Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Формообразование строительных конструкций. Монография
.pdf
51
ферм каркасов зданий металлургических комбинатов и заводов
металлоконструкций, коробчатых подкрановых балок вододелителя в дельте р. Волги, висячего и передвижного рамного вариантов защитного покрытия для отсыпки глинистого ядра плотины
Рогунской ГЭС и других проектов.
Отработка важнейшего в теории формообразования «принципа безопасности» проходила также на основе опыта института и
других предприятий в проведении экспертиз проектов строительства, реконструкции и эксплуатации различных сооружений (в
том числе находившихся в аварийном состоянии), а также в проведении экспертиз при авариях сооружений, в принятии решений
по ликвидации аварий сооружений или по выводу строительных
объектов из аварийных состояний, включая разработку конструкций саркофака для 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС.
Разумеется, возможны и другие «ортогональные», по аналогии
с математикой, представления принципов формообразования [89;
95], не обязательно в «двенадцатимерном пространстве», но всегда
в форме, доступной для понимания и освоения инженерамистроителями. Например, здесь, в отличие от критериев работ [89;
95], не выдвигается как независимый «принцип обеспечения
надежности сооружения» из-за его недостаточной конкретности
при наличии объективных неопределенностей для новых технических решений, не опирающихся на статистику внедрения. В таких
случаях методы математической теории надежности — это
лишь «полезные консультанты» проектировщиков и экспертов.
В более широком представлении, далеко выходящем за возможности вероятностных методов, проблема обеспечения надежности строительных конструкций полностью охватывается критериями принципа безопасности и ряда других изложенных выше
принципов формообразования. Для металлических строительных
конструкций «расширение» теории надежности за рамки вероятностных математических моделей наиболее последовательно рассмотрено в работах [78; 107; 134].
Объект исследования в современной теории безопасности, как
указывается в [33], фундаментальные закономерности перехода и
взаимодействия естественных природных систем, объектов техногенной и биологической сферы, социально-экономических
структур от нормальных (штатных) к аварийным и катастрофиче-
52
ским состояниям: создание научных основ диагностирования,
мониторинга, раннего предупреждения и предотвращения аварий
и катастроф, построение системы защиты и реабилитации.
Понятия «Авария» и «катастрофа» применительно к сооружениям рассмотрены в прил. 2. Выдвинутый выше «принцип безопасности» соответствует представлению о многосторонности
взаимосвязи понятий «безопасность» и «системность» [129]. В
этой работе предлагается объект, рассматриваемый в качестве
системы, представлять в виде пяти взаимосвязанных «топик»:
совокупности процессов, совокупности структур, обеспечивающих и поддерживающих протекание упомянутых процессов,
наборов функциональных связей между элементами структур,
материала, наполняющего структуры, организованности материала, возникающего под действием протекающих процессов».
Обеспечение безопасности технической системы сооружения
в полном объеме включает требования к надежности самой системы и одновременно охватывает ее взаимодействие с другими
системами, экологическими и техническими, например, с системами, условно называемыми здесь: «транспортные средства —
пассажиры — пешеходы», «подвижной состав — транспортируемые продукты (грузы)», «ГЭС — водохранилище — судоходство», «взрывоопасное предприятие», «магистральный трубопровод», «линия электропередачи», «теплотрасса» и т.п.
Понятие «безопасность» по отношению к сооружению шире
понятия «надежность», поскольку второе есть внутреннее свойство сложной технической системы, определяемое «устойчивостью качества системы по отношению ко всем возможным возмущениям» и включает такие свойства (можно сказать «потребительские свойства») как «безотказность, долговечность,
ремонтопригодность, сохраняемость или любое сочетание этих
свойств» (В.В. Болотин, [29]). Часть из рассматриваемых принципов формообразования растворяет в себе те или иные стороны
понятия «надежность» из этого определения.
«Принцип безопасности» обычно, но не всегда в полном объеме, проявляется, используется и реализуется при экспертизах
проектов, в нормативных документах по строительству, эксплуатации, обследованию и испытаниям сооружений. Для сооружений в части обеспечения безопасности их строительства и экс-
53
плуатации наиболее недоработанным звеном в существующих
отечественных нормах представляется недостаточно развитый
системный подход к структуре и организации мониторинга объектов строительства на всех этапах их «жизненного цикла».
В действительности, нормы проектирования, опирающиеся на
опыт создания предшествующих конструктивных форм и использующие вероятностный базис, не имеющий исчерпывающего
обоснования [20; 29], могут служить лишь полезным стартовым
ориентиром для выдвижения и внедрения в строительство новых
технических идей. В работе [20] отмечается, что сооружения как
сложные технические системы проектируются с принятыми в
строительстве вероятностями отказов от 10–3 для предельных состояний, не опасных для жизни людей, и до 10–5-10–6 — для предельных состояний с катастрофическими последствиями, включая жертвы. Однако определение столь малых вероятностей требует экстраполяции статистических свойств, известных лишь для
центральных зон распределения случайных величин. Выход из
тупика в применении теории надежности при проектировании
сооружений с новыми конструктивными формами возможен, повидимому, в расширении исследований по имитационному моде-
лированию поведения конструкций в эксплуатационных и экстремальных условиях. Одним из примеров такого подхода могут
служить имитационные нелинейные математические модели
многоболтовых фрикционных соединений строительных металлоконструкций, сочетающие как данные стандартной статистики,
так и результаты экспериментов с физическими моделями таких
соединений [37; 63].
Чем больше циклов своего развития проходит конструктивная
форма, тем больше возможностей применения для еѐ совершенствования с позиций обеспечения безопасности получают вероятностные критерии надежности, тем проще становится ее проектировать, нормировать долговечность и анализировать поведение
в процессе эксплуатации [152].
Начало XXI в. продемонстрировало рядом природных и техногенных катастроф и чудовищными актами международного
терроризма необходимость дальнейшего развития теории сооружений для решения новых задач расчета и конструирования объектов с учетом высокоинтенсивных природных и техногенных
54
воздействий. «Принцип безопасности», как и «принцип самосохранения», могут быть в полной мере реализованы только в процессе дальнейшего развития механики разрушения конструкций
как исключительно актуального раздела современной теории сооружений [30; 31; 47; 100; 161].
Соблюдение требований нормативных документов является
скорее юридической, чем фактической гарантией безопасности
сооружения с новыми конструктивными формами. Нормативные
(законодательные) документы общегосударственного уровня типа общих и специальных «технических регламентов» и «технические стандарты» определяют нормативно-правовой и минималь-
но необходимый нормативно-технический набор требований
обеспечения безопасности, предъявляемых к объектам проектирования. Достаточность реально применяемого нормативнотехнического подхода к созданию безопасных (в техническом,
экологическом и экономическом смыслах) сооружений должна
доказываться на основе применения «принципа конкуренции»
вариантным проектированием, экспертизами и конкурсами различных уровней.
Выдвинутый «принцип безопасности» для вновь возводимых,
эксплуатируемых и реконструированных сооружений в полной
мере направлен на обеспечение экологической безопасности и
охраны окружающей среды.
Следствием «принципа безопасности» можно признать положение о том, что обоснование безопасности сложных объектов
требует вынужденных затрат и дополнительных ресурсов на
начальных циклах формообразования и на первых этапах каждого цикла для моделирования сценариев отказов, а также на исследования в рамках мониторинга реального поведения системы
возводимого или уже сданного в эксплуатацию сооружения, в
том числе для опытных объектов и при экспериментальном характере строительства.
Конструктивные формы, первоначально полностью удовлетворяющие «принципу безопасности» и принадлежащие нормально эксплуатируемому сооружению, со временем могут оказаться ненадежными вследствие действия комплекса причин,
возможно, даже чисто внешних, но, как правило, не без проявления внутренних факторов, ранее скрытых или вновь возникших.
55
В таких случаях объект будет иметь стопроцентную вероятность
отказа или даже во много раз меньшую, но все-таки превышающую нормативную. Выявление предаварийных ситуаций — серьезная и актуальная проблема, решение которой следует искать в
мониторинге процесса эксплуатации сооружений, прежде всего, в
применении современных неразрушающих методов физических
измерений состояния материалов и эффективных приемов контроля геометрии и деформаций несущих элементов конструктивных форм.
Еще одной проблемой при внедрении новых конструктивных
форм является нормирование сроков службы сооружений. Такие
«нормативы» имеют смысл только как рекомендации. Однако в
XXI в. уже имеется принципиальная возможность рассмотреть
несколько вполне вероятных, «конкурентоспособных» сценариев
эксплуатации объекта и на основе имитационного моделирования
«проникнуть» в его будущее и оценить временной ресурс эксплуатации сооружения.
Косвенно неопределенности отдаленных этапов эксплуатации
строительных конструкций учитываются в СНиП коэффициентами условий работы, коэффициентами надежности по нагрузкам и
воздействиям, коэффициентами общей работы конструкций и т.п.
В этом отношении особенно болезненно протекает внедрение новых конструктивных форм. Очень важно и полезно применение
«масштабного» подхода, при котором первоначально проектируется и возводится объект (а еще лучше объекты), в котором не
форсируются максимальные параметры пролетов и режимы эксплуатации, намечаемые для новой конструктивной формы на
верхних пределах ее теоретически предсказанных возможностей.
Опытные проектировщики с большим «искусством» оставляют, не всегда находя «оправдание» в действующих нормах и в
современных «специальных технических условиях», резервы несущей способности проектируемых объектов или даже только
возможности такие резервы обеспечить в будущем, особенно для
уникальных объектов. «Профессионалы» проектирования способны оснащать намечаемые к реализации в проекте конструктивные формы такими деталями несущих или вспомогательных
элементов, которые могут обеспечить в перспективе расширение
габаритов, смену вида или класса временной нагрузки, установку
56
дополнительных элементов и связей. Делается это «ради будущих перспектив» и иногда с «молчаливого одобрения» заказчика,
рискующего некоторым увеличением капитальных затрат. В других случаях, вследствие недостаточной компетентности заказчика и недоработок экспертов, резерв остается нераскрытым на
долгие годы. Самый неприятный вариант — это недооценка
опасности формально оставаться исключительно строго в рамках
полученного задания, не понимая или отказываясь осмыслить и
официально обсудить его возможную (или вскрывшуюся при
проектировании) неполноту или даже недостоверность. Современные примеры такой недооценки можно обнаружить в некоторых осуществленных проектах городских транспортных развязок
в Московском мегаполисе и в других регионах России.
Ещѐ опаснее волюнтаризм в изменении проектных решений
самими проектировщиками в интересах заказчика, нередко проводимый даже без рассмотрения модифицированных решений
государственной экспертизой.
Более сложным техническим и экономическим вопросом
можно считать всегда актуальное направленное создание сооружений, «подготовленных» своей структурой к осуществлению в
отдаленной перспективе наиболее экономичных проектов неизбежной реконструкции.
В связи с наблюдаемыми эффектами глобального изменения
климата целесообразно более внимательно относиться, например,
к прогнозу изменения геокриологических характеристик оснований сооружений в регионах с суровым климатом, к обоснованию
и экспертным оценкам расчетных и максимальных гидравлических расходов водных преград, преодолеваемых транспортными
сооружениями, к назначению параметров и конструкции защитных и регуляционных гидросооружений, к отметкам верха насыпей подходов и к отметкам низа конструкции пролетных строений мостов, к конструированию тела мостовых опор и их фундаментов. Во всех случаях проектные решения в XXI в. должны
обеспечивать возможность при реконструкции изменять с минимальными затратами указанные выше характеристики, своевременно «отслеживая» растягиваемую на годы и десятилетия региональную динамику изменения климата в зоне площадки сооружения.
57
С развитием вычислительной техники в первую очередь (с
конца 1970-х до начала 1990-х гг.) получили распространение
системы автоматизированного проектирования конструкций
(САПР). А в первых десятилетиях XXI в. системный подход на
основе высокоэффективных информационных технологий 130
охватит все этапы создания и развития конструктивных форм сооружений: от начала разработки и проектирования до строительства или реконструкции объектов и их содержания в процессе
эксплуатации. Такая тенденция не может не повлиять на оценки
уровней безопасности различных вариантов технических решений, позволит снижением капитальных затрат с избытком компенсировать увеличивающиеся затраты на контроль строящихся
и эксплуатируемых объектов. Это станет возможным при условии пересмотра норм проектирования в сторону принятия более
обоснованных коэффициентов надежности, которые для учета
возможных отклонений от принятых в проектах статистических
закономерностей могли бы не снижаться столь резко по отношению к значению 1,0.
То, что не обосновано практикой строительства и его научным
обеспечением на базе большого числа измерений, а для новых,
внедряемых впервые конструктивных форм и не могло быть
обосновано, должно быть спрогнозировано, обнаружено и оценено системами управления строительством и эксплуатацией (содержанием) сооружений.
В целом можно надеяться, что в условиях «тотального» применения системного подхода к строительным конструкциям следование «принципу безопасности» прибавит смелости во внедрении в строительство большего числа оригинальных и эффективных конструктивных форм для различных классов сооружений.
Если в предаварийных ситуациях свободные (или остаточные
при форсированных воздействиях) ресурсы поглощения энергии
каждым элементом близки к исчерпанию, в системе могут даже
от сравнительно небольших начальных импульсов генерироваться опасные явления прогрессирующего или «каскадного» на макроуровнях разрушения за счет выделения сооружением потенциальной энергии и, возможно, за счет импульсного разрушения
технологического оборудования, включающего энергоносители.
Понятие «самосохранение» по существу почти эквивалентно по-
58
нятию «живучесть», введенному В.В. Болотиным [30] как «способность объекта удовлетворять требованиям безопасности, несмотря на отказы или предаварийные воздействия». Ранее термин
«живучесть» использовал Н.С. Стрелецкий [139], считавший, что
анализ аварий важен для повышения качественности конструктивной формы, а также для оценки живучести конструкций. Понятие «живучесть» требует комментария, поскольку признаки
«живого» — это, скорее, «самосохранение и развитие через саморегуляцию». Поэтому введенное здесь понятие «самосохранение»
более конкретно, а функция саморегуляции отнесена к реализации «принципа управляемости».
Следование «принципу самосохранения» позволяет отбирать
для осуществления проекты сооружений, конструктивные формы
которых лучше «выживают» при различных трудно прогнозируемых авариях, что не исключено в действительности и не может
быть исчерпывающе учтено нормами проектирования, спрогнозировано системой управления содержанием сооружения или обнаружено при имитационном моделировании сценариев аварийного поведения объектов строительства.
«Самосохранение» можно рассматривать как способность
конструкции сопротивляться «прогрессирующему разрушению»
[6], если выбор групп выключающихся из работы конечных элементов подчинить некоторым возможным сценариям развития
чрезвычайных ситуаций на объекте. В работе [6] предложен подход к оценке живучести сооружения (здания), несущие элементы
которого проходят в общем случае нелинейный процесс деформирования, возможно, в зоне высоких температур несущих элементов, после аварийного удаления одной из колонн. Для высотных
зданий в динамической постановке процесс, связанный с падением
и соударением обломков и груза на нижележащие конструкции в
результате падения самолета, рассмотрен в докладе [140].
Идея обеспечения ресурса самосохранения не вполне адекватна идее дублирования наиболее ответственных несущих элементов: самосохранение — это, прежде всего, качественное, структурное решение системы, одна из сторон создания высоконадежного сооружения. Присутствие избыточных элементов и структур
для сооружений определяется, прежде всего, степенями статической неопределимости их конструктивных форм.
59
Можно построить математическую модель для оценки способности конструктивной формы к «самосохранению», если исходить из положения, что для строительных конструкций возникновение состояний, характеризуемых появлением отказов несущих элементов, связывается с эффектами накопления в них
локальных повреждений. Отказ элемента деформируемой системы это, прежде всего, изменение уровней внутренней потенциальной энергии элемента, сопровождающееся, как правило, существенной перестройкой его геометрии [161]. Явление отказа
одного элемента или локальной группы элементов приводит к
переходу на новый энергетический уровень конструкции в целом.
Такой переход сопровождается развитием перемещений, в том
числе и с возбуждением колебаний, скорее всего недопустимых
для дальнейшей эксплуатации объекта.
Согласно «принципу управляемости», сооружения как сложные технические системы могут иметь многочисленный набор
средств и устройств, присущих управляемым объектам. Проблема только одна: будут ли в действительности достигнуты цели
управления ценой не обременительных для проекта дополнительных затрат на реализацию этих целей? Впервые такой вопрос
был комплексно рассмотрен Л.А. Расстригиным 127 на уровне
совместного анализа принципов, подходов и методов управления
сложными формализуемыми объектами различной физической
природы — техническими, технологическими и т.д. Для строительных конструкций во второй половине XX в. наибольшая реализация достигнута в управлении параметрами напряженнодеформированного состояния (НДС) несущих элементов и реакциями связей. При этом наиболее сильной интегральной оценкой
управляющего воздействия можно считать изменение внутренней
потенциальной энергии деформации конструкций сооружения.
Такое управление определяется 96 как понятие «предварительное напряжение конструкций» (ПНК). Можно признать этот
вид управления пассивным, поскольку обычно не предусматривается развернутой во времени длительной обратной связи между
фактическим НДС сооружения и устройствами для регулирования внутренних усилий, хотя такие устройства (или их несъемные элементы) нередко остаются в конструкциях навсегда в строго фиксированном положении. К ПНК прибегают только на эта-
60
пах строительства или реконструкции и не часто — в процессе
выполнения ремонтных работ.
Можно отметить, что в общем случае ПНК может принимать
формы как пассивного, так и активного управления, включающего разнообразные приемы искусственного регулирования напряжений в конструкциях для повышения их эффективности. Вмешательство в естественную работу объекта с целью направленного изменения его потенциальной энергии деформации может
происходить на различных этапах цикла формообразования: в
процессе изготовления, при монтаже, при эксплуатации или реконструкции и на различных уровнях структуры конструктивных
форм: несущих элементов, узлов их соединений, локальных
фрагментов и системы сооружения в целом.
Критериями эффективности применения ПНК могут быть как
экономические требования по снижению массы и стоимости сооружений, так и технологические (повышение жесткости, сохранение формы конструкций или отдельных несущих и вспомогательных элементов, изменение динамических характеристик и т.д.). В этом отношении металлические конструкции
имеют больше разновидностей и возможностей применения
предварительного напряжения, чем железобетонные и сталежелезобетонные, для которых прием регулирования НДС развился,
прежде всего, как одно из средств борьбы с относительно низкой
прочностью бетона при растяжении.
Предварительно напряженный железобетон как система с ярко
выраженным нелинейным и случайным характером деформирования требует очень тонких подходов к управлению напряженнодеформированным состоянием для обеспечения надежности, долговечности и экономичности конструкций.
Во всех случаях на регулирование внутренних усилий в конструкциях требуются значительные затраты труда. И, как неоднократно доказывала практика эксплуатации различных сооружений, к сожалению, далеко не в последнюю очередь, у мостов
существует опасность невосполнимых потерь или нежелательной
перестройки наведенного фона внутренних напряжений и реакций связей вследствие развития длительных процессов в конструкционных материалах. Поэтому успешное внедрение рациональных приемов управления НДС в практику создания совре-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]