Полуактивные системы

Концепция: По сравнению с активными системами полуактивные системы не применяют актуаторных сил при отклике системы, но воздействуют манипулированием характеристик, таких, как вариация жесткости или деформативность. Примером полуактивной системы является демпфер, который варьирует свои характеристики магнито- и электрореологическими жидкостями. Преимуществом, по сравнению с активными системами является существенно меньшая затрата мощности плюс частичная функциональность в случае потери контроля или мощности. Полуактивные системы также известны под названием «регулируемые пассивные системы» (adjustable passive systems).

Активно варьируемая жесткость: Регулирование собственной частоты реализовано в экспериментальном сооружении в Японии с помощью системы активно варьируемой жесткости (active variable stiffness - AVS). Активные напрягающие элементы могут включаться и выключаться для манипулирования распределения жесткости конструкции [Sakamoto M., Koshika N., Kobori T. «Development and applications of structural control systems // Разработка и применение систем управления конструкциями», Stahlbau 69 (2000, H. 6, 455-463)].

Активные настраиваемые массные демпферы: Активные настраиваемые массные демпферы также относятся к полуактивным системам. Их характеристики могут меняться варьирующими демпферами с помощью электро- и магнито-реологических жидкостей для их настройки до разнообразных частот.

Аэродинамические мероприятия: Аэродинамические мероприятия также относятся к полуактивным системам. Это, в частности, настраиваемые дополнительные приборы, воздействующие на аэродинамические характеристики сооружения. Для аналогии примером служит разработка адаптивных крыльев для конструкции самолетов [Janocha H., «Adaptronics and Smart Structures», Berlin: Springer, 1999].

Гибридные системы

Концепция: Разработками в ближайшем будущем являются гибридные системы, сочетающие преимущества активных и пассивных систем (например, гибридные активно-пассивные массные демпферы). По сравнению с пассивными системами, гибридные системы будут лучше настраиваться на изменяющиеся внешние условия, с активными системами – на функциональность в случае потери мощности.

О формообразовании 3-мерно расширяющихся конструкций

Ученые токийского Института Индустриальной Науки предлагают новый тип конструкций – 3-мерно расширяющиеся конструкции [2] (three dimensional expanded structures).

При оценке эффективности легких конструкций пористость, эффективный объем и площадь поверхности материала очень важны. Принцип создания 3-мерно расширяющиеся конструкций состоит из 2-х процессов: процесса сотовой ячейки и процесса расширения.

Сотовые конструкции отличаются такой характеристикой, как прочность по отношению к весу. Конструкции состоят из полосок, поочередно соединенных между собой и расширенных в одной плоскости. Сотовые конструкции могут расширяться одновременно в двух плоскостях. Процессы представлены на рис. 164 а, б.

В качестве примера 3-мерно расширяющейся конструкции можно привести конструкции из ромбических плоских элементов. Они собираются из элементов 4-х типов: полос, балок, стержней, труб или плит с отверстиями. Варьирование таких единичных форм-модулей или расширения по направлению дают следующие результаты, проиллюстрированные на рис. 165-170.

Процесс сотовой ячейки

Рис. 164. Процессы создания 3-мерно расширяющейся конструкции

Процесс расширения

3-мерно расширяющиеся конструкции могут широко применяться в гражданском строительстве.

Улучшение качества природной воды является актуальной проблемой. Несколько лет назад предлагалось очищение воды биобетоном легких плавающих конструкций. Они используются у истоков рек и озер вместе с растениями, усваивающими своими корнями фосфор. 3-хмерно расширяющиеся конструкции могут использоваться в качестве несущего скелета благодаря высокой пористости (рис. 171).

Защита от электромагнитных волн является важной в госпиталях и точной промышленности. Наклонное расположение элементов дает большую эффективность абсорбирования более широкого спектра волн. Пример электромагнитной темной комнаты с использованием поверхности 3-хмерно расширяющей конструкции показан на рис. 174.

Разработка проекта Стратосферной Платформы была начата в Японии. Наиболее существенной проблемой для шаров является сохранение объема в стратосфере, где перепады температуры в дневное и ночное время велики. 3-хмерно расширяющиеся конструкции со специальными добавками «памяти размеров» могут быть полезными в этой области. Рис. 172 и 173 показывают размеры шарового кольца при высокой и низкой температурах.

Рис. 165. Стержневой элемент, плиты

с прямоугольными и округлыми отверстиями

Рис. 166. 3-хмерно расширяющаяся конструкция

с прямоугольными отверстиями

Рис. 168. 3-хмерно расширяющаяся конструкция

с треугольными отверстиями

Рис. 167. 3-мерно расширяющаяся конструкция

сферической формы

Рис. 166. 3-мерно расширяющаяся конструкция

с прямоугольными отверстиями

Рис. 170. 3-хмерно расширяющаяся конструкция

с радиально расширяющимися элементами

Рис. 169. 3-мерно расширяющаяся конструкция

с округлыми отверстиями

Рис. 168. 3-мерно расширяющаяся конструкция

с треугольными отверстиями

Рис. 171. Плавающий экобетон

Рис. 170. 3-мерно расширяющаяся конструкция

с радиально расширяющимися элементами

Рис. 172. Размер кольца

при низкой температуре

Рис. 173. Размер кольца

при высокой температуре

Рис. 174. Поперечный разрез электромагнитной темной комнаты

Ферма, показанная на рис. 175, составляется из 2-х жестких пространственных ферм (толстая линия) и 6-ти групп стержней по 4 стержня, сходящихся в узле, в каждой группе. Ферма имеет одну степень свободы. Расстояние между двумя жесткими фермами может меняться за счет однонаправленного движения верхней фермы. Модель расширяющейся и сокращающейся башни показана на рис. 179.

Рис. 180. Большепролетные убирающиеся покрытия в Японии [28]

Рис. 181. Большепролетные убирающиеся покрытия в Японии [28] (окончание)

Убирающийся петельный купол [21] (Retractable Loop-Dome) (рис. 182) имеет возможность менять свою форму, изменяя диаметр отверстия в вершине купола. Однако, такой купол пока еще не реализован в связи с рядом проблем, касаемых конструктивной рациональности.

Венесуэльский Павильон [22] в ЭКСПО 2000 в Ганновере (рис. 183, 184, 185) был спроектирован архитектором Фруто Вивас как убирающийся цветок диаметром 38 м. Круглое в плане здание имеет цокольный и второй этаж для выставки с 4-мя платформами на разной высоте, посвященных климатическим зонам Венесуэлы: Андам, джунглям, пустыням и равнинам. Вся конструкция накрывается 16 подвижными лепестками, которые открываются и закрываются в зависимости от погодных условий. Убирающаяся конструкция цветка состоит из 3-х главных частей: мачты, лепестков и цилиндров.

Рис. 185. Капитель. Конструкция лепестка. Крепление лепестка к мачте