На кафедре автомобильных дорог, мостов и тоннелей СПбГАСУ исторически сильны исследования в области надёжности конструкций, определения их ресурса и выносливости, анализа динамических характеристик. Ассистент кафедры Николай Козак под руководством профессора Владимира Быстрова рассчитывает выносливость узлов объединения сталежелезобетонных пролётных строений. Мы попросили молодого учёного рассказать о его исследованиях.

– Объектами в моём исследовании выступают узлы объединения сталежелезобетонных пролётных строений. Это анкера, объединяющие стальную балку и железобетонную плиту в единую конструкцию. Обследования существующих сталежелезобетонных мостов показали, что на многих объектах наблюдаются провисания пролётных строений, вызванные, как правило, потерей их жёсткости. Причиной этого часто становится недостаточная выносливость элементов объединения, что объясняется неточностями в расчётах.

– Что подразумевается под термином «выносливость»?

– Это способность элемента противостоять усталости, то есть разрушению под воздействием циклических нагрузок, что очень актуально для мостов, где нагрузки от транспорта динамичны как по величине, так и по положению. Как показал анализ существующих практик расчёта, по отечественным мостовым нормативам выносливость элементов объединения не принимается во внимание вовсе, а используемая за рубежом упрощённая модель оценки с эмпирическими порогами выносливости вызывает вопросы на уровне теоретического обоснования. Собственно, цель моего исследования – разработка методики определения выносливости элементов объединения, применение которой на практике позволит избежать преждевременных усталостных разрушений.

– Проводились ли подобные исследования в университете раньше?

– Исследования по данной области на нашей кафедре проводились еще с 1980-х годов. Доктор технических наук, профессор Наталия Новожилова, в то время заведовавшая кафедрой, занималась вопросами усталости металла мостовых конструкций; Владимир Быстров исследовал надёжность конструкций. Мои работы созданы на фундаменте этих исследований. Смежных областей часто касались и последние опубликованные исследования Петербургского университета путей сообщения, Московского автодорожного института, ЦНИИТС, Томского архитектурно-строительного университета, а также зарубежных издателей – некоторые из гипотез использованы и в моих моделях. Особенно непросто было с анализом зарубежных исследований – слишком уж разошлись у нас инженерные методы оценки выносливости, приходилось глубоко изучать теоретические обоснования предлагаемых методик.

– Что вы и ваши коллеги установили в ходе работы? Каковы ваши главные выводы?

– Наибольшее научное удивление мы испытали, когда провели математическое моделирование сдвиговых усилий в узлах объединения строящегося ныне моста от произвольных транспортных средств и затем сравнили результаты расчёта выносливости упоров по четырём методикам – отечественной, используемой в Евросоюзе, в США и на Украине. Последняя методика весьма интересна именно синтезом отечественных и европейских методов.

По результатам расчёта выяснилось, что по отечественным нормам расчётные значения составляют 60% от предельных нормируемых значений контролируемых величин, а по всем остальным рассмотренным нормам – 115–150%!

Мы оказались на распутье парадигм и приняли решение о проведении эксперимента. Он нужен, чтобы определить, какой метод всё же ближе к фактическому состоянию. Далее начались работы по подготовке эксперимента – нужно было найти тензометрическое оборудование, изготовить к нему компоненты, разработать способ защиты наклеиваемых на упоры и далее бетонируемых тензорезисторов от внешних воздействий… На сегодняшний день с данной задачей мы справились, оборудование стоит на мосту и ждёт бетонирования плиты.

– Где, когда и как будет проводиться эксперимент?

– Эксперимент будет проводиться на реконструируемом мосту через реку Вуокса в Выборгском районе Ленинградской области, расположенном на федеральной автомобильной дороге А-181 «Скандинавия» на участке подъезда к многостороннему автомобильному пункту пропуска «Светогорск», недалеко от границы с Финляндией и города Светогорска. В эксперименте будет задействован мобильный комплекс динамического мониторинга напряжений, в данный момент ещё решается вопрос о конкретной модели. Я наклеил на конструкцию первичные элементы – тензорезисторы, к которым потом будут подключаться преобразователи.

Мост планируют закончить весной-летом 2021 года, после этого мы подключим тензорезисторы к преобразователям и будем записывать историю изменений напряжений на элементах объединения. В начале – от специальных нагрузок в рамках приёмочных испытаний моста, а потом будем смотреть на воздействия от потоков проходящих транспортных средств. Мы хотим получить информацию о реальном уровне нагружения элементов и параметрах циклов изменений напряжений.

– С кем вы сотрудничаете, кто помогает вам в работе?

– По теме своего исследования я работаю с самым широким кругом коллег. Конечно, в первую очередь это мой научный руководитель профессор Владимир Аполинарьевич Быстров, который корректирует путь моего исследования и помогает в глобальных вопросах. Часто обращаюсь за консультациями к другим старшим сотрудникам нашей кафедры, и не только. Получив весной опыт стажировки в университете города Софии (Болгария) по программе Erasmus+, я наладил контакты с болгарскими исследователями, сейчас регулярно переписываемся и делимся своими идеями.

• Ну а в решении частных задач исследования приходится организовывать настоящую командную работу! В организации натурного эксперимента мне очень помог старший преподаватель нашей кафедры Николай Даляев, а запуск системы мониторинга невозможно представить без старшего преподавателя Дмитрия Ярошутина. С Дмитрием Андреевичем у нас весьма близкие темы диссертационных исследований – получается неплохой симбиоз. Это как раз преимущество единой научной школы.

При проведении математического моделирования обращаюсь за консультациями и к сотрудникам других кафедр – так, конечно-элементную модель узла в Abaqus мы строим совместно с ассистентом кафедры железобетонных конструкций Ниной Пучковой, с которой знакомы ещё со студенческих времен. По некоторым вопросам полезно пообщаться со студентами выпускных курсов, у которых очень свежий взгляд на многие проблемы. В части вопросов обращаюсь за советами и к своим коллегам вне университета – для решения моих задач необходима обработка больших массивов данных, тут никуда без программистов.

– Поделитесь, пожалуйста, своими дальнейшими планами.

– Пока что основные планы связаны с данной темой, однако не выпускаю из головы и другие интересы – возможно, в будущем они окажутся первостепеннее. Потихоньку со студентами развиваем тему оценки и регулирования эстетических качеств мостовых конструкций – как показал недавний симпозиум IABSE в Польше, за рубежом эта тема достаточно важна и широко обсуждаема. Не оставляю и тему информационного моделирования конструкций, пусть и в меньших объемах, чем в годы студенчества. Но в целом, конечно, в первую очередь сейчас важна диссертационная задача определения выносливости: необходимо сфокусироваться на узком спектре задач.