• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
10 октября
Сколтех
13 587

Узор крыльев стрекозы оказался прочнее архитектурных решений Древнего Рима и современных зданий

4.9

Исследователи из Сколтеха и их коллега из Гранадского университета (Испания) определили, какие способы укрепления куполов и сводов архитектурных построек справляются с задачей лучше других. Ученые сравнили, насколько хорошо выдерживают нагрузку конструкции с разными вариантами расположения ребер жесткости. Проверка проводилась в форме натурных и вычислительных экспериментов, в которых укрепленную конструкцию нагружали сначала равномерно, потом асимметрично. На основании полученных результатов, исследователи предложили свою собственную схему расположения ребер жесткости, вдохновленную крыльями стрекоз, которая оказалась прочнее всех рассмотренных в работе традиционных и новаторских решений.

Купол Гранадского собора в Испании. На небесно-голубом фоне видны ребра жесткости золотого и белого цветов. С древних времен для распределения веса куполов и сводов использовались различные варианты расположения ребер жесткости. Ученые из Сколтеха нашли неожиданно эффективную новую схему расположения ребер, вдохновленную природой / © Энрике Эрнандес-Монтес, Гранадский университет

Исследование опубликовано в журнале Thin-Walled Structures. Ребра жесткости используются для укрепления сводов и куполов с античности. Они делают возможными более тонкие конструкции, выбор которых бывает продиктован как эстетическими, так и инженерными соображениями — это экономия материала, широкие пролеты без промежуточных опор, изящная геометрия конструкции и большие окна, как в готических соборах. Ребра жесткости можно увидеть не только в исторических постройках, но и на станциях метро, промышленных объектах.

Однако, если говорить о выборе самой схемы расположения ребер, обычно предпочтение отдается проверенной временем классике. Это кессонные потолки — квадратная сетка, как в римском Пантеоне. Или так называемые крестовые своды — как в традиционных православных храмах крестово-купольного типа и вдохновивших их византийских прообразах. Никакого сложного анализа для поиска более совершенных решений обычно не проводится.

Изогнутая оболочка, спроектированная и изготовленная из полимерного композитного материала в рамках исследования 2023 года авторства той же научной группы. На сей раз ученые укрепили такие оболочки и проверили, какое расположение ребер жесткости эффективнее / © Анастасия Москалева и др., Composite Structures

«Мы решили проанализировать несколько вариантов расположения ребер и узнать, какие из них лучше противостоят вертикальной, а также асимметричной нагрузке, — рассказывает первый автор исследования, аспирант программы „Математика и механика“ Анастасия Москалева. — Для этого мы провели численное моделирование и физические эксперименты на изогнутых полимерных композитных оболочках, спроектированных в прошлогоднем исследовании. Их снабдили ребрами жесткости, расположенными пятью разными способами, при этом во всех случаях на ребра выделялось в два раза меньше материала, чем на саму оболочку».

Оболочки, с которыми работали исследователи, спроектированы ранее с применением метода оптимизации, называемого поиском форм: к конечной форме конструкции приходят логически через процесс, вдохновленный природой. Эксперименты в таком духе когда-то проводил Антонио Гауди: он наблюдал, как подвешенные модели деформируются под собственным весом, и использовал деформированные в обратную сторону формы в архитектуре. По сути, он добивался решения от самой гравитации, поэтому о таком подходе говорят, что «форма продиктована силой».

Изначально исследователи проанализировали пять схем расположения ребер, в числе которых две проверенные временем — кессонные потолки и крестовые своды — и две полученные алгоритмами топологической оптимизации (средняя колонка на иллюстрации). Один из этих «неклассических» вариантов получен оптимизацией толщины оболочки в каждой точке, то есть перераспределением материала туда, где он больше всего нужен. Другой образован так: две одинаковые оболочки помещаются одна на другую, и ребра создаются путем оптимизации нижней половины этой двойной структуры. Наконец, пятый, бионический дизайн получен подражанием панцирю черепахи, крыльям стрекозы и другим природным объектам, похожим по структуре на известную из геометрии «мозаику Вороного».

Пять исследованных в работе вариантов расположения ребер жесткости. В левой колонке сверху — кессонный потолок, снизу — крестовый свод. В средней колонке — результат топологической оптимизации всей оболочки (сверху) и нижней половины оболочки (внизу). В правой колонке — мозаика Вороного, но на ней подражание природе не заканчивается / © Анастасия Москалева и др., Thin-Walled Structures; переработано Николаем Посунько, Skoltech PR

И натурные, и вычислительные эксперименты показали превосходство топологически оптимизированных решений над традиционными и мозаикой Вороного с точки зрения сопротивления вертикальной нагрузке. Но при рассмотрении случая асимметричной нагрузки, как если снег скопится на одной стороне крыши или большое количество людей будут переходить с места на место единой группой, расстановка сил в корне изменилась. Победителем оказался крестовый свод, на втором месте — топологическая оптимизация единым куском. Важная деталь: хотя кессонный потолок и мозаика Вороного здесь не показали превосходного результата, именно эти схемы расположения ребер меньше всего потеряли очков при переходе от симметричной к асимметричной нагрузке.

«Это подтолкнуло нас „скрестить“ мозаику Вороного с наиболее успешным вариантом топологической оптимизации из эксперимента с вертикальной нагрузкой в надежде взять лучшее и оттуда и оттуда, — поделилась Москалева. — Мы внимательно изучили структуру крыла стрекозы, которая напоминает, но не полностью повторяет мозаику Вороного. Оказалось, что ребра жесткости в крыле можно поделить на два типа: наиболее жесткие сопротивляются изгибающей нагрузке, а более тонкие обеспечивают общую структурную стабильность крыла. И мы решили, что сможем добиться того же в случае архитектурного свода».

В ходе механических испытаний проверяли, при достижении какой нагрузки композитные оболочки не выдерживают / © Анастасия Москалева и др., Thin-Walled Structures

Чтобы сгенерировать шестой, гибридный вариант расположения ребер, ученые сначала повторили топологическую оптимизацию всей оболочки целиком. Только на формирование этих «первичных ребер» израсходовали не весь доступный материал, а 70 процентов. Оставшиеся 30 процентов распределили параметрическим алгоритмом в соответствии с мозаикой Вороного.

Структура крыла стрекозы. Ей вдохновлялись авторы исследования при создании гибридной схемы расположения ребер жесткости, распределяющих нагрузку купола или свода здания / © Анастасия Москалева и др., Thin-Walled Structures

Решение сработало так хорошо, что гибридная схема расположения ребер превзошла все остальные пять вариантов как в случае центральной осевой, так и в случае асимметричной нагрузки.

Генерация гибридного варианта ребер: на шаге (a) 70 процентов материала распределяется топологической оптимизацией, после чего на шагах (b), (c) и (d) оставшийся материал распределяется в соответствии с мозаикой Вороного; на шаге (e) первичные и вторичные ребра интегрируются в общую структуру / © Анастасия Москалева и др., Thin-Walled Structures

«В результате мы видим, что у топологической оптимизации есть большой потенциал в строительном проектировании. Но эти методы скорее используются в проектировании механических систем в автомобилестроении и самолетостроении, а в строительной инженерии — нет, — добавляет Москалева. — Да, оптимизированные формы сложны и на первых порах вызывают трудности в изготовлении. Зато если один раз оптимизировать составные части стандартного сооружения, такого как многоуровневая парковка, и поставить на поток их производство, в конечном итоге такое вложение окупится за счет экономии материала. Вдобавок к этому будет меньше рамок, ограничивающих архитекторов».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
6 ноября
Елизавета Александрова

В один и тот же момент древней истории Красной планеты произошли два противоречащих друг другу события: широкомасштабное замерзание марсианских вод и возникновение многочисленных новых водоемов. Теперь появилась версия, которая разрешает этот конфликт.

Вчера, 11:41
Алиса Гаджиева

Археологи определили возраст памятника, который относили к раннему Средневековью, и выяснили, что люди облюбовали это место за четыре тысячи лет до легендарного короля.

Вчера, 15:31
Елизавета Александрова

Доставленные на Землю частицы вещества 900-метрового небесного тела сохранили память не только о его межпланетных путешествиях, но и о том, как появились сами планеты.

5 ноября
Юлия Трепалина

Исследователи из Великобритании сравнили воздействие на компостных червей трех видов волокон. Первый — полиэстер, представляет собой полимер, а два других — вискозу и лиоцелл — получают из целлюлозы и считают более безопасными для окружающей среды. Однако опыты показали, что токсичность вторых для важнейших обитателей почвы даже выше, чем у полиэфирного волокна.

2 ноября
Юлия Трепалина

Используя инструменты искусственного интеллекта, канадская компания Prodigy Education проанализировала тексты англоязычных песен лучших современных исполнителей по версии Billboard, а также популярных музыкантов прошлых десятилетий. В итоге удалось выяснить, чьи композиции отличаются наибольшим лексическим разнообразием, а значит, дают более обильную пищу для ума.

6 ноября
Елизавета Александрова

В один и тот же момент древней истории Красной планеты произошли два противоречащих друг другу события: широкомасштабное замерзание марсианских вод и возникновение многочисленных новых водоемов. Теперь появилась версия, которая разрешает этот конфликт.

30 октября
Елизавета Александрова

Под рыжим верхним слоем с виду обычного камня открылся целый калейдоскоп довольно неожиданных оттенков. Это особенно интересно с учетом того, где лежит камень — в марсианском кратере, который по всем признакам когда-то был озером.

14 октября
Алиса Гаджиева

Полторы тысячи лет назад климат в Северном полушарии резко изменился. В Дании так похолодало, что там стало невозможно заниматься сельским хозяйством. Авторы нового исследования считают, что именно этот период был прообразом Фимбульвинтера — зимы, предшествующей Рагнарёку.

15 октября
Татьяна

Сейчас Япония привлекает людей со всего мира, но так было не всегда. На протяжение десяти тысяч лет архипелаг оставался изолированным от остального мира, пока туда не начали прибывать первые «мигранты» с континента. Это показал генетический анализ останков человека эпохи Яёй.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно