CC BY
46
НАУКОВ1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ
УДК 624.042
ПРОЧНОСТЬ, ВИБРОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОМФОРТ И ПРОБЛЕМЫ ДИНАМИКИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА РУБЕЖЕ XX И XXI ВЕКОВ
В. В. Кулябко, д. т. н., проф.
Ключевые слова: динамика сооружений; стальные конструкции; демпфирование нелинейных колебаний.
«...Вся сила в трех вещах: в трудоспособности, точности и честности...
... Основное правило в нашем деле: за незнание не бъют, но за скрывание своего незнания - бъют, убивают и вон гонят с дела. Незнающего научить не трудно, но негодяй, который говорит - знаю, а сам не знает, губит безвозвратно дело».
Н. Г. Гарин-Михайловский,
«Инженеры», 1906.
Рассмотрим (некоторым образом - «по состоянию на двух последних рубежах веков») историю решений учеными и инженерами основных научно-технических проблем, связанных с динамикой зданий и сооружений. И попытаемся дать прогноз предстоящих задач ближайшего будущего.
Актуальность таких целей статьи (хотя и в мало читаемом издании) подтверждается «свежим» доказательством - показом по ЦТ РФ печального примера «сверхнормативных» колебаний моста в Волгограде. Полезно было бы проанализировать и все «перлы с дремучим незнанием динамики сооружений», которые с 20 мая 2010 года были опубликованы в огромном количестве интервью в Интернете и других СМИ большинством ответственных и влиятельных строителей и «начальников» всех уровней. Чего только не придумывали эти «спецы» (см. эпиграф!) по поводу причин аварийности «танцующего» моста через 0,5 года после его сдачи в эксплуатацию (после 12-летнего строительства!). Тут и загадочный «мощный сейсмический толчок». И «ходьба солдат строем, в ногу». И быстрое течение матушки-Волги. И ливень....
Неделя таких разговоров (за всё это время ни одной технической характеристики моста в СМИ не привели: пролеты и их количество; сечения; массы; отметки и конструкции. очереди строительства) закончилась фото- и видеоматериалами и . работой комиссии экспертов из более пяти проектных фирм РФ: «случай - уникальный для балочных мостов»! Надо ехать в Санкт-Петербург и, построив «СРЕЗ» (?) моста, продувать его в аэродинамической трубе. Независимый эксперт работ - ЗАО "Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург"; авторы проекта - ОАО "Гипротрансмост; в комиссии был ряд других проектных институтов: ЗАО "Институт "Стройпроект", ОАО "Гипростроймост-Москва" и ООО НПО "Мостовик".
Автор же данной статьи через 10 часов после часового раскачивания моста разместил свое мнение на сайте издания "АиФ Волгограда" утром в 9 часов 21 мая (кстати, это был первый комментарий!). Мол, характер колебаний очень похож на поведение 7 ноября 1940 года висячего моста, перед т. наз. «Такомской аварией» в США - по формам вызванных ровным воздушным потоком автоколебаний. Там неразрезная балка жесткости высотой 2 м висела на упругих опорах-подвесках кабеля пролетом 854 м. Сначала около двух часов происходили вертикальные многоузловые колебания с частотой 0,6 Гц при небольшом, 17 м/с, ветре. А затем ещё около часа -одноузловые изгибно-крутильные 0,2 Гц при ветре 18,7 м/с. Поворот сечений моста перед разрушением достигал 450.
В Волгограде очевидцы не скупились на «страшилки» (или правду, нужны-таки системы мониторинга динамических параметров!!) такого типа: «амплитуды вертикальных колебаний более
1 часа достигали 1,5 м, горизонтальных - 1,0 м»; ... «машины подскакивали вверх на 2 метра»... и т. п.
Известно, что неразрезная балка имеет т. наз. "зоны сгущения" собственных частот. Очень близко "сидит" на частотной оси столько одного вида форм, сколько пролетов! А их явно много. Вертикальных - "пакет зон"! Горизонтальных - пакет! Крутильных - пакет! Да ещё половина из них - совместные («связанные»), нелинейные формы!? Так что ветру есть где разгуляться и какую частоту «выбрать» в качестве резонансной. Он дует неровно, но со скоростями, близкими к критическим скоростям вихревого возбуждения (требуется также анализ возможного галопирования и бафтинга) - отнюдь не самым большим!
1. Введение - немного о знаменитых сооружениях из стали на рубеже XIX и XX веков
Прежде всего напомним, что автор приведенного выше эпиграфа (весьма полезного для всех строителей: студентов, преподавателей и руководителей), взятого из тетралогии Н. Г. Гарина-Михайловского «Детство Тёмы», «Гимназисты», «Студенты» и «Инженеры», - не только известный писатель, но и прекрасный мостостроитель! (Любопытно, что автор данной статьи учился в том же Ленинградском вузе - ЛИИЖТ, и на том же строительном факультете, что и Николай Георгиевич, хотя и с «небольшим» разрывом во времени .. в 120 лет!).
Примерно те же 120 лет стоит и работает на все динамические нагрузки в Париже (по первоначальному замыслу - «временный» символ входа на Всемирную выставку 1889 г.) стальная решетчатая башня Густава Эйфеля высотой 300 м (не считая антенны 24 м, см. рис. 1). На покраску 7 300 т её стальных конструкций - каждые 7 лет - требуется 57 т краски. При строительстве (которое шло около двух лет при участии 300 рабочих, из которых никто не погиб на такой необычной стройке!) использовались новые технологии, в т. ч. заранее были созданы около 12 000 «отправочных марок», соединявшихся при помощи 2,5 млн. заклёпок (см. рис. 2). Функции башни: символ Парижа; смотровую площадку посетили около четверти миллиарда человек; несёт телерадиооборудование и др.
Башня с её 1 710 ступеньками простояла в статусе «чемпиона мира по высоте» около 40 лет! Амплитуды колебаний верхушки при ветре были такие:
• «расчетные» - 15 см (относительные перемещения по горизонтали равны 1/2 000, что на порядок меньше нормируемых отклонений «обычных» башен),
• а фактически «измеренные» при шторме со скоростями ветра до 180 км/ч - 12 см.
Это объясняется и чрезвычайно широким основанием (124 м, пропорция к высоте - 1:2,5), и криволинейной формой очертания поясов башни - как бы в соответствии с эпюрой изгибающих моментов от ветровой нагрузки. Интересно, что это стальное сооружение больше деформируется не в динамике, а «в статике»: при ярком летнем солнце до 18 см отклоняется его вершина в сторону «тени» от башни. (И, конечно, иногда высказываются мнения, что из всего металла Эйфелевой башни можно было бы сегодня построить три башни той же высоты, но более рациональной конструкции.).
Очень плодотворно «поработал» над внедрением принципиально новых металлоконструкций в строительство ещё один гений инженерного искусства и, в частности, - башенного строительства - Владимир Григорьевич Шухов. На Всероссийской художественной промышленной выставке 1896 года в Нижнем Новгороде Шухов внедрил рациональные схемы висячих покрытий. А четыре года спустя, в 1900 году, экспертная комиссия Всемирной выставки в Париже удостоверяла: "Во главе современного инженерного дела идут Германия, Франция и Россия". Эйфелевой башне на её 11-летие пришлось познакомиться и с шуховскими изобретениями: мембранными покрытиями, насосами, котлами, цилиндрическими резервуарами для нефти и т. п.
Отечественные строители и связисты не менее 100 лет пользовались шуховскими сетчатыми башнями, образованными пересекающимися прямолинейными стержнями по поверхности однополостного гиперболоида, см. знаменитую Шаболовскую телебашню в Москве, задуманную на превышение высоты Эйфелевой башни, но реализованную только до высоты 148 м из-за дефицита металла (рис. 3). Около 200 стальных сооружений такой системы были построены в качестве водонапорных башен, морских маяков, радиобашен, пожарных и сигнальных башен.
Рис. 1. Стадии монтажа и общий вид стальных конструкций Эйфелевой башни в Париже
Рис. 2. Фрагменты и узлы связей, диафрагм и поясов пространственной конструкции
Эйфелевой башни
2. Основные технологии моделирования «ручного счета» линейных задач динамики сооружений в «докомпьютерный период»
Особого развития «тонких и корректных» статических и динамических расчетных моделей башен типа Эйфеля, Шухова в историко-технической литературе обнаружить не удалось. По-видимому, на рубеже XIX и XX веков инженеры-строители зданий и сооружений (мостов, башен, прежде всего, - из металлоконструкций) при необходимости сильно упрощали и нагрузки, и модели, и расчеты. В динамических расчетах они, не имея современной вычислительной техники и методик, стремились выбрать модель попроще. Наверняка, не только инженеры древности, но и все современные строители начинали «разбираться» с динамикой сооружений «от печки», с «осциллятора», т. е., - с системы с одной (динамической) степенью свободы.
Рис. 3. Шуховская стальная телерадиобашня на Шаболовке, Москва: проект - 350 м (слева) и реализация - 148 м (справа)
И важнейший этап любого исследования, выбор расчетной схемы (в данном случае -динамической модели), естественно, соответствовал дальнейшему пути и применяемому инструментарию. Появившийся в середине XVIII века принцип Даламбера (метод кинетостатики, позволяющий довольно легко описывать движение тел с учетом сил инерции) позволил инженерам составлять и решать дифференциальные уравнения колебаний простейших линейных систем. Например, свободные колебания линейного осциллятора описывались уравнениями второго порядка с простыми слагаемыми типа: сил инерции ¥ин (взятое с обратным знаком произведение массы т на ускорение), сил упругого ¥упр (произведение жесткости г на перемещение .у) и неупругого ¥неупр (произведение коэффициента вязкого трения р на скорость колебательного процесса) сопротивления:
А при вынужденных колебаниях в правую часть уравнения (1) вводилось возмущающее воздействие Р(():
Такая форма дифференциальных уравнений называлась «прямой формой» и позволяла, например, быстро, в аналитической форме, находить частоты собственных колебаний осциллятора и амплитуды вынужденных при простых гармонических воздействиях.
Строительная механика и теория колебаний в некоторых более сложных случаях определения динамических характеристик и параметров колебаний систем с несколькими степенями свободы, особенно для балочных и рамных упругих систем (например, стержневых строительных конструкций с сосредоточенными массами), рекомендуют применять «обратную форму» составления дифференциальных уравнений движения. В этом варианте динамическое перемещение осциллятора удин<1 зависит от неизвестных сил инерции (здесь обозначим их как X), статического перемещения массы от действия единичной (безразмерной!) силы д11 и от действия статически приложенной амплитуды возмущающей (например, гармонической) силы А1Р :
(1)
(2)
Удин,1 = дц Х1 + А1Р ,
(3)
где для определения перемещений приближенно можно перемножать для балок и рам только эпюры изгибающих моментов, а для «шарнирных» узлов ферм (без внеузловой нагрузки!) - эпюры продольных сил. Возможен также путь оценки жесткостей и перемещений , Л1Р при помощи отдельных расчетов «вручную» (применяя методы сил или перемещений), либо на компьютере. В частности, - с применением метода конечных элементов (МКЭ). Этот путь хорош для контроля как альтернативный и для дальнейшего использования исследуемой модели после её упрощения количественного с одновременным усложнением качественным (например, для поиска нелинейных способов гашения колебаний, см. ниже).
Заметим, что инженерный жаргон привык к термину, который используется часто совершенно ошибочно, - «динамический коэффициент». В классическом понимании он определён для вынужденных гармонических колебаний осциллятора как отношение динамического перемещения осциллятора при действии динамической нагрузки к статическому - от статического действия амплитуды возмущающей силы. Но всегда должны выполняться два условия:
1) сила приложена к массе;
2) её направление совпадает с направлением возможного перемещения этой массы.
При невыполнении любого из этих условий термин «динамический коэффициент» применять нежелательно, или особо оговаривать его конкретное определение и суть.
Существуют и иные методы выхода на решения для колебательных и волновых процессов. Например, запись потенциальной и кинетической энергий для системы со многими степенями свободы, составление функции рассеивания и обобщенных сил, после чего - решение в частных производных (по времени и по обобщенным координатам) уравнений Лагранжа 2-го рода. Нет проблем и в сокращенной матричной записи описанных линейных систем уравнений для огромного числа степеней свободы (заметим, что первые версии ПК ЛИРА в 80-е годы прошлого века могли решать динамические, даже линейные задачи, не более чем с 50 степенями свободы!). Принципиального отличия в матричной и развернутой записях систем дифференциальных уравнений нет.
В «докомпьютерный период» проблемы исследования нелинейно-упругих систем не выходили за рамки уравнений типа уравнения Дуффинга. А исследования фрикционных систем и систем с иными и комбинированными нелинейно-диссипативными свойствами ограничивались применением шаговых трудоемких алгоритмов.
Но основное искусство ученых и инженеров прошлого заключалось в обоснованном выборе простых и доступных для расчета динамических моделей.
3. Расширение компьютерных возможностей на рубеже XX и XXI веков и ... основные ограничения и ошибки при линейном и нелинейном моделировании задач динамики
Истинная проблема ограниченного применения ПК для нового строительного конструирования узлов и устройств с нелинейными характеристиками в том, что до сих пор программистам ПК помогала линейная алгебра - прекрасно развитый раздел вычислительной математики. Оказалось, что дальше авторы ПК долго не могли двигаться. Они украшали качественно неправильные решения систем дифференциальных уравнений нелинейных задач динамики сооружений - «заманивающим сервисом» ПК: количеством (сотнями степеней свободы тупикового МКЭ) и эффектно-экранными картинками (разноцветными изополями и т. п. второстепенной мишурой).
Очень неохотно применяются в ПК методы, связанные с численным интегрированием систем существенно нелинейных дифференциальных уравнений. Хотя, например, методы типа Рунге-Кутта 4-го порядка давно апробированы и протестированы инженерами-исследователями многих стран. Не хватает внимания разработчиков ПК (механиков и программистов) к тому, чтобы помочь строителям-проектировщикам демпфирующих устройств, как правило, нелинейных.
Поэтому и цели данной работы весьма разноплановые: 1) дать анализ проблем и развития динамики конструкций на современном этапе, 2) выявить новые возможности динамики конструкций (как раздела общей, теоретической, строительной и компьютерной механики, а также теории сейсмостойкости сооружений, теории колебаний машин, виброэкологии, медицины, психологии) для срочного решения острых общечеловеческих задач совершенствования систем комфорта и защиты строительных и машиностроительных объектов, 3) обратить внимание читателей на некоторую запущенность «корневых направлений проектирования МК», на целесообразность концентрации вокруг них всех основных усилий коллектива кафедры и смежных предприятий и фирм.
Коротко - о появлении новых проблем в динамике конструкций (рост видов технологий, типов возмущений, масс и размеров сооружений и т. д.). Рассмотрим некоторые «кричащие» проблемы, возникшие в массовом масштабе уже в XXI веке перед инженерами и строительной, и машиностроительной (а также многих других, в т. ч. гуманитарных) отраслей. Конечно, вопросы
реакций на теракты и т. п. «новинки современной цивилизации» слишком широки и субъективны. Но это не дает права профессионалам (в частности, строителям) их обходить. Бурный рост опасности «технического терроризма» в обществе, проявившийся в наиболее страшной «транспортно-строительной форме» 11 сентября 2001 года, начал новый отсчет понятий о защите зданий и сооружений.
Теперь - об усложнении динамических и комбинированных (в т. ч. со статическими нагрузками) возмущений, росте скоростей и мощностей машин и механизмов. Известна анекдотичная цитата крупного ученого-аналитика по теории колебаний Я. Г. Пановко (об условности понятий и субъективности понимания возмущений в строительстве): «После одного сильного землетрясения из развалин был откопан находившийся в туалете совершенно невредимый человек, который просил прощения у спасателей, признаваясь, что слишком сильно дернул ручку смывного бачка, не предвидя столь катастрофических последствий».
Какие же возмущения считать малыми и несущественными, для каких объектов? В парке современного технологического и транспортного оборудования происходит интенсивное нарастание производительности, мощностей и скоростей движения. Около 1 млн. чел. погибло на Земле при землетрясениях за последний век, но 1,2 млн. чел. гибнет ежегодно от автокатастроф (данные Всемирной организации здравоохранения) и еще больше - от болезней типа СПИД, инсульт и т. п. Но ущерб в каждом случае дополняется различными увечьями и ранениями, разрушениями, потерями материальных ценностей и средств к существованию. Велика роль и морального ущерба от ощущения людьми постоянного страха в ожидании непредсказуемых взрывов и возникающих разрушений.
Так же, как медики постоянно разрабатывают новые лекарства от старых, новых и прогнозируемых болезней, так и строители должны теперь пересмотреть виды и уровни возможных возмущающих воздействий: готовить и улучшать модели, уточнять и проверять «антисейсмические, антитеррористичекие и т. п.» мероприятия. Причем следует учитывать и возможный межгосударственный аспект усложнения ситуации, чтобы не повторить недавней ошибки мостостроителей Германии и Швейцарии, у которых отметки пограничного моста разошлись на 54 см (из-за разных традиций отсчета абсолютного «нуля»), чтобы не «прозевать» пограничный смерч (торнадо) или землетрясение и т. п. неувязки классификаций и нормативов. Роль ученых здесь -определяющая, ибо никакой чиновник не может проанализировать эффективность защиты и предсказать ущерб от инженерной безграмотности и пассивности.
Какие же нагрузки и воздействия на здания и сооружения можно сегодня предвидеть? Ответ иллюстрирован на рисунке 4.
Рис. 4. Схемы взаимодействия (совместных колебаний) зданий и сооружений с неоднородным инерционным основанием и системой динамических нагрузок (подвижных, силовых и кинематических - сейсмических)
Прежде всего, это связанные с полями (силовыми, температурными и др.) или потоками (ветровыми, волновыми, пешеходно-транспортными, носителей тепла, энергии и др.) эффекты их динамического взаимодействия с объектом. То есть, необходим учет совместной статико-динамической работы и влияния друг на друга подсистем: переменной (потоки, импульсы и др.) и относительно постоянной (сооружение) при различных режимах относительных движений (даже микросдвигов и микросейсм), при переменных во времени величинах и качестве инерционных,
упруго-диссипативных и других параметров. Причем, как оказалось, далеко не безопасно не учитывать особенности каждого конкретного ответственного сооружения с позиции возможных терактов. Кроме того, нельзя вести расчеты нелинейных систем так, как это принято в ПК сегодня: в линейной постановке и отдельно на динамику, на статику, на поля воздействий. Счет должен быть «совместный», а кроме того, - на возмущения и поля, как можно более близкие к реальным воздействиям. Ясно, что такие расчеты возможно проводить наиболее корректно только по конструкционно, физически и геометрически нелинейным схемам и только во временной области с учетом (одновременным!) статических, температурных, подвижных, ударных и других динамических нагрузок.
Особенность нынешней ситуации требует развития таких же подходов, какие приняты в работе лучших проектировщиков Великобритании, которым дано право ставить клеймо «Безопасно по проекту» - для гарантий безопасности мест обитания человека, включая здания, сооружения, все общественные территории и т. п.
Увеличение габаритов зданий и сооружений по высотам и пролетам связано с созданием новых материалов и технологий строительства. Стоимость земли и коммуникаций в крупных городах быстро возрастает, в связи с чем возникает необходимость повышения этажности зданий. Кроме того, в таких же мероприятиях нуждаются и города, где на одного жителя приходится малая жилая площадь. Например, при средней цифре по Европе 50-70 м2 Москва имеет 23 м2, что и вынуждает ее строить 60 небоскребов от 35 этажей. Эти здания призваны выполнить прежнюю роль 7 «сталинских высоток» (8-я и последняя из них находится в Варшаве). Самая высокая из них, «Башня России», в 116 этажей, возможно, будет иметь высоту до 648 м.
На ту же проблему иначе реагирует Токио: строятся на воде - острова из мусора, а в «основном» городе - многоэтажные дома (не только высотные, но и подземные - сегодня их площадь более 300 000 м2). В 20 городах Японии уже строятся подземные мини-города, а в Токио ни одно новое здание уже не возникает без подземной части (до 5-этажной «глубины»). Мечты китайского Шанхая - заоблачный город-башня 1 228 м в виде 300-этажного «кипариса» (на 100 000 жителей), построенный на искусственном острове в искусственном озере (для амортизации сейсмотолчков). Сегодня там уже построено более 100 небоскребов выше 100 м, в результате -оседает территория и растет скученность людей в центре.
Есть много рационального и, в то же время, сложного в том, чтобы конструктивно ряд башен по разным уровням соединять между собой в единую пространственную конструкцию. Совершенно не отстают от высотников, глубинников-подземников, подводников (по росту габаритов своих городских объектов) и мостостроители: рубеж пролета в 2 км - уже не проблема, на подходе -превышение 3-километрового пролета (в Мессинском проливе).
Расчетные модели и методики при этом, конечно, сильно усложняются. Должны быть учтены: торнадо, цунами, сейсмика, неравномерные неизученные осадки новых типов оснований, взаимодействие подземных конструкций со смежными массами грунта и т. п., включая теперь, к сожалению, и новейшие (на момент проектирования объекта) «разработки по строительному терроризму». Украина мечтает пока о 9-м восточно-европейском транспортном коридоре Скандинавия-Киев-Одесса, а Киев - о мостах пролетом до 400 м, о башнях, о шести транспортных туннелях. Итак, первые примерно 100 000 лет (ученые борются за уточнение этой цифры только «внутри последнего десятка тысячелетий») человек СТРОИЛ, причем, в последнее время с помощью расчетов на прочность - «ручных» (XVIII-XIX века) и компьютерных (XX-XXI века). Что же будет дальше?
Новые особенности систем с мгновенными изменениями структуры моделей при учете взаимодействия разнообразных подсистем, силовых полей и воздействий. Автор убежден, что корректное моделирование и прогнозирование задач о работоспособности зданий и сооружений старых и новых типов, схем и конфигураций возможно только при тщательном обосновании «моделей всевозможного взаимодействия» и учете всех «стихий» и процессов, участвующих в физико-химических и механо-общественных условиях нормальной и экстремальной эксплуатации объекта, в условиях конкретной истории нагружения конструкций при изготовлении, транспортировке, монтаже.
Какие задачи при помощи ПК решаются «привычно неправильно»? Хотя уже несколько десятилетий и совершенствуется МКЭ, в нем все чаще намечаются тупики метода и необходимость поиска иных способов решения многих задач. Можно назвать многие практически важные инженерные задачи, которые при использовании универсальных вычислительных комплексов (УВК) или решаются недостаточно корректно, или вообще не решаются (но, к сожалению, авторы разработок об этом обычно умалчивают!). Пришло время более точно решать нелинейные (а таких систем - большинство) задачи динамики вместе со статикой для того, чтобы не применять ошибочно принцип суперпозиции. Надо учитывать несимметрию колебаний, уточнять степень
дискомфорта людей в зданиях, не ошибаться заведомо в технических решениях безопасных конструкций (а динамика сегодня стала определять параметры всех крупных строительных объектов). Надо учесть различие вида и уровня сил неупругого сопротивления (трения), нелинейность систем, структура которых переменна во времени (позиционное сухое трение с «мертвой зоной», вибрационным сглаживанием. Учет одностороннего характера связей важен для расчета сооружений с гибкими элементами-нитями, при отрыве фундамента от основания, при относительных смещениях конструкций и возврате поверхностей контакта в новые точки.
О развитии расчетов на подвижные нагрузки и о концепции создания Лаборатории динамики и формообразования безопасных конструкций автор писал (и выступал) неоднократно. Почти все перечисленные выше теоретические задачи механики и практической динамики конструкций сложнейших по свойствам и виду сооружений сегодня корректно решаются при помощи доложенных за последние 10 лет методов и моделей, не использующих МКЭ. Перспективным выглядит и программное сочетание наших «находок» в нелинейных задачах и анализе динамики во временной области (с учетом реальных воздействий, термо-упруго-пластических и иных переменных свойств материалов) с некоторыми базовыми частями задач, решаемых при помощи
МКЭ.
В первых трудах 1990-х годов автор в работах по подвижным нагрузкам ограничивался исследованиями по уточнению и описанию аналитических решений задач, близких еще к исторической «задаче № 1» данной проблемы (начатой Виллисом и Стоксом) - колебаниям простой шарнирно опертой балки при движении по ней одиночного груза с постоянной скоростью. В последующих работах задача постепенно усложнялась, конструкции рассматривались вплоть до многопролетных неразрезных пространственных, свободно (со связями одностороннего типа) лежащих на упруго-фрикционном инерционном неоднородном основании. К простым плитно-балочным схемам добавились популярные в современном «большепролетном мостостроении» висячие и вантовые мосты, мосты-ленты, подвесные канатные дороги. Усложнились виды носителей подвижных нагрузок (все виды транспорта, жидкости и т. п.). Стали рассматриваться движения несимметрично расположенных на сооружениях экипажей с любым количеством масс: необрессоренных (колесные пары) и обрессоренных (упругие: рамы, кузов, грузы) частей, с нестационарными скоростями движения. С учетом переломов продольного профиля пути, с оценкой (при тяговых расчетах экипажей и колебаниях конструкций сооружения или дорожной одежды) всех сил сопротивления движению, сил сцепления между колесом и путем.
Сопоставляя публикации кафедры с трудами «самых изысканных» современных научных конференций мирового масштаба по динамике конструкций (ассоциаций IASS, IABSE, EURODYN), можно заметить, что уровень решения описанных задач по подвижным нагрузкам ничуть не уступает уровню докладов на этих конференциях. Мало того, ожившая у нас в новых методиках и подходах (нелинейной и компьютерной механики, вероятностного анализа и учета случайного характера колебаний) тематика уточненного расчета практически любых конструкций на разнообразные подвижные нагрузки получила достойное признание во многих странах. Это относится и к расчетам неоднородных упругих конструкций сооружений и машин, взаимодействующих с неоднородным грунтовым основанием, дорожной одеждой, искусственными сооружениями и т. п. Краткое изложение (на 25 страницах одного из главных научных журналов Польши) части наших возможностей и путей их внедрения было опубликовано в Варшаве в журнале Польской Академии наук «Archives of Civil Engineering», 49, № 3, 2003.
К сожалению, «в спешке и суете» конференций и семинаров (безусловно полезных и богатых по информации) обычно не удается подробно рассказать обо всех наших возможностях и найти взаимно выгодные темы, спонсоров, мастерские или заводы-изготовители для дальнейших совместных научных и практических работ. В этом смысле можно сказать, что безопасность и рациональность сооружений «теряют время».
Каков на сегодня перечень острых проблем динамики конструкций (при их расчетах и конструировании), решение которых может существенно повлиять на надежность защиты объектов и людей от природных и техногенных воздействий? Одной из первоочередных задач для строительных объектов сегодня является разработка (на базе специально созданных «динамических» расчетных комплексов) новых способов «защитного конструирования», создание путей эффективного «отбора колебаний» на приемниках. Необходимо наладить в массовом порядке исследования по конструкторским разработкам (расчетному синтезу, изобретательству, лабораторным и натурным проверкам и испытаниям) новых узлов, устройств и гасителей, эффективно демпфирующих колебания. Нужна новая теория и практика (включая опытные проработки установок) средств защиты, способов снижения амплитуд динамических напряжений, ускорений (дозы «полученных человеком скоростей и ускорений» стали сегодня одним из главных показателей комфорта и безопасности зданий и сооружений). В частности, предложенный автором
метод динамического конструирования позволяет быстро переходить к динамической сути задачи и предварительно (перед полными расчетами по предельным состояниям) определять рациональные параметры объекта.
Сейсмостойкое строительство. На Земле в XX веке только во время 20 самых сильных землетрясений погибло около 120 000 чел. (хотя было в истории больше жертв и за одно землетрясение, в 1923 г. в Токио - 140 000), а число раненых при этом обычно оказывается примерно в два раза больше. Ближние к Украине недавние землетрясения унесли также много жизней: 25 000 чел. - армянское 1989 г., 15 613 чел. - турецкое 1999 года. Сегодняшние разработки геофизиков Украины подтверждают необходимость повышения (по новым картам ДБН) в среднем на 1 балл (и с появлением 9-балльных участков в Балаклаве, Инкермане и др.) сейсмоопасности территорий и ее усугубление на конкретных площадках с особыми инженерно-геологическими условиями. В сейсмоопасной зоне Украины живет 7 млн. человек (45 000 м2 с 80 населенными пунктами - весь Крым и некоторые южные и Карпатские регионы).
В строительных объектах этой зоны должно предусматриваться много традиционных и новых расчетов и конструктивных требований. Автор участвовал в проекте реконструкции, например, одного многоэтажного здания, расположенного на площадке с сейсмичностью 8 аллов и внес много обоснованных расчетом предложений по стабилизации объекта и его усилению поясами и стояками кирпичных стен, по анкеровке в них перекрытий, диафрагм и т. п. Но принципиально новые и эффективные предложения здесь таятся, во-первых, в специальных расчетных моделях. Например, в учете «двойной динамики» конструкций перекрытий, каркасов, лестничных и других элементов: от сейсмики и от бега паникующих людей. А, во-вторых, - в особом конструировании фундаментов, покрытий, узлов и элементов каркасов, гасителей, демпферов.
Техническая и динамическая диагностика при специализированной паспортизации конструкций и объектов. Наконец, большое внимание следует уделять анализу и пользы, и вреда вибрации при эксплуатации зданий и сооружений. Во-первых, должны выполняться требования международных стандартов ISO и отечественных санитарных норм и стандартов (например, ГОСТ 12.1.012-90) к комфорту в жилых и производственных помещениях. Термин «виброэкология» (введенный автором в 1991 г. в материалах Всесоюзной конференции в Пензе и «растиражированный» в книге с М. И. Казакевичем в 1996 г.) развивает уже установившийся термин «вибродозиметрия» и соединяет проблемы экологии (общей, промышленной, медицинской - здесь полезно пересечение и совместная деятельность ученых в областях экологии, динамики и биомеханики) и задачи виброзащиты при вибротехнологиях.
Еще один полезный термин - вибродиагностика - для строительного объекта включает в себя следующие операции: 1) первичные динамические испытания с приближенной оценкой частот и форм собственных колебаний подсистем, всего объекта, их диссипативных свойств; 2) динамические расчеты объекта с использованием модели, параметры которой уточнялись в опытах; 3) составление первичного (на момент завершения строительства) и текущих (интервал зависит от ответственности объекта) паспортов (обследование, расчет, испытания): динамического; виброэкологического; вибротехнологического; сейсмодинамического; 4) периодическое проведение интегральной динамической диагностики и мониторинга состояния строительных конструкций и всего объекта.
Здесь следует отметить, что в стандарте по сейсмопроектированию уже учтены многие наши предложения (по вибродиагностике и сейсмодинамическим паспортам, по обоснованию пространственных динамических моделей и т. п.).
И все же, основным новым вопросом в защите зданий сегодня является не только уровень комфорта, а и степень терророзащищенности объекта. Ведь полностью разрушенные 11 сентября «башни-близнецы» Всемирного торгового центра высотой 411 м, судя по публикациям 1970-х годов (периода их проектирования и строительства), тоже допускали появление до 12 раз в году на верхнем этаже максимальных ускорений не более чем 0,1 м/с2 (1 % g).
Выводы. Шоковое состояние общества не должно распространяться на разработчиков новых типов конструкций и методов их расчета. Эти профессионалы сейчас (после 10 лет терактов) обязаны работать в независимом (от политических, религиозных, террористических, криминальных, коммерческих и т. п. деятелей всех стран) режиме спасателей отрядов по чрезвычайным ситуациям соответствующих новых научно-технических организаций (типа ПКБ «Строительного Красного Креста»).
