Использование самонапряженных структур в строительстве, особенности анализа и конструирования

УДК 624.042

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САМОНАПРЯЖЕННЫХ СТРУКТУР В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА И КОНСТРУИРОВАНИЯ

А.К. Буреев, И.Г. Овчинников

USE OF SELF-STRESSED STRUCTURES IN CONSTRUCTION, ANALYSIS AND

DESIGN FEATURES A. K. Bureev, I.G. Ovchinnikov

Аннотация. Статья содержит информацию об уникальном методе проектирования и строительства различных строительных сооружений, а именно о методе проектирования с использованием самонапряженных структур. Данный метод основан на особом использовании вантовых систем, при котором создается бесконтактное расположение жестких элементов. Продемонстрированы некоторые практические примеры использования данного принципа в различных отраслях строительства, выявлены особенности действующих конструкций самонапряженного типа, а также кратко рассмотрены особенности анализа и конструирования самонапряженных структур. Определены наиболее важные преимущества и недостатки данного принципа.

Ключевые слова: самонапряженные структуры; тенсегрити; элементы; конструкции; проектирование.

Abstract. The article contains information about a unique method of design and construction of various building structures, namely about the method self-stressed structures. This method is based on a specific use of cable systems, which creates a non-contact location of the rigid elements. Some practical examples of application of this principle in various branches of construction are shown, features of the operating designs of the self-stressed type are revealed, and also features of calculation and design of the self-stressed structures are given. The most important advantages and disadvantages of this principle are revealed.

Key words: self-stressed structures; tensegrity; elements; structures; design.

Введение

Традиционное совершенствование мостостроительной сферы на сегодняшний день предполагает не только модернизацию методов строительства и используемых материалов, но и создание принципиально новых инновационных сооружений. Безусловно, к таким конструкциям можно отнести сооружения на основе принципа самонапряженных структур, или принципа тенсегрити (от англ. tension integrity - соединение путем натяжения), рис.1.

Данный метод предполагает создание несущей структуры за счет бесконтактного расположения жестких элементов (стоек и распорок) посредством взаимного натяжения тросами и вантами. За счет данного натяжения образуется структурно и геометрически целостная система, отличающаяся легким весом и более низкой материалоемкостью, рис. 2.

Изначально (в середине прошлого столетия) тенсегрити структуры реализовывались лишь в виде архитектурных моделей художественного характера. Постепенно, по мере изучения структур и создания новых методик расчета, самонапряженные системы нашли применение в сложнейших инженерных сооружениях и заслуживают особого внимания [1].

Рисунок 1 - Идея тенсегрити в виде художественной модели

с обозначением характера работы основных элементов

Тенсегрити-конструкции в строительных сооружениях

Первоначальное использование самонапряженных систем в художественных архитектурных моделях (примеры на рис.1, 2) позволило выявить эффективные свойства данных структур, которые впоследствии были с успехом задействованы в полноценных строительных конструкциях различного характера:

- купольные сооружения (сетчатые и мембранные структуры, рис. 3), в конструкциях которых отлично проявляется общая легковесность самонапряженных систем, что особенно важно для кровельных и укрывающих конструкций.

Рисунок 3 - Купольные сооружения тенсегрити могут быть реализованы как в виде

полноценной конструкции, так и виде поддерживающей системы

Купольные конструкции самонапряженного типа позволяют создавать уникальные легкие, прочные и сейсмоустойчивые сооружения, используемые в виде крытых павильонов, аграрных сооружений, временных защитных (от нежелательных природно-климатических факторов) систем, временных убежищ для скопления людей и др.

- башенные конструкции (рис. 4), имеющие модульную структуру, могут служить как художественными элементами местности, так и поддерживающей системой для молниеотводов, антенн и устройств связи, а также для опор купольных сооружений [2, 3].

Рисунок 4 - Тенсегрити-башни могут иметь как динамический характер работы (с подвижным шарнирным соединением в узлах элементов), так и статический (с жестким

закреплением тросов)

Наряду с архитектурными сооружениями, идея тенсегрити нашла применение в конструировании аэрокосмической техники (рис. 5). В качестве основных космических приборов самонапряженной конструкции, стоит отметить раскладываемые мачты и антенны. Отличительной особенностью космической аппаратуры является подвижный характер работы, в основе которой лежит управляемость конструкцией. За счет создания управляющих приводов конструкции тенсегрити становятся развертываемыми системами, положение элементов которых регулируется посредством управления. Развертывание позволяет приводить складные конструкции в рабочее состояние в условиях малого пространства [4, 5].

Рисунок 5 - Роботизированные

- мостовые сооружения самонапряженного типа - относительно молодые сооружения, но при этом весьма перспективные. В конструкции мостов принцип тенсегрити нашел применение в конструировании несущей структуры пролетных строений пешеходных сооружений, рис. 6, 7 [2].

Рисунок 6 - Мосты по типу тенсегрити: слева - Мост Курилпа (Австралия), справа -

Мачтовый мост

Проектирование и конструирование тенсегрити-структур подразумевает несколько этапов: поиск первоначальной формы основных модулей тенсегрити (отдельных самонапряженных элементов, совокупность которых представляет полную систему тенсегрити), расчеты элементов тенсегрити на возможные нагрузки и их сочетание, создание испытательных моделей (иногда) и конструирование (монтаж) всей конструкции. В отличие от традиционных мостовых сооружений, тенсегрити-сооружения не имеют четких указаний к проектированию и каждое проектное решение предполагает использование частных методик проектирования и строительства. Например, для проектирования моста Курилпа в г. Брисбен (Австралия), рис.6, инженерами был использован специальный программный комплекс, разработанный программистами конкретно для данного проекта. Согласно расчетам, геометрическая целостность будущей структуры достигалась за счет постепенного добавления основных элементов и их фиксации в специальных узловых соединениях [5].

Рисунок 7 - Перспективные конструкции мостов тенсегрити

http://vestnik-nauki.ru/

Арочные конструкции также могут частично задействовать самонапряженные системы в пролетном строении, рис. 8.

Рисунок 8 - Проект моста с пролетным строением на основе самонапряженной арки

Арка пролета в данном случае посредством эффекта распора создает полезную нагрузку на вантовые элементы, за счет которой обеспечивается большая устойчивость жестких элементов [6].

Некоторые особенности анализа и конструирования тенсегрити-конструкций

Как уже было сказано, расчетный анализ и монтаж конструкций самонапряженного типа базируется на поиске равновесной конструкции, так называемой формы тенсегрити. В зарубежных научных работах этот процесс так и называется «Form finding», т.е. с английского - поиск формы. Поиск формы подразумевает подбор наиболее эффективной конструкции основных модулей тенсегрити (отдельных базовых элементов, как например призма, рис. 9) или всей конструкции, например, сетчатой мембранной структуры (купольные сооружения). Выражение «поиск формы» лишь на первый взгляд звучит просто, а по факту представляет собой этап расчетного анализа самонапряженных структур на равновесное положение элементов и их узлов, поиск наиболее устойчивой и жесткой структуры, а также учет возможных нагрузок в работе, или внедрение начальной нагрузки в элементах, т. е. создание предварительного напряжения.

Методики расчета тенсегрити-систем могут быть представлены статическими и кинематическими методами. В основе кинематических методик лежит постоянство размерных характеристик растяжимых элементов (тросов) при изменяемости длин распорок и балок (жестких элементов) и аналогично наоборот. В этом случае происходит создание предварительной структуры без обязательной необходимости предварительного натяжения, что упрощает процесс проектирования.

Конструкционную основу пролетных строений пешеходных мостов самонапряженного типа составляют жесткие и растяжимые элементы, а также их соединения. Большинство методов поиска самонапряженных форм основано на использовании габаритных параметров основных элементов (длин, ширина, углы наклона и т.д.), за счет расчетов которых определяется положение равновесия узлов системы и всей конструкции [7].

Постепенное внедрение и натяжение элементов в структуру - не единственный способ конструирования. В самонапряженных конструкциях некоторых проектных моделей пешеходных мостов предполагается использование базовых симметричных геометрических элементов (рис. 9, 10, 11) [8].

Проект моста на основе использования симметричных икосаэдров в качестве самонапряженных модулей, продемонстрирован на рис. 10.

Еще один пример уникальной структуры самонапряженного типа для мостовой конструкции - проект пешеходного сооружения раскладываемого типа, разработанный в Швейцарском технологическом университете (рис. 11).

Рисунок 10 - Проектное решение моста тенсегрити Тор-Вергата на основе

симметричных модулей

ч У Ж \

ш\ш 1 / / \ \

Рисунок 11 - Мост по типу «полого каната», развертываемая модель

Методика развертывания, как уже было сказано, с успехом применяется в конструировании космических приборов, и, возможно, со временем станет основой быстрого монтажа уникальных пешеходных мостовых сооружений.

В случае с сетчатыми структурами

Рисунок 12. Генерация структур тенсегрити посредством модульного объединения за счет создания общих связей в виде жестких или растяжимых связей

Стоит отметить, что, несмотря на малый опыт использования тенсегрити-конструкций на практике и достаточно сложный этап проектирования, перспективы у данной методики строительства достаточно хорошие, т. к. на сегодняшний день расчетные программные технологии находятся на высоком уровне и позволяют создавать уникальные проектные решения для отдельных самонапряженных конструкций [9].

Преимущества и недостатки конструкций самонапряженного типа

Уникальные преимущества самонапряженных структур присущи всем видам конструкций, основанным на данной методике расчета и монтажа. К ним стоит отнести:

- общая легкость системы ввиду особой конструкции несущей структуры;

- меньшая гравитационная зависимость - система тенсегрити поддерживает себя за счет разнонаправленных усилий;

- экономия материалов;

- структурная эффективность - полноценная работа всех элементов;

- гибкость структур при необходимой жесткости отдельных элементов (модулей);

- эффективное гашение внутренних колебаний за счет множественных связей; отсутствуют отдельные болевые точки за счет реакции на внешние изменения всей структуры; данное преимущество позволит использовать самонапряженные структуры в сейсмически опасных районах;

- полезный характер нагрузок - система более стабильна при полном задействовании элементов в работу и предварительном натяжении вант и тросов;

- возможность бесконечного расширения конструкций за счет добавления новых элементов, а также высокая ремонтопригодность и управляемость.

Из наиболее существенных минусов самонапряженных структур стоит выделить:

- нелинейное поведение при нагрузках;

-недостаточный опыт использования самонапряженных структур в динамических системах;

-сложный этап расчета, ввиду обязательности условия равновесия за счет самонапряжения;

- структуры тенсегрити очень чувствительны к перегрузкам, поэтому зачастую используются для конструкций облегченного характера работы (например, только пешеходные мосты);

- высокая стоимость отдельных элементов и их узловых соединений [10].

Заключение

Идея самонапряженных структур, безусловно, выделяется среди ряда инновационных нововведений в современном строительстве. Ведь наряду с уникальными несущими системами для сооружений различного назначения, идея тенсегрити предполагает создание принципиально новых методик расчета и конструирования. Впечатляет разнообразие сфер применения самонапряженных систем: от элементарных стационарных моделей эстетического характера до серьезных строительных конструкций и роботизированных установок. При этом не существует четких границ использования самонапряженных структур в практической деятельности, т.к. элементы тенсегрити отлично масштабируемы и модернизируемы, что оставляет инженерам возможность постоянного совершенствования имеющихся основ проектирования и монтажа, а также поиска новых методик реализации данного принципа. Исследование самонапряженных конструкций в отечественной инженерии остается пока лишь на базовом теоретическом уровне, но возможно, инновационный характер данных структур привлечет внимание исследователей нашей страны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Буреев А.К., Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Применение структур тенсегрити в архитектуре и мостостроении // Новые идеи нового века - 2016: материалы Шестнадцатой Международной научной конференции в 3 т. Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского государственного университета, 2015. Т. 3. С. 200-206

2. Овчинников И.Г., Кокодеев А.В. Исследование возможностей применения самонапряженных конструкций (тенсегрити) при создании транспортных сооружений // Инновации и исследования в транспортном комплексе. Материалы III Международной научно-практической конференции в двух частях. Часть I. Курган: Курганский институт железнодорожного транспорта 2015. С. 134-141.

3. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Буреев А.К. Применение принципа тенсегрити для создания мостовых конструкций. Часть 1. Общие сведения о системе «тенсегрити» // Транспортные сооружения. 2017. Т.4, №2. URL: http://ts.today/PDF/03TS217.pdf.

4. Кокодеев А.В., Овчинников И.Г. Анализ конструктивного решения крупнейшего моста - «тенсегрити» Курилпа Бридж // Интернет-журнал «Науковедение». 2015. Т. 7, № 4. URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/40TVN415.pdf.

5. Deployable Tensegrity Structures for Space Applications by Gunnar Tibert, Doctoral Thesis for the Royal Institute of Technology Department of Mechanics, 2002. Reference number, TRITA-MEK Technical Report 2002:04.

6. Briseghella B., Fenu L., Huang W., Zordan T. Tensegrity footbridge with prestressed deck. 34th IABSE Symposium on Large Structures and In frastructures for Environmentally Constrained and Urbanised Areas . Zurich: IABSE-AIPC-IVBH, Venice, September, 22-24, 2010.

7. Micheletti A. Modular tensegrity structures: The TorVergata footbridge II Mechanics, Models and Methods in Civil Engineering. 2016. No. 61, pp. 375-384.

8. Буреев А.К., Овчинников И.Г. Методы поиска форм тенсегрити-структур // Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности: сборник материалов XVIII Международной научно-технической конференции». Тула: Издательство ТулГУ 2016. С. 36-41.

9. Rimoli J.J., Raj Kumar Pal. Mechanical response of 3-dimensional tensegrity lattices. School of Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology. Atlanta, GA 30332, USA. January 2017.

10. Motro R. Tensegrity: structural systems for the future // Kogan Page Science, U.K., 2003. 19 p.

REFERENCES

1. Bureev A.K., Ovchinnikov 1.1., Ovchinnikov I.G. Primenenie struktur tensegriti v arhitekture i mostostroenii [Application of tensegrity structures in architecture and bridge construction]. Novye idei novogo veka - 2016: materialy 16Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii v 3 t. Habarovsk: Izd-vo Tihookeanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015. V.3, pp. 200-206.

2. Ovchinnikov I.G., Kokodeev A.V. Issledovanie vozmozhnostej primeneniya samonapryazhennyh konstrukcij (tensegriti) pri sozdanii transportnyh sooruzhenij [Study of the possibility of using self-stressed structures (tensegrity) in the creation of transport facilities]. Innovacii i issledovaniya v transportnom komplekse. Materialy III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii v dvuh chastyah. Ch.I. Kurgan: Kurganskij institut zheleznodorozhnogo transporta 2015, pp. 134-141.

3. Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G., Bureev A.K. Primenenie principa tensegriti dlya sozdaniya mostovyh konstrukcij [Application of the tensegrity principle to create bridge

structures] Chast' 1. Obshchie svedeniya o sisteme «tensegriti». Transportnye sooruzheniya. 2017. T.4, №2. URL: http://ts.today/PDF/03TS217.pdf

4. Kokodeev A.V., Ovchinnikov I.G. Analiz konstruktivnogo resheniya krupnejshego mosta - «tensegriti» Kurilpa Bridzh [Analysis of the design solution of the largest bridge -"tensegrity" Kurilpa bridge]. Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2015. V.7, No4. URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/40TVN415.pdf.

5. Deployable Tensegrity Structures for Space Applications by Gunnar Tibert, Doctoral Thesis for the Royal Institute of Technology Department of Mechanics, 2002. Reference number, TRITA-MEK Technical Report 2002:04.

6. Briseghella B., Fenu L., Huang W., Zordan T. Tensegrity footbridge with prestressed deck. In: 34th IABSE Symposium on Large Structures and In frastructures for Environmentally Constrained and Urbanised Areas . Zurich: IABSE-AIPC-IVBH, Venice, September, 22-24, 2010.

7. Micheletti A. Modular tensegrity structures: The TorVergata footbridge II Mechanics, Models and Methods in Civil Engineering. 2016. No. 61, pp. 375-384.

8. Bureev A.K., Ovchinnikov I.G. Metody poiska form tensegriti-struktur [Methods of searching for the forms of tensegrity structures]. Aktual'nye problemy stroitel'stva, stroitel'noj industrii i promyshlennosti: sbornik materialov XVIII Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii». Tula: Izdatel'stvo TulGU, 2016, pp. 36-41.

9. Rimoli J.J., Raj Kumar Pal. Mechanical response of 3-dimensional tensegrity lattices. School of Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology. Atlanta, GA 30332, USA. January 2017.

10. Motro R. Tensegrity: structural systems for the future. Kogan Page Science, U.K., 2003. 19 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Буреев Артем Константинович Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов, аспирант,

E-mail: artem.saratov2015@mail.ru

Bureev Artem Konstantinovich Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Russia, Saratov, postgraduate, E-mail: artem.saratov2015@mail.ru

Овчинников Игорь Георгиевич Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, Пермь, доктор технических наук, профессор, E-mail: bridgesar@mail.ru

Ovchinnikov Igor Georgievich Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Russia, Saratov

Perm national research polytechnic university, Russia, Perm, Doctor of technical Sciences, Professor

E-mail: bridgesar@mail.ru

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77. Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А. Корпус 6, кафедра Транспортное строительство.

Тел моб 89033280380