Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Формообразование строительных конструкций. Монография
.pdf
121
Варьируя физико-механические характеристики материалов
несущих элементов и их геометрические параметры, можно добиться, оставаясь в рамках одной конструктивной формы, вопервых, увеличения значения maxtLj и, во-вторых, сокращения
размеров отрезков [ψ] и [ψ*]. Относительный интервал ω может
служить своеобразной оценкой качества конструктивной формы:
ω = [ψ] / Lt, где Lt = [∑
] / t. (5.8)
(t) Lj
Отношение ω тем меньше, а качество системы тем выше, чем
больше знаменатель и меньше числитель в формуле (5.8).
«Размытость» границы области существования пролетов рассматриваемой конструктивной формы, определенная выше размерами [ψ] и [ψ*] по формулам (5.7), характеризует только несущие элементы наивысшего уровня структуры конструктивной
формы (уровня номер ζ
max
).
Для несущих элементов других уровней структуры (при ζ ≠
ζ
) предельные неравенства, адекватные неравенствам (5.4),
max
имеют вид
0,5L
[(1 – q
jаζ
2j ν
≤ Lζ ≤ 0,5Ljаζ[(1 – q
) /(1 + L
) /(1 + L
2jν
)]{1 – [1 – 4q
jаζq1jν
jаζq1jν
)]{1+[1 – 4q
3jν /Ljаζ
3jν /Ljаζ
(1 – q
(1 – q
2jν
)2]
2jν
0,5
)2]
} ≤
0,5
},
где аζ = Ljζ / Lj;
Ljζ = mjRj / λ
0jζ
γK.
Здесь Ljζ — наибольший характерный теоретический размер зоны
структурных элементов уровня ζ при проверке j-го условия прочности из числа tζ от действия только постоянных нагрузок; Lζ —
характерный допустимый размер зоны структурных элементов
уровня ζ при проверке tζ условий прочности от действия постоянных и временных нагрузок. После определения всех величин Lζ
для мостовых сооружений может быть получена оценка минимального количества sζ одинаковых структур каждого из уровней
ζ, на которые может быть эффективно разбита конструктивная
форма:
sζ = [minj L / maxjLζ].
122
5.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ
«БОЛЬШОЙ ПРОЛЕТ СООРУЖЕНИЯ»
Рассматриваемое понятие для теории сооружений весьма существенно, поскольку конструкции, даже представляющие одну
конструктивную форму, наиболее полно проявляют свои специфические свойства только в системе конкретного сооружения с
его структурой, уровнями постоянных нагрузок и спецификой
временных воздействий, а также с другими особенностями поведения, раскрываемыми в процессе эксплуатации объекта. С понятием «большой пролет», когда речь уже идет о пролетах более
400…500 м, а особенно более 1000 м, интуитивно связывается
чувство внемасштабности сооружения, представление о системе с
огромной массой, с развитым характерным размером не только
по горизонтали, но и по вертикали, с замедленностью колебаний,
свойственной очень тяжелым конструкциям. Архитектурными
приемами удается отчасти скрыть такие, в общем негативные,
эффекты восприятия большепролетных объектов. Переход от интуитивных представлений к математическим моделям, позволяющим управлять формообразованием большепролетных систем,
— интересная и достаточно сложная проблема развития искусственного интеллекта. Современное решение этой проблемы отлично от расчетного аппарата 30…70-х гг. XX в.
Множества линейно-протяженных или пространственных конструкций, для которых введено понятие «пролет», характеризуемый геометрическими и статическими условиями расположения
внешних связей, образуют конструктивные формы, способные
перекрывать пролеты некоторой величины. Абсолютные или относительные размеры пролетов сами по себе могут в математическом смысле определять меры таких множеств. Но выделить
подмножество конструкций с большими пролетами, используя
только сами размеры пролетов, невозможно, поскольку объективно отсутствует некоторый признак, разграничительная проце-
дура выделения части из целого. Более того, конкретная конструкция с заданной величиной пролета может как принадлежать,
так и не принадлежать к подмножеству большепролетных, если
разграничительная процедура определена субъективно и нечетко.
123
Имеет смысл говорить о размытости, нечеткости выделения
подмножества большепролетных объектов, к чему сегодня уже
вполне готова математическая логика, вооруженная теорией нечетких множеств [72]. Методы теории нечетких множеств находят применение в прикладных исследованиях [73; 74], в том числе и в исследованиях сооружений, в качестве инструмента для
преодоления неопределенностей, не допускающих корректное
использование вероятностных подходов [104; 190].
В данной работе только определяются области допустимых из
условий прочности, устойчивости и деформативности пролетов
линейно протяженных конструкций и вводятся энергетический и
«прочностной» признаки выделения подобласти больших пролетов. Можно ожидать, что предлагаемый подход на базе мощной
вычислительной техники позволит в перспективе построить более совершенные, «интеллектуальные» модели для качественного
анализа или экспертизы технических решений сооружений и
приведет к созданию новых эффективных алгоритмов поиска оптимальных строительных конструкций. Для выделения подобласти
«больших» пролетов остается наметить внутри области существования конструктивной формы (согласно неравенству (5.4) точку,
менее чувствительную к параметрам несущих элементов, чем точки
вблизи границ этой области. Выбор точки разграничения может
быть сделан на основе следующего энергетического подхода.
« Б о л ь ш и м и » условно назовем пролеты Lb, допустимые
по критериям прочности несущих элементов конструкций, при
которых суммарная внутренняя потенциальная энергия деформации от расчетных постоянных нагрузок и воздействий регулирования усилий и реакций U1 не меньше возможного наибольшего
приращения (max ∆Up) потенциальной энергии деформации при
загружении конструкции расчетной временной нагрузкой, т.е.
должно соблюдаться неравенство
U1 ≥ max∆Up.
(5.9)
В принципе для любого сооружения это неравенство может
быть проверено численно. На практике критерий (5.9) приближенно можно заменить простейшим критерием, не учитывающим
регулирование внутренних усилий:
Q ≥ (2
0,5
+ 1)maxP,
124
где Q — расчетный вес пролетных строений сооружения при от-
(5.10)
сутствии на нем временной нагрузки;
maxP — наибольший расчетный вес временной нагрузки, ко-
торая может быть установлена на сооружении в соответствии с
нормами проектирования.
5.4. ОБОБЩЕННЫЕ НЕРАВЕНСТВА ОГРАНИЧЕНИЙ
ПРОЛЕТОВ ЛИНЕЙНО-ПРОТЯЖЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ И ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ
Для введения «прочностного» критерия выделения подобласти
больших пролетов выделим из неравенств (5.4) некоторую зону
«неразмытого» отображения предельного неравенства прочности,
ограниченную точками форсированного использования конструкционных материалов:
maxt0,5Lj [(1 – q
≤ mint0,5Lj[(1 – q
) / (1+ Ljq
2jν
) / (1 + Ljq
2jν
)]{1 – [1 – 4q
1j ν
)]{1 + [1 – 4q
1jν
/ Lj(1 – q
3jν
(1 – q
3jν /Lj
2jν
2jν
)2]
)2]
0,5
0,5
}.
} ≤ L≤
Упростим выражения неравенств (5.10), для чего:
● в первом неравенстве из (5.10) выделим безразмерный мно-
житель ω1:
ω1 = 0,5[(1– q
) / (1+ Ljq
2jν
)]{1– [1– 4q
1jν
/ Lj(1– q
3jν
2jν
)2]
0,5
};
● во втором неравенстве из выражения (5.10) выделим безраз-
мерный множитель ω2:
ω2 = 0,5[(1– q
) / (1+ Ljq
2jν
)]{1 + [1– 4q
1jν
/ Lj (1– q
3jν
2jν
)2]
0,5
}.
Тогда неравенства (5.10) примут вид
max
t Lj ω1
≤ L ≤ min
t Lj ω2 .
(5.11)
В зависимости от относительного уровня временных нагрузок
(например, в сочетаниях воздействий, характерных для железнодорожных, автодорожных и совмещенных мостов, когда q
q
1jν
<< q
или q
3jν
≈ 0; q
1jν
2jν
<< q
или q
3jν
≈ 0) этот множитель
2jν
> 0;
3jν
может принимать значения в области (0,5 < ω2 < 1). Чем выше
125
уровень временной нагрузки, определяемой величиной p3ν, и
ниже уровень прочности материалов — см. формулу (5.3), тем
ближе значение ω2 к 0,5. Поэтому условно зоной больших пролетов, в которых преобладает роль постоянных нагрузок и воздействий, для множителя ω2 можно принять примерно половину
области определения ω1:
(0,75 < ω2 < 1). (5.12)
Таким образом, областью больших пролетов будем полагать
значения L в неравенстве (5.4), удовлетворяющие, по крайней
мере, одному из критериев, имеющих в комплексе энергетическую и прочностную природу, — эквивалентным равенствам
(5.11) или неравенствам (5.12).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Целесообразно сделать следующие выводы, отражающие особенности методологии создания конструктивных форм и выбора
технических решений строительных конструкций для сооружений всех классов:
1. Создание конструктивных форм можно рассматривать как
своеобразный циклический процесс. В каждом сооружении фиксируется определенный «коллектив» конструктивных форм различных уровней сложности, и формы совершают, по меньшей
мере, один цикл своего развития в течение всего периода существования объекта. Каждый цикл можно разбить на отчетливо
проявляющиеся этапы, хотя хронологически отдельные этапы по
выполнению ряда работ могут частично наслаиваться друг на
друга. Циклы могут приостанавливаться, навсегда обрываться и
даже повторяться для одного и того же объекта.
2. Формообразование — объективно действующий исторический процесс создания и обновления строительных конструкций,
одна из важнейших граней инженерного творчества. Развитие как
конструктивных, так и архитектурных форм сооружений —
неотъемлемая, определяющая черта цивилизаций, их исторических «портретов». Чем сложнее природные условия и применяемые технологии, тем сложнее сооружение, его конструктивные
126
формы, тем обычно более длительны циклы осуществления инновационных проектов и, к сожалению, тем больше случаев прерывания этих циклов.
3. Возникновение и развитие конструктивных форм сооружений проходят в своеобразной информационной среде, где можно
выделить информационную оболочку, непосредственно окружающую определенный строительный объект или комплекс однородных объектов. В такой среде происходит обмен данными с
более обширными сферами информационного пространства. Чем
лучше организован такой обмен, тем больше предпосылок к генерации новых и совершенствованию известных конструктивных
форм сооружений.
4. Принципы создания строительных конструкций как критерии выбора наиболее эффективных конструктивных идей для
формирования технических решений объективно существуют,
действуют и полностью определяют уровень решения многокритериальной проблемы конструирования. Предложена новая система принципиальных положений формообразования, в логическом смысле взаимно ортогональных, не выводимых один из другого объективных критериев, из которых отдельным критериям,
по возможности, придается количественный, и даже экстремальный характер. Владение принципами формообразования позволяет при создании сооружений (как и продукции других отраслей
техники) сделать наиболее эффективные творческие шаги —
успешно перейти от комплекса конструктивных идей либо к их
реализации в новых конструктивных формах, либо к развитию
существующих технических решений с известными конструктивными формами.
5. Предельные неравенства прочности и общей устойчивости
разнообразных конструктивных форм линейно-протяженных или
развитых в плане сооружений удается приближенно представить
в универсальном виде квадратного неравенства, включающего в
качестве аргумента величину пролета сооружения. Для пространственных объектов эта величина — один из характерных размеров конструкции в плане. Квадратные неравенства ограничивают
размеры пролетов, допустимые по критериям прочности и устойчивости несущих элементов. Для «больших» пролетов суммарная
127
внутренняя потенциальная энергия деформации от расчетных
постоянных нагрузок и воздействий регулирования усилий и реакций не меньше возможного наибольшего приращения потенциальной энергии деформации при загружении конструкции расчетной временной нагрузкой.
Чем ближе пролет сооружения к своему теоретическому максимуму, тем в большей мере проявляется специфика большепролетных конструкций, тем меньше набор инженерных идей и готовых решений конструктивных форм, тем актуальнее разносторонний анализ таких систем, тем сложнее учет их свойств и
труднее преодоление многочисленных объективных и субъективных препятствий на пути к осуществлению уникальных инновационных проектов.
6. Активное освоение надземного (приподнятого над есте-
ственной поверхностью земли) пространства, включая и возведение протяженных транспортных эстакад, в XXI в. продолжает
оставаться одной из важнейших проблем и насущных потребностей цивилизации, от реализации которых во многом зависят ее
дальнейший прогресс и безопасность.
7. Могут быть определены два важнейших признака удовле-
творительного (безопасного) поведения сооружения как сложной
технической системы. Первый признак — способность полностью и многократно восстанавливать свою структуру, геометрию
и совокупность связей для повторного восприятия временных
нормативных воздействий. Второй признак — способность конструкций сооружения сохранять ресурсы развития перемещений
(включая остаточные) и накопления внутренней потенциальной
энергии деформации несущих элементов в некоторых областях
нагрузок и воздействий, определяемых техническим заданием на
проектирование. Однако нормируемая область воздействий на
сооружения ограничена не всегда достаточным опытом эксплуатации ранее возведенных объектов, что заставляет расширять эту
область, опираясь на приемы имитационного моделирования экстремального поведения несущих конструктивных элементов.
8. Предложенный методологический подход, основанный на
алгоритме поиска эффективных движений (раскачки или непрерывного наращивания перемещений) конструкции, приводящих к
128
ее полному или частичному разрушению, можно рассматривать
как поиск наиболее неблагоприятных сценариев развития процессов разрушения сооружения, своеобразных инвариантов его
внутренних ресурсов безопасности.
9. Содержание этой работы можно рассматривать как своеобразный инструмент — «фильтр», через который целесообразно
пропускать проекты любых сооружений, как при проектировании, так и в процессе экспертизы завершѐнных проектов.
10. Еще одним направлением использования представленного
подхода может стать его применение для мониторинга большепролетных или высотных сооружений, например в случае установки на контролируемых конструкциях весьма эффективных
современных низкочастотных датчиков угловых перемещений,
регистрирующих угловые параметры колебаний от внешних воздействий. Сопоставляя показания таких приборов со значениями
соответствующих первых производных от функций перемещений, найденных на основе «метода раскачки», можно в любой
момент времени определить, насколько далек контролируемый
объект от наиболее опасных своих состояний. Развитие предложенных выше методологических подходов до уровня компьютерных программ и их практическое внедрение в практику проектирования, в мониторинг сооружений и в нормативные документы — предмет новых исследований и разработок.
11. В рамках предлагаемого подхода и его дальнейшей разработки могут быть уточнены определения предельных состояний
сооружения по прочности и устойчивости несущих элементов его
конструктивных форм, в том числе и в смысле формулирования
наиболее опасных для объекта сочетаний внешних воздействий,
что будет способствовать развитию механики разрушения конструкций и иметь практическую отдачу в проектирование, исследования и мониторинг строительных конструкций различного
назначения, включая большепролетные транспортные, высотные,
подземные и другие инженерные сооружения, а также сооружения так называемой «свободной» архитектуры.
12. Можно полагать, что в целом содержание этой работы послужит развитию искусственного интеллекта в области проектирования и анализа инженерных сооружений.
129
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абовский Н.П., Палагушкин В.И. Активное управление колебани-
ями конструкций : учеб. пособие. Красноярск : КрасГАСА, 1997. 100 с.
2. Автоматическое управление конструкциями с помощью нейронных сетей : учеб. пособие / Н.П. Абовский, П.С. Абросимов, В.Б. Бабанин и др. Красноярск : КрасГАСА, 1997. 88 с.
3. Абовский Н.П. Нейросетевая технология в задачах управления, оп-
тимизации и прогнозирования. Красноярск : КрасГАСА, 2003. 264 с.
4. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация послед-
ствий: учеб. пособие / под ред. В.А. Котляревского, А.В. Забегаева. М. :
АСВ, 1998. Кн. 4. 204 с.
5. Айзинбуд С.Я., Айзинбуд К.С. Катастрофы на транспорте. Ро-
стов/н/Д : РГУПС, 1993. 70 с.
6. Алмазов В.О., Белов С.А., Набатников А.М. Защита от прогресси-
рующего разрушения // Наука и технология в промышленности. 2005.
№ 3. С. 64—74.
7. Технологичность конструкций изделий : справочник / Т.К. Алферова, Ю.Д. Амиров, П.Н. Волков. М. : Машиностроение, 1985. 367 с.
8. Альтшуллер Г.С., Шапиро Р.Б. О психологии изобретательского
творчества // Вопросы психологии. 1956. № 6. С. 37—49.
9. Поиск новых идей: от озарения к технологии (теория и практика
решения изобретательских задач) / Г.С. Альтшуллер, Б.Л. Злотин, А.В.
Зусман, В.И. Филатов. Кишинев : Картя Молдовеняскэ, 1989. 381 с.
10. Амиров Ю.Д. Организация и эффективность научноисследовательских и опытно-конструкторских работ. М. : Экономика,
1974. 237 с.
11. Амиров Ю.Д. Повышение эффективности эксплуатации изделий
машиностроения средствами унификации: общие положения : метод.
рекомендации. МР 128-84 / ВНИИ по нормализации в машиностроении.
М. : ВНИИНмаш, 1984. 33 с.
12. Амиров Ю.Д. Стандартизация и проектирование технических си-
стем. М. : Изд-во стандартов, 1985. 312 с.
13. Амиров Ю.Д., Яновский Г.А. Ресурсосбережение и качество про-
дукции. М. : Изд-во стандартов, 1987. 94 с.
14. Амиров Ю.Д. Научно-техническая подготовка производства. М. :
Экономика, 1989. 229 с.
15. Амиров Ю.Д. Основы конструирования: творчество. Стандарти-
зация. Экономика : справ. пособие. М. : Изд-во стандартов, 1991. 391 с.
130
16. Амиров Ю.Д. Квалиметрия и сертификация продукции: метод.
пособие. М. : Изд-во стандартов, 1996. 99 с.
17. Архипенко Ю.В. Разработка математической модели подвижной
нагрузки для динамического анализа мостовых сооружений // Научное
обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации мостов. М.:
ОАО ЦНИИС, 2005. Вып. № 226. С. 184—201.
18. Архипенко Ю.В. Новая методика расчета динамического взаимо-
действия подвижной нагрузки с мостовыми сооружениями // Научнопрактич. конференция «Безопасность движения поездов»: тр. конф. /
Минтранс РФ, ОАО РЖД и др. М. : МИИТ, 2006.
19. Архитектурная бионика // Тезисы докладов научно-творческого совещания «Архитектурные формы и научно-технический прогресс»
(Москва, 22–24 ноября 1972 г.). М. : Госгражданстрой; НИИТИ, 1972. 28 с.
20. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в
строительном проектировании / пер. с англ. Ю.Д. Сухова. М. : Стройиздат, 1988. 584 с.
21. Аугустин Я., Шледзевский Е. Аварии стальных конструкций /
пер. с польск. ; науч. ред. Е.Н. Селезнева. М. : Стройиздат, 1978. 183 с.
22. А.с. SU 1030463 А, МКИ Е 01 D 21/04. Способ монтажа сборной
из блоков балки жесткости висячих и вантовых мостов / ЦНИИПроектстальконструкция ; Ю.М. Вдовин, М.М. Кравцов, В.Ю. Попов, В.М.
Фридкин, С.Н. Виноградов, Ю.М. Данилевич. № 3413927/29-33 ; заявл.
31.03.82 ; опубл. 23.07.83, Бюл. № 27. 4 с.
23. А.с. SU 1030462 А, МКИ Е 01 D 21/04. Способ монтажа сборной из
блоков балки жесткости висячих и вантовых мостов / ЦНИИПроектстальконструкция ; Ю.М. Вдовин, М.М. Кравцов, В.Ю. Попов, В.М. Фридкин.
№ 3413925/29-33 ; заявл. 31.03.82 ; опубл. 23.07.83, Бюл. № 27. 3 с.
24. Балабух Л.И., Алтуфов Н.А., Усюкин В.И. Строительная механика
ракет : учебник для машиностроит. спец. вузов. М. : Высш. шк., 1984. 391 с.
25. Белелюбский Н.А. Лекции. Строительная механика. 2-е изд / Сб.
Инс-та путей сообщения Императора Александра I. Вып. XLIV (с атласом из 30 таблиц и чертежей). СПб. : Изд-во ИИПС, 1898. 404 с.
26. Беленя Е.И. Пути экономии металла в металлических конструк-
циях / Вводные доклады симпозиума АИПК (Москва, 7—8 сентября
1978 г.). М. : ЦНИИПроектстальконструкция, 1978. С. 3—40.
27. Бернштейн С.А. Очерки по истории строительной механики. М. :
Госстройиздат, 1957. 236 с.
28. Бойцов Г.В., Палий О.М. Комплексный подход к проблемам
обеспечения прочности судов // Проблемы прочности судов (Системный подход к расчету и проектированию корпусных конструкций) / под
ред. В.С. Чувиковского. Л. : Судостроение, 1975. С. 71—150.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]