Строительство и архитектура /3. Современные технологии строительства, реконструкции и  реставрации.

к.т.н. Попова М.В., Власов А.В., Курчевский Д.А.

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия

О формах потери устойчивости в металлических конструкциях

Строительная наука как вид интеллектуальной детельности является совокупностью фундаментальных и прикладных исследований, иерархию которых трудно установить. Действительно, как например, расставить приоритеты в проблеме взаимосвязи «золотой пропорции» в различных областях: классической архитектуре, термодинамическом равновесии, закономерностях структурной устойчивости многофакторных структур и всеобщей резонансной настройке природы.

Эта общность и взаимосвязь побуждает нас исследовать глубинные зоны их взаимосвязи. Подключение к синергетической парадигме помогает решению этой задачи.

В свете синергетической парадигмы составные металлические конструкции, реализующие несколько форм выпучивания, относятся к классу сложных нелинейных систем, обладающих синергетическими свойствами. Исследование таких систем предполагает оценку состояния их поведения и определение зон риска, возникающих в ходе взаимодействия части и целого. В нелинейной теории устойчивости эта проблема трактуется как проблема взаимодействия общей и местных теорий потери устойчивости и количественной оценки предельного состояния.

Что дает нам право отнести указанные составные инженерные металлические конструкции к классу конструкций, обладающих синергетическими свойствами?

Здесь под синергией (самоорганизацией) понимается способность систем при определённых условиях взаимодействовать между собой и спонтанно самоупорядочиваться, т.е. переходить из зоны хаоса в зону порядка. Это может проявляться в форме повышения несущей способности даже при усилении флуктуирующих факторов. В терминах теории устойчивости нелинейных систем сложное влияние смежных форм выпучивания иногда может не снижать предельную нагрузку всей системы даже при наличии неизбежных начальных несовершенств, выступающих в роли флуктуации.

Хорошо известная закритическая стадия работы конструкций с гибкой стенкой является классическим примером такого поведения. Другим примером такого поведения является реализация катастрофы типа гиперболической омбилики, когда начальные несовершенства одной из форм выпучивания могут оказывать благоприятный эффект.

В отношении спонтанного характера самоорганизации следует оговориться. Если для биологических и социальных объектов с учетом их исторической эволюции это справедливо, то для рассматриваемых нами технических систем возможно как природное (спонтанное), так и проектное (искусственное) саморегулирование взаимодействия различных форм выпучивания. Такова специфика технических систем, позволяющая на стадии проектирования регулировать характер взаимодействия.

В этом случае строительные конструкции могут рассматриваться как открытые равновесные нелинейные диссипативные системы. До сих пор за исключением некоторых частных задач [2], исследование таких систем проводилось на феноменологическом уровне. Основополагающий критерий самоорганизации – степень открытости, однако сама степень открытости не конкретизируется и в первом приближении может определяться соотношением хаос-порядок в пропорциях золотого сечения, а степень хаотичности – по известному уровню энтропии. Открытость системы проявляется не только в обмене с внешней средой, но и во внутренней открытости: гибкости архитектурно-строительных и инженерных решений, обеспечивающих физическую долговечность при изменяемом сроке пребывания в здании очередного производства или арендатора за счет выбора пролетов, применения сборно-разборных конструкций и т.п.

Развитие конструктивных форм идёт в направлении роста разнообразия эстетических и функциональных составляющих и жертвования разнообразием исходных элементов (удаление от естества). Такое усложнение приводит к росту энергетической эффективности и интеллектуальности конструкций, которые становяться не более устойчивыми, но более неравновесными, способными сохранять устойчивость на более высоком уровне неравновесия с окружающей средой, т.е. менее чувствительными к несовершенствам.

Классический случай равноустойчивой оптимальной конструкции описывает равновесие системы с помощью равновероятности случайности событий. В действительности эти события неравновероятны, и целенаправленный процесс проектирования термодинамически устойчивой конструкции сводится к определенной симметрии мер хаоса и порядка, т.е. устойчивой и не устойчивой компонент в предельной нагрузке конструкции.

Система может иметь последовательное или параллельное соединение элементов. Если отказ одного элемента не влечет за собой отказ системы в целом, то говорят о параллельном соединении. В последовательной системе картина обратная. Очевидно, что в строительной конструкции с двумя и более формами выпучивания могут быть реализованы обе схемы в зависимости от взаимодействия между формами.

Литература:

1. Томсон Д., Неустойчивости и катастрофы в практике и технике. – М., Мир 1985.- С.251.

2. Gioncu V., Jvon M. Interaction between flexural and torsional-flexural buckling in thin-walled compression members. JUTAN Symposium. London. 1983. p. 359-376.

3. Корчак М.Д., Чепцов А.Ф. Синергетика в теории и на практике. Изд-во ЭПИ МИАС. 2006. -433с.