Главной темой онлайн-форума, организованного Алюминиевой Ассоциацией и Ассоциацией AluQuébec, стали опыт эксплуатации, развитие компетенций и современные тенденции проектирования мостовых конструкций из алюминиевых сплавов.

Открывая вебинар, сопредседатель Ассоциации Артем Асатур отметил, что у России и Канады, являющихся крупнейшими в мире производителями и экспортерами первичного алюминия, много общего. Их роль в глобальных производственных цепочках обусловлена большими объемами чистой гидроэнергии, питающей энергоемкое производство алюминия. Вместе с тем, как в Канаде, так и в России существуют структуры, объединяющие переработчиков алюминия и решающие сходные задачи по расширению использования алюминия внутри страны.

Внимание к строительной отрасли со стороны российской Ассоциации неслучайно. Уже сегодня на нее приходится порядка 25 % потребления алюминия. При этом сохраняется огромный потенциал увеличения доли алюминия в строительстве в России и в мире, особенно в контексте современных требований к энергоэффективности, экологическим и эстетическим свойствам зданий и сооружений.

– Мы видим огромный потенциал в развитии производств из алюминия элементов дорожной инфраструктуры, таких как алюминиевые пешеходные и автодорожные мосты, – сказал Артем Асатур. – Наш опыт общения с отраслевыми объединениями из других стран показал, что при решении этой задачи компании по всему миру сталкиваются с аналогичными трудностями, например, необходимостью внесения изменений в строительные регламенты, стандарты, а также решением технических вопросов, связанных с изготовлением, монтажом и эксплуатацией алюминиевых конструкций.

Франсуа Расин из AluQuébec и Центра экспертизы и инноваций в алюминии подтвердил важность обмена накопленным опытом и знаниями в разных областях между двумя странами. И это не просто формула вежливости. Дело в том, что в Канаде разрабатывается долгосрочная концепция использования алюминия, а одной из сложностей на пути дальнейшего расширения применения алюминия является недостаток стандартов и процедур по использованию алюминия в архитектуре. И в этом смысле российские наработки для канадцев весьма актуальны.

В свою очередь Марио Фафард, руководитель проектов мостовой инфраструктуры и консультант Центра экспертизы и инноваций в области алюминия в AluQuébec, рассказал о существующих в Канаде стандартах по алюминиевым мостам и структурам. По словам эксперта, применительно к алюминию в стране приняты пять стандартов. Первый стандарт касается прочности конструкций из алюминия; второй представляет собой Правила проектирования автомобильных мостов, в который в 2006 году был впервые добавлен раздел об алюминии; третий – сертификация компаний для выполнения сварки алюминия плавлением; четвертый – использование сварного алюминия в строительстве; и наконец, пятый – защитные сооружения.

Говоря о достоинствах алюминиевых мостовых конструкций, Марио Фафард представил результаты сравнительных исследований мостов из различных материалов, которые показали, что алюминиевый мост в четыре раза более экономичный, чем сталежелезобетонный аналог. Кроме того, такой мост экологичен, так как после завершения срока эксплуатации его можно утилизировать. Сейчас канадские специалисты работают над двумя перспективными проектами: мост с коротким пролетом, для которого используется экструзия из алюминия и алюминиевые пластины, а также технология сварки трением с перемешиванием, и объект с алюминиевой поверхностью на деревянных опорах.

Недавно под редакцией AluQuébec был опубликован справочник по проектированию алюминиевых конструкций. Помимо собственно принципов проектирования с применением алюминия, в издании представлены натяжные элементы, механические и сварные соединения, параметры усталости и др. В Канаде алюминий применяют не только для строительства новых, но и для реконструкции действующих мостовых сооружений. Представляющий инжиниринговую компанию WSP, инженер-проектировщик Бенуа Куссон рассказал, что алюминиевые решения были использованы при реконструкции пешеходных мостов Hall и Wеllington.

Выбор в пользу алюминия объясняется преимуществами, которыми обладают конструкции из этого металла: коррозионная стойкость, легкость, привлекательный внешний вид, экологичность (низкий углеродный след). В презентации Николя Буассонада из Университета Лаваля речь шла о научно-исследовательских разработках, одно из которых касается нового алюминиевого настила для автодорожных мостов. Предполагается, что настил будет способен выдержать интенсивное дорожное движение, как на высокоскоростных трассах.

Сейчас завершаются усталостные статические и механические испытания. Эксперты университета также спроектировали специальные профили для механического соединения двух алюминиевых панелей, мост из которых будет построен в мае 2022 года.

В Квебеке 44 пешеходных моста из алюминия. Вот лишь некоторые, наиболее интересные сооружения:

Alma Footbridge (2016 г.) – длина 120 м, ширина 4 м

Welligton Footbridge (2017 г.) – длина 25 м, ширина 4 м, вес 17,5 тонн

SEPAQ Footbridge (1985 г.) – длина 33,6 м, ширина 2,6 м, вес 5,5 тонн (старейший алюминиевый пешеходный мост в Канаде, которому до сих пор не требуется ремонт)

Stevens Footridges (2017 г.) – длина 30 м, ширина 3 м, вес 16,5 тонн (мост с осветительной системой)

В своем докладе «Алюминиевые решения в транспортной инфраструктуре» руководитель проектов транспортной инфраструктуры Алюминиевой Ассоциации Евгений Васильев отразил эволюцию мостостроения – от арки из труб с нижним сварным поясом до гнутой арки. Он напомнил, что с 2017 года в стране установлено восемь алюминиевых пешеходных мостов – в Нижегородской области, Красноярске, Туле и Москве. Сейчас строятся еще шесть пешеходных переходов.

8 алюминиевых пешеходных мостов установлено в России с 2017 года

В числе перспективных направлений применения мостов из алюминиевых сплавов представитель Алюминиевой Ассоциации назвал малые мосты в городской среде, надземные переходы через автомобильные дороги, реконструкцию малых и средних искусственных сооружений, компактные мосты для устройства пешеходных зон, строительство и реконструкцию автодорожных мостов.

– Каждый мост должен выглядеть притягательно, – считает Евгений Васильев. – Это должна быть красивая архитектурная конструкция, которой можно любоваться.

Как пример такой конструкции эксперт назвал волнообразное ограждение пешеходного моста в Московском зоопарке. В этом проекте алюминий полностью проявляет свои преимущества с точки зрения именно архитектурных форм.

Другой знаковый для Алюминиевой Ассоциации пилотный проект – автодорожный мост длиной 72 м, который предстоит возвести в 2021-2022 годах. Предполагается изучить поведение алюминиевых элементов этого 4-пролетного моста (каждый пролет по 18 м), чтобы затем оптимизировать его конструкцию и разработать типовое решение. По словам Евгения Васильева, уже подготовлены пять типовых альбомов с характеристиками самых распространенных пролетов на российских автомобильных дорогах. Наличие этих документов позволит быстро принимать проектные решения без дополнительных расчетов – по шаблонам.

Вдоль и поперек

К техническим аспектам конструирования мостов из алюминиевых сплавов обратился в своей презентации инженер-конструктор проектного института ПИ-2 Михаил Дубко.

В частности, он сравнил канадский и российские подходы к применению ортотропных плит для автодорожных мостов. В Канаде ортотропные плиты устанавливают по направлению движения, у нас же они лежат поперек из-за опасения, что иначе на плитах будут образовываться механические трещины. Однако в поперечном положении плиты меньше включаются в работу. И пусть на пилотном автомобильном мосту ортотропные плиты будут лежать поперек, но сейчас проектировщики предполагают развернуть их по направлению движения – вдоль главной оси несущего моста.

– Таким образом мы увеличим момент инерции, уменьшим прогиб, – считает эксперт. – И с точки зрения выносливости, напряжения в элементах главных балок упадут. За счет включения плит в совместную работу даже при поперечном положении мы снизили напряжение в растянутой зоне на 11Мпа – с 89 до 78Мпа. С точки зрения расчета на выносливость это процентное соотношение довольно существенное.

Представитель ПИ-2 обратил внимание аудитории на то, что с точки зрения российских норм расчеты выносливости стали и алюминия различаются не только по методике, но и по логике. Согласно диаграмме напряжения, у стали предел выносливости выше, чем у алюминия примерно на 30 %. Между тем расчет стального моста на выносливость не является определяющим при подборе конструктивных решений, а для алюминия он основополагающий.

– Мы рассматриваем возможность приведения расчета по стали и алюминия к одной методике, – говорит Михаил Дубко. – Чтобы при сравнении вариантов стального моста и алюминиевого у нас была идентичная методика расчета.

Новые сплавы для мостов

Директор департамента деформируемых сплавов и композиционных материалов ИЛМиТ Александр Градобоев рассказал о сплавах, которые разработал институт для применения в строительных конструкциях, в частности в мостах. Это, сплав АД35ч - аналог сплава АД35. Мостостроителям нужен был сплав, не склонный к межкристаллитной коррозии, сопоставимый по пределу прочности со стандартным сплавом.

Исследования характеристик нового сплава и сварных соединений, полученных с применением аргонно-дуговой сварки и сварки трением с перемешиванием – подтвердили его стойкость к коррозии.

Другой сплав, разработанный специалистами ИЛМиТ, – это сплав 1939 системы алюминий-цинк-магний, аналог сплава 1915. Известно, что сплавы данной системы склонны к коррозионному растрескиванию, в том числе сварных соединений. По прочностным характеристикам сплав 1939 превосходит сплав-аналог и не склонен к коррозии под напряжением.

Чтобы сплав мог использоваться при проектировании и строительстве мостов, необходимо провести комплексные исследования по программе испытаний, которая включает в себя испытания на растяжение и коррозионную стойкость как основного металла так и сварных соединений, а также испытания на определение трещиностойкости, ударной вязкости и многоцикловой усталости. Исследования показали, что основным фактором, определяющим безопасность эксплуатации моста, подверженного циклическим нагрузкам, является условие выносливости.

В лаборатории ИЛМиТа проводились исследования по определению предела выносливости материала на базе 10 млн циклов.

Серия продолжается

Первый Российско-канадский симпозиум по использованию алюминия в строительстве мостов вызвал живейшую реакцию среди представителей профессионального сообщества обеих стран. Свидетельством тому многочисленные вопросы, которые задавались докладчикам на английском и русском языках. Участники симпозиума полны решимости проводить такие мероприятия регулярно, а следующей темой станут объекты дорожной инфраструктуры – шумозащитные экраны и опоры мачт освещения. В Северной Америке накоплен большой опыт установки таких конструкций на дорогах – он востребован в России.