აკადემიკოს ლევან ჯაფარიძის ახალი მონოგრაფია
- ივნისი 6, 2024
მიმდინარე წელს, საქართველოს მეცნიერებათა ეროვნული აკადემიის აკადემიკოსის, გ. წულუკიძის სამთო ინსტიტუტის „მიწისქვეშა ნაგებობათა მშენებლობისა და საბადოთა დამუშავების ცენტრის“ ხელმძღვანელის, ლევან ჯაფარიძის ავტორობით, კომპანია Springer Nature Switzerland AG-ს მიერ გამოქვეყნდა მონოგრაფია: „Serviceability Limit States of Underground Structures“ („მიწისქვეშა ნაგებობების საექსპლოატაციო პირობების ზღვრული მდგომარეობები“).
წიგნი გამოქვეყნდა სერიაში, რომელიც აერთიანებს ინჟინერიის, ფიზიკისა და მათემატიკის პრინციპებს მასალათმცოდნეობასთან, მექანიკური სისტემების გაანგარიშებასა და დაპროექტებასთან. სერია ქვეყნდება მექანიკური ინჟინერიის ყველა სფეროში და მიჰყვება ამერიკის მექანიკოსთა საზოგადოების (American Society of Mechanical Engineers (ASME)) ტექნიკური განყოფილების კატეგორიებს. (https://doi.org/10.1007/978-3-031-51900-0)
ISSN 2573-3168 ISSN 2573-3176 (electronic)
Synthesis Lectures on Mechanical Engineering
ISBN 978-3-031-51899-7
ISBN 978-3-031-51900-0 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-031-51900-0
https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-51900-0
© The Editor(s) (if applicable) and The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2024
მონოგრაფიაში წარმოდგენილია:
სამთო, სატრანსპორტო, ჰიდროტექნიკური, კომუნალური, სამხედრო-საინჟინრო და სხვა დანიშნულების მიწისქვეშა ნაგებობების მშენებლობის მოცულობა ყოველწლიურად იზრდება მთელ მსოფლიოში. უკვე დამკვიდრდა ახალი ტერმინიც – „მიწისქვეშა ურბანიზაცია“. შესაბამისად მათი პროექტების საიმედოობისა და ხარისხის გაუმჯობესება, მიწისქვეშა მშენებლობის დროისა და ღირებულების შემცირება თანამედროვეობის მნიშვნელოვანი ეკონომიკური გამოწვევებია.
მიწისქვეშა ნაგებობების გაანგარიშების მეთოდები ვითარდებოდა სამშენებლო მექანიკის მაგალითზე და შედგებოდა ოპერაციების სამი ცალკეული ჯგუფისგან:
- ძირითადი სქემისა და საანგარიშო დატვირთვების დადგენა;
- შიგა ძალვების და დეფორმაციების გამოთვლა;
- კონსტრუქციის მუშაუნარიანობის შემოწმება მოცემული პირობებისთვის ან საჭირო და საკმარისი კონსტრუქციების შერჩევა.
გაანგარიშების პირველი ჯგუფი წარმოადგენს ქანების მექანიკის ერთ-ერთ ტრადიციულ პრობლემას და მიღებულია მნიშვნელოვანი შედეგები. ესენია:
- ფორმულირებულია ამიწისქვეშა კონსტრუქციების მუშაობის ძირითადი, მოცემული დატვირთვის, მოცემული დეფორმაციის და ინტერაქტიული დეფორმაციის („კონვერგენცია-შეზღუდვის“) რეჟიმები;
- დადგინდა, რომ სამთო-ტექნიკური პირობების ფართო სპექტრისთვის დამახასიათებელია ქანების მასივის და სამაგრი სტრუქტურის მუშაობა ინტერაქტიული დეფორმაციის რეჟიმში ცალკე ან მოცემული დატვირთვისა და მოცემული დეფორმაციის რეჟიმებთან ერთად;
- შემუშავდა თეორიული, ექსპერიმენტული და ნატურულ-ანალიტიკური („back-analyze“) მეთოდები სამაგრ კონსტრუქციებზე დატვირთვების დასადგენად.
ოპერაციების მეორე ჯგუფის, ანუ შიდა ძალვების და დეფორმაციების გაანგარიშება, ანუ სისტემის სტატიკური გაანგარიშება ასევე მიწისქვეშა ნაგებობების მექანიკის ზოგადი პრობლემაა. ამჟამად დამუშავებულია სამაგრების გაანგარიშების პრაქტიკულად ზუსტი მეთოდები მოცემული დატვირთვების რეჟიმში. ინტერაქტიული დეფორმაციის რეჟიმებში ცალკე ან მოცემული დატვირთვისა და მოცემული დეფორმაციის რეჟიმებთან ერთად. გამოთვლის მეთოდების ზოგიერთი საკითხი საკონტაქტო პირობების გათვალისწინებით, კვლავ პრობლემატურია.
ოპერაციების მესამე ჯგუფი, ანუ მიწისქვეშა ნაგებობების კონსტრუქციული გაანგარიშების მეთოდები, ყველაზე სპეციფიკურია. აქ გამოყენებულია სტატიკურად რკვევადი სტრუქტურის გააგარიშების მეთოდები, რომლებიც ითვალისწინებენ სამაგრის შერჩევას ან შემოწმებას მაქსიმალური ძაბვების კრიტერიუმებით. მეთოდების დიდი უმრავლესობა სტრუქტურებს განიხილავს დრეკად სტადიაში. თუ ეს კრიტერიუმი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოცემული დატვირთვის რეჟიმში მყოფი სტატიკურად რკვევადი სტრუქტურებისთვის, ქანების მასივთან ინტერაქტიული დეფორმაციის რეჟიმის შემთხვევაში მაქსიმალური ძაბვების კრიტერიუმი ხშირად იძლევა მასალების ჭარბ ხარჯს. მაქსიმალური ძაბვების კრიტერიუმი არ ითვალისწინებს მიწისქვეშა ნაგებობების მნიშვნელოვან სპეციფიკას, რომ პლასტიკური დეფორმაციების გაჩენა საყრდენის რომელიმე წერტილში არ ნიშნავს კონსტრუქციის მზიდუნარიანობის ამოწურვას. პლასტიკური სახსრების გაჩენის და „მექანიზმად“ გადაქცევის შემდეგაც კი იგი შეიძლება აკმაყოფილებდეს საექსპლოატაციო მოთხოვნებს მანამ, სანამ მიღწეული არ იქნება მასალის დეფორმაციის ზღვარი ან არ დაირღვევა სტრუქტურის მდგრადობა, არ შემცირდება დასაშვებზე მეტად განივკვეთის ფართობი, ან სამაგრის კონტურის მაქსიმალური გადაადგილება არ აღემატება მის დასაშვებ მნიშვნელობებს სტრუქტურის საოპერაციო მოთხოვნებთან მიმართებაში.
მიწისქვეშა ნაგებობების დაპროექტებამ უნდა უზრუნველყოს ფუნქციონირება და უსაფრთხოება მშენებლობისა და ექსპლუატაციის მთელ პერიოდში. ფუნქციონირების შეუსრულებლობა განსხვავებულია სხვადასხვა ტიპის სტრუქტურისთვის. დასაშვებზე მეტი გადაადგილება, ბზარები და გრუნტის წყლების გაჟონვა ურბანული მაგისტრალის ან მეტროს გვირაბში ითვლება საექსპლოატაციო პირობების დარღვევად, მაშინ როცა მაღაროს, შახტის ან სოფლის წყლის გვირაბისთვის ასეთი რამ დასაშვებ ნორმატიულ ზღვრებში შეიძლება მისაღებიც იყოს. მაშასადამე, სტრუქტურის გამოთვლის მეთოდმა უნდა დადგინოს ზღვრული მდგომარეობის სქემები და გამოხატოს მათი მიღწევა ზღვრული ძალების, ძაბვების, დეფორმაციების ან გადაადგილების სიდიდეებით. ეს კი დამოკიდებული იქნება სტრუქტურის ნორმალური მუშაობის პირობებით.
ყველაფერმა ამან განსაზღვრა მიწისქვეშა ნაგებობების „საექსპლოატაციო პირობების ზღვრულ მდგომარეობებზე გაანგარიშების“ (SLS) აუცილებლობა, რომლის შესაბამისი მეთოდები უკვე ეფექტურად გამოიყენება მრავალი საინჟინრო სტრუქტურის დაპროექტებისას. ეს პრინციპები საერთოა ყველა ტიპის სტრუქტურისთვის და ყველაზე სრულად და ეკონომიურად განსაზღვრავს მის მზიდუნარიანობას. ამასთან, ზღვრული მდგომარეობის თითოეული კრიტერიუმი და გაანგარიშების მეთოდი დადგენილი უნდა იყოს კონსტრუქციის ტიპისა და მასალის, დატვირთვის სპეციფიკური პირობებისა და სტრუქტურის მიმართ საექსპლოატაციო მოთხოვნების მიხედვით. ასეთ ფორმულირებაში დატვირთვების, შიგა ძალვების და კვეთების შერჩევის ზემოთ აღნიშნული ეტაპები, როგორც წესი, ცალკ-ცალკე ვერ შესრულდება. ეს იმიტომ, რომ ინტერაქტიული დეფორმაციის რეჟიმში შერჩეული კონსტრუქციის მექანიკური პარამეტრები განსაზღვრავს თვით სტრუქტურის საანგარიშო სქემას, გარე და შიდა ძალების, დეფორმაციების სიდიდეს და განაწილების ხასიათს. ანუ ადგილი აქვს არაწრფივ დამოკიდებულებას სტრუქტურულ ელემენტებს – სამაგრ კონსტრუქციასა და ქანების მასივის საკონტაქტო ზედაპირზე წარმოშობილ ძაბვებსა და გადაადგილებებს შორის. მიწისქვეშა ნაგებობების ამ სპეციფიკამ მნიშვნელოვნად გაართულა პრობლემის გადაწყვეტა და მოითხოვა ფუნდამენტურად ახალი მიდგომა.
ბოლო წლებში ქანების თეორიული და ექსპერიმენტული მექანიკის დარგში მიღწეულია მნიშვნელოვანი შედეგები და გამოქვეყნდა მნიშვნელოვანი ნაშრომები სამთო, სატრანსპორტო, ჰიდროტექნიკური და სხვა დანიშნულების სტრუქტურების დაძაბულ-დეფორმირებული მდგომარეობის შეფასების მეთოდებზე. ამ მეთოდებით შესაძლებელია აისახოს ნაგებობის სტრუქტურული ელემენტების ბუნებრივ და ხელოვნურ ნაწილებში დრეკადი, პლასტიკური და რეოლოგიური დეფორმაციები რეალური სამთო-ტექნიკური პირობებისა და მშენებლობის ტექნოლოგიების შესახებ ცნობილი მონაცემებით. ამრიგად, პრაქტიკულად შექმნილია თეორიული საფუძველი სხვადასხვა დანიშნულების ნაგებობის გასაანგარიშებლად. თუმცა, პრაქტიკაში, ძირითადი სქემა, ფაქტობრივად, ჯერ კიდევ ტრადიციულად მიიღება “საინჟინრო ანალოგიის” მოსაზრებებით, რაც ხშირად იწვევს მნიშვნელოვან შეუსაბამობებს პროექტსა და რეალურ მდგომარეობას შორის.
ეს შეიძლება გამოწვეული იყოს ზღვრული წონასწორობის მეთოდების იმ ნაწილის გავლენით, რომელიც საანგარიშო პარამეტრებს განსაზღვრავს ნორმატიული მაჩვენებლების გამრავლებით დატვირთვებისა და მასალების თვისებების გაურკვევლობის საკომპენსაციო ე.წ. ერთიანი მარაგის კოეფიციენტის შემცვლელ დიფერენცირებულ კოეფიციენტებზე. ამას ზოგჯერ შეიძლება ასევე შეუწყოს ხელი მიწისქვეშა ნაგებობების ოპტიმალური დიზაინის კრიტერიუმების სიცხადის ნაკლებობამ სპეციალურ და საცნობარო ლიტერატურაში. ეს წინააღმდეგობები ხშირად აყენებს დიზაინერს რთულ ვითარებაში, როდესაც მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უახლესი მიღწევების გათვალისწინების სურვილი დგება გარდაუვალი აუცილებლობის წინაშე, იხელმძღვანელოს მარეგულირებელი დოკუმენტებით, რომლებიც ზღუდავს შემოქმედების გარკვეულ ხარისხს. თუმცა, ეს არ უნდა იყოს მიზეზი, რომ მივატოვოთ ნორმატიული და საცნობარო ლიტერატურა, არამედ განვავითაროთ ისინი ახალი მიღწევებით მიწისქვეშა ნაგებობების გაანგარიშების, დიზაინისა და მშენებლობის თეორიასა და პრაქტიკაში.
წინამდებარე მონოგრაფიაში განხილულია სხვადასხვა დანიშნულების მიწისქვეშა ნაგებობების ძირითადი სქემები. შემუშავებულია შესაბამისი მათემატიკური მოდელები მიწისქვეშა ნაგებობის მშენებლობისა და ექსპლუატაციის ძირითადი გეომექანიკური და ტექნოლოგიური ფაქტორების გათვალისწინებით. ტექნიკური და ეკონომიკური თვალსაზრისით ოპტიმალურის განსაზღვრის განზოგადებული კრიტერიუმებია: კონსტრუქციის ფორმა და ზომა, კონსტრუქციის მზიდუნარიანობა მასივის სტრუქტურული მახასიათებლების: გრავიტაციული, ტექტონიკური, სეისმური და პირველადი in situ ძაბვების მიხედვით. შემოთავაზებულია განივკვეთის სხვადასხვა ფორმის მიწისქვეშა ნაგებობის გაანგარიშების ალგორითმები და რიცხვითი მაგალითები.
აგრეთვე აკადემიკოს ლევან ჯაფარიძის ავტორობით საქართველოს ტექნიკურ უნივერსიტეტში დაიბეჭდა სახელმძღვანელო „მიწისქვეშა ნაგებობათა მექანიკა“.
სახელმძღვანელოში წარმოდგენილია:
სამთო-სატრანსპორტო, ჰიდროტექნიკური და სხვა დანიშნულების მიწისქვეშა ნაგებობის სწორად დაპროექტება, მისთვის საჭირო ტექნიკურ-ეკონომიკური მახასიათებლების სათანადო უზრუნველყოფა შეუძლებელია გვირაბის ირგვლივ ქანების მასივის დაძაბულ-დეფორმირებული მდგომარეობის შეფასებისა და მიწისქვეშა კონსტრუქციების გაანგარიშების მეცნიერულად დასაბუთებული, კორექტული მეთოდების გამოყენების გარეშე. ამ მნიშვნელოვანი საინჟინრო პრობლემის თეორიულ საფუძველს წარმოადგენს საკითხები, რომლებიც შეადგენს შედარებით ახალ სამეცნიერო დისციპლინას – „მიწისქვეშა ნაგებობების მექანიკას”. იგი ჩამოყალიბდა, ძირითადად, ორი საგნის – „ქანების მექანიკის” და „სამშენებლო მექანიკის” მეთოდების ხანგრძლივი განვითარებისა და ურთიერთშერწყმის შედეგად. უმაღლესი სასწავლებლების პროგრამის მიხედვით „მიწისქვეშა ნაგებობების მექანიკის” საგანი განმარტებულია, როგორც სამეცნიერო დისციპლინა სტატიკურ და დინამიკურ ზეგავლენებზე მიწისქვეშა საინჟინრო კონსტრუქციების სიმტკიცეზე, სიხისტესა და მდგრადობაზე გაანგარიშების მეთოდების შესახებ. ამასთან მიწისქვეშა საინჟინრო კონსტრუქციად ითვლება არა მარტო გვირაბის მზიდი სამაგრი ან მოპირკეთება, არამედ სისტემა „სამაგრი – ქანის მასივი” და მისი ელემენტები. ქანების მექანიკის საკითხების შესახებ ამჟამად მრავალი კაპიტალური შრომა არსებობს უცხო ენებზე. ქართულ ენაზე ერთადერთი სახელმძღვანელო ქანების მექანიკისა და გვირაბების გამაგრების სახელწოდებით ეკუთვნის პროფ. ე. ცისკარიშვილს. ამ წიგნს უკვე ნახევარ საუკუნეზე მეტია, რაც იყენებენ სამთო და გეოლოგიური სპეციალობის სტუდენტები, მეცნიერები, მიწისქვეშა ნაგებობებისა და შახტების ქართველი მშენებელი ინჟინრები. რაც შეეხება მიწისქვეშა ნაგებობების მექანიკას, ეს წიგნი ქართულ ენაზე პირველად გამოიცა 1984 წელს პროფესორ ე.ცისკარიშვილის რედაქციით, პროფესორების შ.ნაფეტვარიძის და ა.ლოსაბერიძის რეცენზიებით. იგი გათვალისწინებული იყო როგორც სახელმძღვანელო, თუმცა შეიცავდა მონოგრაფიულ მასალასაც, ავტორის საკუთარი კვლევის შედეგებს, რაც წარმოადგენდა ახალ სამეცნიერო მიმართულებებს მიწისქვეშა ნაგებობების თეორიასა და ზღვრულ მდგომარეობებზე გაანგარიშების მეთოდებში. წიგნის გამოსვლიდან დღემდე მსოფლიოში გამოცემულმა სამეცნიერო შრომებმა დაადასტურეს ამ სამეცნიერო მიმართულებების ორიგინალურობა და პროგრესულობა, მათზე დაფუძვნებული გაანგარიშების მეთოდების პრაქტიკული მნიშვნელობა. ამ ხნის განმავლობაში გამოთვლითი ტექნიკის განვითარებამ მნიშვნელოვნად გააადვილა მათი ეფექტური გამოყენება. სამთო, სატრანსპორტო, ჰიდროტექნიკური, კომუნალური და სხვა, სპეციალური დანიშნულების მიწისქვეშა ნაგებობების მექანიკის ამოცანების ჩამონათვალი იმდენად დიდია, ხოლო მათი გადაწყვეტის მეთოდები და საშუალებები იმდენად მრავალფეროვანი, რომ ერთ წიგნში ყველა მათი განხილვა შეუძლებელია. ამიტომ საჭირო გახდა საკითხების შემოფარგვლა და ზოგიერთი უმნიშვნელოვანესი პრობლემების მხოლოდ ზოგადი, სქემატური წარმოდგენა, მათი თანმიმდევრული გადმოცემა ერთიანი მეთოდიკით. ეს უკანასკნელი გამოიხატება იმაში, რომ მიწისქვეშა ნაგებობების დაძაბულდეფორმირებული მდგომარეობის თვისობრივი და რაოდენობრივი შესწავლისას უპირატესობა ენიჭება ანალიზურ და რიცხვით მეთოდებს, მათზე დაფუძნებულ კომპიუტერულ პროგრამებს. ამასთან ქანების მასივის მოდელირება, ძირითადად, ხდება უწყვეტი ტანის მექანიკის (დრეკადობის, პლასტიკურობისა და ცოცვადობის თეორიების) აპარატით, ხოლო სამაგრი კონსტრუქციების მუშაობა კი მასალათა გამძლეობის შედარებით მარტივი მეთოდებით. ეს იძლევა იმის საშუალებას, რომ მიწისქვეშა ნაგებობების მექანიკის საკმაოდ რთული ამოცანები გადმოცემულ იქნას შედარებით მარტივ ფორმებში პრაქტიკისათვის საჭირო სიზუსტის შენარჩუნებით. ეს წიგნი წარმოადგენს 1984 წლის გამოცემის შევსებულ და გადამუშავებულ ვარიანტს. მისი მნიშვნელოვანი ნაწილი შეიცავს ავტორის საკუთარი კვლევის შედეგებს. სხვა მკვლევარების შედეგების გამოყენებისას ტექსტში ყველგან სათანადოდ მითითებულია პირველწყარო. სახელმძღვანელოს შედგენა მეტად რთული და პასუხსაგები ამოცანაა და ეს ცდაც არ შეიძლება უნაკლო იყოს როგორც შინაარსობრივი, ისე ტერმინოლოგიური თვალსაზრისით. მადლობით მივიღებ ყოველ მართებულ შენიშვნას. განსაკუთრებული მადლობა მინდა გამოვხატო რედაქტორების პროფესორ დავით გურგენიძისა და ნიკოლოზ ჩიხრაძის მიმართ. ისე მადლობელი ვარ პროფესო დავით გორგიძის ხელნაწერშივე ყურადღებით წაკითხვის, მეტად სასარგებლო შენიშვნებისა და რჩევებისათვის
