作为现代建筑的一个引人注目的趋势，自由形式的结构是独一无二的非常规形状的建筑：博物馆、体育场、豪华酒店、展览馆或大学，就此而言——您无需再看Skoltech校区!
今天，钢筋混凝土是这些令人印象深刻的建筑的首选材料，包括圆顶、拱顶和复杂的立面。但纤维增强聚合物是一种很有前途的替代品。当然，它们的生产成本更高，但维护成本更低，因为它们不会生锈，也不需要上漆。它们既轻巧又坚固，为建筑表达开启了新的可能性——例如，没有中间支撑的更宽跨度。
为实现这一目标，必须重新发明现有的建筑设计和建模工具，因为它们适用于钢筋混凝土或钢材等传统材料。这就是AlexanderSafonov副教授领导的SkoltechMaterials复合材料和结构实验室的科学团队及其格拉纳达大学的同事在复合结构报告的研究中开始做的事情。
“我们很想将我们对钢筋混凝土所做的事情转移到聚合物复合材料上。但这仅仅是我们习惯的机械复制，没有适当考虑新材料的独特性和它的潜力，”该研究的负责人作者和Skoltech材料博士。学生AnastasiiaMoskaleva评论道。
“所以在这项研究中，我们做得很好，从设计到制造都没有假装我们正在处理混凝土。我们专注于一种形状为曲面的特定结构，我们对其进行了微缩研究。”
所讨论的表面称为找形壳结构。这听起来很技术性，但它是在一些圆顶和拱顶的自由形式建筑中出现的一种形状。研究人员通过设计结构、将其制作成30x30厘米的实验室样品、然后在实验中在人工压力下对其进行测试来完成整个循环。他们还对外壳的机械性能进行了数学建模。
在这项研究中，团队强调了设计阶段。设计这种复合材料结构还没有久经考验的技术，因此研究人员采用了力密度法。它用于由混凝土、木材和钢制成的类似结构，但迄今为止尚未应用于复合结构。
“直到最近，这种方法才得到正式的数学描述，但它植根于安东尼·高迪(AntoniGaudí)所做的实验。他过去常常通过将模型悬挂在空中，让它们在自身重量下下垂，从而得出高效的形式，然后反转他们假设的形状。在某种程度上，他让重力以一种形式跟随力的方式完成工作，”Moskaleva说。“基本上，我们指定我们想要一个可以依靠四个支撑并以最佳方式承受自身重量的结构，这种方法使我们得到了这种形状。”
然后在SkoltechMaterials的复合材料和结构实验室使用所谓的真空灌注技术将该结构制成小规模样品。这涉及将碳纤维片铺设在刚性框架上，使它们在气密袋中成形，用环氧树脂覆盖结构，并通过操纵压力使其浸透织物。在密闭室中放置一天后，样品凝固并准备好进行机械测试。
“但首先我们运行数值模型来预测结构的机械性能：它在机械负载下的测试中的表现，”Moskaleva说。“这让我们有理由相信，我们选择的模型将来可以用于类似的结构，因为它确实与实验观察结果非常吻合。在实验中，我们一直从上方加载结构，直到失去稳定性。”
因此，该研究为设计和建模由聚合物复合材料制成的曲面结构元件奠定了基础。最终，它们可以成为自由形式架构工具包的一部分。研究人员解释说，与平坦的混凝土板相比，双曲率外壳的形状本身更能有效地承受载荷。
但是，如果我们也能利用聚合物复合材料的优越性能，那么创造性的可能性是巨大的。在较低的维护成本和出色的机械性能之间，这甚至可能更具成本效益，更不用说表现力了。