УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ: ПЕРСПЕКТИВЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Введение

Современное строительство стоит на с каждым днем все больше эволюционирует: инновационные технологии управления напряженно-деформированным состоянием (НДС) конструкций способны осуществить переход от статичных зданий к зданиям, которые адаптируются и самостоятельно реагируют на нагрузки. Традиционные методы расчета конструкций зачастую приводят к значительному перерасходу материалов и не учитывают динамический характер нагрузок. Перерасход материалов приводит к увеличению стоимости строительства, увеличению веса конструкции, может негативно сказаться на экологии, так как потребуется большое количество ресурсов. Исследование систем, которые способны адаптироваться и в реальном времени корректировать параметры НДС в ответ на изменяющееся внешнее воздействие, является актуальным. Сейчас развитие этого направления наиболее актуально, так как с каждым днем увеличивается сложность строительства зданий и сооружений, например небоскребы непростой геометрической формы или мосты в сейсмических зонах.

Но несмотря на большой научный интерес, технологии управления НДС по большей части носят теоретический характер, так как практическое внедрение таких систем сталкивается с рядом серьезных ограничений, таких как технологическая сложность, высокая стоимость и отсутствие нормативной базы. В данной статье проводится анализ существующих разработок в области управления НДС, оцениваются преимущества и недостатки, также рассматриваются дальнейшие перспективы развития НДС в строительстве

Принцип управления НДС

Напряженно-деформированное состояние конструкций (НДС) – это совокупность внутренних напряжений и деформаций, возникающих при действии на конструкцию внешних нагрузок, температурных полей и других факторов [7]. НДС является ключевым параметром надежности конструкции.

Традиционное проектирование на самые невыгодные комбинации нагрузок и воздействий, которые проявляются редко, во многих случаях не эффективно как с позиции материалоемкости, так и для обеспечения современных конструкций высокими технологичными и эксплуатационными характеристиками [9]. В современном строительстве необходимы конструкции, которые могут адаптироваться к изменяющимся внешним нагрузкам. Именно эту проблему решают управляемые конструкции. Они позволяют по-новому решать задачи прочности, жесткости, устойчивости, гашения колебаний и исключения аварийных ситуаций.

Решение задач, которые формулировались в области управления НДС зданий и сооружений, представлялось сложным, здесь решение классических задач строительной механики приобретает качественно новое развитие, которое связано с реализацией систем, динамически изменяющих характеристики конструкции, в зависимости от условий внешней среды. Профессор Н.П. Абовский, являющийся основоположником концепции управляемых конструкций, предложил идею, которая звучит следующим образом: «… системы интеллектуального управления конструкциями – это современные проблемы. Передовая современная научная и инженерная мысль ведет к синтезу механики и кибернетики, к созданию автоматически управляемых конструкций. Уже нельзя ограничиться классическими задачами строительной механики конструкций» [1].

Первые шаги в сторону развития идеи управляемых конструкций, уже сделаны. Современные технологии уже сегодня демонстрируют, что это не просто теоретическая возможность, а закономерный этап эволюции строительной механики и ключевую роль в этом процессе играет синтез классических методов расчета НДС конструкций с кибернетическими принципами обратной связи и адаптивного управления. Кибернетика в строительстве представляет собой направление, которое изучает процессы управления, связи и обработки информации в строительных системах [8].

Один из способов наиболее успешного формирования НДС конструкции на различных стадиях функционирования может осуществляться в системе автоматического управления (САУ). При этом управляемая конструкция должна включать в свою структуру, кроме «собственно» конструкции, управляющий модуль и элементы прямой (сенсоры, измерители) и обратной связей [9]. При такой системе в момент изменения нагрузки, конструкция отправляет информацию через элементы прямой связи в управляющий модуль, в котором в дальнейшем вырабатывается решение и по обратной связи с помощью специального оборудования реализуется изменение НДС управляемой конструкции. Современные системы не просто реагируют на нагрузки, но и прогнозируют их развитие, используя исторические данные эксплуатации, метеорологические и сейсмические прогнозы и цифровые двойники конструкций, созданных с помощью BIM – моделирования (технологии информационного моделирования в строительстве).

Управление НДС конструкций – это процесс регулирования и изменения НДС конструкций для улучшения их качества, надежности и эффективности. Управление НДС позволяет гибко реагировать на изменение конструкции, что дает возможность производить ее усиление на момент монтажа, эксплуатации и т.д. [4].

Также существует такое понятие, отличное от «управления», это регулирование. Разница между этими двумя понятиями состоит в том, что при активном управлении НДС осуществляется контроль значения вводимой «контрнагрузки» в элементы сооружения [10]. В то время как регулирование направлено на стабилизацию текущих процессов в строительной конструкции и поддержание заданных параметров. Контрнагрузка вводится во время эксплуатации конструкции и способна менять свое значение во времени, основываясь на полученных данных с помощью систем мониторинга и датчиков.

Активные системы управления НДС постепенно переходят из разряда экспериментальных технологий в реальную инженерную практику. И отлично показывают себя в различных жизненных циклах зданий и сооружений, помогают инженерам контролировать и своевременно реагировать на отрицательные изменения, происходящие в самом здании. Такие конструкции являются конструкциями – механизмами, которые оборудованы датчиками, исполнительными устройствами и системой автоматического управления [5].  Далее будут представлены примеры управляемых конструкций, разработанные Н.П. Абовским и последователями, а также ряд примеров применения систем управления в конструкциях.   

1) Патент №2122188. Способ автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки и устройство для его реализации. Результатом является повышение эффективности, надежности и качества управления, за счет создания дополнительного поперечного напряженного состояния балки по отношению к ее оси смещения опор [9]. Смещение опор происходит в два этапа. В первом осуществляется обучение нейросети. На втором этапе с помощью ЭВМ в течение всего жизненного цикла сооружения опрашивают тензодатчики и принимают управляющее решение. Нейросеть реализует прямую связь между показаниями датчиков и управляющим решением. Затем, данное решение передается на привод исполнительных механизмов.

2) Виадук Charmaix во Франции. Вскоре после строительства выяснилось, что склон, на котором построен виадук, нестабилен. Это привело к смещению опор. Чтобы решить эту проблему, виадук был преобразован в систему с переменной геометрией. Применены домкраты, которые перемещали бетонную конструкцию, на которую опирались сваи. Таким образом, свая способна перемещаться по осям Х или У [13].

3) Проект «The Dynamic Tower» в Дубае. Идея заключается в том, что в здании имеются этажи с независимой вращающейся конструкцией. Управление осуществляется с помощью датчиков, которые контролируют нагрузку на несущий каркас, и система автоматически регулирует положение этажей для перераспределения напряжений [6].

4) Патент РФ № 2053539 «Устройство для регулирования механических напряжений в вантах». Регулирование достигается с помощью устройств, содержащих привод, тензодатчиков, индикаторов напряжения [9]. Балка снабжена автоматическим устройством для натяжения затяжки, которое приводится в действие по сигналу. Сигналы с тензодатчиков в двух сечениях балки поступают в устройство автоматического управления, и в случае неравенства показаний, с устройства поступает сигнал на электродвигатель, который реализует выравнивание показаний датчиков.

5) «Умные» фундаменты в Японии. Используют пневмоподушки с регулируемым давлением. В основном применяется в сейсмоопасных регионах для компенсации просадок грунта [14].

Перспективы

Развитие активных систем управления НДС открывает новые возможности, но одновременно с этим ставит перед инженерным сообществом комплекс сложных задач. Далее рассмотрены ключевые направления развития в этой области.

1. Адаптивные конструкции. Это конструкции, представляющие собой альтернативу традиционным сооружениям. Они способны меняться в зависимости от условий нагрузки для обеспечения необходимой прочности и безопасности. Система может включать в себя ряд датчиков, блоков управления и исполнительных устройств. Каждый элемент конструкции оснащен датчиком, а система оптического слежения фиксирует движение конструкции. Машинное обучение определяет источник и интенсивность приложения нагрузки. Блоки управления обрабатывают информацию и дают команду исполнительным устройствам [2].

2. Квантовые сенсоры. Такие сенсоры являются следующим поколением мониторинговых систем, они обещают революцию в точности измерений. Основными свойствами сенсоров, являются чувствительность к микротрещинам размером менее 1 нм и возможность детектирования деформаций. Это позволяет изучать процессы, происходящие с материалом при деформации, на атомном уровне, и получать результаты, которые невозможно получить экспериментально [12].

3. Использование энергетического принципа для создания управляемых конструкций. Строительные объекты являются аккумуляторами потенциальной механической энергии, накопление которой происходит в процессе возведения здания. Резервы этой потенциальной энергии могут быть использованы для автоматического управления [3].

4. Внедрение активных систем управления с применением искусственного интеллекта для оперативного управления НДС конструкции [3].

Технологические и экономические барьеры

Примеры, приведенные выше, демонстрируют, что активное управление НДС – это этап эволюции строительных технологий, хотя массовое внедрение пока что сдерживается экономическими и техническими барьерами. Далее будут рассмотрены ключевые проблемные области, которые сдерживают развитие управляемых строительных конструкций.

Первое, что можно выделить, это энергообеспечение. Имеется потребность в автономных источниках питания. Зачастую современные решения по типу пьезоэлектрических генераторов или солнечных панелей не обеспечивают стабильного энергоснабжения в условиях переменной нагрузки и неблагоприятных внешних факторов. Помимо этого, высокоточные датчики требуют значительных энергозатрат, что ограничивает продолжительность их автономной работы. Уже существуют российские разработки систем мониторинга ЦНИИСК им. Кучеренко, в них применяются адаптивные алгоритмы, которые регулируют частоту опроса датчиков в зависимости от текущей нагрузки [11].

Второе, это надежность систем. Централизованные системы управления могут быть уязвимы к кибератакам. Также можно предположить, что возможны ложные срабатывания систем, следовательно, для уменьшения рисков, можно использовать гибридные системы, которые сочетают искусственный интеллект с классическими методами контроля.

Третье, чтобы перейти к динамическим системам, требуется пересмотреть традиционные нормативы и стандарты, помимо этого необходимо обучение инженеров принципам адаптивного проектирования. Современные образовательные программы начинают включать курсы по киберфизическим системам в строительстве. Также необходимы разработки новых подходов сертификации управляемых конструкций, традиционные методы испытаний не подходят для исследования таких систем.  

Существуют технические сложности, такие как невозможность мгновенного реагирования на критические нагрузки, например землетрясение, а также существует риск отказа систем. Главными ограничениями в применении систем управления НДС являются высокая стоимость таких конструкций, из – за дополнительных затрат на разработку и внедрение систем управления, а также в большинстве стран отсутствует нормативная база для подобных систем [4].

Выводы

1. Активные системы управления НДС перестают быть теоретической концепцией и постоянно находят практическое применение в мостостроении, высотном строительстве и сейсмостойких конструкциях. Переходу от статических систем к динамическим управляемым способствует развитие систем мониторинга, BIM и материалов способных адаптироваться в ответ на внешние нагрузки. Но сейчас массовое внедрение таких систем сдерживается высокой стоимостью и сложностью интеграции в существующие нормативные рамки.

Конструкции будущего перестанут быть «пассивными оболочками», и станут динамическими системами, которые способны к самодиагностике, адаптации и даже самовосстановлению. На данном этапе развития, подобные исследования представляют собой высокозатратные эксперименты и дорогостоящие решения, ориентированные на уникальные объекты.

2. Путь от экспериментальных образцов к массовому внедрению потребует решения сложных междисциплинарных задач на стыке материаловедения, информационных технологий и нормативного регулирования.

3. Выявлены ключевые направления развития систем управления НДС в строительстве.

Управление НДС - это неизбежный этап эволюции строительной отрасли, но его реализация требует развития не только технологических возможностей, но и экономических, нормативных и кадровых решений. Развитие этого направления открывает новые горизонты для создания безопасных, экономичных и интеллектуальных сооружений будущего.