Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Новый инженерный инструмент упростил реставрацию исторических деревянных зданий
Восстановление объектов культурного наследия представляет собой сложную инженерную задачу. Особенно это касается деревянных конструкций. Церкви, усадьбы, исторические дома и другая архитектура, десятилетиями подвергавшаяся климатическим воздействиям и естественному износу, теряет свою прочность. Главная проблема при реставрации заключается в малом количестве в России подходов, адаптированных для работы именно с деревянными памятниками. Существующие методы предназначены для традиционных объектов строительства и непрактичны для применения на исторических зданиях. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ разработали уникальный в России инженерный инструмент для моделирования усиления деревянных конструкций композитными материалами. Он обеспечивает точный расчет, соответствующий отечественным нормативам, и делает проектирование большого количества поврежденных элементов эффективнее.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Хотя зоологи уже не раз наблюдали использование орудий у относительно близких к людям видов, — от приматов до свиней — коровы до сих пор не были за этим замечены. Теперь ситуация изменилась: оказалось, что они могут использовать многоцелевые орудия по-разному, в зависимости от обстоятельств.
Жизнь в городских условиях давно стала для птиц своеобразной «эволюционной лабораторией». Ученые из Шотландии показали, что сильнее всего размножение птиц ухудшает наличие незнакомых деревьев.
На острове близ Сулавеси удалось найти следы первой волны успешных выходцев из Африки. Всего через несколько тысяч лет после той миграции они уже рисовали на стенах пещер, куда можно было попасть только через открытое море. Новые данные означают, что антропологам придется снова существенно пересмотреть возможности древних людей.
Хотя зоологи уже не раз наблюдали использование орудий у относительно близких к людям видов, — от приматов до свиней — коровы до сих пор не были за этим замечены. Теперь ситуация изменилась: оказалось, что они могут использовать многоцелевые орудия по-разному, в зависимости от обстоятельств.
Повторное изучение окаменелости галлюцигении, впервые описанной в 1970-х годах, помогло палеонтологам больше узнать о рационе этого древнего существа. Ответ на вопрос о питании нашли не в ее останках, а на теле предполагаемой добычи.
Растительная диета давно стала золотым стандартом для тех, кто мечтает о долгой и здоровой жизни. Но китайские ученые внесли серьезные коррективы в этот постулат. Они обнаружили, что большинство местных долгожителей, перешагнувших столетний рубеж, регулярно употребляют в пищу мясо. Особенно заметна эта связь у одной специфической группы пожилых людей, что заставляет по-новому взглянуть на диетические рекомендации для самых старших поколений.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Среди самых интригующих открытий космического телескопа «Джеймс Уэбб» — компактные объекты, получившие название «маленькие красные точки». Их видели только в самых дальних уголках Вселенной. Большинство возникло в первый миллиард лет после Большого взрыва, и ученые предполагали, что такие источники представляют собой небольшие компактные галактики. Однако международная команда астрономов пришла к иному выводу. Они предположили, что на самом деле «маленькие красные точки» — черные дыры, окруженные массивной газовой оболочкой.
Хотя зоологи уже не раз наблюдали использование орудий у относительно близких к людям видов, — от приматов до свиней — коровы до сих пор не были за этим замечены. Теперь ситуация изменилась: оказалось, что они могут использовать многоцелевые орудия по-разному, в зависимости от обстоятельств.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно