Учёные Сколтеха разрабатывают новые технологии использования
полимеров и композитов в архитектуре
20 марта 2023
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 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 лёгкость и
прочность открывают возможности для реализации смелых архитектурных замыслов.
Например, можно будет перекрывать большие пролёты 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 в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Composite Structures в соавторстве
с коллегой из Гранадского университета.
«Казалось бы, почему просто не применить всё, что мы делаем
с железобетоном, к полимерным композитам, но тогда получится механическое
копирование без учёта уникальной природы материала и его специфического потенциала,
— прокомментировала исследование его первый автор, аспирант Сколтеха
Анастасия Москалёва. — 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.
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 путём 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 Москалёва. — По сути,
мы поставили условие: нужна конструкция, которая будет стоять на четырёх опорах
и наиболее эффективно выдерживать собственный вес, и метод привёл нас к этой
форме».
На следующем этапе учёные 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 подаётся эпоксидная смола. В
условиях вакуума смола пропитывает ткань и примерно за сутки застывает —
образец готов к испытаниям.
«Но сначала мы выполнили численное моделирование, чтобы
предсказать механические свойства конструкции: как она поведёт себя под
нагрузкой, — добавила Москалёва. — Когда провели
эксперимент, его результаты довольно хорошо сошлись с предсказаниями модели, а
значит, её 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 счёт своей
геометрии такие оболочки уже выдерживают механическую нагрузку эффективнее,
чем, скажем, плоская железобетонная плита. Но если при этом ещё и использовать
по максимуму свойства самих полимерных композитов, это принципиально расширит
возможности архитектурного выражения. Более того, за счёт меньших издержек на
обслуживание и более высоких характеристик композиты могут в определённых
условиях оказаться выгоднее традиционных строительных материалов.
источник - https://www.atomic-energy.ru/news/2023/03/20/133694