Объект исследований как сложная система

1.1.1. В целях повышения эффективности исследований сложных строительных конструкций, возможности их максимальной автоматизации и снижения затрачиваемых ресурсов целесообразен подход, основанный на методологической концепции системного анализа [1...3] как одной из основных особенностей современной науки и техники. Это позволит выделить одинаковые для всех типов конструкций процедуры и этапы работ, максимально исключающие субъективность и направленные на оптимальное решение поставленных проблем.

Отсутствие единого теоретического обоснования или даже унифицированной совокупности методов, общих для всех объектов приложения системного анализа вынуждает для каждой проблемы строить свою методологию, впрочем, с обязательным включением общих принципов системности - ряда формальных и неформальных процедур.

1.1.2. Системный подход при исследовании сложных строительных конструкций носит комплексный характер. Объект исследования (конструкция или сооружение) рассматривается как сложная система со всеми необходимыми признаками: наличие подсистем (элементов), объединенных связями (физические, логические, математические), а также выполнение условия целостности функционирования.

1.1.3. В системном анализе при исследовании строительных конструкций выделяются следующие основные логические элементы - исходные категории: цель (или цели); исследования альтернативные средства достижения цели (физическое или математическое моделирование); ресурсы для решения проблемы; система связей между целями, средствами и ресурсами; критерии выбора предпочтительных альтернатив.

1.1.4. При системном подходе выбор методов исследований строительных конструкций производится с учетом их роли в целом. Оптимальные характеристики элементов системы - физических нематематических моделей^-- предполагают рассмотрение их как единого средства достижения цели. Поэтому физический и численный эксперименты должны быть с самого начала согласованы между собой, ориентированы на эффективное решение задач исследований, дополняя друг друга.

1.1.5. Исследования строительных конструкций и сооружений выполняются экспериментальными методами на натурных образцах и физических моделях либо теоретическими, с использованием расчетных моделей.

Физическое моделирование, основанное на теории простого или расширенного подобия, по мере усложнения задач исследований все менее целесообразно, так как не решает задач снижения трудоемкости и стоимости изготовления моделей, соблюдения планируемых сроков эксперимента.

1.1.6. Развитием численных методов расчета сложных конструкций, применением ЭВМ, широким внедрением в инженерную практику универсальных и специальных программных комплексов обусловливается экономическая целесообразность широкого использования в исследованиях сооружений расчетных моделей с назначением достоверных расчетных схем сооружений, ориентированных на решение конкретных исследовательских задач. Однако существующей в настоящее время диспропорцией между высоким уровнем автоматизации самого расчета и методикой построения достоверных расчетных схем реального сооружения существенно снижается надежность численных исследований, вносится известная доля субъективности в получаемые результаты.

Традиционно экспериментальные и численные исследования проводятся независимо друг от друга. В лучшем случае сопоставляются результаты. При этом проведенный анализ нисколько не повлияет на саму стратегию и методику эксперимента. Все это исключает существенное ускорение и повышение результативности работ.

1.1.7. Физический и численный (математический) эксперименты рассматриваются как единая система средств (организованный комплекс), направленных на наиболее эффективное решение задач исследования.

Расчетные и физические модели, как элементы системного анализа, по сравнению с аналогичными моделями, используемыми в обычных исследованиях, характеризуются целенаправленностью и ясностью. Системный подход обусловливает применение нового класса физических моделей, разработанных с использованием функционального подобия, что существенно упрощает их конструкцию и уменьшает объем экспериментальных исследований.

1.1.8. Сочетание при исследовании сложных строительных конструкций методов физического и математического моделирования обусловливает целесообразность применения принципа декомпозиции (членения) объекта исследований на более простые элементы, раздельные испытания которых потребуют гораздо меньше ресурсов по сравнению с испытаниями всей системы. Особенно этот принцип эффективен при исследовании сооружений, состоящих из большого количества однотипных элементов и узлов.

Расчетная модель системы может быть получена путем композиции расчетных моделей подсистем с проверкой их адекватности, что существенно упрощает процедуру установления достоверности.

1.1.9. В основу декомпозиции по п. 1.1.8 настоящих методических рекомендаций должны быть положены принципы, обеспечивающие системный подход к организации исследований:

затраты ресурсов на ведение работ должны быть меньше, чем без членения;

принцип декомпозиции должен выполняться с обеспечением независимости результатов исследований отдельных подсистем;

из возможных вариантов декомпозиции предпочтительнее тот, при котором порядок членения, определяемый максимальным количеством неизвестных расчетных параметров в каждой подсистеме, будет наименьшим.

При декомпозиции сложной системы важную роль играют так называемые неформальные методы, основанные на опыте и интуиции исследователя.

1.1.10. Рассматривая процесс исследования строительных конструкций как некоторую систему, необходимо выделить в ней три основные подсистемы:

экспериментальные исследования на физических моделях;

расчетные исследования на математических моделях;

связь между экспериментом и расчетом, включающая идентификацию некоторых параметров расчетной модели, проверку ее адекватности и корректировку.

1.1.11. В научном понимании между физическими и расчетными моделями существует общность (каждая из них представляет собой упрощенное воспроизведение процессов, происходящих в реальной системе и внешней обстановке).

Различие между ними заключается в средствах представления объекта исследований: физические модели - материальные системы, математические или расчетные - знаковые.

Общность физических и математических моделей обусловливает единообразие описания их характеристик и воздействий (входные параметры), а также функциональных параметров их состояния (выходные параметры), для чего используются символика и некоторые основные понятия теорий множеств и алгоритмов.

1.1.12. Признаки, по которым исследуемый объект выделяется из ассортимента других, образуют множество параметров Р. Изменение внешних условий, влияющих на состояние объекта.характеризуется множеством воздействий нагрузок N = { n_K }. Естественно, что множества Р и N включают в себя лишь свойства и воздействия, связанные с изучаемой проблемой. Как правило, они определяются вместе с постановкой задачи до начала исследований.

В расчетных моделях объекта исследований множество Р разбивается на два подмножества: М = { т₂ } ( параметры объекта, известные априори) и Χ = { х_i } (параметры, подлежащие определению в процессе исследований).

При этом Р = МUX. Таким образом, результат исследований - множество параметров напряженно-деформированного состояния Y = { y_i }.

1.1.13. Множества Р, Y должны однозначно характеризовать в интересующем исследователя аспекте, состояние и поведение объекта исследований как до, так и после приложения воздействий N. При решении конкретных исследовательских задач необходимо обращать внимание на корректность их выбора, руководствуясь тем, что между множествами N, Р и У устанавливается функциональное соответствие, которое будет заключаться в следующем:

Каждые

поставлены в соответствие хотя бы одному элементу

;

каждому

соответствуют единственные непустые множества

,

причем этим подразумевается наличие некоторой функции

,

Примечание. В математике слово "функция" употребляется в чрезвычайно широком смысле. В нашем же случае под функцией у = f (х) будем понимать всякое правило (закон), ставящее в соответствие каждому некоторый единственный элемент . Множество χ - область определения функции, Y - множество значений. Основа функции - алгоритм (предписание), позволяющий по каждой совокупности исходных данных из некоторого числа множеств, возможных для данного алгоритма, получить результат, если таковой существует, в противном случае - не получить ничего.

Совокупность всех исходных данных, к которым применим данный алгоритм, называется областью его применимости., которая совпадает с областью определения функции, задаваемой им. Два алгоритма считаются равносильными, если совпадают области применимости, а для любого объекта, взятого из этой области, сходятся результаты обоих алгоритмов. Каждый алгоритм может быть записан в конечном счете с помощью слов и необходимых математических символов.