Деревянная архитектура, особенно в регионах с богатым историческим наследием, представляет собой хрупкий пласт культуры. Основным строительным материалом здесь является древесина — природный органический материал, подверженный естественному старению и воздействию внешних факторов.
Однако в процессе длительной эксплуатации происходит снижение ее первоначальных механических характеристик. Конструкции испытывают воздействие перепадов температуры и влажности, что может приводить к деформациям. По статистике за 2018 год, в России насчитывается более 8,5 тысяч деревянных объектов культурного наследия, более трети которых находятся в неудовлетворительном или аварийном состоянии.
На практике для восстановления несущей способности старых элементов применяется ряд традиционных инженерных методов. Например, полная или частичная замена. Она предполагает удаление поврежденной детали целиком или ее дефектного участка с последующей установкой нового, изготовленного из аналогичной древесины. Другой классический метод — усиление с помощью металлических элементов. Для локального восстановления прочности ослабленной части к ней крепятся стальные накладки, которые стягивают конструкцию, препятствуя развитию дефекта.
Главная проблема в том, что замена поврежденных исторических конструкций на новые, даже при использовании аналогичных материалов и технологий, часто рассматривается как крайняя мера. Это нарушает их исторический облик, увеличивает нагрузку на фундамент и не всегда реализуемо в стесненных условиях памятника. Такой подход может привести к утрате подлинности объекта, что является одним из ключевых критериев в современной реставрационной практике. Также процесс демонтажа конструкций — это высокий риск причинения непреднамеренных повреждений. Можно нарушить кладку, разрушить соседние оригинальные элементы и ухудшить состояние стен.
Композитные материалы на основе углеволокна сегодня рассматриваются как альтернатива, отвечающая принципу минимального вмешательства. Они не меняют габариты и облик конструкций, обладают высокой прочностью при малом весе и наносятся методом наклейки. Однако их широкое применение в реставрации сдерживается отсутствием в отечественной практике применимых и точных инструментов проектирования.
Основным способом инженерного анализа в мире сегодня считается метод конечных элементов (МКЭ) — программный инструмент, который рассчитывает поведение частей объекта под нагрузкой. Его применение для реставрации деревянной архитектуры неэффективно, поскольку изначально он создавался для решения иных задач — например, проектирования новых типовых конструкций из однородных материалов.
Использование метода конечных элементов также ограничено из-за сложности моделирования, при котором необходимо отдельно рассмотреть все слои детали. Когда стоит задача укрепить памятник, состоящий из десятков уникальных поврежденных деталей, его применение будет чрезмерно трудоемким для специалиста.
Из-за отсутствия в российской практике альтернатив для работы с повреждениями, использование метода конечных элементов становится неэффективным. В таком случае специалисты часто отказываются от детальных расчетов и определяют количество материала «на глаз», опираясь на общие рекомендации поставщиков. Такое решение не учитывает индивидуальные особенности каждого исторического элемента: реальную степень износа древесины, точное расположение трещин и наличие скрытых дефектов.
Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ создали инженерный инструмент для усиления исторических деревянных конструкций углеволокном. На сегодня в отечественной практике нет прямых аналогов, которые бы позволяли выполнять расчеты и моделировать конкретные элементы памятников архитектуры. Статья опубликована в научно-техническом журнале «Вестник ПНИПУ. Урбанистика».
Актуальность разработки также связана с тем, что усиление — это сложная инженерная процедура по восстановлению несущей способности поврежденных участков. Без точного расчета можно как недоусилить участок, что приведет к дальнейшему разрушению, так и создать необоснованные запасы прочности, что может деформировать соседние детали. Предложенный учеными инструмент позволяет определить, сколько именно слоев и какого типа углеволокна необходимо для каждого конкретного элемента для восстановления и сохранения подлинности конструкции.
В качестве объекта изучения был взят реальный памятник с поврежденной шпренгельной балкой (несущий элемент каркаса крыши). На первом этапе ученые провели детальный анализ аварийной конструкции: зафиксировали исходные геометрические параметры, установили степень ослабления (15%) и определили действующие на него нагрузки, чтобы далее восстановить несущую способность балки до нормативных значений.
Далее они провели моделирование с помощью принципиально нового метода. Вместо воссоздания в программе каждого слоя углеволокна и клея, вся система усиления была заменена одним эквивалентным виртуальным стержнем, который точно повторял геометрию зоны дефекта. Это сокращает время на моделирование и анализ, делая точное проектирование реализуемым для памятников архитектуры.
На следующем этапе ученые провели сравнительный анализ разных вариантов усиления конкретной поврежденной балки, чтобы определить, сколько именно слоев композитного материала необходимо для восстановления ее прочности. Для этого использовались современные углекомпозитные материалы наиболее популярных марок, которые примерно в 10 раз жестче натуральной древесины.
— Результаты исследования показали, что для верхней части балки усиление шестью слоями углеволокна позволило снизить значения прочности до установленных нормативных пределов. Это значит, что с помощью методики можно точно провести расчеты для многих вариантов повреждений, — прокомментировала Ольга Третьякова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ.
Проведенное моделирование также показало, что для наиболее нагруженных и ослабленных участков одного лишь композитного материала может быть недостаточно. Инструмент дает возможность на этапе проектирования выявить подобные сложные случаи, которые требуют особого подхода. Это исключает риск недостаточного усиления, которое позже может разрушиться, или применения избыточных материалов там, где в них нет необходимости.
— Мы можем говорить о достоверности полученных результатов, поскольку они соответствуют российским строительным нормативам и основаны на классическом методе конечных элементов, который считается общепризнанным в мировой практике инженерных расчетов. Для применения специалист на объекте фиксирует параметры поврежденного участка и вводит их в программный инструмент. В итоге он быстрее получает результаты расчета необходимого усиления, подходящие под отечественные требования строительства, — объяснила Ольга Третьякова.
Предложенный метод становится основой для создания цифровых двойников исторических конструкций, на которых можно безопасно и быстро тестировать различные сценарии усиления. Кроме того, разработка ученых универсальна и может быть применима к различным частям памятников, например, колоннам, аркам, полам, крыше и декоративным элементам.