"По планам правительства, к 2030 году в Арктику будет вложено почти 5 триллионов рублей. Вместе с тем для успешной реализации этих проектов сложные природные условия этого региона требуют предварительного проведения необходимых аэродинамических исследований и подготовку экспертных рекомендаций в привязке к конкретным условиям их строительства и эксплуатации", - рассказал "РГ" замначальника отделения гидроаэродинамики Крыловского государственного научного центра Сергей Соловьев.
Начиная с 2000-х годов в России наблюдается рост строительства объектов повышенной сложности: большепролетных мостов, небоскребов, стадионов, аэропортов. Детальный учет факторов окружающей среды, воздействующих на сооружения на этапе их строительства и эксплуатации, является основополагающим правилом возведения подобных уникальных объектов, продолжает ученый.
Например, ветровая нагрузка, воздействующая на здания высотой более 200 метров, соизмерима с нагрузками от девятибалльного землетрясения. Она же является определяющей для мостов с пролетами более 100 метров и может вызвать опасные колебания. Поэтому документы предписывают проведение аэродинамических испытаний моделей зданий и мостов для получения достоверных данных о ветровых нагрузках. "В России существует большое количество аэродинамических труб самолетного типа для нужд авиакосмической промышленности, но короткая открытая рабочая часть делает их непригодными для исследования архитектурных объектов. Только специализированные аэродинамические трубы с закрытой рабочей частью длиной более 15 метров и шириной более 10 метров, обеспечивающие использование крупномасштабных моделей и корректное моделирование пограничного слоя атмосферы, могут применяться для получения достоверных результатов испытаний исследуемых сооружений. В России специализированных аэродинамических труб не было, и до 2013 года испытания практически всех уникальных мостов и небоскребов проводились в иностранных научных центрах", - говорит Соловьев.
И первую в России специализированную установку для экспериментального определения ветровых и снеговых нагрузок - ландшафтную аэродинамическую трубу - создали именно в Крыловском государственном научном центре. В ней уже проведено множество исследований для нужд градостроения, мостостроения и судостроения.
"В последнее время в России увеличилось число проектируемых большепролетных уникальных мостов, которые расположены в северных широтах, - продолжает ученый. - А для них характерно наличие сильных ветров. Проектировщики знают, что у моста с пролетом более 100 метров уже могут возникнуть проблемы с аэродинамической устойчивостью, ну а мосты с пролетом более 250 метров являются настолько гибкими, что имеют целый "букет" аэродинамических проблем. Благодаря экспериментальным исследованиям в нашем центре все негативные аэродинамические явления выявляются и устраняются на ранних стадиях проектирования. Поэтому мы не наблюдаем новых случаев колебаний мостов, как это было с Волгоградским мостом в мае 2010 года, и случаев разрушения из-за ветра, как это было с Такомским мостом в США в ноябре 1940-го. В ландшафтной аэродинамической трубе Крыловского центра исследовано 47 большепролетных мостов, в том числе Крымский мост".
Также для мостов, расположенных в северных районах, важно проводить моделирование ледовых нагрузок на опоры, добавляет Сергей Соловьев. Например, на реке Лена толщина льда достигает двух метров, а во время ледохода образуются торосы глубиной до 12 метров и размером 500-800 метров. Такие ледовые острова могут снести опору. И для предотвращения разрушений необходимо знать точные значения вероятной ледовой нагрузки. Экспериментальные данные в этом случае ближе к действительности, чем значения из нормативных документов, так как в эксперименте воспроизводится конкретная геометрия опоры и физико-механические свойства льда, характерные для места строительства. Для уточнения силы воздействия льда ученые Крыловского центра проводят испытания опор в специальном ледовом бассейне. Так, для проекта Крымского моста в ледовом бассейне были получены нагрузки на опоры в различных ледовых условиях: ровный лед, битый лед, торосы.
"Во время таяния снега скорость многих северных рек значительно увеличивается, что зачастую приводит к размыву грунта вокруг русловых опор. И в некоторых случаях происходят потеря устойчивости моста и его обрушение. Подобным печальным примером является обрушение моста через реку Кола в Мурманской области в июне 2020 года. Подобных аварий можно избежать благодаря вовремя проведенным исследованиям, которые выявляют как локальные размывы вокруг опор, так и влияние моста на батиметрию русла реки. У нас накоплен большой опыт по проведению подобных экспериментальных исследований для широкого спектра гидротехнических сооружений", - рассказывает ученый.
Также при проектировании не стоит совсем оставлять без внимания проблемы обледенения моста и его отдельных элементов, считает он. Ведь помимо опасности падения больших кусков наледи с вант на проезжую часть обледенение существенно ухудшает аэродинамические характеристики моста и его элементов. К примеру, ванты при наличии наледи склонны к галопированию - крайне опасному виду колебаний, вызванному воздействием ветра, когда амплитуда колебаний возрастает неограниченно, вплоть до полного разрушения конструкции. Обледенение и снеговые заносы барьерных ограждений превращают их в непроницаемые для ветра преграды, таким образом, эффективная величина балки жесткости увеличивается на высоту барьерного ограждения, что значительно усиливает колебания пролетного строения из-за явления аэродинамической неустойчивости вихревого возбуждения. "Опытным проектировщикам знакомы эти явления, поэтому они являются обязательными при исследовании проектов мостов", - резюмирует ученый.