Ученые из Сибирского федерального университета совместно с зарубежными коллегами из Университета Гранады ведут исследование в области формообразования и оптимизации пространственных оболочек. Они предложили новый тип комбинированных конструкций, в которые включены растянутые элементы, и представили свои разработки в двух научных каталогах.
Купола, своды и другие пространственные оболочки на протяжении истории зарекомендовали себя как эффективные типы конструкций. Поэтому инженеры и архитекторы до сих пор проводят исследования в области поиска их оптимальной формы. В то время как раньше главным методом изучения оболочек было проведение физических экспериментов, современные специалисты главным образом ведут разработки в области математического и цифрового моделирования процессов формообразования.
Так, в ходе совместного научного проекта была предложена методика проектирования сжатых конструкций с использованием растянутых элементов (подобно таким, как кабель или трос). Введение в конструкцию растянутых элементов на этапе формообразования расширяет возможности для творчества архитекторов и конструкторов, поскольку увеличивает количество геометрических конфигураций и параметров.
Описание нового метода поиска формы, нового типа конструкций, а также программного обеспечения GAUDI представлены в международном рецензируемом издании «Engineering Structures»(Volume 197, 2019, 109394).
«Суть исследования заключается в модернизации метода плотности сил (метода формообразования, который ранее позволял создавать конструкции, которые находятся либо в чистом сжатии, либо в чистом растяжении) для создания комбинированных конструкций – оболочек в сжатии с отдельными растянутыми элементами. Это усовершенствование существующего метода открывает новые возможности для творчества в формообразовании оболочек, пространственных перекрытий зданий и сооружений», – сообщает российский участник проекта –Анастасия Викторовна Москалева – аспирант и ассистент кафедры архитектурного проектирования Института архитектуры и дизайна Сибирского федерального университета (г. Красноярск).
На фото – Москалева Анастасия Викторовна – аспирант и ассистент кафедры архитектурного проектирования Института архитектуры и дизайна Сибирского федерального университета (г. Красноярск)
Результаты научной работы в рамках проекта являются основанием для диссертационного исследования на соискание кандидатской степени Анастасии Москалевой. Два года назад она побывала на двух стажировках в Университете Гранады, что послужило началом совместного научного проекта российского и зарубежного вузов. Руководителем исследования является профессор Энрике Эрнандес-Монтес, профессор кафедры строительной механики Высшей технической школы дорог, каналов и портов Университета Гранады.
«В 2017 году я приняла участие в совместном научном проекте "Формообразование сжатых оболочек методом плотности сил и топологическим построением", что послужило началом долгосрочного научного сотрудничества с учеными из Испании. Также в 2017 году был заключен договор об открытии совместной PhD программы с Сибирским федеральным университетом (по договору о двойных степенях и совместном научном руководстве), по которой я обучаюсь в данный момент одновременно в УГР и СФУ. Мои научные руководители в Сибирском федеральном университете – Сергей Михайлович Геращенко (кандидат архитектуры, профессор кафедры «Градостроительство», директор Института архитектуры и дизайна СФУ) и Александра Викторовна Фроловская (канд. техн. наук, доцент кафедры строительных конструкций и управляемых систем Инженерно-строительного института)», – отмечает Анастасия Москалева.
Испанские и российские ученые рассмотрели новый тип конструкции, то есть сжатой оболочки, в которую включены отдельные растянутые элементы.
Что она собой представляет и каковы особенности ее проектирования?
«Сжатая конструкция – это конструкция, находящаяся практически в чистом сжатии, с минимальными изгибающими моментами. Еще их называют безмоментными оболочками (изгибающий момент – это когда с одной стороны сжатие, а с другой растяжение). В основном материалы, используемые в строительстве, лучше работают на сжатие, чем на растяжение. Например, бетон хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, а при растягивающих нагрузках очень быстро разрушается. Поэтому в бетон добавляют арматуру, так как металл намного лучше сопротивляется растяжению. Безмоментные оболочки позволяют существенно экономить материал (так как нагрузки в них в основном сжимающие, такие, которые обычно материал выдерживает лучше всего). В местах изгибающих моментов и распоров конструкции всегда усиливают, это ведет к удорожанию. Соответственно, снижение моментов ведет к экономии. Кроме того, моменты в конструкции – это точки риска, где она может разрушиться. Минимальные моменты = устойчивая конструкция», – поясняет Анастасия Москалева.
В основе математического моделирования этой разработки ученых лежит метод плотности сил (force density method) и топологическое построение (topological mapping). С помощью программного обеспечения GAUDI стал возможен поиск формы структуры и расчёт конфигурации оболочки вне зависимости от её геометрии.
Потенциал этого нового типа конструкций представлен исследователями в двух каталогах: первый с пространственными безмоментными оболочками, а второй с комбинированными конструкциями. Номенклатура изделий включает в себя различные формы оболочек (с разным пролетом, заданным материалом и разными геометрическими характеристиками), сгенерированные в ПО GAUDI.
Рисунок 1. Модель оболочки с преднапряженными элементами, сгенерированная в ПО GAUDI, имеет 8 опорных точек, материал – железобетон, пролет – 30 м, высота – 4 метра.
Рисунок 2. Модель оболочки с преднапряженными элементами, сгенерированная в ПО GAUDI, имеет 6 опорных точек, материал – железобетон, пролет – 10 м, высота – 1, 8 метра.
Большое количество аналогичных методов основано на разных способах определения формы (учет собственного веса, параметры расчета). В этом случае новаторский подход специалистов заключается именно в сочетании сжатых оболочек с растянутыми элементами.
«Уникальность метода как раз состоит в том, что ПО на основе метода плотности сил позволяет генерировать не только оболочки в сжатии, но добавлять в них растянутые элементы. На Западе есть исследователи, которые работают с методом плотности сил и его производными, но вышеуказанного не делал никто. Данным методом генерируют либо оболочки в чистом сжатии, либо конструкции тенсегрити. Оболочки в сжатии с отдельными растянутыми элементами – это новый тип конструкций.
Специфика именно в поиске оптимальной формы, в которой моменты сведены к минимуму. Привязки к материалу нет. Программное обеспечение GAUDI предназначено для самого первого этапа – поиска формы конструкции. Материал задается на первом этапе условно, задается его собственный вес (бетон и дерево весят по-разному). ПО позволяет архитектору найти форму не только привлекательную эстетически, но и эффективную конструктивно, следовательно, экономичную», – подчеркивает Анастасия Москалева.
Дальнейшая научная работа предполагает изучение возведения таких конструкций. Оболочки бионичной, уникальной формы – всегда значительный вызов не только для математиков, инженеров и проектировщиков, но и для тех, кто работает на стройплощадке. Успешные исследования в этой области откроют возможности для внедрения таких конструкций в перекрытиях общественных зданий (павильоны, аэропорты, театры). «На данный момент, как мы, так и испанские партнеры, ищем финансирование для проведения физических экспериментов», – заключает Анастасия Москалева.
Инновационные разработки молодых ученых – не просто свежее научное решение, но и альтернатива для рассмотрения нового типа конструкции на предприятиях стройиндустрии.
