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 6 78 / 188 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 > Следующая >>>

«Принцип энергоемкости» вовлекает в конструирование приемы регулирования внутренних усилий. Такие воздействия отнесены к другому, рассмотренному выше, «принципу управляемости» — в качестве одного из возможных направлений реализации этого принципа. Для регулирования необходимы дополнительные ресурсы, которые оправдываются лишь настолько, насколько они удовлетворяют всей совокупности принципов формообразования. Но, прежде всего, затраты на предварительное напряжение конструкций должны приводить к общему снижению материалоемкости сооружений, раздвигая границы допустимых геометрических, статических и динамических характеристик конструкций при их минимальной энергоемкости.

«Принцип энергоемкости» имеет две особенности своего практического применения. С одной стороны, этот принцип позволяет улучшать и совершенствовать каждый из рассматриваемых при проектировании или реконструкции вариант технических решений. С другой стороны, «принцип энергоемкости» заставляет сопоставлять между собой и делать более конкурентоспособными различные варианты технических решений, выдвигаемые на основе «принципа конкуренции». Эти особенности ярко проявляются при анализе проектируемых объектов с позиций сформулированного выше «принципа эстетичности». Высокая (возможно, спорная) эстетичность сооружения нередко приводит к накоплению в конструкциях большого энергетического потенциала и во многом вследствие этого — к росту стоимости капитальных вложений и эксплуатационных расходов.

Внутренняя потенциальная энергия деформации может достигать чрезмерно больших величин в отдельных группах несущих элементов и в случае недостаточного развития структуры конструктивных форм, исключая перераспределение нагрузок и реакций в объеме большепролетного сооружения. Это негативно влияет на уровень его технической безопасности. Опасна и необоснованная «миниатюризация» размеров сечений несущих элементов (в том числе толщины их деталей), предлагаемая в проектах без достаточного расчетного и экспериментального обоснования проектного решения в угоду усилению его архитектурных достоинств.

Как правило, конструкторское мышление деградирует, если оно оказывается запертым внутри одной технологии, даже весьма

эффективной на определенных этапах своего внедрения. В строительстве, как и в машиностроении, в смежных областях технического прогресса решаются, зачастую, близкие задачи, но сдвинутые во времени иногда на десятилетия. Это обстоятельство заставляет «оглядываться по сторонам», отыскивая кратчайшие пути в решении сложных научно-технических проблем сегодняшнего дня. Именно этого требует «принцип объединения технологий».

Достаточно вспомнить «исторические судьбы» внедрения в мостостроение и в целом в строительство новых конструкционных материалов и связанных с ними технологических процессов, чтобы убедиться в значимости представленного выше тезиса. Можно проследить за многочисленными «цепочками» развития конструктивных форм, каждое звено в которых — результат многолетней деятельности ученых, инженеров и коллективов строителей и мостостроителей в их числе, причем интересно «блуждание» новшеств между различными областями строительной индустрии и разнообразными классами сооружений [161].

Примерами синтеза строительных технологий могут служить стальные конструкции коробчатых балок жесткости и пилонов вантово-балочных и висячих мостов, а также металлические конструкции большепролетных балочных мостов, построенных в 1960-е гг. и позже, в которых использованы характерные для кораблестроения приемы конструирования подкрепленных плит и замкнутых оболочек. Еще один пример — конструкции стальных глубоководных платформ для добычи в морских условиях углеводородов, возводимые на основе творческой переработки опыта строительства высотных сооружений, создания свайных и других сложных фундаментов, резервуаростроения и кораблестроения.

Можно привести также пример большепролетных перекрывающих судостроительный эллинг ферм пролетом 120 м с нижним подкрановым коробчатым поясом. В конструкциях таких ферм эффективно пересеклись идеи мостостроения и промышленного строительства.

Интересны примеры разработки и создания мощных башенных градирен [52; 98] для ТЭЦ и АЭС на основе металлического вантово-балочного несущего каркаса с одним или несколькими пилонами и подвешенными к ним вантами криволинейными бал-

ками жесткости. По существу — это структуры большепролетных вантово-балочных мостов, «свернутые» в гигантские замкнутые оболочки. Актуальным направлением реализации «принципа объединения технологий» может стать распространение конструктивных форм, ранее отработанных в промышленном и транспортном строительстве, на конструктивные решения хранилищ радиоактивных и других химических отходов и отработавшего ядерного топлива [66; 67; 167].

Обращение к эффективным техническим решениям, характерным для сооружений других классов, происходит на этапах создания конструктивных форм при исчерпании возможностей поиска значимых результатов внутри собственного класса. Для успешного решения проблемы выполнения технологического заказа в таких случаях необходимо хорошее информационное обеспечение проектирования, углубленная многовариантная проработка инженерного проекта, расширение потенциального круга предприятий-изготовителей конструкций и строительных подрядных предприятий, а также преодоление возможных осложнений патентной защиты новых результатов.

Синтез технологий как принцип формообразования присутствует в творческом процессе, скорее, на интуитивном уровне. Однако сейчас, в период бурного прогресса информационных технологий, этот принцип становится, возможно, основным источником развития конструктивных форм сооружений.

«Принцип совмещения функций» широко известен проектировщикам по трудам ряда крупнейших деятелей отечественной строительной науки: Н.С. Стрелецкого [139], Н.П. Мельникова [95], Е.И. Белени [26]. Можно утверждать, что на этом принципе, ведущем к созданию высокоэффективных конструктивных форм, воспитывалось несколько поколений специалистов, особенно в области металлостроительства.

Ниже рассматриваются возможности расширения областей применения «принципа совмещения функций» с учетом, прежде всего, потребностей современного мостостроения и других отраслей строительства, в которых создаются различные большепролетные или высотные сооружения [161].

Развитие известных и создание новых конструктивных форм может приводить:

● к снижению капитальных вложений в сооружение и к уве-

личению максимального пролета, перекрываемого сложной конструктивной формой — при совмещении функций несущих и вспомогательных элементов;

● значительному снижению стоимости строительства и, воз-

можно, к ускорению возведения объектов — при совмещении функций несущих элементов и монтажных устройств, включая сложное монтажное оборудование;

● снижению капитальных затрат — при совмещении функций

несущих, вспомогательных элементов и технологического оборудования;

● снижению приведенных затрат — при совмещении в одной

новой конструктивной форме сооружения функций нескольких известных форм;

● большому экономическому, экологическому и социальному

эффекту — при совмещении в одном объекте строительства конструктивных форм нескольких классов сооружений с образованием сложной технической системы полифункционального назначения.

Можно привести несколько наиболее ярких примеров совмещения функций вслед за примером широко распространенных совмещенных мостов (прежде всего, мостов для одновременного пропуска железнодорожного, вообще — рельсового, и автомобильного транспорта).

Пример удачного совмещения функций несущих и ограждающих элементов демонстрируют различные одно- и двухпоясные мембранные оболочки из тонколистовой стали [95], при больших пролетах усиленные стержневыми элементами, закрепляемыми на каркасах (опорных контурах) и образующими растянутые открытые поверхности или замкнутое пространство. Потенциальные возможности таких конструктивных форм не исчерпали себя в сооружениях XX в., и в будущем можно ожидать появление и реализацию смелых проектов с крупномасштабными мембранами, создаваемыми на основе новейших конструкционных материалов и их композиций.

Следующий пример — пилоны, кабели и подвески висячих мостов, пилоны, канаты (или пучки параллельных проволок) вантовых мостов, являющиеся опорными конструкциями и связями

для монтажа узлов висячей системы и балки жесткости. Кроме того, уже смонтированная часть балки жесткости может служить для доставки к месту монтажа еще не установленных ее монтажных секций [22; 23]. Эта технология монтажа альтернативна к сборке балок висячих и вантовых мостов с помощью мощных плавучих кранов. В свою очередь, балки жесткости висячих мостов, изготовленные со значительным использованием высокопрочных сталей, могут брать на себя часть распора многокабельной висячей системы. Такая конструктивная форма может быть предложена для перекрытия сверхбольших пролетов.

Еще один пример — трубопроводы, успешно работающие на изгиб при надземной прокладке как многопролетные неразрезные балки и одновременно изолирующие от внешней среды жидкий или газообразный транспортируемый продукт. Однако переход от балочной конструкции к системе типа жесткой нити оказался неудачным. В начале 1960-х гг. в СССР были построены несколько трубопроводных мостов для транспортировки газа с трубами диаметром от 114 до 273 мм и с толщиной стенок от 4 до 8 мм в качестве провисающих нитей пролетами до 350…400 м [141]. Такая конструктивная форма оказалась крайне чувствительной к аэродинамическому возбуждению. Слабыми зонами трубопровода всегда оказывались его участки у вершин пилонов. Имели место аварии (разрыв труб) как при монтаже, так и в период эксплуатации таких мостов. «Провисающий самонесущий трубопровод» не получил инженерного признания.

Тем не менее, несколько иная, но близкая идея использует совмещение функций кабелей вертикальных и пространственной ветровой систем, а также объединение очерченного по вогнутой кривой трубопровода с кабелем пространственной висячей системы и плавный отвод труб вниз к пилонам, начиная примерно от четверти пролета. Такое конструктивное решение может оказаться весьма плодотворным для нового поколения висячих трубопроводных мостов с главными пролетами до 1000 м и более.

Еще один пример — разработанная в ЦНИИПроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова конструктивная форма подкраново-подстропильной фермы, в которой коробчатая подкрановая балка превращена в нижний пояс фермы перекрытия промышленного здания. Эти системы нашли применение в конструкциях

каркасов зданий металлургических заводов (например, в г. Магнитогорске) и судостроительного эллинга, а также в каркасах зданий заводов металлоконструкций (например, в г. Белгороде и в г. Молодечно, Республика Беларусь). По замыслу проектировщиков, в данном случае достигается комплексный эффект за счет отказа от дополнительных колонн, увеличения размеров рабочих зон в промышленном здании и улучшения показателей цикла работы металла подкранового нижнего пояса ферм на выносливость благодаря увеличению доли НДС от постоянной нагрузки.

Историческими примерами совмещения в одном объекте функций, выполняемых сооружениями различного назначения (или различных классов), могут служить так называемые «обитаемые» мосты, в средние века и позже распространенные в Европе и частично сохранившиеся и даже эксплуатируемые до сих пор. Это крытые каменные или даже деревянные надводные сооружения, служившие не только для пропуска пешеходов, гужевого (конного) транспорта, скота, но и разместившие в себе предприятия торговли и другие важные для общества объекты и учреждения. Наиболее выдающийся пример такого сооружения – мострынок Rialto в Венеции (Италия) [194]. Арочный мост (пролетом 28,8 м со стрелой подъема 6,4 м, шириной 22,1 м с проходом 7 м) построен в 1588—1592 гг. из мрамора по конкурсному проекту архитектора Antonio da Ponte .

По-видимому, все рекорды многофункциональности должны принадлежать Большому Каменному (первоначально Всесвятскому) мосту в Москве (проект Ягана Кристлера из Страсбурга 1643—1644 гг.; схема пролетов моста: 7 х 28,4 м — арки, плюс два береговых пролета; ширина моста 28 м). Строительство моста началось 36 лет спустя после разработки проекта — с 1682 г. и велось до 1687 г., когда мост был завершен лишь «вчерне». Окончательно стройка закончилась уже при Петре I — в 1692 г. Мост был разобран в 1857 году. История этого инженерного сооружения хорошо известна отечественным мостостроителям по трудам Г.П. Передерия [114] и П.В. Щусева [194]. Мост [113, с. 14—16, фигура 12] «…на правом берегу … имел огромную башню с двумя верхами и шестью воротами. У быков построены были мельницы с плотинами и сливными порогами. На самом мосту… стояли палаты, табачная таможня и пивной двор. Находились

также деревянные лавки со «щепетным товаром». В башне находились Корчемная палата и тюрьма. Под ними — кабак».

Возникает ли сейчас потребность вернуться к идее «обитаемости» мостовых сооружений? Ответ на этот вопрос — положительный, что подтверждается новейшей историей московских мостов. Так, к концу 2000 г. Москва имела три пешеходноторговых (или торгово-пешеходных) моста через р. Москва — мост «Багратион» и два моста с арочными пролетными строениями — у Киевского вокзала и на Фрунзенской набережной, перестроенные и перемещенные, бывшие в применении с начала XX в. мосты Московской окружной железной дороги. Помимо указанных выше, «обитаемым» вполне можно признать совмещенный мост-метро в Лужниках, включающий станцию метрополитена «Воробьевы горы».

«Совмещение функций» особенно полезно при объединении в одних элементах признаков несущих и вспомогательных частей конструкции. Не обсуждая абсолютной рациональности этого приема с позиций других принципов формообразования, способных проявить недостатки такого синтеза, можно отметить, что совмещение функций обеспечивает значительное снижение веса большепролетных конструкций и одновременно понижает потенциальную энергию деформаций от постоянных нагрузок. Это ярко демонстрируют, например, конструктивные формы мембранных покрытий или технические решения цилиндрических или каплевидных резервуаров для разнообразных жидких продуктов.

Антиподом приема «совмещение функций» при конструировании не в полной мере является подход к конструированию, основанный на «разделении функций» между несущими элементами или между несущими и вспомогательными элементами. Разделение функций, как правило, порождает утяжеленные (т.е. более энергоемкие) технические решения, но зато может обеспечить высокую технологичность, включая и лучшую ремонтопригодность конструктивной формы. Прием «разделения функций» по своей сути ближе к рассмотренному выше «принципу структурирования», поскольку усложнение структуры по своей сути разделяет функции сопротивления конструкции нагрузкам и воздействиям. Но при этом «разделенные» по обеспечению прочности или устойчивости несущие элементы могут в то же время

совмещать, например, технологические и ограждающие (вспомогательные) функции.

Смысл «органического» единения, слияния замыслов архитектора и возможностей конструктора раскрывается в реализации компромисса между вытекающей из притязаний архитектора потребностью в усложнении конструкций и допустимыми с точки зрения проектировщика возможностями строительных материалов и технологий. Одинаково плохо и когда об архитектуре забывают вовсе, и когда она заставляет чрезмерно увеличивать или неоправданно и крайне нерегулярно дробить пролеты моста, применять недопустимо дорогостоящие материалы, игнорировать климатические, гидрологические или сейсмологические условия площадки строительства.

Связь и закономерности отношений между конструктивными и архитектурными формами стали в XX в. предметом анализа многих ученых и инженеров [19; 69; 70; 201].

При создании монументальных скульптурных композиций инженеры-проектировщики должны строго следовать «предначертаниям» архитекторов и не выходить за пределы отведенных ими областей для элементов несущего каркаса скульптуры. Один из современных выдающихся примеров такого сотрудничества — реставрация монумента В.И. Мухиной «Рабочий и колхозница», для которого был создан новый стальной каркас [135; 145].

В мостостроении с увеличением пролета сооружений уменьшается область достижения компромисса между архитектурой и инженерией, причем, скорее всего, требования инженера начинают доминировать, поскольку резко снижается выбор и возможности модификации конструктивных форм, способных решить поставленную задачу преодоления сложной преграды.

С другой стороны, возрастание характерных абсолютных размеров сооружений выводит объекты из области установившихся и свободно воспринимаемых людьми архитектурных масштабов. Тем не менее, в поле творчества архитекторов остается достаточно направлений для коррекции инженерного решения.

Эти особенности мостостроения наглядно иллюстрируются разнообразием облика вантовых мостов с главными пролетами до 890 м и устойчивой классикой новых висячих мостов с главными пролетами, достигшими 1991 м и проектируемыми для перекрытия

пролетов свыше 2000…3000 м. Японские мостостроители пытаются в первом 20-летии XXI в. перекрыть пролет 4000 м, для чего явно недостаточна жесткость классической висячей системы с вертикальными подвесками, тем более четырехпролетной, но, как это видно из публикации о разработке проекта мостового перехода через Цугарский пролив [103], еще далеко до «рождения» новой конструктивной формы этого моста, которая бы стала достаточно совершенной по комплексу изложенных выше принципов формообразования, в том числе и по «принципу эстетичности».

Наиболее благодарным поприщем для творчества архитекторов оказываются мосты с главными пролетами в десятки и сотни метров и эстакады, в том числе и сверхпротяженные. В создании таких объектов строительства, прежде всего — капитального, роль архитектурного начала становится доминирующей, и это положение должно восприниматься инженерами-проектировщиками как творческая «аксиома».

Оптимальный вариант творческого процесса возведения сооружений, прошедший неоднократное испытание историей, — это присутствие в одном лице того, кого сегодня мы называем архитектором, и того, кто считается инженером-строителем. Теперь такой синтез профессий стал маловероятным, хотя в рамках коллектива одного предприятия единение инженеров и архитекторов возможно и крайне необходимо.

3.4. ОСОБЕННОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ ТЕХНИКИ

К проблемам строительной отрасли в области разработки новых конструкций очень близко примыкают проблемы современного судостроения, где задача обновления критериев развития конструктивных форм и принципов формообразования была поставлена еще три десятилетия тому назад. Особенно актуальной стала проблема критериев прочности корпусных конструкций новых судов.

«…Таким образом, — как отмечают Г.В. Бойцов и О.М. Палий, — сегодня при нормировании прочности мы лишены возможности дать абсолютную оценку вероятности разрушения корпуса. Имеется пока единственный путь — формулировать

наши расчетные методы в сопоставительном плане, использовать результаты исследований для экстраполяции накопленного опыта на суда новых типов и размерений, корректировать по данным о повреждениях судов» 28, с. 78].

В тех отраслях техники (прежде всего это авиационное и ракето-космическое машиностроение), где ценой значительных или очень больших материальных затрат достигается накопление достаточного объема экспериментальной и имитационной информации о режимах работы создаваемых конструкций и аппаратов, принципы математической теории надежности — основы конструирования. В этом отношении показателен подход, принятый в далекой от строительного дела ракетной отрасли: «…Проблема соотношения веса конструкции ракеты и ее прочности, пример, наглядно иллюстрирующий диалектический закон единства и борьбы противоположностей, — нигде не стоит, пожалуй, так остро, как в ракетостроении» 119, с. 3 .

В этой отрасли конструкции работают в условиях интенсивного кратковременного нагружения с моделью отказов по схеме мгновенного разрушения. «…Поскольку ракетные конструкции представляют собой, как правило, объекты разового применения, для них схема мгновенного разрушения является основной моделью отказа по прочности» 24, с. 104 .

В машиностроении обобщенный многоаспектный подход к организации научных разработок, проектирования и выпуска новых комплексов изделий различного технического назначения представлен в трудах Ю.Д. Амирова [7; 10—16; 123]. В справочном пособии [15] в главе 1 «Общие законы конструирования» Ю.Д. Амировым сформулированы «общие закономерности развития и принципы формирования техники». К законам он относит «увеличивающее разнообразие развивающейся технической системы» и «ограниченное многообразие исполнений технических решений».

Принципы формирования техники включают положения о единстве изменяемости и повторяемости технической системы, целесообразной преемственности, обязательности учета достижений науки и техники, адаптивности к новым условиям, совместимости изменяемых и повторяемых компонентов, взаимозаменяемости (новых и старых компонентов), полноте компонентов

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 188 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]