Что делали ученые стройфака ЧувГУ, когда забивал Дзюба

14 июня 2018 года. Полузащитник Александр Головин получает мяч в 35 метрах от ворот сборной Саудовской Аравии по футболу. Игрок моментально делает высокую подачу в центр штрафной площадки соперника, где краснодарец Юрий Газинский замыкает ее точным ударом. Секунду спустя крупнейшая арена страны «Лужники» взрывается овацией, миллиард телезрителей по всей планете смакуют удар на повторах, а Президент России Владимир Путин с улыбкой жмет руку аравийскому принцу в вип-ложе стадиона.

Так российская сборная, забив дебютный гол первого российского чемпионата мира по футболу, начинает свое самое успешное в истории выступление на мундиалях, которое сможет остановить только будущий лучший игрок мира хорват Лука Модрич. Потом здесь же, в «Лужниках», будет легендарная победа России над сборной Испании с феноменальным сейвом Игоря Акинфеева, а в финале 19-летний француз Киллиан Мбаппе станет самым молодым автором гола в решающих матчах за полвека…

Но пока игроки об этом не знают. 81 тысяча человек в едином порыве радуются на переполненной арене, танцуют, прыгают и кричат. Можно лишь догадываться, какое давление в этот момент оказывается на несущие конструкции монументального сооружения, только кровля которого весит больше 15 тысяч тонн. Следить за безопасностью такого здания «вручную» слишком рискованно — никто не отменял человеческий фактор. Поэтому ученые разработали цифровую систему мониторинга, и в момент удара Газинского компьютерная программа фиксировала высокий уровень вибрации и деформации конструкций. Реализовал проект научный коллектив строительного факультета ЧувГУ.

В начале века в России начался бум строительства необычных зданий. Детские садики, жилые дома и торговые центры больше не были однотипными, стали появляться тысячи новых архитектурных идей. Очевидно, что при этом большинство предпринимателей видело своей целью максимальное извлечение прибыли, а обратной стороной медали стало «скоростное» возведение сооружений, порой без необходимой экспертизы из-за недостаточного регулирования.

Так, причиной гордости Москвы в середине нулевых стало строительство одного из самых крупных в Европе ледовых дворцов «Крылатское» за рекордные 18 месяцев. Но уже через три года это едва не привело к катастрофе — в ноябре 2007 года один из шарнирных стержней кровли лопнул, и здание оказалось под угрозой разрушения. Тогда всех, кто находился во дворце, удалось вовремя эвакуировать, и обошлось без жертв. Гораздо меньше повезло посетителям аквапарка «Трансвааль-парк», построенного в тот же период за 19 месяцев. 14 февраля 2004 года в результате обрушения купола здания, в котором находились 1300 посетителей, погибли 28 человек и около 100 пострадали.

Плотников убежден, что если бы законодательство было упорядочено, как сейчас, а систему цифрового мониторинга уникальных сооружений уже разработали и ввели повсеместно, трагедии удалось бы избежать.
Сегодня все крупные сооружения должны подвергаться постоянному мониторингу, уникальные — желательно автоматизированному. Только представьте, насколько сложно прогнозировать поведение 828-метрового дубайского небоскреба «Бурдж-Халифа». Ни одна компьютерная модель на стадии проектирования не сможет предугадать абсолютно все факторы, влияющие на безопасность конструкции. Шквальный ветер, грунтовые воды, сейсмическая активность, поведение посетителей — проблема может проявиться на любом этапе и где угодно.
Поэтому ученые взялись за разработку системы, которая могла бы предоставлять аварийным службам онлайн-сведения о том, в каком состоянии находится та или иная конструкция. Это позволило бы узнавать, какая именно часть здания находится в зоне риска, ведь в случае серьезных проблем и угрозы разрушения каждая секунда может быть на счету. С этим запросом российская компания «СМИС-Эксперт» обратилась на строительный факультет Чувашского госуниверситета. Предстояла реконструкция большой спортивной арены «Лужники», входящей в десятку крупнейших стадионов континента, для чемпионата мира по футболу.

Сложных аспектов два: вычислить, где именно находятся критические точки конструкции, куда нужно устанавливать измерители, и найти для них нормативные числовые значения — поскольку здания уникальны, все параметры для них тоже разрабатываются индивидуально.

Есть несколько основных видов собираемой информации: уровни деформации и прогибов, уровень напряжения, углы поворота, осадка и вибрация. Для этого используются разные датчики и математические расчеты, а сведения каждые 10 секунд поступают в диспетчерскую на сервер. И если система фиксирует критический выход за пределы нормы, оператор может принять решение об аварийной остановке эксплуатации и немедленной эвакуации.

Всего в «Лужниках» действуют 100 основных датчиков и несколько десятков вспомогательных. Основных типов измерителей три. Тензометр позволяет измерить деформацию несущей конструкции, а значит, и напряжение в ней. Это либо пластина, либо струна, измеряющая напряжение конструкции. Напряжение — величина в «Сопротивлении материалов», напрямую неизмеримая, это скорее абстрактное понятие. Она показывает отношение воздействующей на объект силы к площади сечения, на которую воздействует. Параметр позволяет независимо от самой площади утверждать, прочна ли та или иная опора.

Угол поворота и, как следствие, прогиб измеряет тахеометр. Если вы надавите на центр своего письменного стола, он прогнется. То же самое происходит и с любой горизонтальной пластиной, пусть даже сделанной из бетона, — она немного деформируется даже под собственным весом, не говоря уже о работе под нагрузкой. Поэтому в «Лужниках» на двух противоположных трибунах установлены специальные приборы, а по кромке покрытия размещены десятки отражателей — их перемещение позволяет просчитать отклонение от плоскости покрытия и самой чаши арены.

Вибрацию, то есть собственную частоту колебания конструкции, отслеживают акселерометры. Гитарные струны издают звук именно благодаря этому физическому явлению — с любым перекрытием происходит то же самое, только незаметно для глаза человека. Хотя порой это приводит к общественным обсуждениям: знаменитый волгоградский «танцующий» мост в 2010 году вошел в резонанс, и, несмотря на то что в этом не было ничего страшного для самой конструкции, факт породил множество споров о безопасности моста.

Как известно, верхушка «Останкинской телебашни» может раскачиваться в стороны более чем на 10 метров. Узнав об этом, обыватели отказываются подниматься в высотные здания, считая, что это небезопасно. Плотников парирует: «Там же был пожар, когда половина несущих тросов лопнула. Но никуда она не делась, все было спроектировано с огромным запасом».

Особенности высоток просчитывали еще в начале прошлого века, когда в Америке построили первые чикагские и нью-йоркские небоскребы. Говорят, дома раскачивались так, что из кружек выливался чай. Но безопасности в короткий срок эксплуатации это не угрожало. Поэтому задача сегодняшних конструкторов не столько в том, чтобы уменьшить раскачивание, — это почти невозможно, сколько в том, чтобы сделать его незаметным для обывателя.
Танцы болельщиков на переполненном стадионе тоже не смогут нанести вред — вероятность значимого резонанса ничтожно мала, да и запас прочности «Лужников» таков, что для разрушения конструкций нужно кратно увеличить нагрузку.

А вот заболоченная местность Лужнецкой поймы — вопрос, на который потрачен не один месяц исследований. Дело в том, что под «Лужниками» имеются грунтовые воды, и размыв грунта теоретически может нанести вред опорным конструкциям. Ученые и проектировщики предусмотрели самые экстремальные ситуации, здание рассчитано на постоянное увлажнение грунта, но если будут превышены климатические нормы, могут возникнуть проблемы. Впрочем, и это весьма маловероятно.

Другая особенность заключается в том, что большая часть конструкций металлическая, и в разное время года показания приборов должны иметь разные значения. Именно поэтому и нужен автоматический мониторинг — учесть на стадии проектировки любую комбинацию из сотни факторов почти невозможно.

Плотников вообще настаивает на том, что в любых зданиях выше 12 этажей должны быть установлены такие системы: «В Чебоксарах, например, насколько нам известно, таких систем вообще нет. Да, они дорогостоящие, но в нашем городе уникальный живописный рельеф, а высотки, построенные на неровной местности, далеко не всегда ведут себя предсказуемо». Регулярные осмотры и наблюдение в ручном режиме решают вопрос, но человеческий фактор в таком подходе однажды может сыграть злую шутку.

В автоматическом мониторинге существует огромное поле для исследований. Например, если треснул железобетонный блок, то его, как известно, сдерживают находящиеся в нем арматурные стержни. Это чаще всего позволяет зданию функционировать без каких-либо проблем, но само моделирование такой ситуации при помощи компьютера пока только впереди. Изменившиеся напряжения и геометрию внутри такого блока только предстоит перевести в цифровой вид. На сегодня треснувшую конструкцию оценивают по укрупненным показателям вручную.

Новые технологии порождают интересное противоречие внутри строительного сообщества. Молодые проектировщики и архитекторы свободно владеют новыми технологиями и формируют геометрию зданий на основе данных, но им, по словам Плотникова, не хватает «глубины». Ученые старой школы просчитывают деформации, применяя опыт, интуицию и фундаментальные знания, требующие усидчивости, обстоятельного погружения и внимания к каждой детали, которых порой не хватает молодежи. В этом состоит главный вопрос, который стоит перед магистратурой факультета, — совместить оба подхода в знаниях учащихся. И это приносит результаты.

В этом году кафедра строительных конструкций университета участвовала в создании систем автоматического мониторинга объектов Всемирной универсиады в Красноярске. Система, аналогичная смонтированной в «Лужниках», установлена в «Кристалл Арене», «Платинум Арене», Дворце спорта имени Ивана Ярыгина и на Центральном стадионе имени Ленинского комсомола.

Сейчас чувашские ученые разрабатывают аналогичную систему для павильона атомной энергии ВДНХ. В нем будет четыре надземных и три подземных этажа с заглублением в 18 метров, а над выставочным пространством со стеклянным фасадом во всю высоту здания появится 60-метровая консольная конструкция…

Фото: Автоматизированная система мониторинга установлена в БСА «Лужники».

Артем Чубуков. Газета "Советская Чувашия". 2019. 19 декабря.