Размещено на сайте 21.10.2008.

Часть 1
Часть 2
Часть 3
Часть 4
Часть 5

Сквозной пример

Сквозной пример

Многие районы земного шара имеют повышенную сейсмическую опасность, это районы в которых часто бывают землетрясения.

Так, например 26 января 2001 года в северо-западной части Индии произошло землетрясение силой 7,9 балла по шкале Рихтера, в результате которого погибло около 100 тысяч человек. Основной причиной гибели такого огромного количества людей были не сейсмостойкие конструкции зданий.

Разрушительная сила землетрясений объясняется резкими горизонтальными перемещениями земли.^[1] Чтобы противостоять этим сейсмическим колебаниям строители увеличивают жесткость здания, изготовляют наружный металлический каркас, устраивают на здании специальные антисейсмические пояса и делают многие другие устройства повышающие жесткость и прочность здания. Однако увеличение общей жесткости и прочности здания не всегда помогает при землетрясениях. Чтобы выдерживать горизонтальные изгибающие нагрузки жесткое здание должно быть… гибким. Как быть?

Применение принципа: - Разнесение противоречивых требований в пространстве.

Итак, здание должно быть жестким и не жестким одновременно. В соответствии с правилом разрешения противоречий необходимо разнести эти требования в пространстве самого здания. Тоесть, часть здания должна быть жесткой, другая часть здания должна быть не жесткой, подвижной.

Такой принцип строительства, в той или иной мере, реализован в сотнях различных конструкций зданий, начиная от обычных деревенских домов и кончая большими промышленными зданиями и небоскребами. Рассмотрим некоторые такие конструкции.

Подвижный фундамент, для легких зданий использующий способность песка перемещаться под зданием, не передавая ему полностью горизонтальных движений грунта. Такой фундамент позволяет сохранить здание на пучинистых, подвижных грунтах и при небольших землетрясениях

Еще один вариант песчаного фундамента, но с большей степенью свободы

Бак хранилище на 100 тыс. кубометров нефти 1- скальный грунт , 2 - армированная многослойная подушка, З - песчано- гравийная подушка 4 кольцевой железобетонный пояс...

Такие антисейсмические катки широко используются для многоэтажных зданий и позволяют выдерживать землетрясение силой до 8 баллов.

Указанный принцип – разнесения противоречивых требований в пространстве здания, путем использования шарнирных элементов, заложен во многих сотнях патентов, в которых решается задача повышения сейсмостойкости здания. Например, в патентах России №№ - 2187598, 2214491, 2186183, 2256749, 4440406, 2550308, 2282001, 2129644, 2256749, 2214491, заявки на патенты – 98114222, 98122787, 97113568 и многих других.

Развитие антисейсмических шарнирных элементов привело к необходимости использования возможностей имеющихся на микроуровне вещества, тоесть к использованию межкристаллических шарнирных связей в материале того элемента, который находится между зданием и фундаментом. Появились здания, которые стоят на гибких рессорах или на пружинах.

Существуют большое количество патентов, в которых нижняя часть здания с помощью гибких элементов шарнирно соединена с фундаментом. В них уже в большей степени реализовано требование, которое было изначально сформулировано при анализе проблемы – часть здания должна быть жесткой, а другая часть здания гибкой. Этот принцип – разнесения противоречивых требований в пространстве здания широко использован в современных высотных зданиях.

Подвижный гибкий фундамент высотных сейсмостойких зданий

Во всех приведенных решениях противоречие разнесено в пространстве здания – одна его часть жесткая, другая его часть гибкая. Удовлетворение обоим требованиям позволяет строить современные высотные здания, которые выдерживают землетрясения 7 – 8 баллов.

Продолжение примера Антисейсмическое здание

Во всех рассмотренных конструкциях использован принцип разнесения противоречивых требований в пространстве самой системы, то есть здания как такового. Теперь рассмотрим применение этого же принципа, но уже не в системе всего здания, а в его подсистемных элементах - стенах, перекрытиях и т.д.

В этом случае -

Физическое противоречие – стена должна быть жесткой и стена должна быть гибкой. Используем тот же принцип разнесения противоречивых требований, но уже по отношению к выделенному элементу.

Решение – часть стены делается жесткой, часть стены гибкой. Такие решения широко используются в строительстве, при соединении стен, лестниц, маршевых лестниц и многих других элементов.

Если еще более углубиться в подсистему и взять только один, какой либо элемент стены, например ее строительный блок, то и в нем увидим все то же физическое противоречие и все тот же принцип его разрешения - часть блока должна быть жесткой, а другая часть этого же блока должна быть гибкой.

Такие строительные блоки уже спроектированы, испытаны и выпускаются строительной промышленностью. Они имеют фигурную форму и включают в себя эластичные гибкие слои. ( на рисунке выделены красным цветом). Эти блоки удовлетворяют обоим противоречивым требованиям – быть жесткими и быть гибкими одновременно.

На рисунках (вверху) и фотографиях (внизу) показана работа гибких сейсмостойких строительных блоков в момент сильного землетрясения.

На снимке видно, что здание, построенное из обычных кирпичных блоков (снимки 1,2,3), начинает разрушаться при землетрясении в 7 баллов. Здание, построенное из антисейсмических кирпичных блоков (снимки 4,5,6), выдерживает землетрясение в 10 баллов и более.

Если еще более углубиться в подсистему стены, например, материал строительного блока, то и там мы увидим те же противоречивые требования - материал должен быть жестким и должен быть гибким. Разносим эти требования так же в пространстве самого материала то есть, одна его часть одна часть жесткая, твердая, другая – мягкая, гибкая.

Такой строительный материал, точнее бетон, уже существует и называется он полимербетоном или пластбетоном. Отличается от обычных бетонов тем, что его поры и капилляры заполнены гибким полимерным материалом.

Некоторые виды таких полимербетонов превосходят обычный бетон по прочности на сжатие в два раза, по прочности на изгиб в три раза.

Продолжение примера Антисейсмическое здание.

Все ранее рассмотренные примеры относились к разрешению противоречий в самой рассматриваемой системе или в ее подсистемных элементах.

В учебных целях сформулируем физическое противоречие по отношению к надсистеме, то есть к земле, на которой стоит здание.

Поставленная цель – Сохранить здание от разрушения при землетрясении.

Элемент препятствующий достижению цели – Поверхность земли.

Физическое противоречие – Поверхность земли должна горизонтально перемещаться, так как это природное явление. Поверхность земли не должна горизонтально перемещаться, чтобы не разрушалось здание.

( Напоминаем, что наибольшая честь площади, где наблюдается землетрясение, имеет резкие горизонтальные колебания. Именно такие колебания являются наиболее опасными для зданий. При этом перемещается только верхний слой земли, предположительно глубиной 30 – 40 метров)

Применяемый принцип – разнесение противоречивых требований в пространстве земли. То есть часть поверхности земли перемещается, другая часть не перемещается. Как этого достичь?

Решение.

Из школьной физики известно, что любой поток энергии прерывается, если прерывается вещество, по которому идет энергия. Существует несколько десятков патентов использующих эту простую мысль. Но все они реализуют один и тот же принцип - разнесение противоречивых требований в пространстве земли.

Вокруг здания выкапывают щелевую траншею, в которой сейсмические горизонтальные колебания земли гаснут. Часть земли движется, часть земли (под зданием) не движется.

Такое эффективное решение может быть использовано во многих случаях, например, для сохранения особо ответственных сооружений или старинных зданий и памятников.

Однако щелевую траншею глубиной 30 – 40 метров достаточно сложно изготовить. Существуют десятки патентов в которых раскрываются различные способы выполнения такой антисейсмической траншеи.

Анализ этих патентов показывает, что имеющиеся физическое противоречие – нужно вынимать землю и нельзя вынимать землю, разрешается в пространстве самой же земли,- тоесть часть ее вынимается, часть не вынимается. Это осуществляется бурением многих скважин близко расположенных друг к другу. Перемычки между скважинами разрушаются при землетрясении и амортизируют удары сейсмических волн, которые затем гасятся в пустоте скважин.

Отметим еще одну интересную разновидность применения принципа разнесения противоречивых требований в пространстве при строительстве сейсмически устойчивых зданий.

В патенте России № 97113568 предлагается между зданием и фундаментом поочередно уложить слои фторопласта, графита, неопрена или резины. Такой сэндвич обладает уникальными анизотропными свойствами – он хорошо передает вертикальные нагрузки и плохо передает горизонтальные нагрузки.

Во время землетрясения такой фундамент скользит под зданием и не передает ему горизонтальных перемещений земли. Здание остается на одном месте, хотя земля под ним мечется во все стороны.

Реальное воплощение этой идеи в практику потребует решения еще многих попутных задач, но ясно одно – принцип разнесений противоречивых требований в пространстве помогает сохранить здание.

Продолжение примера Антисейсмическое здание

Применение диалектического принципа: -Разнесение противоречивых требований во времени.

Все выше приведенные примеры иллюстрировали принцип разнесения противоречивых требований в пространстве самой системы, подсистемы или надсистемы.

Теперь для этой же задачи - (антисейсмическое здание) рассмотрим применение другого диалектического принципа решения противоречий, а именно - разнесение противоречивых требований во времени.

Это значит что, когда землетрясения нет – здание и фундамент образуют единую и жесткую систему, а когда землетрясение есть – они становятся раздельными и подвижными относительно друг друга.

К сожалению, этот принцип в строительстве представлен очень скудно. Объяснить это можно тем, что человечество еще не научилось предсказывать и определять точное время возникновения землетрясений. Однако известно, что за несколько секунд до землетрясения возникает своеобразный «голос земли». Это, вероятно, какие то инфразвуки, которые человек не слышит, но многие животные их слышат и распознают приближающуюся опасность. Например, собаки и кошки выбегают из дома за несколько секунд до начала землетрясения.

Теперь мы можем сформулировать требования, которые должен выполнять фундамент.

Они будут следующими: - До землетрясения фундамент должен соединяться со зданием, а во время землетрясения фундамент не должен быть соединяться со зданием. Из этой формулировки ясно, что материал фундамента должен обладать различными свойствами в различное время. Автор предлагает реализовать этот принцип следующим образом

Между фундаментом и зданием находится тонкий слой легкоплавкого металла, например, свинца, олова, или иного сплава с низкой температурой плавления.

Теперь, в момент появления «голоса земли», который можно определить специальными приборами, по сплаву пропускается достаточно мощный импульс электрического тока. Металл расплавляется и превращается в жидкость, которая обладает минимальным коэффициентом трения. При землетрясении фундамент будет скользить под зданием, не передавая ему резких горизонтальных колебаний земли. После землетрясения металл остывает и вновь прочно соединяет фундамент со зданием. При повторных толчках процесс повторяется. Такое устройство фундамента в мировом патентном фонде автор не обнаружил. Но оно обязательно появится, когда в нем возникнет необходимость.

Продолжение примера Антисейсмическое здание

Рассмотрим следующий диалектический принцип разрешения противоречий –

Изменение системных отношений.

Этот принцип имеет несколько вариантов. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Вариант - Переход моносистемы в полисистему.

Переход в полисистему широко используется в строительстве антисейсмических зданий и сооружений. Во всех строительных нормах и правилах рекомендуется для увеличения сейсмостойкости здание разделять его на отдельные секции, образуя своеобразную полисистему что значительно повышает сейсмостойкость всего здания.

В конструкциях антисейсмических зданий широко используются разъединительные пояса, антисейсмические перегородки и прочие конструктивные элементы, которые разделяют здание на отдельные секции. В этом случае возникает новое качество – колебания раздельных частей здания не складываются друг с другом и не передаются друг другу.

Вариант - Переход в антисистему или использования антисистемы.

Самое высокое здание на планете расположено на острове Тайвань. Его высота составляет более 500 метров. Строители уверяют, что это здание простит более полутора тысяч лет и выдержит любое землетрясение. Можно считать такую уверенность вполне обоснованной, потому что конструкция здания содержит в себе элементы, в которых реализованы почти все диалектические принципы разрешения физических противоречий возникающих при землетрясении.

Каждый модуль здания изолирован друг от друга. Несущие силовые конструкции имеют гибкие шарнирные соединения. Стены здания имеют возможность изгибаться и перемещаться относительно друг друга. Фундамент расположен очень глубоко в земле и лежит на тех слоях грунта, которые даже при сильных землетрясениях совершают незначительные колебания. Кроме того, фундамент раздроблен и выполнен из множества отдельных элементов, которые имеют внутри себя гибкие стальные стержни.

Самое высокое в мире здание - башня Таiреi 101, остров Тайвань.

Уникальность этого здания состоит не только в том, что в нем в максимальной степени реализован принцип разделения противоречивых требований в пространстве системы, подсистемы и надсистемы, но и в том, что в нем дополнительно используется принцип антисистемы.

На 92 этаже здания Таiреi 101 свободно подвешен груз в виде шара весом около 800 тонн.

Этот груз выполняет функцию своеобразного демпфера колебаний. Во время землетрясения, имея значительную инерционную массу покоя, груз противодействует колебательным движениям здания.

Вариант - Изменение агрегатного состояние вещества.

Трудно представить себе, здание стены, которого выполнены из ... газа.

Однако, такие здания существуют и находят достаточно широкое применение не только к сейсмически опасных районах, но и на зыбких болотистых почвах, текучих песках, на подвижных полярных льдинах. Это надувные здания, которые не только легки и быстро устанавливаются, но и способны выдержать любые землетрясения.

На снимке торговое здание, которое полностью выполнено из надувных конструкций

^[1] Движения почвы при землетрясении имеет свою особенность. Вертикальные толчки наблюдаются только в эпицентре, в достаточно узкой локальной зоне. На всей остальной поверхности, которая может составлять сотни километров, присутствуют резкие горизонтальные перемещения почвы.

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.