Порта3 – градежништво, архитектура и екологија Порта3 – градежништво, архитектура и екологија
Во последниве години сведоци сме на големиот број природни катастрофи кои се причина за загуба на материјални добра и човечки животи. Сето тоа се должи на немоќта на конструкцијата да се справи со природните феномени и да ја дисипира влезната енергија со претрпување на нееластични деформации кои во голем број случаи се проследени со локални или целосни рушења. Пристапот во проектирањето на конструкции отпорни на земјотрес доживувал постојан развој во текот на времето, од концептот на дозволени напрегања, според кој товарот од земјотрес бил земан како редуциран еквивалентен статички товар, па сè до дефинирање на поимот дуктилност и нелинеарно однесување на конструкциите односно проектирање според капацитетот на носивост. При дејството на земјотрес, овој концепт предвидува, одредени конструктивни елементи да доживеат пластични деформации така што во конструкцијата би се развиле механизми за дисипација и апсорпција на влезната сеизмичка енергија. Овој начин на проектирање, под дејство на јаки земјотреси, може да резултира со оштетувања како на конструктивните така и на неконструктивните елементи, кои од економски аспект може да бидат приближно исти како и при рушење на конструкцијата. За редуцирање на овие непосакувани појави како и за воведување на контрола врз однесувањето на конструкциите при дејство на сили од земјотрес, развиен е нов концепт на проектирање на сеизмички отпорни конструкции – концепт на проектирање на управувани/интелигентни конструкции. Согласно овој принцип, во конструкцијата се вградуваат додатни уреди – системи за контрола, чија цел е да ја изолираат конструкцијата од околната подлога или преку соодветни механизми да обезбедат дисипација на влезната енергија. Овие конструкции во зависност од технолошките решенија имаат контролирана состојба на сигурност како за постојаните така и за сите подвижни и дополнителни оптоварувања предизвикани од дејството на ветрот, земјотресите или технолошките вибрации.
Според начинот на кој работат системите се делат во три групи и тоа:
- Системи за пасивна контрола – работат без примена на дополнителна надворешна енергија. Кај овие системи контролата на одговорот се врши преку потенцијалната енергија генерирана од самиот динамички одговор на конструкцијата.
- Системи за активна контрола – каде контролното дејство е остварено преку користење на надворешен извор на енергија поради што овие системи се сметаат за поефикасни од пасивните.
- Хибридни системи – комбинација на претходните два система кои за различни нивоа на побуди се однесуваат како пасивни или активни системи. Пример, системот е пасивен сè додека не се надмине одредено ниво на побуда/одговор, односно системот е активен сè до евентуален прекин во снабдување со енергија кога почнува да работи како пасивен.
Во секоја од овие категории се развиени, а воедно и применети во праксата, голем број различни механизми за дисипација на влезната енергија и контролиран одговор на конструкциите при дејство на различни динамички товари. Пасивните системи главно се делат на две групи и тоа пасивни системи за сеизмичка (базна) изолација и системи за пасивна дисипација на енергијата. Во првата група спаѓаат голем број различни решенија со кои објектот се изолира од основата преку лежишта од разни материјали (природна гума, метали итн.), слика 1, а и б. Втората група ги опфаќа динамичките апсорбери и системите за дисипација на влезната енергија. Динамичките апсорбери на вибрации се подесени на фреквенција блиска на одреден тон на осцилирање и придонесуваат да се зголеми пригушувањето во тој тон како резултат на пренесување на кинетичката енергија помеѓу различните форми на осцилирање. Во оваа група спаѓаат апсорбери од типот на подвижна маса/прилагодена маса (TMD-Tuned Mass Damper – слика 2) или подвижна течност (TLD – Tuned Liquid Damper). Системите за дисипација на влезната енергија се претставени преку металните придушувачи (слика 1-в), придушувачи на триење, вискозноеластични придушувачи и вискозноеластични течни придушувачи. Металните придушувачи работат на принципот на пластично деформирање на металите и легурите додека придушувачите на триење работат на принципот на суво триење помеѓу две крути тела. Вискозноеластичните системи енергијата ја дисипираат преку деформации на смолкнување на кополимери или стаклести супстанции.
Слика 1. Системи за базна изолација (а и б) и метални придушувачи (в)
Слика 2. Апсорбери од типот на подвижна маса
Слика 3. Активен систем за дисипација на енергија
Системите за активна контрола генерално може да се поделат во две основни групи и тоа системи со контролни сили и системи со активна промена на карактеристиките на конструкцијата. Кај првите контролното дејство се состои од генерирање на сили кои дејствуваат на конструкцијата и на тој начин го контролираат нејзиниот одговор (системи со активна маса, активни затеги и дијагонали – слика 3) додека кај вторите контролното дејство се состои во активна промена на крутоста или придушувањето на конструкцијата. Овие системи наоѓаат помала практична примена во споредба на пасивните што се должи на нивната комплексност, недостатоците при проектирање, одржувањето и економската оправданост.
Семиактивните системи, како најнов тип на системи за управување ги обединуваат позитивните страни на пасивните и активните системи. Овие системи, според многу експерти од областа на управуваните конструкции, имаат најголема перспектива за масовна практична импеданција во 21 век. Како пример за практична примена ќе биде посочен системот со семиактивна променлива крутост што е инсталиран во зградата на Истражувачкиот центар Кобори во Јапонија во 1990 година.
Управуваните конструкции низ минатото до денес
Во 1955 и 1956 година, Prof. Takuji Kobori (Кјото Универзитет во Јапонија) ја објавува (на јапонски) првата базична студија на концептот за контролиран сеизмички одговор на конструкциите (Kobori, 2002). Овој концепт во основа го открива принципот дека дисипацијата на енергијата преку нелинеарно однесување на конструкциите и варијацијата на периодите на вибрација во конструкциите го намалуваат одговорот на конструкцијата кога таа е изложена на дејство на силни земјотреси. Во САД, Prof. J.T.P. Yao од Пурду Универзитетот, во 1972 година објавува реферат во кој поставува нов теоретски концепт за анализа на градежните конструкции. Имено, тој смета дека градeжните инженери треба да го совладуваат дејството на земјотресот или ветрот преку контрола на силите, а не преку нивните конструктивни елементи. Ваквото размислување во областа на градежното конструкторство претставува основа за современата теорија за управување. Овие истражувања остануваат пионерски сè додека Yang и Soong во САД, во 1988 година аналитички и експериментално не ја промовираа идејата за контролирано однесување на конструкциите. Веднаш по ова, во 1989 година компанијата Kajima во Јапонија изгради експериментална зграда Kyobashi Seiwa Building каде што е имлементирана активна контрола според проектот на Kobori (слика 4). Применетиот систем се состои од два активни дампери каде што првиот ги редуцира транслаторните поместувања додека вториот торзионите.
Слика 4. Kyobashi Seiwa Building и систем за активна контрола
Две години подоцна, во 1991 година, на зградата Sendagaya INTES во Токио, употребен е хибриден систем за контрола. Пасивниот систем е реализиран преку 2 апсорбери од типот на прилагодена маса, поставени на 11-ти кат додека со хидраулични побудувачи се остварува активната контрола на системот (слика 5). Во 1993 година, во Јапонија, на 70-катната зграда Yokohama Land Mark Tower е инсталиран хибриден систем со прилагодена маса составен од два пендел-системи за контрола на вибрациите од ветар во два ортогонални правци (слика 6).
После катастрофалниот земјотрес во Кобе во 1995 се појавува нов тренд во примената на системите за пасивна контрола со посебен акцент на имплементација на системи за базна изолација на објектите од прва категорија во Јапонија (слика 7).
Слика 5. Sendagaya INTES – хибридни дампери
Слика 6. Примена на хибриден систем на 70-катната зграда Yokohama Land Mark Tower
Слика 7. Примена на систем за базна изолација
Слика 8. Комуникациска кула Nanjing
Во Кина, во 1999 година, е завршена изградбата на комуникациската кула во Нанјинг, висока 310 m, на која е инсталиран систем со активна прилагодена маса во форма на прстен со три хидраулични побудувачи поставени под агол од 120 °, за контрола на вибрациите од ветар во два ортогонални правци и торзија (слика 8).
Во 2003, при изградбата на Taipei 101 Tower во Тајван, употребен е систем за пасивна дисипација на енергијата преку апсорбер од типот на прилагодена маса (TMD-Tuned Mass Damper), слика 9. Најголемиот дел од овој систем ѝ припаѓа на челична сфера која тежи 660 тони и е поставена во центарот на 86-тиот кат. Околу концентрираната маса поставени се 8 дампери за да се спречи прекумерно поместување на масата.
Слика 9. Примена на апсорбер за контрола на конструкцијата-Taipei 101 Tower
Во изминатите години повеќе пати ваквите системи биле активирани при дејство на земјотреси со магнитуди помеѓу 5.0 и 6.0, при што е демонстриран ефектот на ефикасна конструктивна контрола на одговорот на конструкцијата изложена на дејство на умерени земјотреси.
Иднината и позитивните страни на управуваните конструкции
Практичната примена на управуваните конструкции е можна на речиси сите градежни конструкции од високоградбата, мостовите и флексибилните линиски системи. Пасивните системи од сите категории и типови ќе бележат сè поголема и поинтензивна примена особено во земјите во кои веќе има и техничка регулатива за нивна примена, како што се САД, Јапонија и земјите од Европската Унија (Еврокодовите ги покриваат само системите за базна изолација).
Технолошките иновации, денес, многу брзо се менуваат во сите инженерски дисциплини, вклучувајќи го и градежништвото кое спаѓа во категоријата на конзервативни инженерски дисциплини. Благодарение на имплементацијата на новите технологии, градежништвото, а посебно конструктивното инженерство сè повеќе го губи овој епитет на конзерватизам и сè повеќе станува дел од современите технологии. Преку примената на принципот на интелигентни конструкции, конструктивното инженерство денес, а повеќе утре, ќе биде поврзано со развојот на технологиите на новите материјали, компјутерската техника, роботиката и останатите сродни инженерски дисциплини.
Градежните конструктори треба навремено и сестрано да бидат информирани за сите напредни технологии. Тоа е обврска на професионалните здруженија и асоцијации, на научните и високообразовните институции во Република Македонија кои секоја во својот домен треба објективно и навреме да организираат и да реализираат програми за трансфер на знаења и информации наменети за градежните конструктори.
Автори : доц. д-р Александра БОГДАНОВИЌ, проф. д-р Зоран РАКИЌЕВИЌ, м-р Ангела ПОПОВСКА
