Как полимеры помогут архитекторам реализовать причудливые проекты
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.
Исследование опубликовано в журнале Composite Structures в соавторстве с коллегой из Гранадского университета.
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 30×30 см 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.
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.
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.
