Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
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 Фундаментальные для Стандартной модели частицы, нейтрино, не имеют в ее рамках массы. Эксперименты и наблюдения показали, что на самом деле масса у нейтрино есть. В новой работе физики объяснили, что этот эффект нельзя объяснить через скрытый сектор физики и темную материю.
Многие потребители из собственного опыта покупок знают, что дороговизна не всегда бывает показателем качества товаров. Это наблюдение подтвердило новое исследование, в котором ученые сравнили износостойкость 47 футболок разных торговых марок, доступных в Великобритании. Главный вывод эксперимента: высокая цена одежды не гарантия того, что она дольше прослужит владельцам и сохранит внешний вид.
Молодой человек набил себе тату на шее в виде красного креста, но через несколько месяцев рисунок исчез, а вместо него образовалась агрессивная некротическая язва. Необычный клинический случай задокументировали врачи одной из китайских больниц.
Тщательный анализ спутниковых снимков позволил ученым оценить изменение скорости фотосинтеза на планете с 2003 по 2021 годы. Ситуация оказалась несколько неожиданной: если на суше растения явно «ускорились», то в океане ситуация намного менее определенная.
Возраст находок — около 5500 лет, они лежат во множестве круглых ям, чьи стены укреплены кирпичом. Среди обнаруженных орудий из кремня есть и сотни неиспользованных, которые могут быть ритуальным подношением богам.
О происхождении картофеля ученые спорили на протяжении десятилетий, однако расставить все точки над i удалось только сейчас: «земляное яблоко», как оказалось, появилось около девяти миллионов лет назад в результате гибридизации предков томата и редкого южноамериканского растения Etuberosum.
Прибывшая из межзвездного пространства предполагаемая комета 3I/ATLAS движется по траектории, максимально удобной для гравитационных маневров управляемого корабля, при этом возможность ее отслеживания с Земли практически минимальна. По мнению некоторых ученых, такое «поведение» объекта наводит на определенные мысли.
Команда исследователей из Сколтеха, МФТИ, Института искусственного интеллекта AIRI и других научных центров разработала метод, позволяющий не просто отличать тексты, написанные человеком, от сгенерированных нейросетью, но и понимать, по каким именно признакам классификатор принимает решение о том, является ли текст генерацией или нет. Анализируя внутренние состояния глубоких слоев языковой модели, ученые смогли выделить и интерпретировать численные признаки, отвечающие за стилистику, сложность и «степень уверенности» текста.
Борщевик занимает почти 300 тысяч гектаров в 39 регионах России. Известно о 12 нижегородцах, восьми петербуржцах и двух москвичах, пострадавших от вредителя этим летом. У некоторых ожоги составляют от 30 до 80% тела. На этой неделе Госдума приняла закон и обязала землевладельцев бороться с этим опасным растением. Но, помимо борщевика, есть и другие часто встречающиеся и почти настолько же токсичные представители флоры, о которых мы почти ничего не знаем. Ученые Пермского Политеха рассказали, можно ли прикасаться к борщевику ночью, как безобидный ландыш может привести к летальному исходу, а чистотел к отказу почек, и что будет если съесть мед, собранный с ядовитых растений.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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