Согласно данным Росстата, в России построены и функционируют 42 тысячи мостов. Они должны справляться с огромными нагрузками растущего трафика, температурными перепадами и даже землетрясениями. Поэтому прочность мостовой конструкции имеет первостепенное значение. Обеспечить ее долговечность и износостойкость помогут исследования, проведенные в Пермском Политехе. Благодаря математическому моделированию и серии натурных испытаний, ученые нашли способ сократить трение между опорами и пролетными строениями моста, а значит предотвратить возможные обрушения. Разработка выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда.
Статьи, освещающие свойства антифрикционного покрытия и схему его размещения, опубликованы в журнале «Lubricants» (№10, 2022г.).
Исследования прочности составных элементов имеют значение не только для возведения новых, но и для укрепления исторических мостов, ведь их уже нельзя перепроектировать под актуальные хозяйственные потребности человека. Пренебрежение содержанием возведенных мостов может привести к трагедиям, вроде обрушения виадука в Генуе в 2018 году, когда старые опоры не справились с весом проезжавших машин. Чтобы гарантировать их устойчивость, несмотря на износ и рост нагрузки из-за транспортного потока, необходимо модернизировать конструктивные элементы мостов, которые возможно обновить без ущерба для архитектуры.
Помочь в этом может использование антифрикционных материалов, так как они обладают повышенной устойчивостью к износу при продолжительном трении. Чтобы обеспечить максимальную выносливость моста, такой материал наносят между стальными элементами опорной части. За счет снижения коэффициента трения сокращается износ деталей, а значит, мост сможет прослужить дольше. Ученые Пермского Политеха провели математическое моделирование, чтобы определить, какой антифрикционный материал обеспечивает наибольшую износостойкость мостовых конструкций, и каким образом ввести его в опорную часть, чтобы она служила как можно дольше.
— В ходе исследования была смоделирована сферическая опорная часть пролетного строения моста. Стандартная толщина антифрикционного слоя в ней составляет 4 мм. Мы варьировали этот параметр, чтобы выяснить, как это скажется на трении поверхностей. Исследование показало, что увеличение толщины промежуточного слоя благоприятно влияет на напряженно–деформированное состояние опоры, то есть позволяет сократить износ конструкции. Эффективными антифрикционными материалами показали себя поликомпозитные материалы: сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), применяемый, например, для изготовления бронежилетов, и модифицированный гамма-излучением политетрафторэтилен (PTFE), широко известный как тефлон, — рассказывает старший научный сотрудник, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук Анна Каменских.
Эксперты также проверили, как на износ конструкции влияет расположение антифрикционного слоя. Стандартно углубление для него предусматривается в верхней стальной плите опорной части. Однако проведенное математическое моделирование показало, что это отнюдь не оптимальный вариант. При таком расположении добиться низких показателей износа возможно, лишь изменив геометрию полимерной прослойки. Если же поместить углубление в нижнюю стальную плиту опорной части, можно снизить трение и замедлить разрушение при помощи правильного выбора антифрикционных материалов.
Таким образом, результаты проведенного исследования позволят реализовать интересы строительных фирм и муниципальных властей. С одной стороны, полученные данные открывают новые возможности для возведения более прочных и безопасных конструкций. С другой стороны, они позволяют увеличить несущую способность и срок службы элементов транспортных систем без технического обслуживания. А это значит, что содержание мостов потребует меньших затрат бюджетных средств.