изгибно-активная структура bending active анатомия конструкций марш

4600 узлов: bending-active

МАРШ — Технологии. ВА2 2020-2021.
Дорохин Илья, Кузьмина Мила, Удалова Евгения, Шведко Мария, Арефьева Полина, Зароченцева Катя, Карамышева Соня

Преподаватели: Д. Ковалева, В. Грудский, В. Веремчук
Куратор: И. Томович
Bending active (англ. изгибно-активные) конструкции - это конструктивные системы, включающие изогнутые балочные или оболочечные элементы, геометрия которых основана на упругой деформации от первоначально прямой или плоской конфигурации. Пространственная жесткость таких конструкций осуществляется как правило благодаря балансу растянутых (внутренних) линейных или пространственных элементов и упруго деформированного контура или нескольких контуров. Исследованию архитектурного потенциала таких конструкций был посвящен этот проект.

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.
свод готического собора
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.
Mudhif House in Iraqi Marshlands of the Madan
Мудхиф во время строительства.
Bernard Rudofsky; “Architecture Without Architects."
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.
Multihalle в Мангейме, Carlfried Mutschler, Joachim Langner, Frei Otto (конструктив), 1975 г.
Multihalle в Мангейме
Carlfried Mutschler, Joachim Langner, Frei Otto (конструктив), 1975 г.

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.
Физические модели изгибно-активных структур
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.
Физические модели изгибно-активных структур
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.

Цифровое формообразование изгибно-активных структур в Kangaroo Physics
Цифровое формообразование изгибно-активных структур в Kangaroo Physics
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.
цифровое моделирование изгибно-активных структур в Kangaroo Physics
Цифровое формообразование изгибно-активных структур в Kangaroo Physics
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.
изгибно-активная структура bending active анатомия конструкций марш выкройки
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.
изгибно-активная структура bending active анатомия конструкций марш

ФИНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

Финальная конструкция группы представляет собой пространственный объект, который может быть установлен как на улице, так и в закрытом
помещении (при достаточной высоте потолков). Может использоваться как арт-объект, или выполнять утилитарную функцию – являться пространством отдыха, забав для детей.
изгибно-активная структура bending active анатомия конструкций марш
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.
нахождение формы структуры в Kangaroo Physics и анализ конструкции в K2Engineering
Нахождение формы структуры в Kangaroo Physics и анализ в K2Engineering
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.

узел крепления сетки к контуру
Узел крепления сетки к контуру

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.
конструктивный анализ ветвистой консоли
СБОРКА КОНСТРУКЦИИ

При тестовой сборке конструкции контур оказался недостаточно жестким, и нам пришлось его усились, увеличив площадь попреченого сеения путем вставки дополнительных алюминиевых профилей.
С шагом в 30см были установлены фрагменты по 3см из алюминиевого конструкционного профиля V20х20LX. Количество прутков из стеклопластика увеличено до 4-х штук. В местах установки фрагментов профиля прутки были стянуты металлическими хомутами. В остальных вопросах конструкция соединительного узла осталась без изменений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системы bending active выражают один из принципов легких конструкций - равновесие путем комбинации двух, работающих на противоположные типы загружени, частей: растянутой внутренней мембраны и упруго изогнутого внешнего контура.
За счет правильного расчета преднапряжения мембраны и жесткости контура, можно достичь пространственно жесткой, при этом экстремально легкой конструкции.