Приложение 4
Формообразование в процессе эксплуатации
Ф
Приложение 4
О формообразовании адаптивных конструкций
Мобильные или складные конструкции, большепролетные мосты или высотные здания, все они повышают спрос на более эффективные и облегченные конструкции. Недавние разработки в информационной технологии, материаловедении, электронике и строительстве отодвинули границы осуществимости, и интеграция всех этих технологий обещает высокий потенциал: введение адаптивных систем в архитектуре и строительстве. В природных системах адаптивные процессы известны и они кажутся очевидными и соответствующими. Технические системы (мосты или дома) статичны – они не реагируют на изменения в окружающей их среде. Однако кажется логичным иметь системы, реагирующие на внешние раздражители.
Адаптивные конструкции [3] способны управлять внутренним потоком усилий и деформаций или, другими словами, манипулировать внешними нагрузками в зависимости от времени. Различные системы управления конструкциями могут классифицироваться на 4 группы: пассивные, активные, полуактивные и гибридные системы.
В КрасГАСА управление конструкциями приоритетно изложено в монографии, учебных пособиях и многих патентах [46, 51].
Пассивные системы
Концепция: Пассивные системы характеризуются тем, что регулирование в них осуществляется возможным избежанием внешнего воздействия.
Адаптация формы: Изменение формы конструкции дает возможность понижения внешнего нагружения такого, как, например, ветровые нагрузки. К примеру, подобно погодному флюгеру, меняющему положение в зависимости от направления ветра, башни также могут менять форму.
Массные демпферы: Пассивные массные демпферы широко используются для контроля колебаний от человека, машин, ветра, землетрясений. Основная концепция состоит в применении струнно-массных систем для диссипации энергии. Различные проекты высотных сооружений (в особенности, в Японии) были реализованы с применением пассивных массных демпферов (tuned mass dampers – TMD – настраиваемый массный демпфер).
Диссипация энергии: Для контроля колебаний используются различные системы диссипации энергии, такие, как пластические гистерезисные абсорберы, фрикционные абсорберы, изоляция базы, использование вязкоупругих или вязкожидких материалов.
Активные системы
Концепция: Активные системы способны реагировать на внешние воздействия с целью манипулирования и оптимизации отклика конструкции, как например, манипулирования и оптимизации внутреннего потока усилий и деформаций или колебаний. Здесь поступление внешней энергии обязательно для задействования соответствующих актуаторных сил, в отличие от пассивных систем.
Манипулирование потока усилий внутри конструкции или конструктивных элементов направлено на снижение максимальных значений напряжений путем их перераспределения. Целью является перелокализовать напряжения и добиться идеального, полностью однородного распределения напряжений. Такое состояние называется «изотенсоидом». Подобные манипуляции могут выполняться для контроля отклонений конструкции от проектного положения. Колебательное поведение может варьироваться подвижными массами. В связи с этим конструкция может проектироваться так, чтобы частоты и амплитуды находились в рамках определенных границ или проектироваться в соответствии с предопределенным предпочтением. В общем, могут активно контролироваться следующие параметры: нагрузка, жесткость, деформативность, масса и геометрия.
Функциональная адаптация: Адаптация конструкции не обязательно должна иметь конструктивные требования, но может им удовлетворять из-за функциональных аспектов. Примером функциональной адаптации являются складные покрытия, используемые в качестве защиты от дождя или солнца.
На рис. 159 представлена конструкция складного покрытия Роттенбаумского теннисного корта в Гамбурге (инженер Werner Sober Ingenieure Sttutgart, архитектор Schweger&Partner, Hamburg).
Профессор факультета архитектуры университета технологии г. Lodz в Польше Wojciech Zablocki является архитектором проекта Национального стадиона в Варшаве [1], вмещающего до 50000 зрителей. Стадион может трансформироваться из режима «футбольное поле» в режим «поле - дорожки» и способен предоставлять 60 тыс. мест для проведения Олимпийских игр. Убирающееся покрытие стадиона состоит из двух частей, перемещающихся по круговому радиусу. В олимпийском режиме с обоих концов стадиона монтируются дополнительные трибуны на временных подмостях и накрываются подвижной частью покрытия. Существует также возможность перемещать наружу футбольное поле для ухода за травяным покровом и предотвращения его повреждения (рис. 161).
Функционально адаптивными системами являются раздвижные мосты, меняющие геометрию для пропуска судов.
Контроль колебаний: Первым реализованным сооружением с контролем колебаний является многоэтажное здание корпорации Kyobashi Seiwa, построенное Kajima в 1989 в Токио. Для контроля колебаний от ветра и землетрясений использован драйвер активной массы (active mass driver) [Sakamoto M., Koshika N., Kobori T. «Development and applications of structural control systems // Разработка и применение систем управления конструкциями», Stahlbau 69 (2000, H. 6, 455-463)].