Дерево: ветвистые структуры
МАРШ — Технологии. ВА2 2020-2021.
Варичева Ангелина, Гаджиев Хаджи-Мурат, Зеленин Сергий, Подхолзина Анна, Смирнов Артемий, Тогобицкий Олег, Хамидуллин Роман, Чайкина Ксения
Преподаватели: Д. Ковалева, В. Грудский, В. Веремчук
Куратор: И. Томович
Варичева Ангелина, Гаджиев Хаджи-Мурат, Зеленин Сергий, Подхолзина Анна, Смирнов Артемий, Тогобицкий Олег, Хамидуллин Роман, Чайкина Ксения
Преподаватели: Д. Ковалева, В. Грудский, В. Веремчук
Куратор: И. Томович
Ветвистые структуры представляют собой легкие конструкции, предназначенные для передачи распределенной нагрузки сверху на одну или несколько точечных опор, высвобождая тем самым пространство под перекрытием. Расположение и наклон ветвей как правило следуют закону наименьшего пути передачи нагрузки, приводя к равномерному загружению материала и отсутствию изгибающих моментов. Применению этого принципа к конкретному функциональному объекту - консоли - был посвещен этот проект.
ВЕТВИСТЫЕ СТРУКТУРЫ В АРХИТЕКТУРЕ
С давних пор архитекторы и конструкторы пытались имитировать и осознать один из наиболее важных аспектов древовидных форм, а именно их структурные и механические особенности. Их можно проследить в каменной кладке арок и сводов, которые в большей степени работают на сжатие.
Стержневое сжатие - вид усилий, возникающих в стержневых системах.
В контексте курса «Анатомии легких конструкций» эта тема нас сразу же отсылает к природным структурам, в основе которых лежит принцип минимального пути при минимальных затратах энергии.
В обычном представлении такой принцип предстает перед нами в виде обычного дерева, систем рек, дорог и др.
С давних пор архитекторы и конструкторы пытались имитировать и осознать один из наиболее важных аспектов древовидных форм, а именно их структурные и механические особенности. Их можно проследить в каменной кладке арок и сводов, которые в большей степени работают на сжатие.
Стержневое сжатие - вид усилий, возникающих в стержневых системах.
В контексте курса «Анатомии легких конструкций» эта тема нас сразу же отсылает к природным структурам, в основе которых лежит принцип минимального пути при минимальных затратах энергии.
В обычном представлении такой принцип предстает перед нами в виде обычного дерева, систем рек, дорог и др.
ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРОТОТИПЫ
В нашей группе мы сфокусировались на изучении стержневых конструкций, работающих преимущественно на сжатие. Мы проследили определённую трансформацию конструктивных систем, которая происходила в XIX в. с купольными и сводчатыми конструкциями: от каменных оболочечных конструкций к металлическим стержневым. Непрерывная поверхность каменной кладки сначала была заменена системой ребер и колец, а затем развилась в отдельный тип сетчатых конструкции, появившихся в конце XIX в. Одой их характерных черт этих конструкций является максимально эффективное использование сечения элементов за счет самой самой формы конструкции и превалирования осевых напряжений.
В нашей группе мы сфокусировались на изучении стержневых конструкций, работающих преимущественно на сжатие. Мы проследили определённую трансформацию конструктивных систем, которая происходила в XIX в. с купольными и сводчатыми конструкциями: от каменных оболочечных конструкций к металлическим стержневым. Непрерывная поверхность каменной кладки сначала была заменена системой ребер и колец, а затем развилась в отдельный тип сетчатых конструкции, появившихся в конце XIX в. Одой их характерных черт этих конструкций является максимально эффективное использование сечения элементов за счет самой самой формы конструкции и превалирования осевых напряжений.
ПРИНЦИП РАБОТЫ
На базе изученных исторических аналогов мы начали абстрагировать принцип их конструктивной работы, воспроизводя его в физических и цифровых моделях с помощью методов поиска формы - form-finding.
На базе изученных исторических аналогов купольных конструкций мы собрали подвесную модель, вопроизводящую принцип работы трехкупольной системы Собора св. Павла и Исаакиевского собора.
На базе изученных исторических аналогов мы начали абстрагировать принцип их конструктивной работы, воспроизводя его в физических и цифровых моделях с помощью методов поиска формы - form-finding.
На базе изученных исторических аналогов купольных конструкций мы собрали подвесную модель, вопроизводящую принцип работы трехкупольной системы Собора св. Павла и Исаакиевского собора.
Принцип образования формы сетчатых металлических конструкций, изученных на примере Листопрокатного цеха в Выксе, мы воспроизвели с помощью пространственных подвесных моделей. Форма покрытия варьировалась в зависимости от конфигурации и положения опорных контуров. При изменении направления выгиба контуров кривизна сетчатой оболочки изменялась соответственно с двоякой положительной на отрицательную.
ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Логику построения физических моделей мы воспроизвели в программе Rhino, плагинах Grasshopper и Kangaroo. Аналогично физическим моделям мы смоделировали несколько вариаций формы конструкции. Форма полученных сетчатых оболочек также изменялась в зависимости от форм контура и жесткостей отдельных стержней.
Логику построения физических моделей мы воспроизвели в программе Rhino, плагинах Grasshopper и Kangaroo. Аналогично физическим моделям мы смоделировали несколько вариаций формы конструкции. Форма полученных сетчатых оболочек также изменялась в зависимости от форм контура и жесткостей отдельных стержней.
"ТОЧКА ВЕТВЛЕНИЯ": ОТ КУПОЛЬНЫХ В ВЕТВИСТЫМ СИСТЕМАМ
Дальнейшее изучение и абстракция принципов формирования стержневых конструкций, работающих на сжатие, привели нас к рассмотрению еще одного типа таких систем - древовидных структур - «branching structures». Они обычно используются при необходимости сбора нагрузок с большой площади на единичные опоры и иллюстрируют принцип "наименьшего пути" передачи усилия. В поисках аналогов мы вдохновились работами Фрая Отто и в качестве финальной конструкции остановились на древовидной консоли, которая бы могла размещаться в одной из учебных аудиторий школы и на которой можно было бы хранить учебные материалы.
Дальнейшее изучение и абстракция принципов формирования стержневых конструкций, работающих на сжатие, привели нас к рассмотрению еще одного типа таких систем - древовидных структур - «branching structures». Они обычно используются при необходимости сбора нагрузок с большой площади на единичные опоры и иллюстрируют принцип "наименьшего пути" передачи усилия. В поисках аналогов мы вдохновились работами Фрая Отто и в качестве финальной конструкции остановились на древовидной консоли, которая бы могла размещаться в одной из учебных аудиторий школы и на которой можно было бы хранить учебные материалы.
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТВИСТЫХ СТРУКТУР
Базируясь на полученных знаниях из предыдущих экспериментов, мы провели эксперимент с получением ветвистой структуры с помощью мыльного раствора. Используя металлическую сетку и шерстяные нити мы сделали простую конструкцию, которую окунули в мыльный раствор. При извлечении ее из мыльного раствора, нити слиплись между собой, образуя форму отдаленно напоминающую ветвления дерева. Таким образом, мы наглядно увидели принцип минимизации материала и затрат энергии, в данном случае выражающийся в минимизации общей длины нитей, по окторым стекает мыльный раствор.
Базируясь на полученных знаниях из предыдущих экспериментов, мы провели эксперимент с получением ветвистой структуры с помощью мыльного раствора. Используя металлическую сетку и шерстяные нити мы сделали простую конструкцию, которую окунули в мыльный раствор. При извлечении ее из мыльного раствора, нити слиплись между собой, образуя форму отдаленно напоминающую ветвления дерева. Таким образом, мы наглядно увидели принцип минимизации материала и затрат энергии, в данном случае выражающийся в минимизации общей длины нитей, по окторым стекает мыльный раствор.
ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТВИСТЫХ СТРУКТУР
Для моделирования ветвистых структур в цифровой среде мы использовали масс-пружинные модели в Kangaroo (Rhino/Grasshopper), чтобы "найти" положение узлов и длины стержней при заданных якорных точках (левая диаграмма), приводящие к системе с наименьшей общей длиной всех элементов. При дальнейшем конструктивном анализе моделей из kangaroо (правая диаграмма) все элементы загружены равномерно, изгибающие моменты очень незначительны или отсутствуют.
Для моделирования ветвистых структур в цифровой среде мы использовали масс-пружинные модели в Kangaroo (Rhino/Grasshopper), чтобы "найти" положение узлов и длины стержней при заданных якорных точках (левая диаграмма), приводящие к системе с наименьшей общей длиной всех элементов. При дальнейшем конструктивном анализе моделей из kangaroо (правая диаграмма) все элементы загружены равномерно, изгибающие моменты очень незначительны или отсутствуют.
Цифровая модель ветвистой структуры в Kangaroo 3D
ОПИСАНИЕ ФИНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
После многочисленных цифровых моделей в вариантами ветвистых систем мы остановились на пространственной конструкции в 32 стержня, так как она показывала самые хорошие результаты в работе на устойчивость.
Финальная конструкция имеет в плане габариты 4 * 1 м, что соответствует размерам верхней полки, и высоту 2.4 м.
Дерево состоит из стола и трех уровней веток, расходящихся по 2, 4 и 4 шт. соответственно. Верхняя полка представляет собой решетчатую конструкцию соответствующую шагу верхнего ряда ветвей, приходящих в ее перекрестия. Один край верхней полки жестко закреплен к стене, опора ствола закреплена к полу.
По результату анализа конструкции, проводимого в Karamba 3D (Rhino/Grasshopper), конструкция выдерживает распределенную нагрузку в 100 кг/м2, при этом вся система дерева подвержена преимущественно сжатию.
После многочисленных цифровых моделей в вариантами ветвистых систем мы остановились на пространственной конструкции в 32 стержня, так как она показывала самые хорошие результаты в работе на устойчивость.
Финальная конструкция имеет в плане габариты 4 * 1 м, что соответствует размерам верхней полки, и высоту 2.4 м.
Дерево состоит из стола и трех уровней веток, расходящихся по 2, 4 и 4 шт. соответственно. Верхняя полка представляет собой решетчатую конструкцию соответствующую шагу верхнего ряда ветвей, приходящих в ее перекрестия. Один край верхней полки жестко закреплен к стене, опора ствола закреплена к полу.
По результату анализа конструкции, проводимого в Karamba 3D (Rhino/Grasshopper), конструкция выдерживает распределенную нагрузку в 100 кг/м2, при этом вся система дерева подвержена преимущественно сжатию.
СЕЧЕНИЯ ВЕТВЕЙ И МЕТОД ПРОИЗВОДСТВА
Сложность производства конструкции заключается в том, что все углы соединений элементов уникальны и все длины элементов разные. На ранних этапах разработки проекта рассматривались разные методы производства: 3D-печать узлов и скрепление гнутых по форме отдельных трубок стержней. Был выбран последний метод, как наиболее простой в исполнении и нагляднее показывающий принцип работы конструкции. С учетом выбранного метода производства в поисковых и расчетных моделях были назначены сечения, пропорционально увеличивающиеся от верхних ветвей к стволу. За "единицу" сечения была взята алюминиевая труба диаметром 1 см, соответствующая сечению стержней верхнего уровня. Далее стержни группировались и соединялись между собой хомутами.
Сложность производства конструкции заключается в том, что все углы соединений элементов уникальны и все длины элементов разные. На ранних этапах разработки проекта рассматривались разные методы производства: 3D-печать узлов и скрепление гнутых по форме отдельных трубок стержней. Был выбран последний метод, как наиболее простой в исполнении и нагляднее показывающий принцип работы конструкции. С учетом выбранного метода производства в поисковых и расчетных моделях были назначены сечения, пропорционально увеличивающиеся от верхних ветвей к стволу. За "единицу" сечения была взята алюминиевая труба диаметром 1 см, соответствующая сечению стержней верхнего уровня. Далее стержни группировались и соединялись между собой хомутами.
ПРОИЗВОДСТВО И СБОРКА КОНСТРУКЦИИ
Производство и сбора финальной конструкций велась параллельно двумя группами. У каждой была своя сфера обязанностей:
1) Изготовление древообразной стержневой структуры.
2) Изготовление сетки и узлов крепления к стержням.
Группа Сетки:
- Разработка и изготовление узлов крепления алюминиевых полос сечением 30*2 мм к раме из профиля 30*20 мм. (30 деталей по длинной стороне, 16 деталей по короткой стороне)
Производство и сбора финальной конструкций велась параллельно двумя группами. У каждой была своя сфера обязанностей:
1) Изготовление древообразной стержневой структуры.
2) Изготовление сетки и узлов крепления к стержням.
Группа Сетки:
- Разработка и изготовление узлов крепления алюминиевых полос сечением 30*2 мм к раме из профиля 30*20 мм. (30 деталей по длинной стороне, 16 деталей по короткой стороне)
- Разработка и изготовление узлов крепления стержней приходящих к сетке. (64 детали)
-Сборка сетки (более 500 болтов)
Группа Дерева:
-Расчет углов по итоговой аналитической модели с проработкой этапов гибки труб. (28 углов сгиба, 48 углов поворота сгиба)
-Гибка труб (128 сгибов)
-Сборка всех в труб в единую древообразную структуру. (26 хомутов)
-Прессовка стержней для крепления к сетке. (32 ветки)
-Сборка сетки (более 500 болтов)
Группа Дерева:
-Расчет углов по итоговой аналитической модели с проработкой этапов гибки труб. (28 углов сгиба, 48 углов поворота сгиба)
-Гибка труб (128 сгибов)
-Сборка всех в труб в единую древообразную структуру. (26 хомутов)
-Прессовка стержней для крепления к сетке. (32 ветки)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоговая физическая полностью работает по нашим расчетам и соответствует работе цифровой модели, которую мы сделали вначале. Тестирование конструкции на прочность, в том числе и во время финальной защиты, показало, что дерево выдерживает как минимум трех человек или около 200 кг.
Итоговая физическая полностью работает по нашим расчетам и соответствует работе цифровой модели, которую мы сделали вначале. Тестирование конструкции на прочность, в том числе и во время финальной защиты, показало, что дерево выдерживает как минимум трех человек или около 200 кг.
После защиты и по сей день конструкция работает по своему назначению.
Легкие конструкции прекрасны по своей сути, но крайне тяжелы в производстве. При проектировании необходимо с самого начала учитывать технологические нюансы, производственные ограничения и тщательно разрабатывать узлы.
Легкие конструкции прекрасны по своей сути, но крайне тяжелы в производстве. При проектировании необходимо с самого начала учитывать технологические нюансы, производственные ограничения и тщательно разрабатывать узлы.