Согласно статистике портала «ЕРЗ.РФ», в 2023 году только 62% жилой недвижимости введено в эксплуатацию своевременно или досрочно. Застройщики в среднем отстают от графика сдачи жилья на 5,2 месяца. Применение аддитивных технологий может решить эту проблему и оптимизировать методику возведения конструкций в монолитном строительстве. Сейчас каркас таких объектов формируют с помощью специальных сооружений – опалубок – это временные конструкции, в которые заливают раствор свежего бетона, чтобы он застыл в нужной форме. Ученые Пермского Политеха разработали новую технологию построения каркаса здания, которая представляет собой синтез традиционного подхода и инновационной 3D-печати. Это позволит на 10% ускорить сроки строительства и уменьшить энергозатраты.

Статья с результатами опубликована в журнале «Современные технологии в строительстве. Теория и практика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Монолитное строительство получило большую популярность благодаря своим преимуществам. Технология позволяет возводить высотные здания в среднем за один год, что значительно быстрее по сравнению с кирпичными домами. Прочный монолитный каркас обеспечивает высокую надежность и долговечность зданиям.

На сегодняшний день аддитивные технологии пока не получили широкого распространения в строительстве, так как не решены некоторые проблемы в области материаловедения (подбор составов бетонных смесей для печати), автоматизации и строительной робототехники. Но техническая реализация 3D-печати возможна при возведении несъемной опалубки вертикальных монолитных конструкций.

Опалубка – это вспомогательная конструкция из дерева, металла или других материалов, которая нужна для придания монолитным конструкциям из бетона определенных параметров — формы, геометрических размеров, положения в пространстве. С ее помощью, например, создают стены, перекрытия и плиты. Опалубочные работы проводят на каждом этапе возведения здания, начиная от фундамента и заканчивая кровлей. Традиционная технология предполагает использование съемной многоразовой опалубки, которая в дальнейшем, после достаточного набора прочности бетона железобетонной конструкции, разбирается.

Ученые Пермского Политеха предлагают использовать новую технологию строительства в несъемной опалубке, изготовленной с помощью аддитивных технологий. Подход представлен на примере 25-этажного жилого дома. Политехники подобрали материалы и оборудование для 3D-печати, сконструировали вертикальные несущие конструкции и разработали схему производства работ. Результаты использования новой технологии сравнили с традиционной по продолжительности и стоимости работ.

Основа печати – это тяжелый мелкозернистый бетон на цементной основе, в состав которого входит мелкий заполнитель, минеральные добавки, микрофибра из стали, противоусадочные химические добавки и регуляторы сроков схватывания.

Важно правильно подобрать оборудование для 3D-печати, ведь именно от него зависит схема выполнения работ, их стоимость, сроки и качество. Ученые Пермского Политеха выбрали легкий мобильный строительный 3D-принтер, который устанавливается на подвижную платформу с дистанционным управлением и передвигается на собственном гусеничном ходу. Начиная с конкретной точки, производится послойная печать нескольких элементов опалубки, которые после затвердевания заполняются бетонной смесью с помощью башенного крана.

– Мы сравнили продолжительность и стоимость возведения каркаса здания по традиционной и предлагаемой технологиям. Для расчета составили графики производства работ и учли рыночную стоимость аренды и покупки комплекта опалубки и принтера, оплату труда работникам, общие расходы на материалы. Стоимость строительства с применением 3D-принтера практически не отличается от традиционной технологии даже с учетом его покупки. Однако его использование позволяет на 10% ускорить сроки выполнения работ, – рассказывает Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Представленная учеными ПНИПУ технология возведения монолитного каркаса здания и спроектированные схемы работ с 3D-принтером имеет значительный потенциал для практического применения в строительной отрасли.

Сейчас сенсорные устройства активно применяют в промышленности, медицине, оборонной отрасли и бытовой электронике. Это функциональный и удобный способ ввода информации. Однако при эксплуатации сенсорных экранов в агрессивных условиях, например, на машиностроительном производстве, в сельскохозяйственной или железнодорожной технике, на них воздействуют высокие температуры, влажность, пыль и механические нагрузки, из-за чего они работают некорректно. Поэтому в современных реалиях, помимо новых конструкций сенсорных устройств, необходимы инновационные подходы к проектированию «мозгов» прибора – их вычислительных систем. Ученые Пермского Политеха разработали эффективный метод создания вычислительной системы сенсорного устройства, который использует звуковую волну для определения места касания. Реализация подхода повысит надежность, скорость реакции и точность прибора даже в сложных условиях эксплуатации.

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления», № 4, 2024.

Основной процесс сенсорных устройств заключается в определении точки касания экрана, так, например, работают наши смартфоны. Но если использовать аналогичные технологии в тяжелых промышленных условиях – на производствах, в химических лабораториях, в сельском хозяйстве, в управление различной техникой, то на них воздействуют различные погодные условия, химикаты, температура, влажность и пыль. Эти факторы приводят к сбоям сенсорного оборудования и его некорректной работе.

Поэтому для их эксплуатации в подобных средах требуется создание инновационных алгоритмов и моделей идентификации точки касания экрана, которые обеспечили бы заданную точность локализации и высокое быстродействие приборов.

Ученые Пермского Политеха работают над созданием такого устройства, которое для определения места касания фиксирует звуковые волны, распространяющиеся по поверхности сенсорного экрана. Вычислительная система – это одна из важнейших частей его качественного функционирования. Политехники предлагают эффективный метод ее разработки, который позволит всему прибору надежно работать в различных агрессивных средах.

Подобные акустические устройства, которые работают на фиксации звука от касания, не обеспечивают нужную точность в определении точки нажатия. Ее либо недостаточно, либо система слишком чувствительна, что приводит к ложным срабатываниям и ошибкам в идентификации координат точки касания.

– Этапы создания нашей вычислительной системы включают в себя анализ условий, в которых будет эксплуатироваться сенсорный экран (помещение, открытый воздух, море, пустыня), а также допустимый размер устройства, необходимую точность и скорость работы. Уже на основе этой информации подбираются подходящие материалы, не поглощающие звуковые волны, и рассчитывается скорость звука в них, – поделился Алексей Козин, аспирант, ассистент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, основной разработчик сенсорного устройства и его вычислительной системы.

При моделировании экрана политехники выявили наилучшее расположение устройств, регистрирующих звук. Если поместить их в неактивной части сенсора (по краям), точность локализации места касания достигает 100%.

Метод, предлагаемый учеными, при разработке вычислительной системы позволяет учитывать все необходимые параметры – габариты, материал экрана, точность локализации касания, скорость отклика и чувствительность.

– Мы используем комплексный подход, который включает разработку математической модели функционирования сенсорного устройства, создание способа локализации места касания, компьютерное моделирование, программную реализацию для управляющего микроконтроллера и проведение экспериментов на опытном образце, – рассказывает Владимир Фрейман, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, доктор технических наук, научный руководитель проекта.

Разработанный учеными ПНИПУ метод может быть эффективно применен для создания вычислительных систем акустических сенсорных устройств широкого спектра назначения. Его реализация позволяет повысить надежность, быстродействие и точность локализации сенсора в сложных условиях эксплуатации. Разработка может быть востребована на промышленных предприятиях, в частности, в ее апробации заинтересовано ПАО «ПНППК».

Эксплуатация калийных рудников часто связана с рисками для здоровья и безопасности работников, в частности, из-за отравления вредными газами, которые выделяются из породы в процессе добычи. Сейчас существуют различные методы борьбы с этим явлением, но, несмотря на это, проблема все еще актуальна. Чтобы обеспечить необходимые меры безопасности и снизить риск заболевания горнорабочих, важно заранее определять места и время газовыделений в рудниках. Для этого нужно знать, как происходит движение газа и что на это влияет. Ученые Пермского Политеха исследовали взаимосвязь между изменением атмосферного давления и газовой обстановкой в выработках и разработали методику, которая позволит прогнозировать ситуацию в руднике на основе метеорологических данных.

Статья с результатами опубликована в сборнике «Актуальные проблемы охраны труда и безопасности производства, добычи и использования калийно-магниевых солей», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Газодинамические явления – это одна из серьезных проблем разработки калийных рудников. В процессе добычи солей из пород выделяются ядовитые серосодержащие газы, опасные для здоровья рабочих.

На рудниках проводят интенсивную вентиляцию выработок и рабочих зон, контролируют состояние атмосферы, а также используют средства индивидуальной защиты. Но, несмотря на все меры предосторожности, ситуация остается опасной, поэтому необходимо продолжать разработку новых технологий для борьбы с газовыделениями.

Метеорологические факторы могут существенно влиять на процессы перемещения и концентрации газа в породах. Ученые Пермского Политеха изучили эту связь и разработали методику прогнозирования на основе данных об атмосферном давлении в рудниках.

– Интенсивность выделения газа зависит от газопроницаемости массива выработок, газоносности пород и давления газа в разрабатываемом пласте. При повышенном атмосферном давлении газопроницаемость пластов занижается, и газ выделяется через микротрещины и поры. При значительном падении давления в выработке начинается интенсивное высвобождение газа как из стенок, так и из измельченной породной массы. Чем больше в этих условиях объем добычи, тем сильнее он выделяется, – объясняет Александр Земсков, профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» ПНИПУ, доктор технических наук.

При таком прогнозировании важно учитывать, что на изменение атмосферного давления в рудниках также влияет и работа вентиляционной системы.

Политехники отмечают, что существуют пороговые значения давления, превышение которых резко меняет интенсивность газовыделений. Они отличаются в зависимости от времени года. Измерение погодных условий в районе рудников крупного Верхнекамского месторождения показало, что в 62% случаев газодинамическая обстановка обостряется в весенние и осенние периоды при резкой смене метеорологических показателей.

– На основе информации об изменении атмосферного давления и анализе данных на калийных рудниках мы выполнили прогноз на год для Верхнекамского месторождения и выявили предположительно опасные и угрожаемые дни по метеофакторам. В такие дни работники заведомо должны быть осведомлены о повышенной опасности для предотвращения неблагоприятных ситуаций, – рассказывает Алсу Имайкина, студентка кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» ПНИПУ.

Ученые Пермского Политеха доказали, что прогнозирование газовыделений в калийных рудниках с использованием метеорологического фактора представляет собой надежный инструмент обеспечения безопасности горнорабочих.

Статьи опубликованы в журналах «Metals» № 13, 2023 год и «Russian Physics Journal» № 10, т. 67, 2024. Исследования проведены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации нацпроекта «Наука и университеты» (в рамках выполнения госзадания, проекты № FSNM-2021-0012 и № FSNM-2024-0002).

Холодную гибку проводят, как правило, при комнатной температуре без предварительного нагрева. Это относительно быстрый и экономичный способ превратить лист металла в функциональное изделие нужной формы и размера. При этом оно будет иметь беспористую мелкозернистую микроструктуру, которая обеспечивает повышенную прочность. Это важно для ответственных изделий, таких как трубопроводы и авиадетали.

Для оптимизации методов холодной гибки и для разработки новых технологий эффективным инструментом является многоуровневое математическое моделирование. С его помощью описывается изменение внутренней структуры металла на нескольких масштабных уровнях. Это позволяет прогнозировать получаемые свойства материала.

– При интенсивном неупругом деформировании действует множество механизмов, роль которых меняется в зависимости от различных факторов – температуры, скорости и типа воздействий, исходного состава материала. При комнатной температуре одним из ключевых механизмов становится измельчение зеренной структуры металла, в ходе которого образуются новые зерна меньшего размера за счет относительных разворотов частей исходного зерна. Это улучшает прочность готовых изделий, – объясняет Алексей Швейкин, ведущий научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Ученые Пермского Политеха разработали многоуровневую модель, которая описывает процесс измельчения зерен при деформации, помогает детально проанализировать закономерности изменения микроструктуры металла и улучшить эксплуатационные характеристики будущих изделий.

– Мы провели моделирование холодной гибки листа из стали и произвели расчеты процесса при различных условиях. В результате определены оптимальное расположение роликов станка и скорость подачи металлического листа – это те параметры, которые обеспечивают наименьший размер зерен и более высокий предел текучести материала, – комментирует Кирилл Романов, аспирант и ассистент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов», младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ.

Модель ученых Пермского Политеха важна для оптимизации технологий производства и обработки металлических заготовок. Вычислительный эксперимент демонстрирует возможности управления параметрами процесса для получения наилучших характеристик материала. Исследование позволит дать рекомендации технологам по подбору режимов обработки для получения более прочных изделий.