Применение закономерностей строения растений при приведении реставрационных работ

Аннотация

И.А. Маяцкая, И.А.Краснобаев, Ю.В. Гончарова

Дата поступления статьи: 30.04.2013

Статья посвящена моделированию растительных материалов и повышению прочностных свойств строительных конструкций с использованием бионических принципов. Рассмотрены различные виды структур арматурных тканей листостебельных растений. Даны рекомендации по использованию арматурных каркасов при проведении реставрационных работ в строительстве.

Ключевые слова: оболочка, прочность, растение, арматурная ткань, строительная конструкция

05.23.17 - Строительная механика

Рассмотрим прочность строительных конструкций, состоящих из следующих элементов:  каркаса и сеток [1]–[10]. Арматура растений – это  стереометрическая система тканей, которая образует каркас, и обеспечивает прочность растительного объекта, т. е. ее способность противостоять воздействию статических и динамических нагрузок [1]–[10]. Как известно, начало систематическому изучению архитектонике растений было положено С. Шведенером и В. Ф. Раздорским, создавшими теорию осуществления строительно-механических принципов в строении растений[1]–[10].

Одним из путей повышения прочностных свойств реставрируемой конструкции является использование закономерностей строения  биологических объектов, например, растений. Это направление позволяет использовать в практике особенности строения растений, которые наиболее приспособлены к различным механическим воздействиям.

В первую очередь необходимо обратить внимание на следующие принципы:

1. Принцип совместной работы структурных компонентов, обеспечивающих высокую надежность функционирования конструкции;

2. Принцип армирования, характеризующий количество, место расположения и форму механической ткани;

3. Принцип структурного построения.

Для стеблей некоторых растений характерна арматурная ткань, которая представляет собой каркас для укрепления волокон. Она может иметь разнообразную форму, и механические свойства которой также могут быть разными в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Каркас может состоять из следующих элементов:  

1. Ряда колец, соединенных между собой нитями или мелкой сетчатой тканью (рис.1,а);

2. Одинарных и двойных спиралей(рис.1,б,в);

3. Сетки с разнообразной структурой, которая включает нити с различными диаметрами и поперечными сечениями (рис.1,г);

4. Структуры, напоминающей  совокупность листовых тонких удлиненных пластинок (рис.1,д).

Рис. 1. – Виды структур арматурных тканей листостебельных растений.

Конструкцию с армированной тканью нужно рассматривать как цельную структуру, но без изучения особенностей ее частей очень трудно понять, как работает данная система.  И конечно желательно учитывать такое свойство листостебельных растений:  внутри  растительного объекта возникает  напряженное состояние, даже когда оно не подвергается внешним воздействиям.  Это свойство характерно для живых организмов.

Применим закономерности строения листостебельных материалов при проведении реставрационных работ в  строительстве. Этот подход позволит улучшить прочностные свойства этих конструкций.

Когда моделирование осуществляется с помощью объекта, имеющего другую природу, то применяется метод аналогий. Мы проводим аналогию между структурой растения и полимерной композитной конструкцией и формально переносим особенности строения с одного объекта на другой. Преимущество этого метода состоит в выяснении тех особенностей строения, которые могут существенно повысить прочностные свойства рассматриваемой конструкции.

Строение стеблей травянистых растений различно. Для однодольных растений в поперечном сечении хаотично расположены коллатеральные проводящие пучки, а для двудольных –  в сечении пучки расположены по кругу, а стебель можно рассматривать как двухслойный цилиндрический стержень. Для полимерных конструкций можно использовать закономерности строения стеблей, только вместо проводящих пучков  можно применять волокна     (рис. 2 а, б).

Рис. 2. – Различные модели расположения стекловолоконной арматуры

в композитной конструкции: хаотично расположены волокна (а), волокна расположены по кругу (б).

Форма поперечного сечения может быть в виде круга или криволинейного многоугольника, семейство которых описывается уравнением вида

,

где , ρ_min –  значение для середины криволинейной стороны, r  – радиус базовой окружности, n  – количество сторон многоугольника (n=8).

Природные растительные конструкции, например, стебли травянистых растений, развивались в ходе длительной эволюции и по своим показателям превосходят технические решения.  Это позволяет использовать принципы строения этих растений при создании новых конструкций. При этом необходимо более детальное изучение строения стеблей с учетом их композитной конструкции.

Изучив особенности строения растительных материалов, можно предложить более сложное по свой структуре модели структуры композитной полимерной арматуры. В настоящее время в основном применяются следующие модели арматуры (рис. 3):

а). каркас состоит из прямых нитей, расположенных по контуру;

б). каркас состоит из прямых нитей, расположенных произвольно в  контуре;

в). каркас состоит из сетки, расположенной по контуру;

г). каркас состоит из системы наклонных нитей, расположенных по  контуру.

Рис. 3. – Различные модели арматурной  структуры

композитных цилиндрических стержней

Если сравнить арматурную ткань на рисунках 1 и 3, то видны существенные различия в структурах конструкций. В дальнейшем для совершенствования композитных строительных конструкций на основе анализа строения растительных объектов необходимы исследования по изучению архитектоники растений и выявление особенностей их строения.

Литература

1. Амосов А.А. Техническая теория тонких упругих оболочек. [Текст]: Монография/ Амосов А.А.  – М.:АСВ, 2009, – 332 с.

2. Филин А.П. Элементы теории оболочек[Текст]: Монография/ Филин А.П..– Л.:Стройиздат, 1975, – 256 с.

3. Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И. Линейная теория тонких оболочек. [Текст]: Монография/ Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И.  –Л.:Политехника, 1961, – 658 с.

4. Огибалов П.М., Колтунов М.Л. Оболочки и пластины[Текст]: Монография/ Огибалов П.М., Колтунов М.Л.–М.:МГУ, 1969, – 696 с.

5. Calladine C.R. Theory of shell structures.– N.Y.: Cambridge University Press, 1989, –788 p.

6. Zingoni A. Shell structures in civil and mechanical engineering.– N.Y.: Thomas Telford Publishing, 1997, –351 p.

7. Краснобаев И.А., Маяцкая И.А. Основы расчета на изгиб тонких жестких пластин [Текст]: Монография / Краснобаев И.А., Маяцкая И.А. – Ростов н/Д, РГСУ, 2011.– 87 с.

8. Краснобаев И.А., Маяцкая И.А., Смирнов И.И., Языев Б.М. Теория пластин и оболочек: [Текст]: Монография / Краснобаев И.А., Маяцкая И.А., Смирнов И.И., Языев Б.М.  – Ростов н/Д, РГСУ, 2011.– 114 с.

9. Математическое моделирование. [Текст]: Монография/ Дж. Эндрюс, Р. Мак – Лоун. – М.: Мир, 1979.

10. Раздорский В. Ф. Архитектоника растений. [Текст]: Монография/ Раздорский В. Ф.  – М.: Советская наука, 19955. – 432с.

11. Саркисян Г. М. Совершенствование несущих конструкций сельскохозяйственных машин на основе использования бионических принципов. [Текст]: дис. докт. техн. наук: 05.20.04 / Саркисян Г. М.  – Ереван, 1992. – 357 с.

12. Пшеничнов Г. И.  Теория тонких упругих сетчатых оболочек и пластин [Текст] / Г. И. Пшеничнов. - М. : Наука, 1982. - 352 с.

13.Литвинов В.В., Кулинич И.И. Соотношения между компонентами поверхностной  нагрузки в оболочках вращения при безмоментном их состоянии.[Текст] //Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона». 2012 №4 (2) [Электронный ресурс].-М. 2012. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru.

14.Стрельников Г.П., Бурцева С.В., Авилкин В.И. К расчету оболочек вариационно-энергетическим методом.[Текст] //Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона». 2012 №4 (2) [Электронный ресурс].-М. 2012. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru.