Элементарные частицы в строительстве мостов и небоскребов

Ученые используют дифракцию нейтронов, чтобы понять, что происходит с порванной проволокой, находящейся внутри тросов подвесного моста.

Инженеры-строители часто занимаются крупномасштабными конструкциями, такими как небоскребы, дамбы и мосты, а исследователи в области прикладной физики изучают явления совсем другого масштаба, изучая поведение мельчайших частиц. Как ни странно, именно эти две области объединили ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке: они используют нейтроны, чтобы лучше понять поведение порвавшейся проволоки в тросах навесных мостов.

Раймондо Бетти, преподаватель гражданского строительства и инженерной механики, и Джевдет Ноян, завкафедрой прикладной физики и прикладной математики, — давние друзья. Однажды за чашечкой кофе они разговорились о том, можно ли с помощью прибора для дифракции нейтронов (это что-то вроде рентгеновского аппарата) заглянуть внутрь материалов, находящихся в экстремальных условиях. Например, получится ли увидеть, как ведет себя тонкая проволока внутри тросов подвесного моста?

Оказывается, можно. Они заглянули внутрь троса, и результаты их удивили.

Ученые установили, что, когда какая-нибудь проволока в тросе рвется, порой она сохраняет способность выдерживать нагрузку вовсе не на таком большом расстоянии от точки разрыва, как предполагалось. А это значит, что у старых подвесных мостов срок службы намного больше, чем считалось ранее.

Опорные тросы подвесных мостов состоят из пучков стальной проволоки высокой прочности, каждая диаметром примерно 5 мм, сплетенных в канаты. Инженеры давно знали, что с течением времени какая-нибудь из них рвется и теряет способность выдерживать нагрузку в месте разрыва. Но они также заметили, что на каком-то расстоянии от места разрыва эта тонкая проволока восстанавливает свою несущую способность. Точно неизвестно, почему это происходит, но, возможно, это связано с трением, кривизной и скручиванием проволоки в пучке и со сжатием троса. Возникает вопрос: как взаимодействуют между собой эта порванная проволока и другие, неповрежденные, и отчего к ней возвращается способность выдерживать нагрузку?

«Долгое время считалось, что такое происходит лишь на расстоянии двух пролетов, а это десятки метров от места разрыва. И мы решили проверить, действительно ли это так. Если на таком большом отрезке проволока не выполняет своих функций, тогда и на прочность троса в целом рассчитывать нельзя; особенно это касается старых мостов, где с годами образовалось множество невидимых мелких разрывов. Так что инженеры-строители работают на допущении, не имея научных подтверждений, — объяснил Р. Бетти. — Наше исследование обеспечивает более научный подход к пониманию того, в каком месте разорванная проволока восстанавливает свои свойства».

Используя дифракцию нейтронов, ученые исследовали пучки из семи проволок, сделанных из высокопрочной оцинкованной стали. Эти пучки соответствовали тем, что используются в настоящих подвесных мостах.

«Это позволило нам проследить, как напряжение передается к порванной проволоке от окружающих ее целых. Мы помещаем трос под нагрузку и измеряем показатели каждой проволоки, потом увеличиваем нагрузку и снова измеряем, потом еще раз, — говорит Д. Ноян. — И когда одна из них рвется, вы видите перераспределение нагрузки».

Порванная проволока в некоторых случаях восстанавливает свою несущую способность уже на расстоянии нескольких метров от разрыва. Раньше считалось, что это невозможно.

Образцы исследовались при натяжении и при сочетании натяжения со скручиванием, на специальном оборудовании, позволяющем дозировать нагрузку и затем с помощью дифракции нейтронов наблюдать, что происходит с проволокой. Дифракция нейтронов (смещение нейтронов в процессе их рассеяния) позволяет исследовать материал в условиях нагрузки, нагрева или воздействия электромагнитного поля. В прошлом ее использовали для проверки реактивных двигателей, турбин, цистерн для удобрений, железнодорожных колес и даже стержней отработанного ядерного топлива.

Нейтронная дифракция — неразрушающий метод, а потому имеет значительные преимущества перед другими. Другие методы исследования, в том числе подключение тензодатчиков к тросам перед их установкой или прикрепление датчиков к уже существующим мостам, в какой-то степени влияют на тросы. С новым методом можно измерить натяжение внутри образцов, даже не прикасаясь к ним.

По окончании своего исследования ученые надеются, что смогут рассказать инженерам, чего именно следует ожидать от тросов подвесных мостов с течением времени.

«В конечном итоге мы сможем сказать инженерам, что, если они обнаружат разрыв проволоки в тросе, можно рассчитывать на сохранение ее несущей способности в стольких-то сантиметрах или метрах от места разрыва», — говорит Р. Бетти. Таким образом в будущем навесные мосты и другие конструкции с натяжными тросами, например небоскребы, станут безопаснее. 

По материалам журнала Civil Engineering, текст: Лори Шустер