Где предел у силы ветра. Репортаж из высокотехнологичных лабораторий НИУ МГСУ - «Технологии строительства»

...Думать, что все передовое, современное и прорывное пришло к нам из-за рубежа, большое заблуждение. Есть немало научных направлений, где Россия занимает передовые позиции. В этом нам довелось еще раз убедиться в рамках пресс-тура в НИУ МГСУ, посвященного импортозамещению в строительной отрасли. 

Здесь, в лабораториях научно-исследовательского кластера Московского государственного строительного университета ведутся уникальные исследования по теоретической и экспериментальной аэродинамике, определению ветровых и снеговых нагрузок, строительной 3D-печати, механическим свойствам грунтов, строительным материалам с новыми свойствами, новым рецептурам строительных смесей. Причем все это разработки, зачастую не имеющие аналогов в мире.

Аэродинамика: глубокий подход

...В этой лаборатории повсюду расставлены уменьшенные модели зданий и сооружений. Каждая из этих моделей уже прошла или готовится к испытаниям в Большой градиентной аэродинамической трубе. Труба расположена тут же – это большой зал с мощными вентиляторами. Конец трубы закручивается в лихую спираль, теряясь вдали. Создаваемый здесь ветровой поток призван испытать конструкцию на сопротивляемость ветру и снегу.

Макет жилого комплекса готов к испытаниям на ветровые и снеговые нагрузки 

Руководитель уникальных исследований, доктор технических наук, профессор, академик РААСН Александр Белостоцкий разворачивает перед нами диаграммы и графики:

- Строительство в конце 20-го – начале 21 века значительно усложнилось. Появилось много уникальных объектов – например, объекты космической инфраструктуры, атомные станции, сложные мостовые переходы, большепролетные сооружения, высотные здания. А вместе с ними пришло и понимание того, что нужен более глубокий подход к определению ветровых нагрузок. Ведь не секрет, что многие сооружения, особенно гибкие, подвержены факторам аэродинамической неустойчивости.

 Академик Белостоцкий знакомит с особенностями своего экспериментально-теоретического метода

Здесь, в лаборатории, решили прибегнуть к синергии: исследовать ветровые и снеговые нагрузки как теоретическими, так и экспериментальными методами. Поэтому на первом этапе создается математическая модель, а затем уже в силу вступает практическая аэродинамика – образец продувают в аэродинамической трубе.

 Та самая аэродинамическая труба

-...Перед вами комплекс «Манжерок» на Алтае, - рассказывает ученый, подводя нас к макету здания с эффектной архитектурой. - В данном случае надо было понять, как его будет обтекать ветер, как оно будет «работать» в сложных горных условиях – ведь расположен объект на высоте примерно тысячи метров над рекой Катунь. Потребовалось построение математической модели плюс эксперименты. С помощью сложнейших манипуляций мы смогли определить объемы воздействия на фасады плюс сейсмику.

 Именно на этом Макете всесезонного курорта "Манжерок" испытывались особенности обтекания этого объекта ветром

Рядом с комплексом модели других объектов, которые исследовались в лаборатории. Например, центр «Волна» - сложность определения ветровых нагрузок здесь была связана с интенсивной окружающей застройкой. Над Национальным космическим центром в Москве тоже пришлось потрудиться: по проекту, наверху расположен шпиль, который подвержен различным негативным физическим эффектам.

А вот кинотеатр «Ударник», который войдет в единый музейный комплекс с ГЭС-2, а сейчас реконструируется, знаменит своей необычной формой, способствующей ветровым вихрям и появлению снеговых мешков. В связи с этим у специалистов возникло много вопросов по ветровым и снеговым нагрузкам. Ему обязательно было показано «ветровое» испытание.

 Диаграмма со значениями ветровых нагрузок для кинотеатра "Ударник" в Москве

По всем этим объектам исследования велись с двух сторон: сопоставлялись результаты физической и математической модели.

Еще один объект – мост в Рублево-Архангельском, пешеходный вантово-арочный. Картину обтекания и параметры аэродинамической устойчивости здесь строили на численной модели. Сейчас этот объект в стадии возведения. 

Аддитивные технологии: «напечатанные» дома – это уже сегодня

...Строительный 3D-принтер работает, не покладая рук...то есть экструдера. Экструдер – емкость, из которой равномерно выдавливается смесь, слой за слоем формируя стены будущего сооружения.

Мы в лаборатории аддитивных технологий.

 Сотрудник НИИ строительных материалов и технологий Павел Воробьев знакомит с возможностями строительной 3D-печати

- Если раньше для того, чтобы смонтировать арматуру, залить опалубку, требовалась целая бригада бетонщиков, то для работы на строительном 3D-принтере нужно всего три человека: тот, кто, на принтере, тот, кто подает рабочую смесь и третий – руководитель, управляющий процессом, - рассказывает младший научный сотрудник НИИ строительных материалов и технологий Павел Воробьев.

В лаборатории сделали акцент на рецептуре строительных смесей. Почему она так важна?

- Тут вот в чем сложность, - продолжает Павел Воробьев. - Из экструдера состав должен выходить гибким и пластичным, но после того, как он от него отделился, он должен быть достаточно жестким, чтобы не потерять форму. Иначе конструкция «поплывет».

Сегодняшние принтеры уже могут печатать по 100 кв. метров ограждающих конструкций за одни сутки. За несколько дней можно напечатать коттедж.

Тем не менее, пока каждая попытка создать аддитивное здание – это езда в незнаемое. Каждый проект – это новый НИОКР, с разной конструкцией принтера, разными смесями. То есть, точных данных, твердых нормативов по стоимости, прочностным характеристикам, скорости возведения объектов пока нет.

Строительный 3D-принтер за работой 

НИУ МГСУ здесь как раз на переднем крае науки: занимается самым проблемным участком – разработкой состава смеси для аддитивного строительства.

Самый высокий 3D – дом сегодня построен в Дубае, его площадь – 641 кв. метр, а высота 9 м. Печатали его ребята из российского стартапа. Между прочим, смесь для этого проекта была разработана здесь, в Московском государственном строительном университете.

-...Там достаточно сложные условия: днем 40-50 градусов жары, а ночью – плюс 15, - посвящает нас в трудности проекта наш собеседник. - К тому же сильные ветры, много песка. И самое главное: вся рецептура должна была состоять из компонентов, которые имеются в наличии на месте. Но справились!

Это здание было напечатано, и сейчас оно используется в качестве офисного.

Кстати, в лаборатории уже разработаны три ГОСТа на строительные смеси для аддитивного производства. А ряд производителей даже начал производить такие смеси в промышленных масштабах.

Не преминули журналисты поинтересоваться и теплозащитными характеристиками такого «напечатанного» дома – ведь он состоит из слоев бетона, уложенных один на другой.

Для строительного принтера подходит только смесь со специальной рецептурой 

- Между слоями существует адгезия - по сути, это монолит, - успокоил Павел Воробьев. Он даже продемонстрировал образец:

- Смотрите, слои превратились в сплошной бетон. Между прочим, это одна из самых остро стоящих задач на сегодня – вопрос сцепления между двумя слоями. В противном случае, это будут просто слои, уложенные друг на друга. И тут ключевую роль играет правильно подобранная смесь. 

Новые материалы: облегченные, дышащие, гидрофобные, теплоизолирующие

В секторе материаловедения НИУ МГСУ разрабатываются новые материалы с самыми разными свойствами. Например, те же сухие строительные смеси после того, как в них добавляется «волшебная» модифицирующая добавка, могут приобретать грязеотталкивающие свойства. Или, например, в разы повышается та самая адгезия – сцепление материала с основанием.

- Над какими проблемами работают ученые-материаловеды? – поинтересовались журналисты у заведующей лабораторией физико-химического анализа НИИ строительного материаловедения НИУ МГСУ Анастасии Абрамовой.

 Заведующая лабораторией физико-химического анализа Анастасия Абрамова демонстрирует образец, выполненный с использованием состава для укрепления грунта

- Посмотрите на отслаивающуюся плитку на улицах, - обращает внимание Анастасия. - В нашей лаборатории, например, с моим участием, разработана новая добавка – поверхностно-активное вещество, которое работает в составе сухой строительной смеси, как промоутер адгезии. Оно минимизирует появление отслаиваний. Нам удалось увеличить адгезию в два раза, а стоимость – в два раза уменьшить.

Или вот, как известно, у сухих смесей плохое сцепление с пенополистиролом. И здесь снова на помощь приходят модифицирующие добавки.

Впрочем, направлений для исследований здесь великое множество.

...Анастасия Абрамова показывает еще один свой любимый образец. Его фишка в том, что он полупрозрачный. Такой материал применяют для устройства несущих стен реактора: через прожилки в камне можно наблюдать за тем, что происходит внутри. Эта технология, как здесь рассказали, абсолютно уникальна и пользуется большой популярностью у заказчиков.

Наша провожатая берет в руки пластины белого цвета:

- Обратите внимание. Это очень интересные штукатурно-шпаклевочные составы, которые обладают теплыми свойствами. Приложите руку: чувствуете тепло? Это технология, которая разрабатывалась для того, чтобы улучшить тактильные качества изделий.

Прикладываем. И правда, теплые.

 Новый материал, разработанный в лаборатории, греет сам по себе

Еще один образец, который демонстрирует хозяйка лаборатории - дышащее покрытие, но при этом полностью гидрофобное: через него не проникает вода. Такой материал может быть использован в отделке зданий.

Вокруг оказалось еще много чудес вроде облегченных кирпичей, использование которых скажется на скорости работ; состава для укрепления грунта, состоящего из опилок и вяжущего – он затвердевает и становится буквально каменным. Все это результат огромного труда специалистов этого научного подразделения.

По словам хозяйки лаборатории, по ряду позиций мы, что называется, впереди планеты всей. А по некоторым – практически отказались от импорта.

Например, сейчас у нас в стране нет необходимости в завозе импортных сухих смесей – мы полностью обеспечиваем себя отечественной продукцией. Единственная проблема – химические добавки, которые повышают качество строительных смесей.

Над ними здесь уже работают. 

Геотехника: если детально знать свойства грунта, можно сэкономить на строительстве объекта

...В научно-образовательном центре «Геотехника» мало людей, потому что грунты и основания не терпят суеты. А именно их-то здесь и изучают.

Наука о механике грунтов постоянно развивается. Появляются новые методы исследования почв и определения их механических характеристик.

- В чем эффект деятельности нашего центра? – задается вопросом его руководитель, директор Дирекции научно-технических проектов НИУ МГСУ Олег Кабанцев. - Если я не точно знаю механические характеристики грунта, я делаю сооружение с запасом. Представьте себе реакторное отделение АЭС – это колоссальные нагрузки на грунт. И если я плохо представляю себе, что будет с этим грунтом сегодня и завтра, я вынужден затрачивать огромные средства на сооружение фундаментов с дополнительным запасом прочности.

Установленное в лаборатории оборудование позволяет на совершенно другом технологическом уровне определять механические характеристики образцов. Основная функция лаборатории – динамические испытания грунтов. Такие испытания необходимы для сооружений, которые находятся в сейсмически опасных районах или испытывают на себе большие динамические нагрузки.

- Например, на базе нашей лаборатории мы выполняли все динамические тесты для атомных станций, в том числе и тех, что находятся за рубежом, - вводит в курс дела заместитель директора научно-технических проектов НИУ МГСУ Станислав Сергеев. – Также у нас испытывались грунты для всех станций Московского метрополитена.

Лаборатория обладает всем комплексом оборудования и имеет самую авторитетную сертификацию.

...Мы подходим к стеклянному цилиндру достаточно большой вместимости. Оказывается, это уникальное оборудование, изготовленное у нас в России, на заводе в Пензе. Как выяснилось, руководством вуза было принято решение делать ставку на российских производителей – 90% оборудования в научно-исследовательском подразделении «Геотехника» - российского производства, но отвечает всем мировым стандартам. Кстати, МАГАТЭ принимает результаты, полученные в этой лаборатории, как наиболее корректные и научно обоснованные.

 Руководитель Дирекции научно-технических проектов НИУ МГСУ Олег Кабанцев показывает уникальное отечественное оборудование для исследования грунтов

- ...Это оборудование позволяет испытывать самые сложные грунты – крупно-обломочные грунты, - дополняет свой рассказ Станислав Сергеев. - В объемистый цилиндр можно поместить огромный образец.  На этом оборудовании испытывались грунты для гидросооружений. Для того, чтобы мы могли провести полноценные испытания, порой требуется привезти до одной тонны грунта.

Исследования грунтов длятся долго, но отрасль готова с этим мириться. Потому что по итогу можно получить большую экономию: на земляных работах, инженерных решениях. Ведь если точно знаешь все характеристики грунтов, не нужно закладывать в сооружение дополнительную прочность. 

Испытания стройматериалов: краш-тесты, которые стали серьезной научной дисциплиной

...Олег Корнев, руководитель лаборатории испытания строительных материалов, конструкций и изделий, легко передвигается среди громоздкой аппаратуры, различных приспособлений, рам, тисков.

Мы в святая святых этого подразделения – там, где, собственно, и испытываются на прочность различные образцы.

В руках Олега Корнева, руководителя лаборатории испытания строительных материалов, композитная арматура, готовая к проверке на излом 

- Наши специалисты работают с реальным сектором экономики: застройщиками, производителями материалов либо центрами, которые создают новые решения, – поясняет Олег Корнев.

В последнее время в лаборатории идут испытания композитных материалов, свойства которых здесь активно изучают. Россия, кстати, является одной из ведущих по применению композитных материалов. Композиты используются в ограждающих конструкциях. Создана композитная арматура.

...Журналистов подводят к огромной штуковине, которой под силу сломать, кажется, даже маленький домик. Это рама для трехосного нагружения конструкции – она позволяет понять, как работает конструкция при усилиях на кручение, других нестандартных нагрузках.

 Эта установка создает усилие, способное сломать даже небольшой дом

На установках лаборатории могут создаваться многоцикловые загружения. Это сотни, тысяч и миллионы циклов. То есть, происходят усталостные испытания конструкции, которая выполнена из материалов неизвестной усталостной прочности. Испытания проходят до тех пор, пока конструкция не даст отказ...

  Лаборатория обладает большим спектром современного оборудования

- На этом же оборудовании мы испытывали анкерные крепления для Росатома, которые подвержены воздействию землетрясений. Это тысячи циклов при очень высоких нагрузках, - продолжает Олег Корнев.

На эту лабораторию спрос в отрасли огромный. Сотрудники, которые здесь работают, это золотой фонд университета.

- Собственно, весь наш комплекс – это чудо-люди, квалифицированные, очень грамотные, - резюмирует директор Дирекции научно-технических проектов НИУ МГСУ Олег Кабанцев.

И тут с уважаемым ученым трудно не согласиться.

Подготовила Елена МАЦЕЙКО

(в пресс-туре «Импортозамещение в строительстве – НИУ МГСУ как основная научно-исследовательская площадка» и пресс-конференции, которая состоялась в его рамках, приняли участие ректор НИУ МГСУ Павел Акимов, заместитель Министра науки и высшего образования РФ Айрат Гатиятов и заместитель Министра строительства и ЖКХ РФ Юрий Муценек. Подробнее об этом можно прочитать здесь.)