Узор крыльев стрекозы оказался прочнее архитектурных решений Древнего Рима и современных зданий
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.
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.
«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».
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».
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.
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.
«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».
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Авторы нового исследования провели сравнительный анализ видов паукообразных и выяснили, какие эволюционные и биомеханические факторы делают одних пауков быстрыми, а других — медленными. Параллельно ученые выделили из этой группы рекордсмена по скорости перемещения.
Сотрудники факультета экономических наук НИУ ВШЭ показали, что точность прогноза рождаемости в России можно улучшить почти в полтора раза, если добавить в модель динамику поисковых запросов по темам, связанным с беременностью и родами. В наиболее эффективных моделях ошибка прогноза снижается с 4,6 до 3,2%.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно