4600 узлов: bending-active

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Нагляднее всего принцип bending active демонстрирует такое изобретение человека, как лук (стрелковое оружие). Перед выстрелом стрелок отклоняет предварительно натянутую тетиву, совершая при этом работу своей рукой. Эта работа затрачивается на приращение потенциальной энергии деформации изгиба плечевых частей лука. В момент выстрела стрелок отпускает тетиву, позволяя плечевым частям частично распрямиться, а тетиве восстановить прямолинейную форму, ускоряя стрелу. При этом высвобождённая часть потенциальной энергии деформации изгиба плечевых частей лука переходит в кинетическую энергию быстро летящей стрелы.

ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРОТОТИПЫ В НАРОДНОЙ АРХИТЕКТУРЕ

В традиционной архитектуре мы можем встретить примеры использования эластичных свойств строительных материалов уже 3000 лет до нашей эры. Мудхиф – традиционная постройка мааданов (жителей иракских болот). Предварительно заготовленный тростник сушат 3 месяца. Из связок тростника формируют колонну, перевязывая ее жгутом, также сплетенным из тростника. Колонны устанавливают в грунт на метровую глубину под наклоном. После чего их соединяют наверху, образуя арку.

ПРИМЕНЕНИЕ В СОВРЕМЕННОЙ АРХИТЕКТУРЕ

Современным примером применения этого принципа является павильон Multihalle в Мангейме. Multihalle состоит из двух корпусов, соединенных между собой переходом с навесом. Вся конструкция имеет размеры 160 х 115 метров.
Для оболочки двоякой кривизны использовалась сложная и гибкая деревянная решетка, предварительно собранная из прямых элементов на земле. Во время возведения сетка поднималась снизу в верх с помощью опор строительных лесов. После того, как сетка достигает необходимой формы, границы оболочки фиксируются бетонной кольцевой балкой. Штифты, которые когда-то допускали свободное вращение узлов сетки, затягиваются узловыми болтами.

АБСТРАКЦИЯ ПРИНЦИПА

Для первых физических моделей группа использовала упругий провод (кабельный, например) и эластичную ткань (полиамид + эластан).
В ходе наших экспериментов мы получили первую физическую модель прингла (седловидной поверхности) которая в дальнейшем определила ход нашего проекта. В наших первых физических макетах мы двигались очень интуитивно: не было понимания о размерах необходимых выкроек, длине контура, требованиям к степени его жесткости или мягкости.

Постепенно мы разобрались в балансе системы bending active, и стали усложнять форму дополнительными затяжками. Также мы поняли, что контура могут образовывать различные пространственные модели, где ткань с одной стороны работает схожим с мембраной образом (натягивается), а с другой стороны, «собирает» в устойчивое состояние всю модель, уравновешивая упругие свойства контура.

ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Принцип формообразования физических моделей был повторен нами в цифровой среде. Для этого мы использовали плагин Kangaroo Physics в Rhino/Grasshopper и возможность симулировать в нем упругую деформацию контура путем сжатия одной или нескольких струн, присоединенных к нему концами. При уменьшении длины струны, контур, соханяя упругость, выходит их плоскости и изгибается. принимая форму знакомого нам уже седла.

Похожий результат можно получить, работая с мешевой моделью вместо линейной. При этом важна исходная топология поверхности, которая в значительной степени определяет финальную форму структуры. Для этого достаточно топологически правильно смоделировать будущую поверхность в виде отдельных, но сшитых между собой сетчатых плоскостей, которые при симуляции и сокращении длины всех элементов сети приведут к плавной поверхности и похожему изгибу контура, как в предыдущем примере.

РАБОТА С ВЫКРОЙКАМИ

На дальнейшем этапе разработки моделей мы фокусировались на правильной работе с выкройками, так как от их раскроя зависит качество полученной поверхности, форма изгиба контура, равномерность растяжения ткани и устойчивость всей конструкции. Для этого мы проделали несколько экспериментов с выкройками постепенно усложняя их форму и топологию. Сначала вмы собрали модель с думя отвертиями, получающуюся из четырех выкроек, затем плавно усложняли геометрию и остановились на трижды симметричной поверхности, состоящей из 6-и одинаковых выкроек.
При этом, важными критериями качества фнальной поверхности являются:
- точность соединения выкроек между собой;
- коэффициент сокращения размера выкройки при раскрое.

ОТ ТКАНИ К ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕТКЕ

Альтернативный способ получения поверхности конструкции в виде сетки признан более подходящим. Сетка из канатов, сплетенная по выкройке, в тестовом макете ведет себя более предсказуемо, в сравнении с выкройками из ткани. Такой подход позволял нам более точно рассчитать габариты финальной конструкции и расход материалов.
Ячейка сетки является устойчивым элементом, так как шнур фиксируется в узлах. Тем самым мы могли минимизировать влияние относительного удлинения под нагрузкой на этапе плетения сетки.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФИНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Моделирование конструкции для приготовления выкроек проходит так же, как в предыдущих экспериментах: от построения правильной топологии к последующему расслаблению сетки и получению финальной формы конструкции со всеми необходимыми размерами будущих выкроек. Также был произведен проверочный расчет для определения напряжения в сетке и изгибного напряжения в контуре.

ПОДБОР МАТЕРИАЛОВ И СЕЧЕНИЙ

Подбор комбинации материалов внутренней сетки и контура является основополагающим для равновесия всей конструкции. Подбор жесткости контура при этом является одной из главных проблем, так как с одной стороны изгибного напряжения должно быть достаточно, чтобы растянуть сетку, а с другой не быть слишком большим, чтобы сборка конструкции «руками» оставалась возможной и безопасной. В качестве основного материала конструкции мы использовали шнуры из полипропиленовых мультифиламентных нитей, а для контура - прутки из стеклопластика, соединенные друг с другом с помощью хомутов.

ПЛЕТЕНИЕ СЕТКИ

Одним из самых трудозатратных процессов стал процесс плетения сетки.
Распечатав огромного размера выкройку, купив небольшое количество канатов мы принялись вязать узлы. Сначала работа шла невероятно сложно, вязание узлов в таком количестве первый раз случилось в нашей жизни и скорее всего в последний.
С первыми проблемами мы столкнулись почти сразу. Доплетая первые горизонтальные линии мы заметили, что нам сильно не хватает канатов и связать одну сетку с другой просто не получится. Тогда нам пришлось развязать все, что мы сплели и перевязывать заново, откладывая нитки с большим запасом на свободный край. Таким образом мы сплели 6 частей нашего объекта, и далее начался процесс соединения частей друг другом. Тут тоже не обошлось без проблем. Наш объект объемный в пространстве, а значит так просто на полу его не соединить и нам пришлось перекручивать все связанные части, чтобы была возможность сплетения последних частей. Параллельно мы начали крепить крючки и при перекручивании они начали зацепляться, эту проблему мы решали с помощью скотча и обмотки им крючков.
На начальном этапе, мы разработали узел - двойная петля. Сетка из канатов с подобными узлами, как видно на фото, может выдержать человеческий вес. В процессе мы столкнулись с рядом задач, например, стало заметно, что у черных и белых ниток разное растяжения, для того чтобы уменьшить погрешность выкройки, мы заложили в контур дополнительную длину. Все края обработаны термоусадкой. Сетка крепиться к контуру с помощью S-образных крючков, сам контур убран в кожух, в котором пробиты люверсы под крючки.