Команда ученых из Сколковского института науки и технологий и Университета Гранады провела исследование, посвященное усилению архитектурных конструкций, таких как своды и купола. Они стремились найти оптимальные способы распределения нагрузки и улучшения прочности, опираясь на как традиционные, так и новые методы.
Ребра жесткости уже долгое время применяются в архитектуре, начиная с Древнего Рима. Эти конструкции позволяют создавать более тонкие и эстетически привлекательные формы, экономя при этом материалы. В современных постройках, таких как станции метро, также активно используют ребра для распределения нагрузки. Однако при выборе геометрических рисунков для их размещения чаще всего останавливаются на старых решениях, таких как кессонные потолки и крестовые своды. Ученые решили изменить этот подход и проанализировать различные схемы размещения ребер жесткости, чтобы выяснить, какие из них наиболее эффективны при равномерных и асимметричных нагрузках.
Анастасия Москалева, ведущий автор исследования, отметила, что команда провела численное моделирование и физические эксперименты с полимерными композитными оболочками. Эти оболочки имели криволинейные поверхности и были оснащены ребрами жесткости, расположенными пятью разными способами, при этом количество материала для ребер ограничили половиной от объема самой оболочки. Исходная форма оболочки была создана с помощью метода оптимизации, вдохновленного природными процессами, что напоминает подход Антонио Гауди, который использовал подвешенные модели для получения высокоэффективных форм.
Исследователи рассмотрели пять различных моделей ребер жесткости, включая классические конструкции и новые, полученные методом топологической оптимизации. Одной из моделей была оптимизация толщины оболочки, что позволяло перераспределять материал в наиболее нагруженных местах. Другие образцы, вдохновленные природой, также включали элементы, встречающиеся в крыльях стрекоз и панцирях черепах.
Результаты экспериментов показали, что конструкции, созданные с использованием топологической оптимизации, превосходили традиционные схемы при вертикальной нагрузке. Однако, когда нагрузка становилась асимметричной, например, при накоплении снега или перемещении людей, крестовый свод показал наилучшие результаты. Важно было отметить, что кессонный потолок и модель, основанная на диаграмме Вороного, продемонстрировали хорошую устойчивость к изменению нагрузки.
Структура крыла стрекозы. Она вдохновила авторов исследования на создание собственной гибридной компоновки ребер жесткости для более эффективного распределения нагрузки конструкции
Команда решила объединить схему Вороного с наиболее оптимизированной компоновкой, чтобы улучшить результаты. Москалева подчеркнула, что структура крыла стрекозы состоит из двух типов ребер: жестких, которые противодействуют скручиванию, и более тонких, обеспечивающих общую целостность. Это вдохновило исследователей на создание гибридной схемы, которая сочетала бы преимущества обеих моделей.
Новая схема, полученная в результате этой работы, превзошла все предыдущие варианты как при центральной, так и при асимметричной нагрузке. Это открытие показало, что топологическая оптимизация может значительно улучшить проектирование конструкций, хотя в гражданском строительстве ее применение остается редким. Несмотря на сложность изготовления оптимизированных форм, долгосрочные выгоды от экономии материалов и расширения творческих возможностей для архитекторов делают этот подход перспективным для будущих архитектурных решений.
