Кафедра «Строительная механика»

Создание МИИТа было связано с требованиями развития транспортной сети России.

Организованный в 1896 г., институт (императора Николая II инженерное училище) взял за основу научные, учебно-методические и технологические достижения русских инженеров XIX века, а также мировых и отечественных школ, в первую очередь Московского университета, Московского технического училища (ныне МГТУ им. Н.Э. Баумана) и Петербургского инженерного училища (в настоящее время СПГУПС). У истоков МИИТа стояли такие выдающиеся ученые и педагоги, как П.Н. Лебедев, Б.К. Млодзеевский, Н.Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин, Л.Д. Проскуряков.

Уже в первые годы МИИТ заявил о себе как о самобытном образовательном учебном заведении с оригинальными педагогическими задачами, собственной системой организации подготовки специалистов, своими подходами к уровню преподавания всех дисциплин - со всем тем, что позднее стало называться традициями «школы МИИТа». И именно эти традиции остаются до сих пор знаком качества выпускников, определяющим их высокую востребованность в строительных организациях России и за ее пределами.

Основы педагогического процесса, известного как «школа МИИТа», заложены и развиваются в нашем институте уже более столетия.

С момента основания большое внимание уделялось созданию учебников и организации лабораторий. Студенты осваивают строительную механику по книгам Л.Д. Проскурякова «Графическая статистика» и «Курс строительной механики» (1898 г.). В первое десятилетие были созданы высококлассные лаборатории и среди них лаборатория «Испытания материалов» (ныне имени Л.Д. Проскурякова).

Кафедра строительной механики МИИТа на протяжении всей истории ее существования играла важную роль в развитии науки. Трудами ее работников создавались и развивались новые направления в теории сооружений, разрабатывались эффективные методики преподавания этой науки, распространявшиеся затем по всей стране. Велась подготовка научных кадров высокой квалификации — докторов наук, профессоров, руководивших затем кафедрами и лабораториями во многих учебных и научных институтах страны.

Исторически сложилось так, что с самого начала работы кафедры перед ее руководителем — талантливым ученым, инженером и организатором Л.Д. Проскуряковым (заведовал кафедрой в период с 1896 г. по 1926 г.) встала трудная задача ускоренной, в три года, подготовки квалифицированных строителей железных дорог, мостов. Во многом это было связано со строительством Великой сибирской магистрали. Для решения поставленной задачи Л.Д. Проскуряков не только перестроил методику преподавания сопротивления материалов и строительной механики, но и совершенствовал и развил методы расчета транспортных сооружений. Созданная им методика одновременного преподавания курсов мостов и строительной механики потребовала и создания механической лаборатории для испытания соответствующих материалов и элементов конструкций, для чего был использован не только опыт Петербургского института путей сообщения, воспитанником которого был Л.Д. Проскуряков, но и опыт ведущих лабораторий Европы и Америки. Работа студентов в этой лаборатории связывала воедино полученные ими знания о механических свойствах строительных материалов с проектированием и расчетом мостов. Это дополнялось практикой испытаний материалов и элементов реальных строящихся сооружений, которые одновременно велись в лаборатории. Такая методика вскоре стала традиционной для всех инженерных вузов и строительных факультетов России. Транспортная направленность потребовала развития методов расчета сооружений на подвижную нагрузку. Разработанные и развитые Л.Д. Проскуряковым наглядные графические и графоаналитические методы расчета не только помогали студентам сравнительно быстро научиться расчетам, но и способствовали быстрому и всестороннему анализу работы сооружений. Эти методы были признаны ведущими учеными и получили широкое распространение в практике расчетов.

В начале двадцатого века большие достижения теории упругости еще недостаточно использовались в решениях практических задач конструирования и расчетов сооружений. Так, по выражению одного из учеников Л.Д. Проскурякова — профессора П.А. Велихова (заведовал кафедрой в период с 1926 г. по 1928 г.), даже в двадцатые годы инженеры-расчетчики испытывали «рамный голод», т.е. недостаток методов расчета статически неопределимых рам. Практическая направленность научных трудов кафедры соответствовала главному в то время направлению развития строительной механики: разработке и совершенствованию методов расчета сложных статически неопределимых стержневых систем, и в частности мостовых конструкций.

Здесь отметим, что на протяжении первых десятилетий работы кафедры в ее научных трудах решены некоторые важнейшие теоретические задачи строительной механики стержневых систем. Это было сделано как воспитанниками Л.Д. Проскурякова — профессорами П.А. Велиховым, И.П. Прокофьевым (заведовал кафедрой с 1928 г. по 1954 г.), В.И. Рудневым, П.К. Худяковым, так и их многочисленными учениками и сотрудниками кафедры. Например А.А. Гвоздевым был впервые предложен смешанный метод расчета стержневых систем и дано обобщение метода перемещений с введением сложного рамного элемента - начало метода суперэлементов); И.М. Рабиновичем опубликованы обширные исследования по кинематическому методу построения линий влияния и дан анализ свойств перемещений упругого тела и его применение к расчету сложных статически неопределимых систем; М.М. Филоненко-Бородичем исследованы свойства решений дифференциальных уравнений теории упругости, а также действие колеса подвижного состава на рельс; Б.Н. Жемочкиным опубликованы исследования по методу перемещений, по использованию гидростатических аналогий и системам на упругом основании; Я.М. Руппенейтом обобщено понятие нагрузки с соответствующим изменением методов расчета; В.И. Рудневым и В.А. Киселевым исследованы рациональные очертания арок и сводов и усовершенствовано построение линий влияния для усилий в этих системах; Н.М. Митропольским упрощены расчеты стержней на продольно-поперечный изгиб; Н.П. Щаповым опубликованы исследования по свойствам металлов для мостов и рельсов; Н.К. Снитко опубликован метод начальных параметров для определения прогибов балок; А.В. Дарковым и В.И. Кузнецовым усовершенствованы методы расчета балок на упругом основании; И.П. Прокофьевым, Н.И. Безуховым, В.В. Синельниковым, И.В. Урбаном разработаны методы расчета сооружений в сыпучей среде; Я.А. Пратусевичем развиты вариационные методы строительной механики. В любом серьезном исследовании по истории развития строительной механики в России отмечаются эти труды работников кафедры МИИТа и их большая роль в развитии строительной механики стержневых систем.

Изданные кафедрой в первой половине XX века многочисленные учебники и учебные пособия, начиная с курса «Строительная механика» Л.Д. Проскурякова, служили основой подготовки инженеров-строителей во многих вузах страны. Позднее в течение более тридцати лет настольными книгами по сопротивлению материалов и строительной механике для многих поколений студентов станут учебники А.В. Даркова и А,Ф. Смирнова. Кафедра с благодарностью чтит подвижническую работу В.В. Синельникова, связанную с совершенствованием методики преподавания строительной механики.

С развитием в нашей стране машиностроения, авиастроения, кораблестроения строительная механика перестает быть строительной механикой стержневых систем. Важнейшими и сложнейшими для расчета становятся тонкостенные пространственные конструкции. В качестве актуальных появляются задачи динамики и устойчивости таких систем. На первый план выдвигаются численные и численно-аналитические методы решения этих задач. Поворот научных исследований кафедры в сторону применения и развития численных методов связан с именем Анатолия Филипповича Смирнова (заведовал кафедрой в период с 1954 г. по 1968 г.).

Им разработаны вопросы устойчивости и колебаний упругих систем, вошедшие в докторскую диссертацию, которую он блестяще защитил в 1946 г. Идеи, заложенные в этой работе, во многом далеко опередили развитие численных методов не только в теории устойчивости и колебаний, но и в целом в строительной механике.

А.Ф. Смирнову принадлежат первые фундаментальные работы по применению матриц к расчету сооружений. Этими работами он перестроил всю логическую систему строительной механики, создал ее новый язык и новый алгоритм мышления в инженерных расчетах. Им доказан ряд новых теорем в области устойчивости сооружений, предложен смешанный метод расчета рам на устойчивость, дано решение ряда сложных задач устойчивости и колебания упругих систем при динамических воздействиях. Обладая редким даром научного предвидения, он более чем за 15 лет до ши рокого внедрения ЭВМ в инженерные расчеты начал разработку методов, ныне реализуемых в различных программных комплексах.

Основные научные направления деятельности А.Ф. Смирнова отражены в его книгах, получивших широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Монография «Статическая и динамическая устойчивость сооружений» была удостоена премии имени академика Б.Г. Галеркина. За цикл работ на тему «Разработка и применение методов расчета пространственных конструкций на ЭВМ» А.Ф. Смирнов вместе со своими учениками А.В. Александровым, Б.Я. Лащениковым, Н.Н. Шапошниковым был вторично удостоен этой премии.

Начатые им исследования динамической устойчивости стержней при переменных во времени сжимающих силах были успешно продолжены на кафедре МИИТа выпускником факультета «Мосты и тоннели» В. В. Болотиным, в настоящее время академиком РАН, трудами которого был создан впоследствии большой раздел механики — «Динамическая устойчивость упругих систем», в котором решены многие сложные задачи динамики современных конструкций и аппаратов. В наши дни академик В.В. Болотин (восьмидесятилетие которого торжественно отмечалось в нашей стране и за рубежом) известен и в отечественной, и в мировой науке как крупнейший специалист по ряду направлений строительной механики: динамическая устойчивость консервативных и неконсервативных систем, статистические методы и теория надежности, расчет композитных конструкций, механика разрушения, механика усталости и др.

Принципиально новые возможности развития численных методов строительной механики дало появление в МИИТе в 1960 г. первых ЭВМ. Даже маломощные неустойчиво работающие «Сетунь», «Урал-2» и другие ЭВМ первого поколения позволили сотрудникам кафедры решить с помощью матричных алгоритмов целый ряд задач статики, динамики, устойчивости сооружений, разработать матричный метод решения краевых задач (метод интегральной матрицы и матрицы дифференцирования) и одними из первых в стране опубликовать методы, алгоритмы и программы для ЭВМ. По результатам исследований была опубликована книга «Расчет сооружений с применением вычислительных машин». В этой публикации была также предложена методика расчета плитно-балочных мостов и тонкостенных; призматических конструкций, разработанная А.В. Александровым (заведовал кафедрой в период с 1968 г. по 1997 г.) и позволяющая рассчитывать эти современные экономичные системы на уровне допущений прикладной теории упругости, т.е. практически точно без дополнительных гипотез. Она породила целое направление в работе кафедры строительной механики и ряда смежных кафедр, применяется в расчетах мостов, вагонов и многих конструкций за пределами МИИТа. Наиболее широкое развитие и применение для расчетов сложных оболочечных систем эта методика получила в работах профессора кафедры В. П. Мальцева, который является признанным специалистом-аналитиком прочности и устойчивости оболочек в любых сферах их использования: от подземного строительства до космических аппаратов. Его экспертные оценки, проведенные с помощью разработанных им алгоритмов и программных комплексов всегда безукоризненно точны как для задач строительства уникальных сооружений, так и для изделий машиностроения.

Появление ЭВМ резко увеличило и возможности расчетов сложных стержневых систем. Примерами этого служат труды профессора А.А. Петропавловского, разработавшего методику расчета на устойчивость пространственных арочных мостов и расчетов висячих систем, а также работы Н.Н. Шапошникова по расчетам тоннелей, которые успешно применялись в учебном процессе и в решениях прикладных задач на кафедрах «Мосты» и «Тоннели».

Но главное направление развития численных методов строительной механики во второй половине XX века — это разработка и применение метода конечных элементов (МКЭ); и первой современной работой по МКЭ в нашей стране была статья А.В. Александрова и Н.Н. Шапошникова, опубликованная в Трудах МИИТа в 1966 г. Не представляется здесь возможным перечислить все работы кафедры в этом направлении и их авторов. В теоретическом отношении важнейшими из них являются работы Н.Н. Шапошникова и его учеников по суперэлементной методике и С.Б. Косицына по методу построения конечных элементов для оболочек со сложной пространственной геометрией. Нужно отметить и очень своевременный труд большого количества работников кафедры по созданию соответствующих программных комплексов для быстро менявшихся во времени видов используемых ЭВМ. Программные комплексы традиционно использовались и в учебном процессе, и в расчетах реальных сооружений.

Практика проектирования многих современных инженерных конструкций и сооружений требует учета в расчетных моделях физической и геометрической нелинейности системы, что часто вырастает в проблему даже при использовании ЭВМ и требует особых исследований. Такие исследования велись многими работниками кафедры. Особо необходимо отметить работы в области устойчивости с учетом вязкоупругих свойств элементов конструкций, которые ведет коллектив, руководимый В.Д. Потаповым (заведующий кафедрой с 1997 г.). Особенностью работ В.Д. Потапова является анализ напряженно-деформированного состояния и устойчивости движения вязкоупругопластических систем в квазистатической и динамической постановке. Им проведено исследование влияния фактора времени на поведение систем при непрерывном или дискретном изменении расчетной схемы при одновременном последовательном изменении нагрузки. Особое место в его работах занимают исследования устойчивости и надежности вязкоупругих систем в условиях, когда характеристики материала и внешние воздействия являются случайными функциями времени и пространственных координат. Закономерно привлечение В.Д. Потапова к работе представительных международных симпозиумов и его многочисленные публикации за рубежом.

Следуя восточной поговорке о том, что одна роза — еще не букет, отметим, что во все времена существования кафедры она представляла собой сочетание творческих научных работников, увлеченных разными задачами механики. Их результаты, порой не замеченные, тем не менее являлись весомым вкладом в развитие генерального направления работы кафедры. В связи с этим отметим довоенные работы Н.П. Щапова, СР. Гвамичавы, В.П. Гудкова. В послевоенные годы, вплоть до 1980 г., на кафедре работали Д.Ф. Парфенов, Н.И. Монахов, В.В. Холчев, А.И. Скрябин, П.В. Мальцев, П.Г. Проскурнев, Г.В. Федорков, В.А. Бабичков, В.М. Прошко, Е.П. Степанов, К.Е. Китаев и др. Их вклад в развитие идей лидеров кафедры и, что особенно важно, в методику преподавания дисциплин кафедры и ее отдельных разделов трудно переоценить. Зачастую их имена являются легендарными для многих поколений выпускников и непосредственно связаны с понятием «школы МИИТа».

В последние десятилетия в механике деформируемого твердого тела и строительной механике сложилось особое направление исследований, связанное с широким распространением композитных материалов и регулярных конструкций, состоящих из однообразных элементов. Исследования в этом направлении начаты на кафедре, по существу, еще в докторской диссертации В.В. Синельникова и эффективно выполняются на основе континуально-дискретного метода.

Разработка этого метода и расчет дискретных систем и сред периодического строения, для которых справедливы предположения о быстро и медленно меняющихся переменных, легли в основу исследований Б.Я. Лащеникова. Им и его учениками получены интересные результаты при расчетах рам с элементами переменной жесткости, в разработке теории обобщенного стержня при расчетах пространственных систем, в разработке вариантов метода с обобщенным узлом — ячейкой среды (как для системы с переопределенным базисом). Также разработаны: методика решения задач нестандартной теплопроводности для мостовых пролетных строений с применением МКЭ; высокоточные изопараметрические двумерные и трехмерные конечные элементы для решения задач теории упругости, новые модели гибридных (в напряжениях) конечных элементов для расчета пластин, оболочек и перфорированных пластин, методика моделирования деградации конструкции в агрессивной среде с применением МКЭ.

Исследования предыдущих лет привели Б.Я. Лащеникова в 1986 г. к идее получения уравнений равновесия и движения энергетическим способом, ограничиваясь областью одной ячейки среды. Этот подход позволил расширить область применения континуально-дискретного метода и сформулировать постановку задачи об учете нелинейностей среды, а также развить метод применительно к решению задач изгиба пластин, в том числе и в динамической постановке.

В последние годы жизни Б.Я. Лащениковым был переосмыслен взгляд на различные подходы к расчету дискретных сред периодического строения и на место созданного им метода в этой совокупности подходов и методов. Не будет преувеличением говорить о создании Б.Я. Лащениковым целого направления в строительной механике по расчету дискретных систем и сред. Развитие идей расчета сред периодического строения как систем с переопределенным базисом обратило Б.Я. Лащеникова к некоторым проблемам алгебры векторов с неотрицательными элементами. К сожалению, эти разработки нашли скудное отражение в печати.

Современное состояние научной работы кафедры можно представить, рассмотрев некоторые результаты, полученные учениками и последователями А.Ф. Смирнова, А.В. Александрова, В.Д. Потапова, Б.Я. Лащеникова. Их работы в достаточной степени отражают мозаику поисков, объединенную единым вектором, направленным ранее.

Интересными представляются работы В.Б. Зылева в области разработки методов анализа стержневых систем при произвольно больших перемещениях. Использовав разработанный им алгоритм метода «стрельбы», он рассматривает динамическое деформирование тросовых систем при неконсервативной ветровой нагрузке при нелинейно-упругой диаграмме растяжения нити. Работа использована при проектировании уникальных крупногабаритных антенн.

Значительный вклад в развитие механики надежности транспортных сооружений и машин внес Ю.И. Романов. Им решены: прогнозирование долговечности железнодорожных рельсов на основе специально разработанной модели механики разрушения; разработка моделей полного описания стохастических элементов характеристическими функционалами применительно к оценке надежности различных объектов, в том числе подвергаемых кинематическим воздействиям и коррозии.

Особое место занимают работы Г.А. Мануйлова, который предложил метод неособенных продолжений для оценки разрешимых параметров упругой системы, не позволяющих выйти за границы устойчивости линейных и нелинейных систем. На основании анализа геометрии системы и типа нагрузки им установлены качественные критерии для определения характера возможных сценариев потерь устойчивости.

Основное направление работ Д.Б. Долотказина: развитие континуально-дискретного метода для дискретных систем и сред периодического строения; математическое обеспечение расчетов — анализ напряженно-деформированного состояния объектов различного направления. Среди последних его работ отметим вантовый мост через р. Обь в Сургуте, Лефортовский тоннель, Государственный исторический музей, Государственный академический Большой театр, подпорная стена Покровского собора на Красной площади, выполненных совместно с другими сотрудниками кафедры.

К научным работам по строительной механике тесно примыкают исследования, выполняемые на других кафедрах МИИТа. Образно говоря, строительная механика не является одиночной горной вершиной. Она — в окружении других вершин, которые самостоятельно и во взаимодействии с ней ставят и решают многие фундаментальные и прикладные задачи механики деформированного тела.

Необходимо отметить, что, хотя преобладающими направлениями научной работы кафедры в последние десятилетия были теоретические и расчетно-численные исследования, одновременно развивалась и работа механической лаборатории им Л.Д. Проскурякова. В послевоенные годы в лаборатории были установлены мощные вибрационные стенды, позволяющие проводить испытания на усталость рельсов, крупных элементов строительных конструкций и конструкций транспортного машиностроения. На протяжении десятилетий велись, например, испытания на усталость сварных рельсовых стыков (рук. В.В. Синельников, И.Е. Степанов, Ю.И. Романов), изоляторов контактной сети электрифицированных железных дорог, выполненных из современных композитных материалов (рук. В.Д. Потапов, А.М. Лукьянов), разрабатывалась методика испытаний пористых материалов (рук. Б.Я. Лащеников, Е.Ф. Зарудный). В лаборатории вели также исследования многие кафедры МИИТа и другие научные институты транспорта. Переоборудована и учебная лаборатория, в которой установлены современные стенды, позволяющие студентам творчески выполнять учебные работы.

Научная работа кафедры всегда была связана с учебным процессом. И во второй половине века сотрудниками кафедры были написаны не только многочисленные монографии, но и большое количество учебников и учебных пособий. Выпущенные кафедрой курсы сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, строительной механики использовались и используются в качестве основных учебников по этим дисциплинам во всех транспортных и многих строительных вузах и факультетах страны, некоторые из них были переведены и изданы за рубежом.

Более чем столетняя работа кафедры «Строительная механика» получила достойное признание в России и за ее пределами. Подтверждающим аккордом может служить международная научно-техническая конференция, проведенная кафедрами института в феврале 2006 года. Более сотни докладов практически по всем наиболее значимым вопросам подтвердили в том числе актуальность направлений и результативность нашей работы.