#здания

При проектировании и строительстве зданий часто встречаются слабые грунтовые основания с низкой несущей способностью и высокой сжимаемостью. Для их укрепления и улучшения характеристик используют армирующие элементы, в частности фиброволокна, внедрение которых усиливает грунтовое основание фундамента. Однако полная замена слабого грунта фиброармированным нецелесообразна и может оказаться экономически невыгодной. Ученые Пермского Политеха предложили более экономичный вариант укрепления основания фундамента, который позволяет значительно сократить расход материала, но при этом остается таким же эффективным.

Свайные фундаменты широко применяют в промышленном, гражданском и транспортном строительстве. Они служат в качестве основных несущих элементов для ангаров, складов, жилых зданий, коммерческих сооружений, трубопроводов, ограждений на автодорогах. При проектировании таких видов фундаментов предусматривают высокий запас прочности и устойчивости к внешним воздействиям, учитывая нагрузки и изменения условий эксплуатации без риска разрушения или деформации. Соблюдение этих факторов ведет к снижению экономической эффективности использования свай, увеличению стоимости и сроков строительства. Ученые Пермского Политеха предлагают новый подход по расчету их несущей способности. Он позволит учесть реальную работу с грунтовым основанием, снизить затраты и качественно спроектировать фундамент под сооружения.

В строительстве зданий, дорог, дамб, мостов и тоннелей широко используют геотекстиль — синтетический материал, который укрепляет грунтовое основание и увеличивает его несущую способность. Сейчас активно изучается идея «умного геотекстиля», когда в сам материал внедряют специальные датчики для удаленного контроля состояния грунта. Это позволит значительно повысить безопасность объекта, заранее предупреждая о необходимости ремонта или о возникновении аварийной ситуации. Ученые ПНИПУ разработали волоконно-оптическую систему для непрерывного мониторинга геотекстиля. Она надежно фиксирует его смещение до 0,5 миллиметров и по стоимости гораздо дешевле волоконных датчиков, которые пока применяются для контроля за состоянием зданий и сооружений.

Исследователи из Сколтеха и их коллега из Гранадского университета (Испания) определили, какие способы укрепления куполов и сводов архитектурных построек справляются с задачей лучше других. Ученые сравнили, насколько хорошо выдерживают нагрузку конструкции с разными вариантами расположения ребер жесткости. Проверка проводилась в форме натурных и вычислительных экспериментов, в которых укрепленную конструкцию нагружали сначала равномерно, потом асимметрично. На основании полученных результатов, исследователи предложили свою собственную схему расположения ребер жесткости, вдохновленную крыльями стрекоз, которая оказалась прочнее всех рассмотренных в работе традиционных и новаторских решений.

Около 40 процентов территории России, в том числе регионы Арктической зоны (Мурманская область, Ненецкий и Чукотский автономные округа, ЯНАО), подвержены сезонному промерзанию. Оно приводит к увеличению объема грунтов и ухудшает работу подпорных стен, которые предназначены для предотвращения перемещения грунта и удержания его от обрушения на перепадах высот. Это может стать причиной деформации и возможного обвала инженерных сооружений и зданий. Ученые Пермского Политеха нашли способ решить проблему разрушения стен из-за увеличения грунта от промерзания.

Легкий бетон набирает популярность в качестве альтернативного материала. Он позволяет уменьшить вес конструкции. Из опыта проектирования известно, что многие проблемы при строительстве больших сооружений связаны в первую очередь с нагрузками от собственного веса. В случае с бетоном еще одна трудность в том, что он сохраняет свою структуру до температуры 200 градусов Цельсия, после чего его прочность может снижаться. Ученые Пермского Политеха предлагают армировать легкий бетон стальным волокном и нанокремнеземом, что позволит сделать его прочнее и устойчивее к высоким температурам. Полученные результаты важно учитывать при проектировании высотных зданий и большепролетных мостов, разрушение которых может привести к человеческим жертвам и большим материальным затратам.

Свайный фундамент широко используется для высотных или нагруженных зданий, а также в слабых грунтах. Со временем состояние грунта может ухудшиться и в дальнейшем не позволяет выдерживать большие нагрузки. Одним из наиболее результативных способов для его укрепления считается метод контурного армирования, когда основание усиливается дополнительными элементами. Ученые Пермского Политеха определили, как разные способы армирования влияют на прочность фундамента и разработали рекомендации, которые позволят предотвратить преждевременные разрушения ответственных зданий и сооружений и увеличить срок их службы.

Ученые ПНИПУ определили деформации глинистого грунта при длительных повторяющихся нагрузках. Это позволит сформировать рекомендации по прогнозу грунтовой осадки, чтобы на глине можно было возводить надежные сооружения.

Для безопасности, экономии ресурсов и улучшения производительности необходим постоянный мониторинг состояния зданий, мостов и рабочих механизмов конструкций. Для этого используют различные датчики, а в последнее время активно развивается направление, в котором оптоволокно применяют в качестве линии передачи данных и чувствительного элемента — части датчика, которая преобразует информацию извне в электрические сигналы. Ученые Пермского Политеха выяснили, как сделать более тонкое покрытие оптоволокна, чтобы минимизировать габариты изделий и при этом сохранить качественную защиту от внешних агрессивных условий.

Оползни вызывают разрушения и аварии жилых и производственных зданий, что приводит к экономическому ущербу и к гибели людей. Для повышения устойчивости насыпей широко применяется армирование строительными геосинтетическими материалами, например, геоячейками, георешеткой и геотекстилем. Но в некоторых случаях, например, при сильных динамических нагрузках или сезоннопромерзающих грунтах, они не обеспечивают нужную устойчивость склона. Ученые Пермского Политеха выяснили, стоит ли заменять геосинтетик альтернативой — бетонными монолитными плитами.

Ежегодно на предприятиях, специализирующихся на выпуске изделий из ячеистого бетона образуется от пяти до 10 тысяч кубометров твердых отходов производства, большая часть которых копится в отвалах или утилизируется в качестве строительного мусора ухудшая и без того нестабильную экологическую обстановку. Помочь в решении проблемы может исследование ученых Пермского Политеха. Они нашли способ использовать твердые отходы производства ячеистого бетона как вторсырье для строительной индустрии.

Архитектура свободной формы — новаторское направление, представители которого создают уникальные конструкции с нетривиальной геометрией. Зачастую это здания музеев и отелей, стадионы, выставочные павильоны или университеты, например, Сколтех. На сегодняшний день основной материал для возведения всех этих впечатляющих конструкций с куполами, сводами, арками и причудливыми фасадами — железобетон. Но есть и многообещающая альтернатива — армированные угле- или стекловолокном полимеры. Хотя их производство стоит дороже, они дешевле в обслуживании, поскольку не ржавеют и не нуждаются в покраске. А их легкость и прочность открывают возможности для реализации смелых архитектурных замыслов. Например, можно будет перекрывать большие пролеты без промежуточных опор. Чтобы раскрыть потенциал этих инновационных материалов, необходимо обновить инструментарий для проектирования и моделирования конструкций, так как существующие решения приспособлены к традиционным материалам, в частности к железобетону и стали. Один из аспектов этой задачи решает научный коллектив Лаборатории композитных материалов и структур Центра технологий материалов Сколтеха под руководством доцента Александра Сафонова.

При строительстве домов и ремонте автомобилей часто используют сварку. Но она разрушает защитное покрытие металла, поэтому несущие конструкции зданий и машин могут ржаветь. Для борьбы с коррозией используют различные методы защиты, но не все из них эффективны и экономически выгодны. Некоторые из них можно применять только в производственных условиях. Ученые Пермского Политеха разработали прототип мобильного устройства, с помощью которого можно наносить защитные цинковые покрытия на месте монтажа зданий и ремонта автомобилей.

Многие железобетонные сооружения постоянно находятся под воздействием сейсмических, ветровых и транспортных нагрузок, что может приводить к преждевременному и стремительному разрушению зданий. Спрогнозировать поведение бетона под действием повторяющихся нагрузок сложно, так как это требует длительных и трудоемких экспериментов. Ученые Пермского Политеха предложили использовать структурно-имитационное моделирование, чтобы определить текущий ресурс железобетонных конструкций. Это позволит повысить их долговечность без дополнительных затрат.

Категория технического состояния, определяемая при инженерном обследовании конструкций зданий и сооружений — это главный критерий в принятии решения о степени аварийности или необходимости проведения мероприятий по ремонту для дальнейшей эксплуатации. Ученые из Пермского Политеха разработали экспертную систему, которая определяет категорию технического состояния сооружений на основе так называемых нечетких баз знаний.

Сейчас в России при проектировании новых зданий не учитывают их влияние на потоки ветра. За рубежом эти показатели регулируются с помощью нормативных документов. Ученые Пермского Политеха разрабатывают методику, которая поможет спрогнозировать аэрацию прилегающей территории. Это позволит предотвратить распространение загрязняющих веществ, а также обеспечить нормальное циркулирование воздуха.

Методика позволяет оптимизировать работу сразу нескольких квадракоптеров для воспроизводства 3D-моделей зданий, которые нуждаются в достройке или реконструкции, а также могут использоваться для создания виртуальной реальности и компьютерных игр.

Исследователи из Пермского Политеха разработали автоматизированную систему защиты помещений. Искусственный интеллект и биометрический доступ позволят обеспечить «умный» доступ в здание и сэкономить средства предприятий.

Деформации глинистых грунтов под фундаментами зданий протекают на протяжении десятилетий. В результате они могут привести к аварийным ситуациям и разрушению зданий. Ученые Пермского Политеха создали программу, которая позволит спрогнозировать их осадку на протяжении долгого времени и избежать опасных последствий.

Группа ученых из Сколтеха и исследовательского института FBK (Италия) представили методику, позволяющую создавать 4D-модели зданий с помощью исторических карт и машинного обучения. Используя новую методику, можно не только предсказывать высоту зданий на основе их геометрических параметров, данных о районе и категории здания, но и получать более полную информацию о различных явлениях и изменениях в городской среде, сыгравших важную роль в формировании современного облика наших городов.