Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Формообразование строительных конструкций. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 187 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 > Следующая >>>

менных конструктивных форм требует накопления определенного объема опытных и теоретических данных. Одним из направлений использования пассивного управления НДС может служить разработка предварительно напряженных систем металлических пролетных строений мостов или многопролетных зданий — для перекрытия больших пролетов.

Целями предварительного напряжения строительных конструкций являются:

● экономия материала и средств во вновь возводимых сооружениях благодаря более выгодному распределению в конструктивных формах силовых факторов, увеличению области упругой работы несущих элементов и широкому использованию деталей из высокопрочных сталей, металлических сплавов, металлокерамики, углепластиков (сейчас и особенно в ближайшей перспективе) и не только на растяжение, но и на сжатие [146; 147];

● повышение в результате изменения НДС несущей способности (в ряде случаев области упругой работы) конструкций, находящихся в эксплуатации, в связи с намечаемым ростом нагрузок или изменением других условий эксплуатации сооружения;

● снижение деформативности всей конструкции или отдельных ее элементов, а также уменьшение амплитуд, изменение частот и характера колебаний при действии динамических нагрузок — вследствие перестройки спектра свободных колебаний;

● повышение статической и динамической устойчивости (в том числе аэродинамической устойчивости) сооружения или отдельных несущих элементов его конструктивных форм;

● благоприятное изменение ряда физико-технических свойств конструкции (например, повышение хладостойкости, увеличение демпфирования) — благодаря своеобразной «тренировке» элементов и узловых соединений, сглаживающей пики концентрации остаточных напряжений, включение в работу элементов с высоким и сверхвысоким поглощением энергии при деформациях, для сталей — смещение критических температур хладноломкости и т.д.;

● обеспечение в некоторых случаях удобства монтажа и, в связи с этим, возможное снижение трудозатрат.

В широком смысле напряженное состояние конструкций мо-

жет пассивно регулироваться различными приемами:

● собственно предварительным напряжением новых или эксплуатируемых конструкций с введением специальных напрягающих элементов;

● частичной разгрузкой или пригрузом системы, в том числе в результате изменения положения внешних связей;

● обеспечением пространственной работы конструкции (т.е. работы в трех геометрических измерениях) с постановкой дополнительных связей;

● включением в совместную работу с несущими элементами вспомогательных (ограждающих) элементов, что превращает последние вследствие совмещения функций в несущие элементы конструктивных форм, придавая им некоторую новизну;

● изменением статической схемы конструкции (модификация исходной конструктивной формы или ее направленное преобразование в новую форму);

● изменением условий опорных закреплений, постановкой дополнительных опор, введением временных дополнительных элементов.

Рассмотренные выше многообразные направления реализации

«принципа управляемости» дают основание полагать, что, повидимому, этот принцип формообразования получит в строительных конструкциях XXI в. широкую область внедрения.

Если же в сооружении имеются элементы автоматического

регулирования различной природы и сложности, то речь всегда будет идти об активном управлении. В наиболее совершенном виде активное управление использует для регулирования специализированные информационно-аналитические системы, выраба- тывающие и принимающие решения на основе изучения показаний датчиков обратной связи, априорной информации и субъективных командных воздействий «операторов».

Для линейно-протяженных сооружений наиболее актуальным

видом активного управления может стать включение в техническую систему, например, висячего моста, управляемых гасителей колебаний, прежде всего, от аэродинамического возбуждения, а для различных зданий и мостов с пролетами до 150…200 м — в первую очередь от сейсмических и других импульсных воздействий. Такими гасителями могут стать устройства, избирательно настраивающиеся на определенные формы колебаний сооруже-

ния и, по возможности, подавляющие их «в зародыше», не допуская преодоления заданного порога амплитуд.

Экономичность систем активного подавления колебаний

определяется уровнем и, прежде всего, «искусством» использования следующих важнейших конструктивных идей:

● применением в управляемых элементах конструкций или в составе оборудования сооружения материалов (твердых, жидких, сыпучих, расслаивающихся, пластичных, вязких, отделяющихся от системы и т.п.), обладающих свойствами сверхвысокого поглощения (рассеивания) энергии;

● разделением крупногабаритных элементов на отсеки с установкой специальных емкостей и трубопроводов для организации систем сообщающихся сосудов с управляемыми клапанами или задвижками (одна из идей от судостроения, где применяются различные «успокоители качки»);

● установкой и применением специальных аппаратов, изменяющих характер обтекания сооружения воздушным или водным потоком (например, управляемых обтекателей, изменяющих свою ориентацию по отношению к потоку, и, реже, — винтовых или турбореактивных авиационных двигателей, способных создать турбулентные завесы, что существенно увеличивает аэродинамическое демпфирование сооружения);

● использованием конструктивных форм, имеющих односторонние или переменные связи (в том числе работающие на принципах магнитных и электромагнитных полей), работа которых перестраивает спектральные характеристики малых свободных колебаний сооружения или его фрагментов, а при включении таких связей в работу — увеличивает демпфирование системы при любом уровне амплитуд нелинейных колебаний.

Не исключается применение на наиболее ответственных объ-

ектах комбинации перечисленных выше идей. Следует обратить внимание на необходимость применения нелинейных математи- ческих моделей для описания и корректного анализа колебаний управляемых объектов.

Идеи активного управления колебаниями конструкций (преж-

де всего строительных) развиваются с 90-х гг. XX в. в работах Н.П. Абовского и его коллег [1—3]. В работе [1] приведена классификация методов управления колебаниями конструкций. Методы управления классифицируются на:

● пассивные методы (конструктивные, виброизоляция, демпферы);

● полуактивные методы (изменение конструктивной схемы в процессе эксплуатации, отбор внутренней энергии системы);

● активные методы (создание динамического противодействия, использование «вредной» энергии вибрации, перераспределение внутренней энергии системы).

В работах [2; 3] рассмотрены возможности и преимущества си-

стемы автоматического управления напряженно-деформированным состоянием (САУ НДС) с использованием искусственных нейронных сетей, способных к адаптации и обучению.

Следующий принцип формообразования строительных кон-

струкций — принцип «композиции конструкционных материалов».

Если конструкция состоит из разнородных материалов, активно «не помогающих» друг другу, что противоречит «принципу композиции конструкционных материалов», то она не оправдывается и технологически, поскольку для каждого из материалов необходим индивидуальный технологический подход, что при их неэффективном сочетании не отвечает «принципу технологичности» и не найдет экономического оправдания. Такая эклектическая конструктивная форма не прогрессирует, а, скорее, «вымирает», уступая более совершенным в техническом отношении формам.

Например, до сих пор самым уязвимым и технологически сложным остается решение объединения железобетонной плиты проезжей части с главными стальными балками пролетного строения автодорожных и особенно железнодорожных мостов.

Не исключено, что уже в ближайшее время наибольшее применение найдут, например, наиболее совершенные композитные системы пролетных строений мостов, рабочих площадок и перекрытий промзданий, в которых монолитная железобетонная плита укладывается на остающийся в конструкции и включенный в совместную работу сплошной стальной поддон нового типа или его трехслойные аналоги (системы «железобетон — сталь — железобетон») для оболочек в комплексах сооружений других классов, например, подземных.

Именно в таких решениях [65—67; 76; 77; 112; 166—169] при использовании для плит и оболочек низколегированных и специ-

альных сталей и сплавов, современного модифицированного бе- тона, возможно, также и фибробетона, «принцип композиции

конструкционных материалов» и «принцип технологичности» будут реализованы с максимальной эффективностью.

Рассмотрим «принцип структурирования»:

Структурирование — это сочетание приемов расчленения системы на подконструкции, на расстановку диафрагм, ребер жесткости, распорок, связей; на создание одно- и многосвязных контуров поперечного сечения несущих элементов; в мостостроении — это и включение шпренгелей в состав главных ферм пролетных строений мостов, и формирование кабеля висячей системы из канатов или прядей вместо его прядения из отдельных проволок. Во всех случаях — это мастерство и искусство проектировщика.

Можно сказать, что уровень владения приемами структурирования — важнейший критерий оценки квалификации конструктора. Более глубокое осознание понятия «структурирование» приводит к выводу о том, что главная задача генерации структуры конструктивной формы есть обеспечение необходимой к р и в и з н ы осей, срединных или наружных поверхностей несущих и вспомогательных элементов и их деталей, в том числе и близкой к нулю кривизны для номинально «прямолинейных» или «плоских» конструкций. Возмущения кривизны определяются следующими факторами:

● необходимым присутствием допусков на радиусы кривизны

и на габаритные размеры деталей и в целом несущих элементов при их изготовлении, особенно с применением сварки;

● неизбежными отклонениями схемы осей смонтированной кон-

струкции от геометрии, предусмотренной проектом сооружения;

● искажениями геометрии сооружения, вызванными реологическими процессами в элементах конструкций, в соединениях элементов, во внешних связях и в геомассивах, несущих фундаменты сооружения;

● упругими и неупругими локальными деформациями несущих элементов от постоянных нагрузок и воздействий;

● проявлением (для металлических конструкций) геометрически нелинейных эффектов дополнительного искривления в изготовленных и собранных в конструкцию «плоских» подкрепленных структурных элементах (в так называемых «ортотропных плитах»,

преимущественно сжатых вдоль пролета сооружения) от развития общего изгиба конструкции из плоскости таких элементов;

● повреждениями несущих элементов во время транспортировки, монтажа и эксплуатации конструкций, приводящими к неустранимым искажениям их очертания после восстановления несущей способности.

В качестве примера можно отметить проблемы обеспечения строительного подъема большепролетных арочных мостовых конструкций или трудности достижения качественной сборки большепролетных многоэлементных сетчатых куполов, где с уменьшением кривизны свода или оболочки резко возрастают требования к точности изготовления плоских и, тем более, пространственных монтажных элементов и к точности формирования стыковых соединений при навесной сборке.

В этом отношении «классические» ребристые купольные конструкции структурированы «лучше» (т.е. «глубже») сетчатых [93—95], а сборка ребристых куполов при диаметре основания оболочки более 100 м с соблюдением заданной геометрии менее проблематична.

Применение «принципа структурирования» к созданию конструктивных форм порождает две противоположные тенденции. С одной стороны, наблюдается усложнение конструкций: иерархия структуры становится многоуровневой как за счет дополнения более простых форм-прототипов новыми элементами и связями и «поглощения» более простых известных форм, так и за счет синтеза нескольких проверенных практикой конструктивных форм в новую, более сложную систему, позволяющую резко улучшить качественные и количественные показатели сооружения в целом. Во всех случаях развитие структуры наиболее рационально в направлении радиусов кривизны конструкции, после того как простое наращивание высоты поперечных сечений несущих элементов перестает быть эффективным. Развитие структуры в направлениях, перпендикулярных радиусам кривизны, носит подчиненный характер и служит средством повышения пространственной устойчивости конструктивной формы.

Однако, с другой стороны, исторически отслеживается стремление к упрощению структуры конструкций за счет удаления «нагромождений» несущих элементов, порождаемых ограничен-

ными возможностями доступных для применения конструкционных материалов, видов соединений и технологических процессов изготовления и монтажа конструкций. Прогресс материаловедения и внедрение новых технологий в целом упрощают структуру конструктивных форм, сохраняя и преумножая их полезные свойства и возможности, прежде всего, за счет упрощения структуры несущих элементов.

«Принцип структурирования» имеет большое значение для создания более безопасных конструкций, поскольку усложнение структуры, как правило, приводит к локализации разрушения на начальных этапах его проявления [47]. Пока не «прореагировали» самые малые по размерам сечений уровни структуры, не наблюдается переход разрушения на очередной по масштабу поперечных сечений и пролету «этаж» конструктивной формы. Разрушение структурированной системы при специальном выборе параметров геометрии и прочности несущих элементов растягивается во времени и сопровождается значительным поглощением и рассеиванием энергии.

Особенно эффективно организованы так называемые фрактальные, или «дробные», структуры, в которых все геометрические уровни подобны с закономерно изменяющимися (в том числе и постоянными) при переходе от уровня к уровню коэффициентами подобия. В последние два десятилетия XX в. стало ясно, что фрактальность в сочетании с симметрией и совокупностью топологических признаков одно из фундаментальных свойств материальных объектов всех уровней [75; 111]. Из глубокой древности известна и, возможно, получит дальнейшее развитие в XXI в. «фрактальная» конструктивная форма арки со сводчатой структурой надарочного заполнения, воспроизведенная в некоторых арочных мостах XVIII—XX вв. В этом отношении конструкторская деятельность людей следует, прежде всего, интуитивно, за природой, используя также определенные достижения такой науки, как бионика.

Примеры недостаточно структурированных конструкций — провисающий канат (кабель) или даже очень длинный растянутый стержневой элемент, обладающий не только осевой, но и изгибной жесткостью. Моделями таких конструкций в строительной механике являются, соответственно, пологие «гибкие» и

«жесткие» нити. Кривизны таких элементов весьма неустойчивы при аэродинамическом возбуждении и при действии перемещающихся по сооружению временных вертикальных нагрузок. Создание с участием таких несущих элементов ответственных сооружений возможно только на уровне разнообразных структур, порождающих комбинированные системы.

Большая длина вант в сотни метров в вантово-балочных системах при пролетах более 300 м и подвесок в висячих мостах с пролетами более 1200 м негативно сказывается на долговечности таких несущих элементов, рассматриваемых как гибкие нити, и на жесткости пролетных строений, что приводит к вынужденному усложнению структуры элементов, связывающих главные балки с пилонами или кабелем моста. Эта проблема может быть решена переходом к комбинированным системам, что пока не реализовано в осуществленных проектах висячих мостов сверхбольших пролетов, а в мостах вантово-балочных систем сводится к установке между вантами дополнительных растяжек.

Идея «принципа энергоѐмкости» очень проста: чем меньше материал конструкции нагружает себя, тем больше возможностей нагрузить систему полезной нагрузкой и удовлетворить на минимальном энергетическом уровне все ограничения по прочности, деформативности, устойчивости, в функции которых входят как временные, так и в той или иной форме постоянные нагрузки сооружения.

Представленный критерий формообразования сильнее критерия минимума веса конструкций, поскольку при одинаковом весе в предварительно напряженной системе могут существовать различные варианты внутренних усилий и остаточных напряжений, а среди них — и оптимальный по энергонакоплению. Если напряженное состояние не регулируется, то даже при минимальном или близком к минимуму весе системы в ней возможно несколько распределений материала, удовлетворяющих всем ограничениям, но различающихся по величине накопленной энергии деформации. Это означает, что градиент энергии деформирования еще заметен, а градиент функции веса уже практически исчерпан. Такой вывод ведет к заключению, что численные алгоритмы оптимизации по предлагаемому критерию более устойчивы, чем по весовому. Доказать выпуклость области определения

введенного энергетического критерия в общем случае не удается, но известно, что многомерная функция веса может иметь локальные экстремумы и быть сколь угодно пологой, в то время как функция потенциальной энергии близка к квадратичной и имеет меньшую пологость.

Представленные соображения продемонстрированы на простых примерах [161, прил. 4] для однопролѐтной балки, для той же балки, усиленной шпренгелем и для провисающего каната. Энергетический критерий имеет математическую формулировку как задача математического программирования — отыскание минимума функции внутренней потенциальной энергии деформации U

от собственного веса конструкции q и воздействия регу-

q+r

лирования r в области М определения переменных параметров конструкции, заданных вектором Х. Проекции этого вектора — независимые геометрические, силовые, деформационные и иные параметры, формирующие функции ограничений (x), которые выделяют область М. Должна быть решена задача по отысканию глобального экстремума:

minU

(Х)x M,

q+r

где область М определена n условиями вида

(x) 0 (i = 1, …, n).

Вместе с тем, математические модели оптимизации конструктивной формы по изложенному выше энергетическому критерию могут иметь трудно преодолеваемые неопределенности при учете фактора остаточных напряжений, появляющихся в несущих элементах в процессах их изготовления или при возведении сооружения. Косвенно этот фактор можно учитывать в функциях ограничений, отражающих условия прочности.

«Принципу энергоемкости» можно придать относительный характер, что полезно для оценки «степени совершенства» той или иной конструктивной формы не только для решения какойлибо частной задачи проектирования, но и для оценки и сопоставления уровней разработки конструктивных форм, применяемых в более широких областях строительных конструкций.

Допустим, что рассматриваемая конструктивная форма в одном из сочетаний (i-е сочетание из n рассматриваемых) постоянных нагрузок (q+r) и временных воздействий p имеет минимум

отношения θi =

prqrq

prq

, где

— полная потенци-

альная энергия i-го сочетания. Тогда можно признать наиболее совершенной ту конструктивную форму (j-ю из m рассматриваемых форм), для которой достигается minm minn(θij).

Известны формулировки и реализации принципов, близких к выдвинутому здесь «принципу энергоемкости», содержащих требование минимизации потенциальной энергии деформации,

накапливаемой от суммы постоянных и временных нагрузок 27 .

Однако такой энергетический критерий «расплывается» на отдельные критерии для каждого сочетания постоянных и временных воздействий при сохранении всей области ограничений и при некоторой неопределенности набора таких сочетаний.

Нагружение системы «паразитическими» факторами — весом самих же конструкций и усилиями их регулирования с перенесением всех временных воздействий в функции ограничений позволяет оставить один сильный критерий «бесполезной» энергоемкости, позволяющий сравнивать и отбирать при фиксированных пролетах для каждого сооружения различные конструктивные формы и по возможности улучшать каждую из них. Энергетические методы расчета стальных конструкций подробно рассмотрены А.А. Потапкиным 116].

Из рассматриваемого энергетического критерия непосредственно вытекают известные принципы «концентрации материалов», «совмещения функций» и «предварительного напряжения», выдвинутые Н.П. Мельниковым 95 . С единой энергетической точки зрения становится понятным, почему полезно концентрировать материал: это полезно лишь настолько, насколько удается понизить конструктивные коэффициенты, определяющие распыление материальных ресурсов на дополнительные детали, связи, ребра жесткости, стыки и на сколько увеличивается (не всегда) выносливость при циклических деформациях более массивных несущих элементов с пониженным фоном напряжений и их амплитуд. С другой стороны, при концентрации материала его некоторая неустранимая часть может оказаться существенно недогруженной от временных воздействий, что, например, может иметь место в боковых стенках и в днище коробчатых балок мостов различных комбинированных систем.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 187 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]