• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
15.03.2023
Сколтех
307

В Сколтехе узнали, как полимеры помогут архитекторам реализовать причудливые проекты

4.6

Архитектура свободной формы — новаторское направление, представители которого создают уникальные конструкции с нетривиальной геометрией. Зачастую это здания музеев и отелей, стадионы, выставочные павильоны или университеты, например, Сколтех. На сегодняшний день основной материал для возведения всех этих впечатляющих конструкций с куполами, сводами, арками и причудливыми фасадами — железобетон. Но есть и многообещающая альтернатива — армированные угле- или стекловолокном полимеры. Хотя их производство стоит дороже, они дешевле в обслуживании, поскольку не ржавеют и не нуждаются в покраске. А их легкость и прочность открывают возможности для реализации смелых архитектурных замыслов. Например, можно будет перекрывать большие пролеты без промежуточных опор. Чтобы раскрыть потенциал этих инновационных материалов, необходимо обновить инструментарий для проектирования и моделирования конструкций, так как существующие решения приспособлены к традиционным материалам, в частности к железобетону и стали. Один из аспектов этой задачи решает научный коллектив Лаборатории композитных материалов и структур Центра технологий материалов Сколтеха под руководством доцента Александра Сафонова.

Сиднейский оперный театр / ©Getty images / Автор: Caristania Fabricius

Исследование опубликовано в журнале Composite Structures в соавторстве с коллегой из Гранадского университета. «Казалось бы, почему просто не применить все, что мы делаем с железобетоном, к полимерным композитам, но тогда получится механическое копирование без учета уникальной природы материала и его специфического потенциала, — прокомментировала исследование его первый автор, аспирант Сколтеха Анастасия Москалева. — Так что в этом исследовании мы добросовестно проходим с нуля весь путь от проектирования до изготовления отдельно взятого конструкционного элемента с той позиции, что мы имеем дело не с железобетоном». Сам элемент имел форму изогнутой поверхности и был изготовлен в миниатюре.

Конструкция называется безмоментной оболочкой. Под техническим термином подразумевается поверхность, которая визуально имеет простую форму и встречается в архитектуре в роли куполов и сводов. Исследователи прошли полный цикл, спроектировав конструкцию, изготовив лабораторный образец размером 30 на 30 сантиметров и испытав его прочность под нагрузкой в ходе эксперимента. Также было выполнено математическое моделирование механических свойств оболочки.

Здание Сколковского института науки и технологий / ©Getty images

Акцент в исследовании был сделан на этапе проектирования. Проверенного метода для проектирования композитных конструкций такого рода нет — исследователи воспользовались так называемым методом плотности сил, который подходит для безмоментных оболочек из бетона, дерева и стали, но к конструкциям из полимерного композита прежде не применялся.

«Этот метод был строго математически описан сравнительно недавно, но в основе его — эксперименты вроде тех, которыми занимался Гауди. Он приходил к оптимальной форме путем подвешивания моделей: узнав, как именно конструкция прогибалась под собственным весом, архитектор затем использовал обратную форму. Образно говоря, проектировщиком выступает гравитация: форма следует за силой, — рассказала Москалева. — По сути, мы поставили условие: нужна конструкция, которая будет стоять на четырех опорах и наиболее эффективно выдерживать собственный вес, и метод привел нас к этой форме».

На следующем этапе ученые воплотили полученную форму в виде небольшого образца. Для его изготовления использовался метод вакуумной инфузии: углеволоконная ткань выкладывается слоями поверх временного каркаса и герметизируется при помощи вакуумного пакета, в который подается эпоксидная смола. В условиях вакуума смола пропитывает ткань и примерно за сутки застывает — образец готов к испытаниям.

Геометрическая форма (слева) и изготовленная в рамках исследования из полимерного композита модель конструкции (справа) размером 30 см × 30 см / ©Анастасия Москалева / Сколтех

«Но сначала мы выполнили численное моделирование, чтобы предсказать механические свойства конструкции: как она поведет себя под нагрузкой, — добавила Москалева. — Когда провели эксперимент, его результаты довольно хорошо сошлись с предсказаниями модели, а значит, ее можно использовать в будущем для подобных конструкций. Сам по себе эксперимент состоял в том, что мы нагружали модель по центру сверху до потери устойчивости».

Таким образом, в исследовании заложена основа для проектирования и моделирования частей конструкций в виде изогнутых поверхностей, а конкретно оболочек двойной кривизны, изготовленных из полимерных композитов. В перспективе они могут войти в инструментарий архитектуры свободной формы. Как объясняют авторы исследования, за счет своей геометрии такие оболочки уже выдерживают механическую нагрузку эффективнее, чем, скажем, плоская железобетонная плита. Но если при этом еще и использовать по максимуму свойства самих полимерных композитов, это принципиально расширит возможности архитектурного выражения. Более того, за счет меньших издержек на обслуживание и более высоких характеристик композиты могут в определенных условиях оказаться выгоднее традиционных строительных материалов. 

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
Вчера, 17:46
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

17 мая
Игорь Байдов

Не успели утихнуть разговоры об испытании нового британского лазерного оружия, как правительство этой страны выпустило очередной пресс-релиз, в котором рассказало о работе над еще одной установкой против беспилотников. Эксперты считают, что это оружие — альтернатива дорогостоящим ракетам. Стоимость выстрела из него составит чуть больше 10 центов.

17 мая
Ольга Иванова

Умение пользоваться орудиями труда у морских выдр известно давно, однако реальную пользу для их организма измерить непросто. Американские ученые впервые узнали, какие преимущества дает выдрам такой подход. Особенно это касается самок.

Вчера, 17:46
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

17 мая
Игорь Байдов

Не успели утихнуть разговоры об испытании нового британского лазерного оружия, как правительство этой страны выпустило очередной пресс-релиз, в котором рассказало о работе над еще одной установкой против беспилотников. Эксперты считают, что это оружие — альтернатива дорогостоящим ракетам. Стоимость выстрела из него составит чуть больше 10 центов.

17 мая
Ольга Иванова

Умение пользоваться орудиями труда у морских выдр известно давно, однако реальную пользу для их организма измерить непросто. Американские ученые впервые узнали, какие преимущества дает выдрам такой подход. Особенно это касается самок.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: