ОСНОВАНИЕ И СТАНОВЛЕНИЕ ПЕРВОЙ В МИРЕ ЛАБОРАТОРИИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ - МЕХАНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ им. проф. Н.А.БЕЛЕЛЮБСКОГО

Интенсивное строительство мостов, шоссейных и железных дорог, развернувшееся с 30-х годов XIX в., требовало новых строительных материалов, систематического изучения их механических свойств и выработки рекомендаций по применению. Эти испытания производились на разных строительных площадках, заводах, по методикам, составленным разными исследователями. Например, сидерометр – разрывная машина для испытания цепей и тросов, запроектированная А. Бетанкуром и использованная для испытания цепей для Пантелеймоновского моста Г.Ламе, была установлена на Александровском металлическом заводе. Журавский Д.И. свои модели Веребьевского и Мстинского мостов испытывал на строительной площадке первого постоянного моста через Неву, и т.д. Назрела необходимость создания научного центра, в котором бы все эти проблемы решались в совокупности.

Инициаторами создания специально оборудованной для этих целей лаборатории выступили осенью 1849 г. профессора института Ф.И.Сулима и П.И.Собко. В 1851 г. ими был подготовлен проект, а к концу 1853 г. новая лаборатория для химических и механических исследований строительных материалов была полностью построена, оборудована машинами и приборами. В ней начались занятия. Это была первая лаборатория в институте корпуса инженеров путей сообщения.

Официальное открытие лаборатории состоялось 28 января (10 февраля) 1854 г. Первым ее заведующим стал Петр Иванович Собко - один из создателей русской школы строительной механики. Так начиналась деятельность первой в России и в мире специализированной учебной и научной лаборатории по исследованию прочности и деформируемости материалов и элементов конструкций. По свидетельству С.П.Тимошенко [1], первые подобные лаборатории за рубежом появились в Англии в 1862 и 1865 гг., а в Германии, при Мюнхенском политехническом институте, - в 1871 г.

В Механической лаборатории впервые в России начинаются учебные занятия по практическому исследованию физико-механических свойств строительных материалов, заинтересовавшие инженерную общественность Санкт-Петербурга. В лаборатории проводились занятия со студентами не только своего института, но и Горного института, Военно-инженерной академии, Строительного училища.

Так как Механическая лаборатория была первой и единственной в России, прежде чем начать испытания, приходилось разрабатывать технические условия на их проведение.

В 1854 г. П.И.Собко разработал первые методы испытания строительных материалов, по которым испытывались камень из различных каменоломен и лесные материалы, поступившие в 1856 г. из экспедиции П.П.Мельникова, занимавшейся изысканиями дороги Москва-Курск. В 1854 г. в лаборатории производилось испытание материалов, предназначенных для шпиля собора Петропавловской крепости, реконструкция которого - замена деревянного каркаса на металлический - велась по проекту инженера Д.И.Журавского. В эти же годы велись испытания кирпича, телеграфной проволоки, опорных подушек рельсового пути и прочих изделий.

В 1863 г. Механическая лаборатория отделяется от химической в самостоятельную, перемещается в большее помещение, пополняется испытательным оборудованием и расширяет свои исследования.

В 1864 году в ИКИПС организуются 12 первых кафедр. В том числе кафедра Строительной механики, заведующий которой должен был возглавлять и Механическую лабораторию.

В 70-е годы XIX в. в России продолжало расширяться железнодорожное и гидротехническое строительство. Учитывая это, профессор Н.А.Белелюбский, возглавивший с 1873 г. Механическую лабораторию, видел ее ближайшую задачу «...в производстве возможно большего числа опытов по определению сопротивления и других механических свойств русских материалов, а также в удовлетворении запросов строительной практики по приемке материалов вообще».

С 1876 г. в Механической лаборатории проводились систематические испытания цементов различных заводов. В 1881 г. на основании накопленного опыта Н.А.Белелюбским были разработаны, а Министерством путей сообщения утверждены единые русские «Нормальные условия для поставки и приемки портландских цементов».

Н.А. Белелюбский является одним из организаторов ряда совещаний, посвященных обсуждению вопросов производства и испытания цементов. Их участниками были представители отечественных цементных заводов и научных учреждений. На первом совещании (1885 г.) было принято решение образовать в Механической лаборатории Института инженеров путей сообщения Постоянное бюро по испытанию цементов. На основе результатов испытаний, полученных в Механической лаборатории, в 1890 г. были составлены Технические условия на приемку цементов для портовых сооружений, написаны инструкции по надзору за производством работ. В 1895 г. состоялось третье совещание по цементам, названное, благодаря своей представительности, съездом. Одно из его заседаний проходило в Механической лаборатории, где демонстрировались новые приборы и обсуждались вопросы техники испытания строительных материалов.

Н.А.Белелюбский доказал, что качество русских цементов не уступает лучшим маркам иностранных. Его трудами с 1895 г. было прекращено использование импортного цемента в сооружениях, строившиеся Министерством путей сообщения.

Накопленные в лаборатории данные при испытании образцов литого железа послужили основой для составления первых Технических условий на приемку литого железа для строительства мостов. В состав комиссии Министерства путей сообщения, завершившей в 1885 г. разработку этих технических условий, входил Н.А. Белелюбский.

Н.А. Белелюбский был и известным мостостроителем, по проектам которого возведено более 100 крупных мостов из литого железа. Обширные исследования в Механической лаборатории его свойств и влияния на них различных способов обработки позволили Н.А. Белелюбскому в работах, опубликованных в 1882-1885 гг., рекомендовать литое железо к использованию в мостостроении в замен сварочному.

Первые в мире мосты из литого железа появились на Псковско-Ржевской железной дороге в 1883 г., а к 1886 г. такие мосты были построены и на Ржево-Вяземской и Гомель-Брянской железных дорогах. В течение 40 лет не было внесено существенных изменений в конструкцию типовых ферм, разработанных Н.А.Белелюбским в 1884 г.

Теоретические исследования профессора Н.А.Белелюбского нашли свое обобщение в его «Курсе строительной механики», который вышел первым изданием в 1885 г. и стал настольной книгой для студентов и инженеров-строителей того времени.

С 1883 г. большое место среди исследований в Механической лаборатории занимали работы по изучению рельсовой стали. Результаты этих исследований были использованы при разработке в 1886 г. Технических условий на приемку рельсов и бандажей.

Механическая лаборатория института была участницей и одним из организаторов всех международных конференции и конгрессов по испытаниям строительных материалов, членом постоянно действующих международных комиссий.

Первая международная конференция по методам испытания материалов состоялась в 1884 г. в Мюнхене, вторая - в 1886 г. в Дрездене, третья - в 1890 г. в Берлине, четвертая - в 1893 г. в Вене. На этих конференциях докладывались результаты исследований, выполненных учеными института. К 80-м годам ХIХ столетия Механическая лаборатория завоевала славу одной из лучших в Европе.

В 1895 г. под председательством Н.А. Белелюбского была образована комиссия для выработки сортамента профилей фасонного прокатного металла. В этой работе принимали участие Ф.С. Ясинский и Н.Н. Митинский. В 1899 г. «Русский нормальный сортамент железа в метрических мерах» был введен и действовал без существенных изменении вплоть до 1926 г.

С 1900 по 1905 г. по заданию Министерства путей сообщения в лаборатории проводилось большое комплексное исследование свойств стали из рельсов, прослуживших продолжительные сроки на различных дорогах страны. Результаты этой большой работы послужили основой для разработки Технических условий на рельсы и нормальных типовых профилей рельсов, утвержденных в 1908 г. и действовавших до 40-х годов, когда они были дополнены более тяжелыми типами.

В связи с организацией в 1889 г. Всемирной выставки в Париже состоялся Международный конгресс по строительству и механическому делу. Вице-председателем конгресса был избран Н.А. Белелюбский. В докладах, сделанных на конгрессе, был показан приоритет русских ученых в ряде вопросов экспериментального изучения материалов и сооружений.

Для лучшей организации информационной и координационной работы было основано Международное общество по испытанию строительных материалов, которое каждые 3-5 лет созывало свои конгрессы.

Первый конгресс общества состоялся в 1895 г. в Швейцарии, в Цюрихе, последующие - в других странах. Седьмой конгресс был назначен на 1915 г. в Петербурге. Однако он не состоялся из-за начавшейся первой мировой войны.

На этих конгрессах Механическую лабораторию представлял Н.А. Белелюбский и его сотрудники, выступавшие с докладами. Н.А. Белелюбский с момента организации Совета - постоянно действующего органа общества - входил в его состав, затем он был избран вице-президентом, а в 1912 г. - президентом Международного общества по испытанию строительных материалов.

На протяжении многих лет в лаборатории испытывались образцы каменных пород различных месторождений со всех концов страны. Совокупность этих исследований позволила Академии наук СССР в 1920 г. составить карту месторождений каменных материалов, пригодных для строительных целей.

В конце XIX в. деятельность кафедры Строительной механики и Механической лаборатории была связана с именами таких ученых, как Л.Д. Проскуряков, С.И. Дружинин, Ф.Е. Максименко, Н.Н. Митинский, С.К. Куницкий, М.А. Ляхницкий. Первым, кто ввел в институте преподавание курса «Теория упругости», был Феликс Станиславович Ясинский. В 1913 г. учебной работой на кафедре руководил вновь избранный профессор С.П.Тимошенко.

Можно без преувеличения сказать, что содержание и методика преподавания курса сопротивления материалов и постановка лабораторного практикума по этой дисциплине в России зародились в стенах нашего института на кафедре и в Механической лаборатории. Отсюда они были в прямом смысле перенесены в другие высшие учебные заведения. Вот несколько иллюстраций к этому утверждению. Штатными помощниками Н.А.Белелюбского по Механической лаборатории были с 1888 по 1891 г. Н.К.Лахтин, с 1891 по 1898 г.- Л.Д. Проскуряков, с 1898 по 1903 г. - С.И. Дружинин, с 1903 по 1906 г. - Н.М. Абрамов. В связи с образованием новых вузов они основали и возглавили Механические лаборатории и кафедры Строительной механики соответственно в Московском училище живописи, зодчества и ваяния, Московском инженерном училище (МИИТ), Петербургском политехническом и Ленинградском кораблестроительном, Новочеркасском политехническом институтах. При этом, естественно, использовался опыт, традиции и методики, приобретенные в Механической лаборатории и на кафедре Строительной механики Петербургского путейского института.

С 1923 г. после смерти Н.А.Белелюбского Механическую лабораторию, как и кафедру Сопротивления материалов, возглавил профессор Н.М. Беляев.

В 1922 г. при лаборатории была организована мостоиспытательная станция, которую возглавил Н.М. Беляев. В ее работе принимали участие такие известные ученые, как Г.К. Евграфов, Г.П. Передерий, В.А. Гастев, В.К. Качурин. На основании обследования и испытания эксплуатируемых мостов на сети железных дорог сотрудниками станции была произведена классификация мостов по их грузоподъемности, что позволило допустить эксплуатацию некоторых старых мостов в условиях возросших нагрузок от подвижного состава без их реконструкции. В составе Механической лаборатории мостоиспытательная станция находилась до 1930 г.

В 1927 г. при НТК НКПС была создана рельсовая комиссия с участием профессора Н.М.Беляева и члена-корреспондента А.А. Байкова. В течение нескольких лет проводились механические, металлографические и химические исследования образцов рельсовой стали при статических, ударных и циклических нагрузках. Результаты этой обширной работы были использованы при выработке Технических условий на рельсы для широкой колеи, введенных в действие в 1933 г.

В 1923 г., впервые в стране, в Механической лаборатории под руководством В.К. Качурина - инженера лаборатории, впоследствии профессора, начали проводиться испытания при циклически изменяющихся нагрузках. Им была сконструирована и изготовлена специальная установка для испытаний на усталость металлов при изгибе, отрабатывалась методика этих испытаний. В результате проведенных исследований были вскрыты причины и выработаны рекомендации по борьбе с усталостными изломами. Сотрудники лаборатории и кафедры организовали техническую учебу на предприятиях железнодорожного транспорта с целью быстрейшего внедрения этих рекомендаций.

При Н.М.Беляеве получили дальнейшее развитие исследования физико-механических свойств бетонов. Если первоначально при строительстве применялись жесткие трамбованные бетонные смеси, то с распространением железобетона потребовались пластичные и литые бетонные смеси. Работы по изучению влияния состава бетона, его подвижности, на последующую прочность конструкции сосредоточились в Механической лаборатории и велись под руководством Н.М.Беляева.

В 1929 г. в Ленинграде при активном участии Н.М.Беляева был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт бетона (Н.М.Беляев был заместителем директора этого института до 1931 г.), а Механическая лаборатория стала центральной опорной лабораторией Института бетонов. Принципы подбора состава бетонов разработанные Н.М.Беляевым быстро распространились по научным центрам страны.

В 30-х годах в Механической лаборатории велось изучение упругих и пластических свойств бетона, усадки, ползучести; впервые в стране были проведены исследования свойств вибрированных и прессованных бетонов; изучались вопросы технологии зимнего бетонирования: пропаривание, электропрогрев; исследовались возможности замены в бетоне части портландцемента мелкопомольными и гидравлическими добавками, а также ударная прочность бетона. Эти работы вели профессора И.П. Александрин, А.Е. Шейкин, А.В.Саталкин и другие.

Большое внимание уделялось изучению и подбору составов бетонов для гидротехнических сооружений. Такая работа под руководством Н.М.Беляева была выполнена при сооружении Днепрогэса, Волховской, Свирской, Чирчикской ГЭС, Беломоро-Балтийского канала, Химкинского моста в Москве; в 50-е годы, уже при В.К.Качурине - Куйбышевской, Волгоградской, Иркутской ГЭС.

В 1935-1939 гг. в лаборатории испытывались эскалаторные цепи для Московского метрополитена. В 50-е годы в связи со строительством Ленинградского метро, доцентами Я.Е. Иохельсоном, О.В. Кунцевичем, профессором И.П. Александриным и другими были выполнены исследования по подбору состава высокопрочного бетона для изготовления железобетонных тюбингов взамен чугунных для обделки тоннелей метрополитена.

В годы блокады Ленинграда в 1941-1944 гг., в Механической лаборатории подбирались составы бетонов и испытывались контрольные образцы бетона для оборонительных сооружений вокруг города; испытывались корпуса снарядов для гвардейских минометов «Катюш».

В 1944 году заведующим кафедрой Сопротивление материалов стал профессор В.К. Качурин. Для Северо-Западного речного пароходства в 1947-1953 гг. в лаборатории проводилось обширное исследование котельных сталей. В период газификации города было проведено большое число контрольных испытаний сварки газовых труб для Ленгазстроя. С.А.Степкин и другие сотрудники принимали участие в разработке норм контроля качества сварных соединений труб.

Сотрудниками лаборатории, профессором В.К.Качуриным, доцентом С.А.Степкиным и другими совместно со специалистами Мостостроя-6 в 1948-1954 гг. была разработана технология постадий-ного бетонирования предварительно напряженных пролетных строений 23...32 м. Эта технология была применена при строительстве четырехпутного железнодорожного путепровода через Московский проспект у завода «Электросила».

С 1957 года по 1976 год заведовал кафедрой и Механической лабораторией им. проф. Н.А.Белелюбского профессор Анатолий Петрович Филин.

В 1959-1975 гг. велись подборы составов бетонов стойких против воздействия мороза и размыва мощным потоком воды для таких крупных гидротехнических сооружений, как Братская, Красноярская, Зейская ГЭС.

В 50-е и 70-е годы ХХ столетия Механическая лаборатория провела большую работу по изучению влияния остаточных напряжений на скорость развития усталостных процессов в тяжелых типах рельсов. Разрабатывались методы контроля качества сварных рельсовых стыков, изготовлялись опытные образцы ультразвукового дефектоскопа, применявшегося в исследованиях.

В 70-80-е годы ХХ столетия доцентом Н.Ф.Махновским изучалось явление длительной прочности напряженных стальных канатов, применяемых в транспортном строительстве. Им предложены динамометры для контроля усилий натяжения, получившие признание в инженерной практике.

На протяжении многих лет по заданию Ленинградского производственного объединения подъемно-транспортного оборудования имени С.М.Кирова велись экспериментальные исследования напряженного состояния в различных узлах металлоконструкций.

Механическая лаборатория приходила на помощь строителям во многих случаях, когда требовалась экспертиза причин разрушения в результате аварий.

С 1954 по 1995 гг. доцентом Ю.П.Каптелиным для заводов Кировского, Металлического, Электросилы, предприятия НПО «Прометей» производились исследования различных марок металлов: меди, титанов, сталей на ползучесть, длительную прочность, релаксацию. Исследовалась кратковременная ползучесть и ее закономерности.

С 1976 по 1977 и с 1979 по 1985 годы Механической лабораторией и кафедрой руководил доцент Ю.П. Каптелин.

В этот период, как и прежде, научные работы на кафедре и в лаборатории велись в тесном контакте с проектными и научно-исследовательскими институтами, заводами, строительными организациями по следующим основным направлениям:

• теоретическое изучение напряженно-деформированного состояния сложных конструкций (мосты, тоннели, здания, радиотелескопы, вагоны, валопроводы, сильфоны и др.) при действии статических и динамических, в том числе сейсмических нагрузок;
• применение и развитие оптико-геометрических методов измерения деформаций на моделях (метод нерегулярных растров, стереомуаровый метод и др.);
• экспериментальное изучение реологических свойств высокопрочных сплавов;
• рентгенографические и рентгеноструктурные исследования повреждений и усталостной прочности рельсовой стали;
• текущие испытания конструкционных материалов.

С 1985 по 2003 годы заведующим кафедрой «Строительная механика», затем «Прочность материалов и конструкций» стал профессор Виталий Захарович Васильев.

В 90-е годы XX столетия значительно сократились экспериментальные исследования в Механической лаборатории, тем не менее, в эти сложные для всей страны годы удалось сохранить основной парк экспериментальных машин, а главное персонал лаборатории.

В 2003 году заведующим кафедрой «Прочность материалов и конструкций» был назначен профессор С.В.Елизаров, а в 2004 г. заведующим ИЛ «Механическая лаборатория им. проф. Н. А. Белелюбского» стал доцент кафедры А.В.Бенин.

В 2004 году был отмечен 150-летний юбилей Механической лаборатории, которому была посвящена ставшая уже традиционной шестая Международная конференция по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте.

Для проведения официальных испытаний лаборатория аккредитована при различных системах сертификации: ФГУ «ТЕСТ-С.Петербург», Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (в составе испытательного центра «Прочность-серт»), Системе сертификации на Федеральном железнодорожном транспорте (в составе испытательного центра «Технические измерения, прочность и материаловедение»), ЗАО «Санкт-Петербургская техническая экспертная компания».

В настоящее время в лаборатории проводится широкий спектр испытаний строительных материалов и конструкций – в частности, динамические и статические испытания деталей подвижного состава и автомобилей, стальных канатов, цепей и ступеней эскалаторов метрополитена, сварных арматурных каркасов, железобетонных конструкций и других изделий, применяемых в строительстве. Разработанные в.н.с., к.т.н. Махновским Н.Ф. накладные механические динамометры для контроля усилий в гибких связях (канатах, арматуре и т.п.) нашли широкое применение в практике испытательных лабораторий и других организациях, занимающихся эксплуатацией мостов, вышек сотовой связи и других объектов. Данные динамометры внесены в Государственный реестр средств измерений под № 29170-05 (сертификат об утверждении средств измерений RU.C.28.001.A №20594) и защищены свидетельствами на полезные модели (например, RU № 25940 U1, МПК 7G01 L 5/06).

Большое внимание уделяется проведению научных исследований в области, слоистых композиционных материалов на основе полимерной матрицы, совершенствования методов расчета железобетонных конструкций, выполняются теоретические и экспериментальные работы по внедрению в практику новых критериев прочности для элементов конструкций и др. направлениям.

К своему 150-летию в лаборатории был выполнен капитальный ремонт помещений. Однако оборудование, которым была оснащена лаборатория, осталось старым, выпущенным в 50-е и 60-е годы прошлого века. Удалось закупить только две новые испытательные машины: МИРИ-500К – на растяжение и изгиб силой до 500 кН и МИС-2000К – пресс до 2000 кН, оснащенных компьютерной системой управления и выпущенных в 2000 г. фирмой НИКЦИМ «Точмашприбор» (г. Армавир).

Поэтому в 2007-08 годах большая часть заработанных лабораторией средств была направлена на кардинальное переоснащение материально-технической базы. За эти годы были закуплены цифровой универсальный твердомер (фирмы Wolpert Wilson), позволяющий проводить измерения твердости по методам Викерса, Роквелла и Бринелля, гидравлическая испытательная машина Instron с максимальной нагрузкой до 1200 кН, электромеханические универсальные испытательные машины AG-50KNX с максимальной нагрузкой 50 кН и EZ-L с максимальной нагрузкой 5 кН (производство фирмы Шимадзу, Япония), инструментальный маятниковый копер Instron с максимальной энергией удара 460 Дж и некоторое другое оборудование.

Благодаря взаимодействию с кафедрой «Автоматика и телемеханика на ж.д.» были приобретены электродинамическая испытательная виброустановка V400LT/DSA1-2K, климатическая камера тепла-влаги-холода СН600С (производство фирмы Angelantoni, Италия) и пульсатор AMSLER HB 250 для динамических испытаний до 250 кН (производство фирмы Zwick/Roell, Германия). Приобретение данного оборудования с одной стороны позволило лаборатории существенно расширить спектр выполняемых вибродинамических и климатических испытаний, а с другой стороны кафедре «Автоматика и телемеханика на ж.д.» отказаться от услуг сторонних лабораторий.

В этот же период стало интенсивно развиваться новое направление деятельности лаборатории – контроль качества сварных соединений неразрушающим (ультразвуковым) методом, в том числе, выполняемый при аттестации сварщиков (руководит данным направлением к.т.н., доцент кафедры «МПНК» Николаев С.В.). Ультразвуковой контроль выполнялся на различных объектах Санкт-Петербурга, например при строительстве защитных сооружений, кольцевой автодороги и многих других. За выполнение работ по контролю при монтаже металлической конструкции прозрачного перекрытия атриума внутреннего дворика архитектурного ансамбля «Таврический дворец», сотрудникам лаборатории была объявлена благодарность со стороны Секретариата Совета Межпарламентской Ассамблеи стран-участников СНГ.

Другим абсолютно новым направлением деятельности лаборатории является высокоточная обработка, изготовление и испытания деталей и конструкций из композиционных материалов.

Возрождается утраченное в одно время (опять же из-за выхода из строя устаревшего оборудования) направление по химическому анализу состава сталей и сплавов. Для этого был приобретен оптический эмиссионный спектрометр PDA-7000 (производство фирмы Шимадзу, Япония).

Все вышеизложенное позволяет вновь говорить о Механической лаборатории им. проф. Н.А. Белелюбского, как об одной из ведущих испытательных лабораторий Северо-Западного региона России.