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.
«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».
