Глава 3. Энергетический подход к формообразованию конструкций

Проблемы формообразования имеют междисциплинарный характер и выделяются в самостоятельную современную науку, обобщающую многогранные частные традиционные аспекты (науки). В то же время формообразование остается искусством, предметом творческого нешаблонного произведения. В инженерных науках и опыте сложился ряд рекомендаций по рациональному формообразованию.

Однако общие закономерности в науке формообразования еще не выявлены и не установлены. В связи с этим целесообразна попытка рассмотреть обобщающую науку формообразования с наиболее общих позиций в природе и технике, которой является энергетический подход.

Выдающийся рывок в этом направлении сделал А. Эйнштейн, связав энергию с массой тела. Но в этом глобальном подходе форма тела и ее изменение (деформация) не учитываются. В практических инженерных задачах выбор формы тела и учет ее изменения имеют решающее значение.

Внешние воздействия на упругое твердое тело (сооружение), совершая работу по деформированию этого тела, заряжают его внутренней энергией, которая проявляется, например, при снятии внешней нагрузки, стремясь вернуть тело в начальное состояние. Развитие строительной механики и конструирования существенно основывается на этом подходе. Однако эти традиционные соображения далеко не охватывают всего многообразия энергетической взаимосвязи с формообразованием создаваемых конструкций. Необходимо более глубокое осознание понимания роли энергетического взаимодействия, которое позволяет не только рационально проектировать, но и находить новые решения.

Отметим, что в механике деформированного твердого тела энергетический подход не получил достаточного развития, хотя сформулированы и используются вариационные (энергетические) принципы.

На рис. 6 приведены принципы энергетического подхода для рационального формообразования.

3. 1. Принцип энергетической проводимости через элементы системы от места приложения внешнего воздействия до опоры – это необходимое условие успешной работы (функционирования) системы. Увеличивая (или уменьшая) энергетическую проводимость, можно управлять сопротивляемостью (работой) системы.

На энергетическую проводимость как на обязательный закон функционирования технической системы указал Г. С. Альтшуллер – создатель ТРИЗ. Фактически это необходимый системный признак, содержащийся в понятии системы [6].

При проектировании конструкций разработчик должен проследить все траектории силового и деформационного потока через все элементы и связи от места нагружения до опор, убедиться в их непрерывности, выявить «узкие» места (концентрации), определить замкнутость, (т. е. уравновешенность и устойчивость силовых полей, и т. п.

Рис. 6. Схема энергетических принципов активного формообразования конструкций

Традиционно это выражается в рассмотрении (анализе) напряженно-деформированной схемы (эпюр усилий) и проверке прочности ряда опасных поперечных сечений. Но такой дискретный подход часто не создает осознания целостности энергетической проводимости в конструкции и эффективности ее работы. Сознательное прослеживание энергетической проводимости более предпочтительно для рационального проектирования. Яснее и четче выявляются входные и выходные расчетные параметры (условия) для каждого элемента и связей между элементами.

Отметим, что энергетическую проводимость необходимо оценивать с позиций не только статики, но и динамики (в том числе согласования ритмики отдельных частей системы).

3.2. Принцип энергетической защиты от «вредных» внешних воздействий путем изменения (или регулирования) связей или установки специальных устройств между внешней нагрузкой и конструкцией, или создания динамического противодействия с помощью дополнительного процесса.

Защита от «вредных» динамических (например, сейсмических) воздействий возможна с помощью защитных и изолирующих устройств (рассеивающих, диссипативных), препятствующих полностью или частично проникновению внутрь системы динамического воздействия. Здесь возможно многообразие различных устройств и проектов, имеется простор для творческих решений. Остановимся на некоторых из них применительно к сейсмозащите и сейсмоизоляции.

Применение средств сейсмоизоляции традиционно основано на включении внутри конструкции (как правило, над фундаментом) устройств либо гасящих колебания, либо рассеивающих энергию, т. е. сознательном расчленении элементов системы путем установки между ними гасящих или диссипативных связей. Таким путем эффект достигается за счет некоторого ослабления системы и снижения ее целостности.

Другой подход к этой проблеме заключается в идее прерывания (полном или частичном) тех связей, через которые на всю систему целиком (т. е. на фундамент и верхнее строение) передается внешнее динамическое воздействие, т. е. без нарушения целостности системы. При сейсмике это главным образом тангенциальные связи (трение) между основанием и фундаментом (если исключить лобовое сопротивление фундамента волновому фронту). Для реализации данной идеи предложены конструкции наземных незаглубленных сплошных пространственных фундаментных платформ (ПФП) на скользящем слое, расположенном между ПФП и основанием так, что целостность системы («фундамент – верхнее строение») не нарушается [2,9] (рис. 7-11).

Такое формообразование системы в значительной мере защищено от больших сейсмических воздействий, а соединение ПФП с верхним строением в цельную многосвязную замкнутую систему еще более повышает сейсмостойкость. Эффективность данного решения весьма привлекательна, если учесть, что ПФП имеет повышенную жесткость при относительно малом расходе материала благодаря пространственной форме, совмещает в себе ряд функций (конструктивных и эксплуатационных), не нарушает подземный гидрогеологический режим и выгодна для строительства в сложных грунтовых условиях.

а) б) в)

Рис. 7. Пространственные фундаментные платформы для строительства на слабых и вечномерзлых грунтах и в сейсмических районах: а) – сборная железобетонная платформа (патент РФ № 38789 );б) – сборная сталежелезобетонная фундаментная платформа (патент РФ№ 2206665); в) – - монолитная фундаментная платформа с утеплителем (патент РФ № 45410)

Скользящий слой расположен между фундаментной платформой и основанием

а) б)

Рис. 8. Варианты пространственной фундаментной платформы на скользящем слое для малоэтажного строительства: а) – сборный;

б) – монолитный. Патент РФ № 55388

Рис. 9. Пространственная фундаментная платформа со «стеной» в грунте под здания и сооружения для строительства на слабых грунтах и в сейсмических районах. Патент РФ № 64650.Между «стеной» и грунтом устроен защитный зазор с «мягким» заполнителем	Рис.10. Пространственная железобетонная фундаментная платформа в сборном и сборно-монолитном варианте для малоэтажного строительства в сложных грунтовых условиях Патент РФ № 69094

а) б)

Рис. 11. Пространственная фундаментная платформа на скользящем слое, объединенная с резервуаром в замкнутую систему, для строительства на слабых, вечномерзлых, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах.

а) – разрез 1-1; б) вид сверху. Патент РФ №2273697

Данный подход приобретает особо важное значение в условиях неопределенности внешних воздействий, например таких, каксейсмические или как неравномерные просадки грунтов и др.

Формообразование здесь направлено на создание конструкций, малочувствительных к неопределенным негативным воздействиям, а также снижение их уровня.

Такое конструктивное формообразование повышает безопасность строительства в условиях неопределенности и тем самым компенсирует недостаточный уровень развития теории.

Отметим другой способ энергетической защиты, который можно назвать активным. Его суть в принципе динамического противодействия, т. е. создании дополнительного динамического процесса, нацеленного на противодействие вынужденным воздействиям на конструкцию. Этот принцип используется для активного управления конструкциями.

3.3. Принцип перераспределения энергии деформирования. Во многих конструкциях напряженно-деформированное состояние, а следовательно, и энергетическое распределение, весьма неравномерно, т. е. имеются некоторые резервы, которые целесообразно было бы использовать для укрепления (поддержки) более напряженных мест (сечений) конструкций. Таким образом, возникает целесообразность некоторого перераспределения энергии деформации. Это становится возможным, если, например, дополнить традиционную конструкцию специальными устройствами, способными воспринимать (возможно аккумулировать), а затем преобразовывать и передавать в желаемое место соответствующее воздействие.

Пример реализации такого решения применительно к уменьшению вынужденных колебаний простой балки с помощью рычажного устройства дан на рис. 12 [1]. На балку постоянного сечения действует динамическая нагрузка P (t). Удаленное от нагрузки сечение менее напряжено, его прогиб меньше, чем под нагрузкой. Изменяя плечи рычага, можно влиять (уменьшить) на амплитуду колебаний под нагрузкой.

Рис. 12. Пример перераспределения внутренней энергии балки для управления колебаниями простой балки

Отметим, что данный принцип перераспределения внутренней энергии охватывает и применения традиционных демпферных (диссипативных) устройств между отдельными элементами конструкции с целью их защиты путем рассеивания (или поглощения) энергии возмущающего воздействия. Однако эта энергия, как правило, поглощается и не используется для преобразования и усиления слабых мест конструкции.