Обоснование эффективности усиления внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам

Соответствие проекта Программе фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021-2030 годы), утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 декабря 2020 г. № 3684-р: Проект соответствует следующему направлению Программы: И. Область научных знаний: 2. Технические науки Направление науки: 2.1. Строительство и архитектура Приоритетное направление: 2.1.3.1. Развитие теоретических основ строительных наук. Актуальность научного проекта В настоящее время значительное число гидротехнических сооружений (ГТС), построенных в 1950-70-ые годы, приближаются к своему нормативному сроку службы, при этом в период эксплуатации они испытывают различные сочетания непроектных нагрузок, вызывающих дополнительное трещинообразование, снижение несущей способности, а также повреждение железобетонных конструкций. Выполненный анализ международного использования композитных материалов в строительстве показал их широкое применение в промышленном и гражданском строительстве, однако в гидротехническом и энергетическом строительстве их применение ограничено ввиду отсутствия методик, норм и технологий применения. Ранее выполнена работа по разработке концептуальных подходов к восстановлению несущей способности отдельных элементов ГТС, находящихся под напором воды, которая показала положительные результаты. Зарегистрирован патент на полезную модель «Способ усиления и повышения несущей способности и сейсмостойкости напорной стены руслового здания ГЭС» № 2835130 от 24.02.2025. Публикации и результаты исследования показали высокую заинтересованность научного сообщества в развитии данной темы. Значительное количество учёных цитируют материалы указанной работы, опираясь на данный опыт, масштабируют результаты на другие объекты энергетики. В настоящее время требуется углубление и развитие данной тематики ввиду выявленных значительных эксплуатационных дефектов зданий гидроэлектростанций, полученных на различных этапах их жизненного цикла. Результаты исследований по обоснованию эффективности усиления внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам, позволит выйти на продление срока службы элементов конструкций, существенно сократить издержки на проведение реконструкции и капитального ремонта сооружений. Уникальность данной работы обуславливается проведением фактических экспериментов в части работы конструкций существующих ГТС, эксплуатируемых в уникальных условиях. Реализация НИОКР позволит в дальнейшем разработать подход к ремонту и восстановлению отдельных элементов ГТС внешними композитными материалами без остановки генерирующего оборудования и станции в реконструкцию. Тем самым уменьшив срок ремонта гидротехнических сооружений, обеспечив при этом стабильную работу объектов критической инфраструктуры. Кроме того, сегодня в России работает значительное число производств отечественных строительных композитных материалов, отвечающих международному уровню. При этом исследований в части учёта нагрузок и воздействий, действующих на гидротехнические сооружения при монтаже композитных материалов, практически нет как в научных трудах отечественных, так и зарубежных специалистов. Поэтому данная работа наиболее актуальна сегодня, когда уже сформирована производственная база композитных строительных материалов, отработаны основы применения технологии и можно их масштабировать на сложные и уникальные гидротехнические объекты. Цель научного проекта: Обоснование эффективности и подхода к усилению внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам. Задачи научного проекта: 1. Анализ и сбор данных по предыдущим исследованиям, связанным с применением композитных материалов на уникальных зданиях и сооружениях, в том числе энергетических объектах; 2. Экспериментально-прикладные исследования на объектах с целью определения фактического вклада внешнего композитного армирования в формирование напряженно- деформированного состояния ГТС; 3. Исследования по уточнению НДС конструкций и распространения результатов эксперимента на весь исследуемый участок; 4. Обоснование эффективности усиления внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам. Научная новизна проекта Отсутствие в гидротехническом и энергетическом строительстве единых методик, норм и технологий применения усилений конструкций внешними композитными материалами. Публикации и исследования показали высокую заинтересованность научного сообщества в развитии данной темы, значительное количество учёных цитируют результаты исследований в области применения композитных материалов на объектах энергетики, опираясь на данный опыт, масштабируют результаты на объекты энергетики. Сегодня требуется углубление и развитие данной тематики ввиду выявленных значительных эксплуатационных дефектов зданий гидроэлектростанций, полученных на различных этапах их жизненного цикла. Реализация НИОКР позволит решить проблему продления срока службы элементов конструкций, существенно сократить издержки на проведение реконструкции и капитального ремонта сооружений. Уникальность данной работы обуславливается проведением фактических экспериментов в части работы конструкций существующих ГТС, эксплуатируемых в уникальных условиях. Значимость результатов выполнения проекта, направленная на достижение стратегической цели «НИУ МГСУ - центр стратегического развития науки и инноваций в строительной отрасли и ЖКХ»: 1. В рамках работы будет обоснована эффективность ремонта и реконструкции ГТС с применением композитного армирования; 2. Обосновано применение композитного усиления конструкций для эксплуатируемых ГЭС; 3. Результаты могут быть использованы для унификации подходов к усилению ГЭС композитными материалами; 4. Результаты внесут вклад в развитие теоретических основ в части реконструкции и ремонта гидротехнических сооружений; 5. Исследование вносит вклад в реализацию стратегических национальных задач в области обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации за счёт обоснования эффективности восстановления и ремонта ГТС внешним композитным армированием. При этом материалы, используемые для усиления / восстановления, произведены из отечественных элементов (составляющих). Имеющиеся задел и ресурсы для реализации проекта Имеющийся научный задел - выполнение авторским коллективом аналогичных исследований в НИУ МГСУ «Разработка технологий восстановления несущей способности длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций ГЭС/ТЭЦ, находящихся под действием напора воды», для ПАО «Магаданэнерго» по разработке технологии повышения сейсмостойкости сооружений и конструкций длительно эксплуатируемых ТЭС. Реализация исследований для ПАО «Камчатскэнерго» по тематике: «Технические решения по усилению строительных конструкций Камчатской ТЭЦ-1 внешним армированием на основе углеродных волокон». Членами научного коллектива уже получены два патента на полезные модели по темам: 1. «Усиленная металлическая несущая колонна» RU 220086 U1, 24.08.2023. Заявка № 2023118668 от 14.07.2023. 2. «Способ усиления и повышения несущей способности и сейсмостойкости напорной стены руслового здания ГЭС» № 2835130 от 24.02.2025 Кроме того, выпущены три учебных пособия по направлению «Многофакторные исследования гидротехнических сооружений со сроком эксплуатации более 25 лет», а также опубликовано более 15 статей по данному направлению исследований, 8 из них в изданиях, рецензируемых международными базами данных, 4 - в журналах, рекомендованных ВАК. Эффект от реализации проекта на университетском уровне: 1. Формирование компетенций в части применения композитного усиления конструкций в ГТС. 2. Внедрение в образовательный процесс новейших исследовательских результатов и методик, позволяющих обосновать эффективности усиления внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам. Эффект от реализации проекта на региональном и (или) отраслевом уровне: Внедрение обоснованных решений усиления внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам. Снижение стоимости проектов и сроков их реализации без потери качества выполняемых работ. Эффект от реализации проекта на национальном уровне: 1. Обоснование эффективности и подхода к усилению внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам; 2. Получение данных по фактическому вкладу композитного усиления на гидротехнических сооружениях в общее напряженно-деформируемое состояние конструкций; 3. Повышение надежности критической инфраструктуры Российской Федерации к чрезвычайным ситуациям, что важно для обеспечения национальной безопасности. Перспективы интеграции результатов проекта в образовательный процесс Результаты научной работы могут быть включены в образовательные программы высшего образования (специалитет и магистратура), в частности в те, которые связаны с новыми строительными материалами, применяемыми при гидротехническом строительстве. 1. Строительство инженерных, энергетических, гидротехнических и природоохранных сооружений (бакалавриат). 2. Гидротехническое, геотехническое и энергетическое строительство (08.03.01 Строительство) (бакалавриат). 3. Гидротехническое строительство (08.04.01 Строительство) (магистратура). 4. Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности (08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений) (специалитет). 5. Гидротехническое строительство и гидравлика (08.06.01 Техника и технологии строительства) (аспирантура). 6. Обследование и мониторинг гидротехнических сооружений (08.05.01 специалитет). 7. Эксплуатация и безопасность гидротехнических сооружений (08.04.01 магистратура), а также в программы ДПП и повышения квалификации. Перспективы развития по результатам выполнения проекта научных основ стратегических технологических проектов Программы развития Университета Результаты проекта являются вкладом в стратегический проект НИУ МГСУ Научный прорыв в строительной отрасли - новые технологии, новые материалы, новые методы, в части разработки подхода к усилению внешними композитными материалами элементов гидротехнических сооружений, подвергающихся непроектным нагрузкам.