нагрузки. Между тем на балку действуют небольшие по величине периодические нагрузки. При приближении частоты вынужденных колебаний балки к собственной частоте вследствие резонанса существенно увеличивается амплитуда. Таким образом, задачей является оптимизация неразрезной балки с ограничениями по прочности и частотам собственных колебаний.

В работах [4, 5] предложены алгоритмы оптимизации с использованием аппроксимаций параметров состояния и различных приемов декомпозиции исходной задачи оптимизации, которые позволяют рассматривать сложные системы, находящиеся под действием как статических, так и динамических нагрузок. Эти алгоритмы положены в основу дальнейших исследований.

Задача оптимизации балки ставилась в форме задачи математического программирования [7]: требуется найти min f(X), X En, при ограничениях

g j ( X , P( X )) 0, j 1,..., m , (8)

где f(X) — целевая функция, построенная на основе выбранного критерия оптимальности балки; X — вектор варьируемых параметров балки; P(X) — вектор параметров состояния балки; gj (X, P(X)) ≤ 0, j = 1, …, m — ограничения по прочности, частотам собственных колебаний и конструктивные ограничения.

В качестве варьируемых параметров принимались размеры сечения. Виды рассматриваемых сечений показаны на рис. 1. Таким образом, для открытого (см. рис. 1а) и замкнутого (см. рис. 1в) сечений принимались четыре варьируемых параметра: X1 = h, X2 = b, X3 = d1, X4 = d2. Для рассматриваемого комбинированного сечения (рис. 1б) — пять параметров: X5 = с. Дополнительно варьировались положения средних опор балки (параметры X6, X7) путем их возможного отклонения вправо (или влево) от заданного положения.

Оптимизация проводилась по массовому критерию с ограничениями по прочности и частотам собственных колебаний. Так как балка имеет постоянное сечение, то массовым

где ζэквimax(X) — максимальное эквивалентное в сечениях i-го пролета; R — расчетное сопротивление материала.

Ограничения по частотам собственных колебаний приняты в виде:

k, k̅— число учитываемых собственных частот и частот возбудителей колебаний.

163

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Учитываются конструктивные ограничения:

Конструктивные ограничения одновременно исключают возможность местной потери устойчивости.

Для решения формируемой условно экстремальной задачи использованы метод подвижного внешнего штрафа и разработанная на его основе библиотека решения задач математического программирования.

В качестве примера рассмотрена балка, изображенная на рис. 4. Принято: k = 10; k̅= 2, R = 200 МПа. В качестве частот возбудителей были приняты значения v̅j = 152 рад/с и v̅j = 305 рад/с, которые соответствуют работе асинхронных электродвигателей. Величины недопустимых полуинтервалов для собственных частот назначались согласно соотношению

v̅j = 0,1v̅j. При рассмотрении стержня комбинированного профиля целевая функция (9):

Помимо задачи в озвученной постановке производилась оптимизация балки без учета собственных колебаний с сохранением остальных ограничений.

Рис. 4. Расчетная схема тонкостенной балки

Результаты решения задач оптимизации при фиксированном положении средних опор частично представлены на рис. 5 в виде графиков зависимости оптимальной площади сечения от величины внешней нагрузки: 1 — оптимизация по массовому критерию без учета ограничений по собственным частотам; 2 — оптимизация по массовому критерию с учетом ограничений по частотам.

Как видно из рис. 5, учет собственных частот существенно меняет параметры оптимального проекта, в некоторых случаях целевая функция увеличивается на 30 %. Отчасти это связано с тем, что в приведенном примере параметры конструкции и частоты вынужденных колебаний подобраны так, чтобы собственные частоты попадали в диапазон вынужденных. Между тем при работе реальных конструкций подобное влияние вполне возможно. При отдельных значениях нагрузки (например, при q = 1,5 кН/м) собственная частота оптимального проекта не попала в диапазоны вынужденных, поэтому учет ограничений по частотам не оказал влияние на оптимальный проект.

Для рассматриваемого стержня комбинированного сечения характерно и то, что фрагменты открытого профиля вырождаются в большинстве случаев до вида замкнутого сечения (см. рис. 1в). Это связано с тем, что сечение коробчатого профиля является более жестким при кручении, чем сечение с открытыми фрагментами. Вырождения нет только в том случае, когда происходит небольшая корректировка сечения под ограничение по собственным частотам с помощью параметра Х5. Между тем целесообразно вводить конструктивные ограничения для этого параметра в случае если полки необходимы для удержания (например, подъемных устройств).

164

Рис. 5. Графики зависимости оптимальной площади сечения от величины внешней нагрузки q

При q = 3 кН/м получены следующие значения:

Активные собственные частоты (из первых десяти): v2 = 114,16; v3 = 245,08; v4 = 428,23. Дополнительно, как качественная характеристика отклонения собственных частот от

опасных значений, предлагается величина

где α — регулирующий параметр.

Подставив значения активных собственных частот в (14) и пренебрегая (в силу незначительности) влиянием остальных, получим:

f2 ( X ) ≈101,4.10-5.

Для оценки влияния параметров X6, X7 они были вынесены на верхний уровень и задавались с шагом 0,2 м. На рис. 6 показаны значения оптимального решения f1 ( X * ) при изме-

нении X6, X7. В целях большей наглядности взята несколько увеличенная нагрузка q = 3 кН/м. Наилучшее оптимальное решение на рисунке выделено жирной точкой.

Рис. 6. Оптимальные решения f1(X*) при варьировании положения опор

165

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Выводы

1.В результате решения уравнений для напряженно-деформированного состояния неразрезной тонкостенной балки комбинированного сечения с учетом вторичных сдвигов получены аналитические выражения в виде новых уравнений трех моментов и трех бимоментов для определения собственных частот изгибных и крутильных колебаний неразрезной многопролетной балки тонкостенного бисиммертичного сечения, имеющего как отрытые, так и замкнутые участки с учетом вторичных сдвигов, разработана методика определения частот. Получены выражения для главных форм изгибных и крутильных колебаний неразрезной балки с учетом вторичных сдвигов.

2.Оценка влияния вторичных сдвигов на собственные частоты показала, что это влияние существенно и увеличивается для высоких форм колебаний. Для стержней открытого профиля разница частот с учетом и без учета сдвигов составила 3 %, для стержней замкнутого и комбинированного сечений — до 25 %. Сравнение значений частот, полученных при расчете по предложенной методике, с результатами, полученными с использованием специализированных программных систем моделирования балки на основе объемных конечных элементов, дало результаты, отличающиеся на 1—3 %, что подтверждает возможность использования предлагаемой методики.

3.Разработаны алгоритм и программный модуль расчета и оптимизации тонкостенной неразрезной балки по массе балки при ограничениях по прочности и частотам собственных колебаний. Решены задачи оптимизации для тонкостенных балок открытого и комбинированного профилей при варьировании размеров сечений. Выполнен анализ влияния начального приближения, а также анализ степени влияния ограничений по частотам собственных колебаний на оптимальный проект. Проведенный анализ свидетельствует о высокой степени влияния ограничений по собственным частотам колебаний на оптимальный проект: при наличии ограничений материалоемкость в некоторых случаях возросла на 30 %.

4.С использованием двухуровнего алгоритма решена задача оптимизации трехпролетной балки комбинированного сечения при дополнительном варьировании положений опор. Результаты расчетов позволяют отметить, что при варьировании положения опор удалось улучшить оптимальные решения по сравнению с решением без смещения опор на 19,6 %. Качественный критерий (14) при этом уменьшается на 17 %.

Библиографический список

1.Бельский, Г. Е. Вариантное проектирование стальных балок составного двутаврового сечения / Г. Е. Бельский, Д. Б. Киселев // Монтажные и специальные работы в строительстве. — 1995. — № 10. — С. 25—29.

2.Воронцова, Т. А. Об учете «вторичного» сдвига в задачах о стесненном кручении тонкостенных стержней замкнутого профиля / Т. А. Воронцова // Тр. Новочеркасского политехнического института. — 1970. — Вып. 216. — С. 148—158.

3.Гаврилов, А. А. Влияние геометрических характеристик тонкостенных стержней на значения частот свободных крутильно-депланационных колебаний / А. А. Гаврилов, Г. И. Гребенюк // Проблемы оптимального проектирования сооружений: доклады 2-й Всерос. конф. / Новосибирский гос. арх.-строит. ун-т (Сибстрин). — Новосибирск, 2011. — С. 74—80.

4.Гребенюк, Г. И. Декомпозиция многопараметрических задач оптимизации динамически нагруженных систем / Г. И. Гребенюк // Известия вузов. Строительство. — 2005. — № 4. — С. 41—47.

5.Гребенюк, Г. И. Метод линейной аппроксимации параметров напряженно-деформированного состояния для активных ограничений в задачах оптимизации конструкций / Г. И. Гребенюк, В. В. Безделев // Известия вузов. Строительство и архитектура. — 1985. — № 3. — С. 27—32.

6.Гребенюк, Г. И. Расчет на прочность неразрезных балок тонкостенного профиля с учетом вторичных сдвигов / Г. И. Гребенюк, А. А. Гаврилов // Тр. Новосибирского государственного архитектурностроительного университета (Сибстрин). — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 11—18.

7.Гребенюк, Г. И. Расчет и оптимизация неразрезной балки тонкостенного профиля / Г. И. Гребенюк, А. А. Гаврилов, Е. В. Яньков // Известия вузов. Строительство. — 2013. — № 7 (655). — С. 3—11.

8.Ижендеев, А. В. Оптимальное проектирование стержневых тонкостенных систем, находящихся под воздействием многопараметрического загружения / А. В. Ижендеев. — Благовещенск: АмГУ, 2006. — 168 с.

166

9.Корбут, Б. А. О динамической теории тонкостенных криволинейных стержней / Б. А. Корбут, Г. В. Лазарева // Прикладная механика. — 1982. — Т. XVIII, № 5. — С. 98—104.

10.Мещеряков, В. Б. Влияние сдвигов и внутреннего трения на спектры частот свободных колебаний тонкостенных стержней / В. Б. Мещеряков // Труды МИИТ. Транспорт. — 1971. — Вып. 343. — С. 42—47.

11.Мещеряков, В. Б. О влиянии сдвигов на работу тонкостенных стержней / В. Б. Мещеряков // Инженерный журнал. — 1965. — Т. 5, вып. 1. — С. 121—123.

12.Мищенко, П. Д. К оценке влияния сдвига на величину деформаций и напряжений в тонкостенных стержнях открытого профиля / П. Д. Мищенко // Труды Алтайского политехнического института. — 1975. — Вып. 27. — С. 29—36.

13.Мрощинский, А. К. Исследование работы складчатых профилей методами теории упругости / А. К.

Мрощинский // Труды лаборатории строительной механики ЦНИИПС. — М.: Госстройиздат, 1941. — С. 69—96. 14. Ambrosini, D. Experimental validation of free vibrations from nonsymmetrical thin walled beams /

D.Ambrosini // Engineering Structures. — 2010. — Vol. 32, № 5. — P. 1324—1332.

15.Ambrosini, D. On free vibration of nonsymmetrical thin-walled beams / D. Ambrosini // Thin-Walled Structures. — 2009. — Vol. 47, № 6—7. — P. 629—636.

16.Attarnejad, R. Basic displacement functions for free vibration analysis of non-prismatic Timoshenko beams / R. Attarnejad, S. J. Semnani, A. Shahba // Finite Elements in Analysis and Design. — 2010. — Vol. 46, № 10. — P. 916—929.

17.Freidman, Zvi. Multilevel optimal design of thin-walled — continuous beams / Zvi. Freidman, Maurice D. Fuchs // Computers and Structures. — 1987. — № 3. — P. 405—414.

18.Giunta, G. Higher-Order Hierarchical Models for the Free Vibration Analysis of Thin-Walled Beams [Электронный ресурс] / G. Giunta, S. Belouettar // Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume. — Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1155/2015/940347.

19.Gunda, J. B. Large amplitude free vibration analysis of Timoshenko beams using a relatively simple finite element formulation / J. B. Gunda, R. K. Gupta, G. R., Janardhan, G. V. Rao // International Journal of Mechanical Sciences. — 2010. — Vol. 52, № 12. — P. 1597—1604.

20.Karihaloo, B. L. Optimum design of statically indeterminate structures subject to strength and stiffness

constraints and multiple loading / B. L. Karihaloo, S. Kanagasundaram // Computers and Structures. — 1988. — Vol. 30, № 3. — P. 563—572.

21.Keskar, A. V. Optimal design of thin walled sections subjected to stability and dynamic constraints. Part 2 / A. V. Keskar, S. R. Adiman // J. Struct. Eng. — 1991. — Vol. 18, № 2. — P. 62—67.

22.Tanaka, M. Free vibration solution for uniform beams of nonsymmetrical cross section using mathematica / M. Tanaka, A. N. Bercin // Computers and Structures. — 1999. — Vol. 71, № 1. — P. 1—8.

References

1. Bel'skii, G. E. Variantnoe proektirovanie stal'nykh balok sostavnogo dvutavrovogo secheniya /

G.E. Bel'skii, D. B. Kiselev // Montazhnye i spetsial'nye raboty v stroitel'stve. — 1995. — № 10. — S. 25—29.

2.Vorontsova, T. A. Ob uchete «vtorichnogo» sdviga v zadachakh o stesnennom kruchenii tonkostennykh sterzhnei zamknutogo profilya / T. A. Vorontsova // Tr. Novocherkasskogo politekhnicheskogo instituta. — 1970. — Vyp. 216. — S. 148—158.

3.Gavrilov, A. A. Vliyanie geometricheskikh kharakteristik tonkostennykh sterzhnei na znacheniya chastot svobodnykh krutil'no-deplanatsionnykh kolebanii / A. A. Gavrilov, G. I. Grebenyuk // Problemy optimal'nogo proektirovaniya sooruzhenii: dokl. 2-i Vseros. konf. / Novosibirskii gos. arkh.-stroit. un-t (Sibstrin). — Novosibirsk, 2011. — S. 74—80.

4.Grebenyuk, G. I. Dekompozitsiya mnogoparametricheskikh zadach optimizatsii dinamicheski nagruzhennykh sistem / G. I. Grebenyuk // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. — 2005. — № 4. — S. 41—47.

5.Grebenyuk, G. I. Metod lineinoi approksimatsii parametrov napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya dlya aktivnykh ogranichenii v zadachakh optimizatsii konstruktsii / G. I. Grebenyuk, V. V. Bezdelev // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 1985. — № 3. — S. 27—32.

6.Grebenyuk, G. I. Raschet na prochnost' nerazreznykh balok tonkostennogo profilya s uchetom vtorichnykh sdvigov / G. I. Grebenyuk, A. A. Gavrilov // Tr. Novosibirskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta (Sibstrin). — 2012. — T. 15, № 2. — S. 11—18.

7. Grebenyuk, G. I. Raschet i optimizatsiya nerazreznoi balki tonkostennogo profilya / G. I. Grebenyuk,

A.A. Gavrilov, E. V. Yan'kov // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. — 2013. — № 7 (655). — S. 3—11.

8.Izhendeev, A. V. Optimal'noe proektirovanie sterzhnevykh tonkostennykh sistem, nakhodyashchikhsya pod vozdeistviem mnogoparametricheskogo zagruzheniya / A. V. Izhendeev. — Blagoveshchensk: AmGU, 2006. — 168 s.

9. Korbut, B. A. O dinamicheskoi teorii tonkostennykh krivolineinykh sterzhnei / B. A. Korbut,

G.V. Lazareva // Prikladnaya mekhanika. — 1982. — T. XVIII, № 5. — S. 98—104.

10.Meshcheryakov, V. B. Vliyanie sdvigov i vnutrennego treniya na spektry chastot svobodnykh kolebanii tonkostennykh sterzhnei / V. B. Meshcheryakov // Trudy MIIT. Transport. — 1971. — Vyp. 343. — S. 42—47.

167

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

11.Meshcheryakov, V. B. O vliyanii sdvigov na rabotu tonkostennykh sterzhnei / V. B. Meshcheryakov // Inzhenernyi zhurnal. — 1965. — T. 5, vyp. 1. — S. 121—123.

12.Mishchenko, P. D. K otsenke vliyaniya sdviga na velichinu deformatsii i napryazhenii v tonkostennykh sterzhnyakh otkrytogo profilya / P. D. Mishchenko // Trudy Altaiskogo politekhnicheskogo instituta. — 1975. — Vyp. 27. — S. 29—36.

13. Mroshchinskii, A. K. Issledovanie raboty skladchatykh profilei metodami teorii uprugosti /

A.K. Mroshchinskii // Trudy laboratorii stroitel'noi mekhaniki TsNIIPS. — M.: Gosstroiizdat, 1941. — S. 69—96.

14.Ambrosini, D. Experimental validation of free vibrations from nonsymmetrical thin walled beams /

D.Ambrosini // Engineering Structures. — 2010. — Vol. 32, № 5. — P. 1324—1332.

15.Ambrosini, D. On free vibration of nonsymmetrical thin-walled beams / D. Ambrosini // Thin-Walled Structures. — 2009. — Vol. 47, № 6—7. — P. 629—636.

16.Attarnejad, R. Basic displacement functions for free vibration analysis of non-prismatic Timoshenko beams / R. Attarnejad, S. J. Semnani, A. Shahba // Finite Elements in Analysis and Design. — 2010. — Vol. 46, № 10. — P. 916—929.

17.Freidman, Zvi. Multilevel optimal design of thin-walled — continuous beams / Zvi. Freidman, Maurice D. Fuchs // Computers and Structures. — 1987. — № 3. — P. 405—414.

18.Giunta, G. Higher-Order Hierarchical Models for the Free Vibration Analysis of Thin-Walled Beams [Elektronnyi resurs] / G. Giunta, S. Belouettar // Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume. — Rezhim dostupa: http://dx.doi.org/10.1155/2015/940347.

19.Gunda, J. B. Large amplitude free vibration analysis of Timoshenko beams using a relatively simple finite element formulation / J. B. Gunda, R. K. Gupta, G. R., Janardhan, G. V. Rao // International Journal of Mechanical Sciences. — 2010. — Vol. 52, № 12. — P. 1597—1604.

20.Karihaloo, B. L. Optimum design of statically indeterminate structures subject to strength and stiffness

constraints and multiple loading / B. L. Karihaloo, S. Kanagasundaram // Computers and Structures. — 1988. — Vol. 30, № 3. — P. 563—572.

21.Keskar, A. V. Optimal design of thin walled sections subjected to stability and dynamic constraints. Part 2 / A. V. Keskar, S. R. Adiman // J. Struct. Eng. — 1991. — Vol. 18, № 2. — P. 62—67.

22.Tanaka, M. Free vibration solution for uniform beams of nonsymmetrical cross section using mathematica / M. Tanaka, A. N. Bercin // Computers and Structures. — 1999. — Vol. 71, № 1. — P. 1—8.

SOLUTION OF THE PROBLEMS OF THE CALCULATION AND OPTIMIZATION

OF MULTI-SPAN THIN-WALLED BEAMS

TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF SECONDARY CHANGES

G. I. Grebenyuk, A. A. Gavrilov

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin), Russia, Novosibirsk, tel.: (383) 266-33-80, e-mail: greb@sibstrin.ru

G. I. Grebenyuk, D. Sc. in Engineering, Prof., Head of the Dept. of Construction Mechanics Orenburg State University

Russia, Orenburg, tel.: (4872) 37-25-13, e-mail: pialex@bk.ru

A. A. Gavrilov, PhD in Engineering, Senior Lecturer of the Dept. of Machine Science

Statement of the problem. Multi-span continuous beams of a bisymmetric thin-walled section having parts as an open and closed profile are investigated. Problems of statics, dynamics and optimization of the beam are tackled.

Results. The methods of static calculation and determination of the frequencies to eigen vibrations of multi-span thin-walled beams are proposed. The equations of the states of beams taking into account changes from bending and constrained torsion are obtained and the algorithms for their solution are developed. The algorithm to solve the optimization of the beams under consideration for the strength and eigen frequencies was set forth and developed.

Conclusions. The results indicate a large influence of secondary changes on the results of the calculations of the beams having parts of a closed profile and allow one the selection of beam dimensions for different tasks.

Keywords: thin-walled core, a multiflying beam, secondary shifts, eigen frequencies, optimization, varied parameters, restrictions.

168

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

УДК 69.003+504.052

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ПОЛНОГО РЕСУРСНОГО ЦИКЛА

В. А. Ильичев, В. И. Колчунов, Н. В. Бакаева, С. А. Кобелева

Российская академия архитектуры и строительных наук Россия, г. Москва, e-mail: ilyichev@raasn.ru

В. А. Ильичев, академик РААСН, д-р техн. наук, проф. Юго-Западный государственный университет Россия, г. Курск, e-mail: yz_swsu@mail.ru

В. И. Колчунов, академик РААСН, д-р техн. наук, проф.

Россия, г. Курск, e-mail: natbak@mail.ru

Н. В. Бакаева, советник РААСН, д-р техн. наук, проф. Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева Россия, г. Орел, e-mail: ksa92@ya.ru

С. А. Кобелева, канд. техн. наук, докторант

Постановка задачи. Ставится и решается задача комплексной оценки потенциала ресурсо- и энергосбережения строящихся зданий в гражданском строительстве для достижения целей экологической безопасности.

Результаты. Предложена концептуальная модель полного ресурсного цикла, базирующаяся на концепции биосферной совместимости, согласно которой отходы, образующиеся в течение жизненного цикла строительного объекта, пригодны к последующему ресурсному или энергетическому использованию. Показано, что оценку эффективности строительных технологий целесообразно проводить на основании обобщенного показателя экологической безопасности здания. Рассмотрен пример критериальной оценки конструктивных решений гражданских зданий, приводятся результаты сравнения их экологической безопасности.

Вывод. Предлагаемые направления повышения экологической безопасности, ресурсо- и энергосбережения при производстве строительных материалов и обеспечении конструктивной безопасности зданий и сооружений позволяют осуществить последовательный переход от малоотходных технологий к технологиям полного ресурсного цикла в строительном комплексе.

Ключевые слова: экологическая безопасность, ресурсосбережение, энергосбережение, гражданские здания, концепция биосферной совместимости.

Введение. В настоящее время в промышленности и строительном комплексе используются технологии «сквозного» ресурсного цикла: ежегодно из биосферы добывается в среднем на каждого жителя страны до 20 тонн минерально-сырьевых и топливноэнергетических ресурсов, из которых изготавливается товарная продукция [6]. Создание ресурсо- и энергоэффективных строительных материалов, изделий, конструктивных систем гражданских зданий отвечает «Перечню приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и критических технологий, имеющих важное со- циально-экономическое, экологическое значение» [13].

© Ильичев В. А., Колчунов В. И., Бакаева Н. В., Кобелева С. А., 2016

169

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Вопросы ресурсо-, энергосбережения нередко становились предметом острых дискуссий в научной сфере. Одни авторы рассматривают основные направления внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий с конструктивно-технологической точки зрения, другие исследуют экономическую составляющую этого процесса [13, 15]. Новые подходы в решение проблемы снижения антропогенного воздействия на биосферу предложены в концепции биосферной совместимости городов и поселений, развивающих человека [8].

В рамках этой концепции одной из нерешенных остается проблема комплексной оценки потенциала энерго- и ресурсоэффективности гражданских зданий на всех стадиях жизненного цикла, включая добычу минерально-сырьевых ресурсов из биосферы; производство строительных материалов, изделий, конструкций; проектирование; возведение зданий; эксплуатацию; демонтаж и утилизацию конструкций, объектов, выработавших свой ресурс. Для достижения целей экологической безопасности предлагается концептуальная модель полного ресурсного цикла гражданского здания, в котором отходы, образующиеся в течение жизненного цикла объекта, пригодны к последующему ресурсному или энергетическому использованию [7].

1. Модель ресурсного цикла и методика расчета энерго- и ресурсоэффективности гражданских зданий. В настоящее время в строительном комплексе реальным становится переход к малоотходным производствам и технологиям, характеризующимся максимально возможной переработкой или утилизацией отходов. На рис. 1 представлена укрупненная модель ресурсного цикла с малоотходными технологиями. Связи между элементами модели реализуются потоками минерально-сырьевых ресурсов, готовой строительной продукции, отходов и возможных потерь, служащих источником сырья для промышленного производства. Внешней средой системы является, с одной стороны, биосфера, через которую замыкаются техногенные циклы, а с другой стороны — потребности человека.

Рис. 1. Модель ресурсного цикла в строительстве

Для оценки экологической безопасности в строительстве предложена методика расчета энерго- и ресурсоэффективности гражданских зданий полного ресурсного цикла, основанная на следующих показателях [23]:

1) показатель безотходности О1 характеризует степень использования ресурсов в течение жизненного цикла строительной продукции и определяется по формуле

170