Способ управления строительными конструкциями

 

Изобретение относится к строительству, а именно к строительству промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий и сооружений. Целью изобретения является повышение универсальности и надежности управления конструкциями механическим путем в период их создания и эксплуатации. Поставленная цель достигается тем, что в активных элементах конструкций накапливают потенциальную механическую энергию, наблюдают за результатами управления с помощью измерительных устройств и корректируют управляющее воздействие, осуществляя обратную связь управления, затем с помощью включателей - выключателей порциями используют накопленную энергию для воздействия на параметры напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях управляемой части конструкции непосредственно или посредством привода как в период создания, так и эксплуатации конструкций по вариационной формуле Э/P _→ min, выражающей условие минимального расхода запасенной энергии в энергетических активных элементах системы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к строительству промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий и сооружений.

Известно, что активное управление конструкцией может осуществляться лишь с привлечением внешней энергии. Обычно такая энергия используется в виде электрической, гидравлической, пневматической и др. Механическая энергия для управления конструкцией в процессе ее функционирования, как правило, не применялась. Основной причиной этого является то, что подвод и аккумуляция механической энергии (подобно электрической, гидравлической и т.д.) сложны и способы этого не разработаны.

Известны конструкции зданий, например, из металлических структурных блоков с подвешенными на консолях структуры покрытия стеновыми панелями, воздействие которых разгружает конструкцию покрытия.

Недостатком данного способа и конструкции является то, что указанный способ преднапряжения используется только один раз и только в период возведения конструкции, а конструкция не предусматривает эти возможности в процессе функционирования здания, например, путем многоступенчатого преднапряжения. Для гашения (управления) колебаниями или другими динамическими процессами подобные системы не применялись.

Укажем, что традиционные пути строительства (возведения) зданий представляют собой процессы аккумулирования механической энергии (потенциальной). Действительно, подъем перекрытий, возведение стен и т.д. запасает в них энергию поднятых грузов. С ее высвобождением (хаотичным, неорганизованным) мы сталкиваемся в аварийных ситуациях при разрушениях. Парадоксально, что строительство как организованный процесс запасания потенциальной энергии не предусматривает организованного ее использования для улучшения функционирования данного объекта строительства.

Управление строительной конструкцией с использованием запасенной механической энергии является путем преодоления данного стереотипа. Но для этого объект строительства должен быть снабжен не только накопителями механической энергии (энергетически активные элементы), но и "включателями-выключателями" ее действия и передачи (связи) для управления элементами. Взаимодействие между энергетически активными элементами и управляемыми элементами может быть статическим (в виде, например, многоступенчатого преднапряжения) или динамическим (например, возбуждение или колебания активных элементов является активным демпфером для управляемых элементов).

Известен традиционный способ проектирования и создания конструкций (см. действ. СНиП по строит. конструкциям), который предполагает подбор размеров поперечных сечений элементов конструкций на самые невыгодные комбинации нагрузок. Последние бывают редко, в большинстве случаев такие невыгодные комбинации нагрузок в период эксплуатации редки и поэтому в течение весьма длительного периода материал конструкции используется не в полной мере своих прочностных возможностей. Можно назвать этот способ создания конструкций способом создания "по материалу" с резервированием его для использования в опасных ситуациях. Здесь не предусматривается также перераспределение и управление запасенным материалом в период эксплуатации с целью его более эффективного использования.

Известен способ создания конструкций с помощью предварительного напряжения (см. например, учебники по металлическим и железобетонным конструкциям), позволяющего "разгрузить" опасные сечения и повысить жесткость конструкции. Способ предварительного напряжения позволяет повысить эффективность конструкции. Такой способ можно назвать "способом создания конструкций по усилиям-деформациям", которые запасаются в опасных элементах (или сечениях), разгружая их. Преднапряжение создается на стадии изготовления или монтажа конструкций, а в период их эксплуатации, как правило, не применяется.

Недостатком этого способа является то, что величина преднапряжения (т.е. запасание или резервирование усилий) производится также на случай самых невыгодных комбинаций нагрузок, которые, как уже указывалось, редки в процессе эксплуатации. В этом смысле способ "по усилиям-деформациям" и способ по "материалу" имеют тот же недостаток.

Ближайшим аналогом (прототипом) является способ многоступенчатого преднапряжения (учебник Е.И. Беленя, и Н.Н. Стрелецкого "Металлические конструкции" спецкурс, М. Стройиздат, 1982, с. 8-9), который в значительной мере может устранить недостатки одноразового (одноступенчатого) преднапряжения, т. е. в этом способе "запасание усилий-деформаций" и расходование их может производиться по мере надобности, т.е. и в процессе эксплуатации.

Недостатками указанного способа предварительного напряжения является то, что запасание энергии происходит только в виде предварительного напряжения (обычно растянутых-сжатых элементов), в то время как способы запасания механической энергией многообразны.

Способы преднапряжений используются при статических нагружениях. Применение их при динамических нагрузках связано с техническими трудностями реализации.

Это значительно сужает конструктивные возможности и реализацию управления напряженно-деформированного состояния (НДС) в период эксплуатации. Например, запасание энергии в виде подвешенных грузов-элементов конструкции позволяет реализовать эту энергию более простым и надежным способом, в т.ч. и в условиях динамики.

Данный способ обладает недостаточной надежностью вследствие релаксации напряжений во времени, ведущих к снижению эффекта предварительного напряжения, необходимости его контролирования, трудностей наблюдения за процессами напряжения внутри материала (его старения, коррозии) и необходимостью корректировки управления в процессе эксплуатации.

Известно использование специальных (не требующих функционально для здания) подвижных ж/б блоков (весом 250 т) на технических этажах, которые приводятся в движение с помощью электроэнергии (газета "Известия" N 10 от 10.01.89 г. статья об японском опыте) для гашения колебаний высотных зданий.

Целью изобретения является повышение универсальности и надежности управления конструкциями в период их создания и эксплуатации с помощью механических устройств.

Указанная цель достигается тем, что в активных элементах конструкций (регуляторах Р_i, где i 1, 2, n) накапливают потенциальную механическую энергию Э (Р), наблюдают за результатами управления с помощью измерительных устройств и корректируют управляющее воздействие, осуществляя обратную связь управления; затем с помощью включателей/выключателей порциями используют накопленную энергию для воздействия на параметры R_j, где j 1, 2, k, напряженно-деформированного состояния (НДС) в опасных сечениях управляемой части конструкции непосредственно или посредством привода как в период создания, так и эксплуатации конструкции по вариационной формуле Э/P/ _→ min, выражающей условия минимального расхода запасенной энергии в энергетических активных элементах системы при условии AP R≅[R] где Р матрица-столбец I х n энергетических воздействий, элементами которой являются Р_i, где i 1, 2, n, R матрица столбец I х К регулируемых параметров напряженно-деформируемого состояния в опасных сечениях конструкции, где j 1, 2, k, А матрица размерностью n х k влияния единичных воздействий P_i 1 на параметры R_j, которая может быть получена как теоретическим, так и экспериментальным путем, [R] - матрица-столбец I x K предельно допустимых (желаемых) значений R.

С целью расширения функциональных возможностей управления в качестве активных элементов конструкции, накапливающих механическую и потенциальную энергию, используют функциональные элементы конструкции.

Основное отличие предлагаемого подхода от традиционного заключается в следующем.

1. В строительную систему (здание) специально вводятся элементы, заряженные потенциальной энергией, которую можно использовать для целей управления (это начальные условия).

2. Упругое деформирование системы (нагрузка-разгрузка) используется в процессе эксплуатации для пополнения потенциальной энергией энергетически активных элементов (это текущее условие).

3. К традиционным функциям строительной системы добавляются новые задачи рационального управления этой системой как энергетически заряженной (подобно электрической системе с источником питания и потребления).

Данный способ применим как для условий статики, так и динамики (например, колебаний, сейсмики), в которых может находиться управляемая конструкция.

Предлагается способ использования механической энергии для управления строительной конструкцией, для чего эта энергия аккумулируется (запасается), например, в виде потенциальной энергии некоторых поднятых элементов данной конструкции (здания), и может расходоваться порциями для целей управления в процессе функционирования конструкции, для чего в указанных поднятых элементах предусмотрены специальные устройства, высвобождающие порциями их потенциальную энергию, по мере необходимости (можно назвать их "включателями/выключателями"). Иными словами, при создании (монтаже) конструкция заряжается потенциальной энергией, накопленной ее отдельными элементами (например, приподнятыми стеновыми панелями здания, что не препятствует целям эксплуатации), а затем эта энергия используется для целей управления (например, для многоступенчатого преднапряжения фермы покрытия здания).

Предлагаемый способ создания и эксплуатации конструкций можно назвать способом по запасанию "потенциальной энергии", закладываемой в элементы и части конструкции, которые функционально необходимы по назначению конструкции, т.е. имеет место совмещение функции: по функциональному назначению и по запасанию энергии для управления НДС.

Этот способ отличается универсальностью и широтой конструктивных возможностей по отношению к способам "по материалу" и по "усилиям-деформациям" в одно- и многоступенчатом вариантах как при статических, так и пpи динамических воздействиях.

Это является следствием того, что энергетические представления физически обладают большей общностью, чем представления только "усилий-деформаций" (сравните вариационные принципы механики с классическими принципами-методами сил и перемещений).

Основное отличие по существу от многоступенчатого преднапряжения состоит в том, что при многоступенчатом преднапряжении энергия (вернее усилия) может запасаться только в виде предварительного напряжения. В нашем способе энергия может запасаться в самых разнообразных видах.

Способ создания и управления конструкциями по "запасанию потенциальной энергии" обобщает и расширяет возможности известных способов запасания "по материалу" и "по усилиям-деформациям". В связи с этим и закон управления (регулирования управляющего воздействия) имеет также обобщающий (универсальный) характер и выражается в энергетических характеристиках. Такой закон управления может быть сформулирован, например, следующим образом: "минимизировать расход накопленной потенциальной энергии для целей регулирования НДС конструкции при ограничениях на усилия (параметр управления НДС) в опасных сечениях конструкции, которые должны изменяться заданным образом, не превосходя нормативные пределы".

Параметрами управления НДС конструкций, как общеизвестно, могут являться усилия (деформация) в опасных сечениях, прогибы, частоты колебаний, критические силы. В связи с этим в заявке и формуле изобретения не конкретизируется параметр управления, т.е. он может быть различным и выбор его определяется лишь для конкретных систем. Это ясно из описания и конкретного примера реализации: это, например, многоступенчатое предварительное натяжение формы 1 (фиг. 2) или ее демпфирование.

При изучении технических решений в других областях техники выявлено, что в них отсутствуют отличительные признаки предлагаемого технического решения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, с помощью которого можно осуществить способ управления строительной конструкции с помощью накопленной потенциальной энергии.

Устройство состоит из управляемого элемента 1 (УЭ), энергетического активного элемента 2 (ЭАЭ), включателей-выключателей 3, связей 4 между УЭ и ЭАЭ, нейтрального элемента 5 и обратной связи 6 (измерительные устройства-наблюдатели, корректирующие и управляющие воздействия).

Способ осуществляется следующим образом. Для управления элементом конструкции 1 накапливают в активных элементах 2 механическую потенциальную энергию, которую с помощью включателей/выключателей 3 порциями через связи 4 или непосредственно передают для воздействия на управляемый элемент конструкции. С помощью приборов-наблюдателей 6 осуществляется корректировка управляющих воздействий, т.е. осуществляется обратная связь управления.

Пример реализации предложенного способа. На фиг. 2 изображено устройство, с помощью которого можно реализовать предложенный способ. Устройство состоит из управляемого элемента 1 (УЭ), энергетически активных элементов 2 (ЭАЭ), включателей-выключателей 3, связей 4 между УЭ и ЭАЭ, нейтрального элемента 5 и обратной связи 6 (приборы-наблюдатели, корректирующие управляющие воздействия).

Предложенный способ реализуется следующим образом. Для управления НДС фермы покрытия 1 накапливают потенциальную энергию в активных элементах 2, роль которых выполняют блоки стеновых панелей, которые подвешены через связь 4 к консоли фермы, и осуществляют предварительное натяжение.

Это натяжение осуществляется порционно (многоступенчато) с помощью включателей-выключателей 3, которые могут быть реализованы путем домкратов-распорок (клиньев и т.п.).

Между блоками 2 подвижку допускают благодаря зазорам, выполненным упругим гермопластиком. Включатели-выключатели 3 на ферму передают различное воздействие в зависимости от числа включенных в подвеску блоков. Выключенные из подвески блоки опираются непосредственно на фундамент конструкции, т.е. на ферму не воздействуют. Связь 4 может реализоваться в виде тросовой подвески, которая при колебаниях (смешениях) фермы 1 путем трения взаимодействует с ней, оказывая тормозящее (демпфирующее) действие.

Таким образом осуществляется управление НДС в условиях статики, как и колебаний путем регулируемого трения и изменения массы подвешенных блоков. Наблюдения и корректировка за процессом осуществляется с помощью измерительных приборов 6, которые измеряют и формируют управляющий сигнал включатель-выключатель 3.

Предложенный способ позволяет расширить конструктивные возможности и область их применения в условиях статики и динамики, а также снизить материалоемкость, повысить надежность и живучесть конструкции за счет управления НДС механическим путем.

Формула изобретения

1. Способ управления строительными конструкциями, заключающийся в управлении напряженно-деформированным состоянием, отличающийся тем, что в энергетически активных элементах конструкции с порядковыми номерами i, где i 1,2. n, накапливают потенциальную механическую энергию, наблюдают за результатами управления с помощью измерительных устройств и корректируют управляющее воздействие, осуществляя обратную связь управления, при этом с помощью включателей-выключателей порциями используют накопленную энергию для воздействия P_i (i 1, 2, n) на параметры R_j, где j 1, 2, К, напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях управляемой части конструкции непосредственно или посредством привода как в период создания, так и эксплуатации конструкции по вариационной формуле Э(P) _→ min , выражающей условия минимального расхода запасенной энергии в энергетически активных элементах системы при условии AP R ≅ [R] где P матрица-столбец 1 х n энергетических воздействий, элементами которой являются P_i (i 1, 2, n); R матрица-столбец 1 x K регулируемых параметров R_j напряженно-деформированного состояния в опасных сечениях конструкции, где j 1, 2, K; A матрица размерностью n х K влияния единичных воздействий P_i 1 на параметры R_j, которая может быть получена как теоретическим, так и экспериментальным путем; [R] матрица-столбец 1 x K предельно допустимых (желаемых) значений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активных элементов конструкции, накапливающих механическую потенциальную энергию, используют функциональные элементы конструкции, например колонны, плиты, стеновые панели, совмещая их эксплуатационные функции с энергетическими.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2