Системный подход при анализе структуры строительных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одесская государственная академия строительства и архитектуры, г. Одесса

Системный подход при анализе структуры строительных конструкций

Выровой В.Н., Дорофеев В.С., Суханов В.Г.

Представлен анализ структуры строительных конструкций как открытых сложных динамичных систем. Выделены структурные параметры по степени их влияния на безопасную работу материала конструкций в условиях воздействия среды эксплуатации.

Многофункциональность строительных объектов различных видов и назначения обеспечивается использованием строительных конструкций, изделий, деталей, материалов и т.п. целевого назначения. Целевое назначение отдельных элементов строительных объектов, включая строительные конструкции, предполагает не только соответствие их определенному набору свойств, но и определенный уровень их взаимодействия и взаимовлияния, что обеспечивает целостность объекту. Это позволяет отнести к целевому назначению конструкций не только соответствие их требуемым индивидуальным свойствам, но и их взаимодействие в коллективе других элементов.

Целевые функции строительных конструкций должны сохраняться на весь нормируемый период эксплуатации строительных объектов, претерпевающих определенный набор внешних (эксплуатационных) воздействий. Эксплуатационные воздействия включают в себя нормируемые статические или динамические силовые нагрузки и воздействия среды эксплуатации, связанные с периодическим и/ или многократным изменением температуры, влажности, воздействием химически активных жидких и газообразных сред. Определенный набор эксплуатационных воздействий может привести к нарушению структуры материала конструкций и, в итоге, к изменению заложенных в проекте свойств (в худшем случае - несущей способности) самой конструкции. В свою очередь изменение свойств конструкции может привести к изменению ее целевой функции, что может быть причиной нарушения функционального назначение строительного объекта.

Можно заключить, что изменение свойств конструкции при действии на нее определенного набора внешних (эксплуатационных) воздействий причинно связано со структурными изменениями материала, из которого изготовлена конструкция. Реализуется механизм взаимосвязи и взаимовоздействия отдельных структурных элементов с определенной иерархичностью как внутри самого элемента, так и при взаимодействии элементов друг с другом. Поэтому представляется перспективным для обеспечения требуемого периода безопасной эксплуатации строительных конструкций, проанализировать их структуру с определением параметров, которые ответственны за изменение свойств материала при действии внешних нагрузок, что гарантирует целевое функционирование строительных объектов.

Строительные конструкции как открытые самоорганизующиеся системы

В качестве самостоятельного объекта системного исследования и анализа принята строительная конструкция. Прежде чем представить строительную конструкцию как систему определенного вида и целевого назначения следует подчеркнуть, что она сама является составной частью более сложной системы - строительного объекта. Поэтому свойства конструкции определяются с учетом свойств, взаимодействия и взаимовлияния конструкций различного вида и назначения как друг с другом, так и с другими элементами. При этом обязательно следует учитывать взаимодействие всей системы и ее структурных элементов с внешней средой, что должно обеспечить целостность системы и ее способность выполнять назначенные ей функции [1, 2, 3]. Обеспечение целостности строительного объекта как системы связано с проявлением интегративных свойств его составляющих элементов с определенной структурной иерархичностью. Это свидетельствует о том, что индивидуальные свойства структурных элементов зависят от их места и выполняемой функции в системе и, по определению, свойства системы не сводятся к свойствам ее составляющих [3, 4, 5]. Принципиальная схема подобной системы представлена на рис.1.

Из приведенной схемы следует, что с внешней средой взаимодействует сама выделенная система, составляющие ее подсистемы и их элементы. При этом следует учитывать внутрисистемные взаимодействия подсистем и их элементов. Это ставит задачу определения и изучения факторов, определяющих свойства элементов подсистем, которыми являются в нашем случае индивидуальными строительными конструкциями. Для решения этой задачи отдельная строительная конструкция, являющаяся структурным элементом более сложной системы, рассматривается в виде самостоятельной системы. Обоснование представления строительной конструкции как системы основывается на следующем: - свойства конструкции определяются свойствами составляющих ее материалов и совместностью их работы; - материал конструкции сам является сложноорганизованным (полиструктурным); - параметры структуры материала автоматически являются параметрами структуры конструкции; - изменение структурных характеристик при действии внешних воздействий вызывает изменение свойств материала и, следовательно, свойств конструкции, что может быть причиной изменения ее функционального назначения. Можно заключить, что конструкция как система отвечает следующим требованиям: - представляет собой некоторую целостность с определенной целью функционирования; - состоит из отдельных взаимосвязанных элементов (подсистем); - свойства конструкции не сводятся к свойствам ее составляющих [2, 5, 6].

Рис.1. Принципиальная схема строительного объекта как открытой системы.

А - строительный объект как открытая система;

Б - группа конструкций как подсистемы;

В - индивидуальные конструкции как элементы подсистемы Б;

1 - взаимодействие системы А с внешней средой; 2 - взаимодействие подсистем; 3 - взаимодействия элементов подсистем.

В силу того, что конструкция должна выполнять свои функции через набор определенных свойств, которые зависят от характера внешних воздействий, то ее следует представить как открытую систему [2, 3].

Сама конструкция является достаточно сложноорганизованным объектом, что дает основание рассматривать ее как сложную систему [2, 4].

Внешние воздействия, к которым относятся нормируемые силовые нагрузки и воздействия, связанные с природно-климатическим действием среды эксплуатации, могут привести к структурным изменением материала конструкции. Поэтому ее следует рассматривать как динамичную систему [3, 4].

Несводимость свойств конструкции к свойствам ее составляющих определяется не только и не столько достаточно большим набором структурных элементов различных по свойствам и назначению, но и уровнем взаимодействия между структурными элементами и их группами, рис.2.

Рис.2. Характер взаимодействия структурных составляющих конструкции как системы.

В - конструкция как система; Г - подсистемы в различного вида;

Д - структурные элементы подсистем;

1 - взаимодействие с внешней средой; 2 - взаимодействия в группе конструкций; 3 - взаимодействие с подсистемами; 4 - взаимодействие подсистем; 5 - взаимодействие на уровне подсистем; 6,7 - взаимодействие структурных элементов.

Приведенный характер взаимодействий позволяет представить взаимообусловленность различных структурных элементов и отдельных подсистем и их взаимозависимость друг от друга. Создание структурных составляющих и системы в целом происходит в технологический период получения материала и его переработки в конструкцию. В этот период в структуру конструкции должны быть заложены такие параметры, которые должны обеспечить сохранение требуемых свойств конструкции в нормируемый период эксплуатации. Определение таких структурных параметров является важной задачей для технологов и конструкторов. В силу того, что система является открытой, то выделенные структурные составляющие должны обеспечивать проявление механизмов самоорганизации как на уровне отдельных структурных элементов и их групп, оформленных в подсистемы различных масштабных уровней, так и на уровне всей системы. Самоорганизация в данном случае должна рассматриваться не только как способ самосохранения системы.

Явления самоорганизации открытой системы не исключают варианты, при которых система, ради сохранения своей целостности, способна изменить намеченные целевые установки. В качестве примера можно привести случаи потери устойчивости строительных конструкций, частичного разрушения, изменение деформативных характеристик и т.п. При этом конструкции могут сохранять свою массу, геометрию, отдельные фрагменты (подсистемы) и, при этом, не снижать основные свойства. Самоорганизация должна привести к таким структурным перестройкам, при которых способны проявляться явления адаптации [4, 7]. Свойства адаптации, применительно к материалам на основе минеральных вяжущих, могут проявляться за счет изменения их количественного и качественного составов [7] и/или за счет изменения (трансформации) определенных структурных параметров [8, 9]. Проявление свойств адаптации через внутреннюю структурную перестройку (самоорганизацию) должно обеспечить внутреннюю и внешнюю безопасность системы и, тем самым, сохранить ее функциональное назначение. Для этого необходимо принять (разработать) модель структуры конструкции как открытой, сложной, динамичной самоорганизующейся системы.

Представим конструкцию как специально оформленный материал. Такое представление позволяет утверждать, что все структурные особенности материала автоматически входят в структуру конструкции и являются ее неотъемлемой частью. Формирование структуры конструкции и структуры материала происходит в технологический период одновременно на всех уровнях структурных неоднородностей (подсистемах). Поэтому вся совокупность структурных параметров возникших в этот период закладывает основы безопасной эксплуатации конструкции как системы. В данном случае можно говорить о наследственной (генетической) зависимости активной «жизни» конструкции от предыстории ее становления.

В работах /9, 10/ в модель структуры композиционных строительных материалов включены технологические трещины (ТТ) и внутренние поверхности раздела (ВПР). Наличие внутренних границ раздела в виде берегов ТТ и берегов ВПР создает предпосылки локализации внутренних деформаций и деформаций, связанных с внешними воздействиями. Участие таких границ раздела в перераспределении внутренних усилий между отдельными структурными составляющими обосновывает, по нашему мнению, нарушение аддитивной связи между свойствами компонентов и свойствами материала, между свойствами материала и свойствами конструкции.

Нестабильными структурными элементами материала можно считать ТТ, что связано с их специфической способностью концентрировать напряжения у своего устья. Структурные изменения в материале могут происходить за счет изменения параметров ТТ, которые под действием внешних воздействий превращаются в эксплуатационные трещины (ЭТ) [9]. ТТ и ЭТ, по данным [9, 11], могут присутствовать на всех масштабных уровнях конструкции. Кинетика их развития и накопления предопределяют внутреннюю безопасность конструкции как системы. Кроме того, при внешних воздействиях и нарушении внутренних равновесных процессов, возможны трансформации ЭТ в ВПР и наоборот. Изменения структуры за счет взаимопревращения отдельных структурных элементов лежит в основе, по нашему мнению, проявлений явлений адаптации в материалах и конструкциях.

Для определения возможности конструкции как системы адаптироваться к условиям эксплуатации предложено классифицировать элементы структуры по их способности изменять свои параметры под действием внешних или внутренних факторов. К консервативным, практически не изменяющим свои свойства в течение всего периода эксплуатации, элементам структуры системы можно отнести: - крупные и мелкие химически инертные заполнители, их распределение и их количественный и фракционный составы; - армирующие элементы в случае отсутствия процессов их деградации или коррозии: - габаритные размеры конструкции. К метастабильным, частично изменяющим свои параметры, элементам структуры можно отнести (для материалов на основе минеральных вяжущих): - общее количество и распределение пор и капилляров по размерам; - количество и качественный состав продуктов новообразований; - количество и щелочность поровой жидкости; - состояние поверхностей раздела между отдельными компонентами или структурами. К активным, практически одновременно с внешним воздействием изменяющим свои параметры, элементам структуры следует отнести: - ТТ и ЭТ на всех масштабных уровнях; - ВПР между отдельными структурами и компонентами на всех масштабных уровнях; - локальные и интегральные остаточные (технологические, начальные, наследственные) деформации и напряжения.

Таким образом, наличие в структуре метастабильных и активных структурных элементов, способных изменять свои параметры в процессе эксплуатации, дают основание рассматривать конструкцию как динамичную самоорганизующуюся систему. Так как эти структурные элементы закладываются в систему в технологический период ее создания, то этот период является важным этапом, предопределяющим безопасность системы в период выполнения назначенных ей функций.

Проведенный анализ позволяет заключить, что строительную конструкцию можно представить в виде открытой динамичной самоорганизующейся системы. Такое представление позволит, по нашему мнению, более полно реализовать совместные усилия конструкторов и технологов, направленные на дальнейшее раскрытие потенциальных возможностей реализации свойств материала, оформленного в конструкцию. Кроме того, использование явлений структурной переорганизации (самоорганизации) путем направленной трансформации метастабильных и активных структурных элементов, позволит проявляться эффектам адаптации, что обеспечит безопасную работу конструкции в различных условиях эксплуатации.

строительная конструкция структура

Литература

1. Берталанфи Л. Общая теория систем: критический обзор//В кн. Исследования по общей теории систем.- М.:Прогресс, 1969.-С.23-82. 2.Могилевский В.Д. Методология систем. - М.: Экономика, 1999. - 251 с. 3. Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. -М.: СИНТЕГ,2000. - 528 с. 4. Сороко Э.М. Структурная гармония систем. - Минск: Наука и техника, 1984. - 264 с. 5.Разумов О.С., Благодатских В.А. Системные знания: концепция, методология, практика. - М.: Финансы и статистика, 2006. - 400 с. 6. Корчак М.Д., Чепцов А.Ф. Синергетика в теории и практике. - Электросталь: ЭПИ МИСиС, 2006. - 434 с. 7. Чернявский В.Л. Адаптация бетона. - Днепропетровск: Нова ідеологія, 2002. - 116 с. 8. Соломатов В.И., Выровой В.Н., Дорофеев В.С., Сиренко А.В. Композиционные строительные материалы и конструкции пониженной материалоемкости.- К.: Будивэльнык, 1991. - 144 с. 9. Дорофеев В.С.. Выровой В.Н. Технологическая поврежденность строительных материалов и конструкций. - Одесса: Город мастеров, 1998. - 165 с. 10. Выровой В.Н., Дорофеев В.С., Фиц С. Бетон в условиях ударных воздействий. - Одесса: Внешрекламсервис, 2004. - 271 с. 11. Выровой В.Н., Довгань И.В., Семенова С.В. Особенности структурообразования и формирования свойств полимерных композиционных материалов. - Одесса: ТЭС, 2004. - 168 с.

Размещено на Allbest.ru