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.

«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.