"Я уверен, что наше воображение ведет нас в
запредельность. Это двери в иной мир".
Н.Бердяев.
Подобные вещи выдумать нельзя, но они должны подниматься из позабытых глубин, если призваны выразить глубочайшее озарения сознания и высочайшие прозрения духа, соединяя, таким образом уникальность сегодняшнего сознания с вековым прошлым человечества.
К.Г. Юнг
Синтез искусства, техники и науки. Треугольный многогранник как предчувствие.
Автор: Мамедов Александр Нусратович, главный специалист, ООО «Нефтегазмонтаж» ,
Тел. +998 94 635 1672, е-mail: mamedov_46@mail.ru.
Аннотация. В статье описаны некоторые технические решения, которые возникли при знакомстве с металлическими конструкциями, наиболее часто встречающимися в оснащении заводов. При решении задач оснащения заводов пришлось заняться поиском наиболее рациональных структур. работа была проделана на совершенно индивидуальном подходе к стержневым конструкциям.
Репортаж.
В нашей стране живы традиции русского первенства. Конструкция, создание машины, проект установки всегда тесно связано с именами Кулибина, Леонарда Журавского, Тесла и других легендарных физиков и конструкторов. . Сегодня, как никогда, видна работа мощных конструкторских коллективов в создании ракетного щита страны, русского оружия. Это наша гордость, сила, уверенность в завтрашнем дне. На этой волне можно и должно проводить работу по созданию научной платформы, основанной на лучших традициях конструирования, необходимо заразить будущих специалистов романтикой этой непростой профессии, дать заряд вечного поиска.
При таком возрастающем значении конструкций в творческом процессе проектирования большое значение имеет свободное владение информацией обо всех видах конструктивных систем, особенностях их работы, технологии возведения. Инженер не чувствующий работу конструкции, не обладающий чувством формы, сегодня не может полностью проявить себя в творческом процессе создания новых строительных объектов.. Развитие средств автоматизированного проектирования и новые технологические решения в области возведения сложных систем открывают сегодня перед конструкторами практически безграничные возможности в реализации их творческих замыслов.
Новые технологии и современные материалы помогают конструктору реализовывать самые смелые концепции при стабильной и надежной работе несущего остова сооружения. В статье описаны некоторые технические решения, которые возникли при знакомстве с металлическими конструкциями, наиболее часто встречающимися в оснащении заводов. Громоздкость и металлоемкость существующих конструкций этажерок ,эстакад, площадок трудоемкость их возведения невольно вызывает критику. При решении задач оснащения заводов пришлось заняться поиском наиболее рациональных структур
Ниже даны некоторые результаты поисков новых конструкций, которые удалось внедрить в строительство, и которые находятся в постоянном совершенствовании. Работа была проделана на совершенно индивидуальном подходе, прежде всего к стержневым конструкциям.
Использование структурных элементов для создания единой конструктивной системы началось, когда американский изобретатель Ричард Фуллер разработал конструкцию «геодезического купола», представляющего собой полусферу, собранную из тетраэдров Знаменитый архитектор и инженер Ричард Бакминстер Фуллер (RichardBuckminsterFuller) утверждал, что открытая им модель показывает механизмы работы самой природы, которая не пользуется, в отличие от человека, декартовой системой координат. Еще он полагал, что природе не знакомо число «пи», а предложенная им модель расположения сфер может быть моделью расположения атомов в молекуле, которые не вращаются вокруг центра равномерно, а совершают квантовые скачки от одной вершины многогранника к другой. Он оказался отчасти прав.В 1985 году, через два года после смерти Фуллера, ученые Роберт Кёрл, ХарольдКрото и Ричард Смоли действительно открыли молекулу углерода, имеющую описанное Фуллером строение. Молекулу назвали фуллерен в честь человека, который предсказал ее существование, а открывшие ее исследователи в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии. Труды Р. Фуллера по применению многогранников в конструкциях зданий и сооружений обратили внимание мирового сообщества на этот многообещающий тип конструкций.
Прежде всего, следует различать встречающиеся в технической литературе термины.
Стержневые пространственные системы–несущие конструкции, образуемые совокупностью соединенных между собой элементов – стержней. В виде стержневых пространственных систем часто выполняются сооружения башенного типа (башни, опоры линий электропередачи и др.), а также несущие конструкции покрытий и пере-крытий, так называемые структурные плиты.
Система регулярной структуры (СРС) – несущая конструкция здания или сооружения, образуемая повторяющимися однотипными ячейками из стержневых или пластинчатых элементов. В зави-симости от формы и характера статической работы СРС могут быть выполнены в виде плит, складок, оболочек (сводов, куполов), а также использо-ваться в качестве элементов комбинированных систем (конструкций).
Система регулярной структуры стержневая–несущaя конструкция, образуемая совокупностью соединенных между собой элементов (стержней), у которых один из размеров (длина) значительно больше двух других. В виде стержневых пространс-твенных систем часто выполняются сооружения башенного типа (башни, опоры линий электропередачи и др.), а также несущие конструкции покрытий и перекрытий, так называемые структурные плиты
Структура, структурная плита – плоская несущая конструкция покрытия (перекрытия), образуемая системой регулярной стержневой или пластинчатой структуры.
Vesica Piscis Структура, именуемая «vesica piscis» (рыбий пузырь) образуется, когда центры двух кругов с равными радиусами расположены на окружностях друг друга. Площадь, ограниченная пересекающимися дугами кругов - «vesica piscis». Эта конфигурация – одна из преобладающих и самых важных среди всех взаимосвязей в сакральной геометрии. Ее духовное значение использовалось художниками Ренессанса в живописи и архитектуре. «Цветок Жизни», один из основ ных сакральных символов человечества, содержит в себе множество «vesica piscis».
В общем виде применяемые в настоящее время «структуры» можно свести к трем общим категориям:
1)развитые из плоскости фермы;
2)перекрестно-стержневые системы;
3)однослойные и двухслойные стержневые структурные оболочки.
К недостаткам «структур» относятся технологическая сложность строительства и монтажа конструкций, повышенная трудоемкость и материалоемкость изготовления узлов соединения стержней (а значит, их более высокая стоимость). При этом структурные конструкции иногда остаются единственным решений для сложных конструктивных форм и региональных условий строительства. Пространственные стержневые конструкции дают значительные возможности для достижения высокой конструктивной и архитектурной выразительности. Стержневые «структуры» используют в качестве вертикальных несущих систем высотных зданий, а также в общественных зданиях (выставочные, торговые и спортивные залы, кинотеатры, павильоны и т. д.) для перекрытия больших пролетов. Таким образом, «структура» как конструктивная основа является наиболее интересной и востребованной в современной практике.
Для создания стабильной, прочной «структуры» используют треугольное соединение стержней с шарнирными узловыми соединениями, которые могут отводить силы и распределять нагрузки на внешние конечные точки.
Треугольники как наиболее стабильные и жесткие геометрические фигуры позволили сэкономить 20 % стали, визуально разбили монотонную плоскость вытянутого фасада и создали экспрессивную динамику восприятия .В строительных металлических конструкциях не встретишь треугольных призматических стоек, конфигурация позаимствована мною из конструкции мачт.
Равносторонний треугольник, полученный на основе «vesica piscis» - один из самых ранних известных человечеству мистических символов. Первая из плоских фигур в Сакральной Геометрии и, пожалуй, одна из самых значимых.
Платон указывал: «Между множеством треугольников есть один, прекраснейший, ради которого мы оставим все прочие, а именно тот, который в соединении с подобным ему образует третий треугольник — равносторонний».
Треугольная призма, в основании которой равносторонний треугольник, принята за основу интуитивно, но как элемент оказалась очень приемлемой и органически вписывалась во вновь созданных конструкциях. В обычных цехах монтажных баз она очень технологична, транспортабельна на малые расстояния, хорошо монтируется на площадке в комплекте с бетонными блоками фундаментов. Очень выгодно отличается от своих аналогичных предшественниц небольшой металлоемкостью. Треугольные призмы выбраны определенной размерной конструкции. Основным фактором здесь является жесткость конструкции.
В проектах промысловых предприятий часто встречаются высотные этажерки для размещения оборудования. Обычно это пространственные металлические конструкции, . по наружному периметру этажерок и площадок, лестниц и площадок предусматривается ограждения высотой 1м. Сборка конструкций, поэлементно, предусмотрена на монтажной площадке
Это очень неудобно, так как означает большой объем высотных работ связанных со сваркой. Все многообразие конструкций моих этажерок сведено к стандартному блоку стоек и к стандартным блокам площадок Предпринята попытка укрупнить поставочные узлы, увязать установку их с конструкцией фундаментных блоков. Все этажерки при этом обладают устойчивостью и прочностью при боковых нагрузках вызванных ветровой и сейсмической нагрузками. Этому способствует и шарнирное опирание площадок. Обращает на себя внимание стройность и легкость конструкции, высокую конструктивную выразительность.
В проекте треугольные призмы из труб органически точно поддерживают шесть 20 тонных вертикальных аппаратов со сжиженным газом, с обвязкой на верхнем этаже запорной арматурой.
Очень хорошо, когда организованы тут же участки для заливки фундаментных блоков для установки призм на монтажной площадке. Это способствует бесподгоночной установки стержневых призм на монтаже и способствует производить блоками за очень короткий промежуток времени, избавляет от большого объема высотных работ. Монтажным работам придается индустриальный метод, без большого объема сварочных работ.
Различными конструктивными комбинациями из стандартных стоек треугольные призмы и стандартных площадок достигается различные по высоте габаритам и грузонесущей способности конструкции. В проектах представлены 14 единиц. площадок, все они построены.
Успешное применение конструктивных элементов на практике, хорошие отзывы монтажников, безупречная эксплуатация десятки лет позволяет рекомендовать их к применению. Могу с определенностью сказать, что при задачах конструирования и сегодня, как правило, опять и опять применяются треугольные призмы.
Технические и технологические решения газовых магистралей нового поколения базируются на последних достижениях современной науки, снижении собственного энергопотребления, на использовании высокого давления, соблюдения принципов экологической обязательности и обеспечении эксплуатации с минимальным уровнем риска.
Каждый участок трубопровода отмечается своей степенью ответственности, связанной со сложностью выбранного конструктивного решения и трудностью ремонта в случае возможного отказа. Во время производства работ по устройству магистрального трубопровода часто приходится пересекать различные естественные и искусственные препятствия в виде оврагов, ущелий и т. п., а также различные водные преграды: реки, озера, пруды и т. д.
Если нет возможности подземной проходки и нецелесообразно ее проводить, остается метод надводного перехода через каналы и малые реки и овраги.
При многочисленных наружных переходах газопроводов через водные преграды каналов и рек свайные опоры из трубных свай диаметром до 530 мм мной выполняются треугольной конфигурацией с ростверком под хомутовые опоры. Этим достигается нормативная жесткость свайной опоры в направлениях действия нагрузок и экономия свай и объема работ в трудных условиях.
Производство работ по устройству перехода через препятствия на опорах (балочный переход) выполняют в два этапа. Первым этапом является устройство свайных опор, которые вбиваются с берега на отсыпанных участках. Это очень трудоемкая работа и по времени и по выполнению. На установленные опоры монтируется подготовленный трубопровод. Чаще сего быть применены также методы монтажа с помощью стреловых плавучих кранов и других монтажных приспособлений. Все рассмотренные способы монтажа и конструкции переходов через препятствия выполняются при надземной прокладке трубопроводов. Длина забиваемых участков свай достигает 20-30 метров. Надежность устройства переходов зависит от характеристики грунтов дна реки, качества выполнения работ.
Нередко мощным потоком весной повреждаются свайные опоры, приводя газопроводы в аварийное состояние.
Никогда не приходилось проектировать мосты, даже самые примитивные. Этими проектами занимаются мостостроительные проектные организации. Но занимаясь металлоконструкциями для газоперерабатывающего завода, обрел навыки конструирования и опробовал множество своих конструкций, нетиповых. Участие в проекте ремонта снесенных паводком переходов через реки позволило ознакомиться со всеми аспектами проекта. Применение в конструкциях треугольных призм в качестве стоек, стало основой предложения треугольной пространственной фермы. Я занимался поиском решения пространственных ферм примеров их применения, но мои фантазии никогда не уходили далеко. Я мог свободно проектировать фермы для переходов газопроводов диметрами 1020,1220,1420 пролетом 30-35 метров. Успешное применение конструктивных элементов на практике, хорошие отзывы монтажников, безупречная эксплуатация десятки лет позволяет рекомендовать их к применению.
Могу с определенностью сказать, что при задачах конструирования и сегодня, как правило, опять и опять применяются треугольные призмы. Буквально накануне успешно решена задача создания балочного перехода газовой трубы через 45 метровый канал(рис 12). В основе перехода предложена призматическая треугольная ферма, в основании которой равносторонний треугольник, со стороной 3 метра и с пролетом 50 метров, лежащая на двух свайных береговых опорах .
Меня не ограничивали ни в чем, я мог делать все, что считаю целесообразным. Было очень мало времени на раздумья, но у меня были заранее проработаны все аспекты, на все имелись заготовки. В результате вышла стройная легкая пространственная ферма, типа «Ласточка». Очень четко сработала монтажная бригада и первая ферма перегородила канал, пропуская газовые трубы в необходимом направлении. По этой ферме, в настоящее время, проходят уже две трубы и планируются еще и еще. Надо сказать, что 45 метровая ферма свободно выдерживает рабочую нагрузку. Визуального прогиба не наблюдается. Налицо большой запас в жесткости конструкции.
Я пересчитывая конструкцию, каждый раз даю согласие на новые трбопроводы.
Следующий заказ поступил на ферму уже 60 метров через другой канал. Пришлось напрячься и подготовить варианты металлоконструкций из различного профиля. Решено было, не уходить от текущей схемы, однако необычная длина пролета заставила работать визуализацию.
Меня не удовлетворяло решение, оно имело ограничения. Я знал, что впредь придется решать задачи при пропуске более крупных газопроводов, поэтому заранее стал примеряться к самому крупному газопроводу диаметром 1420 мм с толщиной стенки трубы 22 мм. Нагрузка от газопровода рассчитывается с учетом веса трубы и массы воды при наполнения его водой во время испытаний на прочность. Это составляет 94 тонны. Прибавляем вес самой фермы 17,5 тонны получаем 112 тонн или 1.8тонн метр равномерно распределенной нагрузки. Естественно, предыдущее решение выливается в очень тяжелую конструкцию.
Я выбрал для этого случая арочную конструкцию. Арочная конструкция предусматривает изогнутые продольные элементы фермы.
Я внес в арочную конструкцию фермы элементы технологичности, наличие которых совершенно не повлияли на увеличение трудоемкости изготовления. Теперь, оставляя уже проверенное решение без изменения, не вводя более прочные элементы, внося незначительные надежные изменения на границах стыков, я получил совсем другое решение, которое открывает совсем иные несущие возможности фермы. Получилась полигональная арочная ферма, типа «Чайка». Труба газопровода располагается под фермой, на стандартных подвесках, отрытая для инспекции во время эксплуатации. Однако при арочной конфигурации, центр тяжести конструкции расположен над осью, проходящей через точки опор. При этом возникает момент, который стремиться опрокинуть ферму относительно продольной оси. Это следует учитывать при расчете фермы от боковых нагрузок.
Теперь о новых еще не освоенных практикой промышленных конструкциях .
Высокая сейсмичность района ,ветровые и погодные и рабочие нагрузки, отсутствие на площадке строительства разнообразия металлических профилей, наличие бывших в эксплуатации, но годных для строительства трубной продукции, послужили причиной поисков наиболее рациональных конструктивных пространственных систем , отличающихся от прежних своей необычностью, в то же время технологичностью изготовления, универсальностью и простотой монтажа и возведения. В основу конструкции предлагается тот самый «кристалл» ,который описан в учебниках и справочниках по пространственным металлическим конструкциям. Он же, тетраэдр, взят за основу Фуллером в его пространственных конструкциях.. В нашем случае кристалл образован сторонами правильной треугольной пирамидой (тетраэдр) и четырех - угольным и пирамидами(октаэдр).
В основу всех описанных в последствии конструкций входит именно кристалл из металлических полых стержней. В местах примыкания кристалл имеет простое шарнирное соединение. На элементы конструкции треугольные и четырех угольные пирамиды разработаны нормализованные типовые ряды конструкций, которые осваиваются заводами или монтажными организациями. Конструирование необходимых металлических конструкций одно и многоярусных технологических этажерок, пандусов для размещения технологического оборудования происходит на основе этих элементов. Примером послужили стержневые высотные вантовые конструкции факелов высотой до 80 метров имеют в своей основе шарнирное соединение в опоре, позволяющее разгрузить всю систему. Эти конструкции вскоре найдут свое место в многочисленных примышленных пространственных сооружениях. Ведется подготовительная работа ,поиск наиболее значимого сооружения, где данные конструкции сделают прорыв и займут свое место в технологических этажерках, эстакадах, площадках обслуживания и др.промышленных предприятий. Мною написана подробная статья с иллюстрациями и чертежами, разместить ее не позволяет формат. Вышлю незамедлительно.