스페인 그라나다 대학의 Skoltech 연구원과 동료들은 건축물의 아치형 천장과 돔을 강화하는 가장 효율적인 방법을 결정했습니다.팀은 보강 리브의 다양한 전통적 패턴과 비전통적 패턴을 통해 구조가 균등하게 분산된 하중과 비대칭 하중을 얼마나 잘 견딜 수 있는지 비교했습니다.

에 게시됨벽이 얇은 구조,공부하다수치해석에 의존하고물리적 실험, 그리고 저자들은 잠자리 날개에서 영감을 받은 전례 없는 리브 패턴을 제안하게 되었는데, 이는 놀랍게도 논문에서 조사된 다른 모든 레이아웃보다 뛰어난 성능을 보였습니다.

견고한 리브는 공학적 및 미학적 이유로 더 얇은 구조를 가능하게 하기 위해 고대 로마 시대부터 둥근 천장과 돔에 사용되었습니다.이 솔루션은 자재를 절약하고 고딕 성당과 같이 더 복잡한 디자인, 기둥 없는 바닥 범위 및 더 큰 창문을 허용합니다.

천장의 무게를 분산시키기 위해 갈비뼈를 사용하는 것은 낯선 것이 아닙니다.토목공학, 어느 하나.일부 지하철역과 산업시설이 생생한 사례를 보여준다.

하지만, 제품을 선택할 때기하학적 패턴갈비뼈 배치의 경우 일반적으로 격자형 천장이 있는 통형 금고(내부에 강화 사각형 갈비뼈 메쉬가 있는 긴 아치)와 초기 로마 건축 및 르네상스 교회에서 친숙한 십자가 금고와 같은 오래된 즐겨찾기로 귀결됩니다.그것에서 영감을 얻었습니다.일반적으로 개선 가능성을 식별하기 위해 복잡한 분석을 시도하지 않습니다.

연구의 수석 저자이자 Skoltech 박사인 Anastasiia Moskaleva는 "우리는 여러 리브 패턴을 분석하여 어떤 것이 수직 및 비대칭 하중을 더 잘 견딜 수 있는지 확인하기로 결정했습니다."라고 말했습니다.수학과 기계 프로그램의 학생입니다.

"우리는 실시했다수치 시뮬레이션작년 연구에서 설계된 곡면 고분자 복합 쉘에 대한 실험을 통해 5가지 다른 방식으로 배치된 보강 리브를 장착하여 각 경우 리브에 소비되는 재료의 양을 쉘 자체에 사용된 재료의 절반으로 제한했습니다."

위에 묘사된 원래 쉘은개발됨자연의 과정에서 영감을 얻은 논리적 과정을 통해 끝 모양에 도달하는 형태 찾기라는 최적화 기술을 통해.

이는 모델을 공중에 매달아 자체 무게로 인해 처지게 함으로써 매우 효율적인 형태를 도출하던 Antoni GaudÃ가 수행한 것과 같은 실험으로 거슬러 올라갑니다.그런 다음 그는 그들이 가정한 모양을 취하고 그것을 뒤집었습니다.실제로 그는 중력이 작용하도록 했기 때문에 이러한 접근 방식을 종종 "형태는 힘을 따른다"라고 부릅니다.

연구진이 처음 조사한 5개의 보강 리브 패턴에는 위상 최적화를 통해 얻은 2개의 레이아웃과 함께 두 개의 유서 깊은 디자인(격자 천장 및 십자가 볼트)이 포함되었습니다.중앙 기둥의 상단 패턴은 모든 지점에서 쉘의 두께를 최적화하여 가장 필요한 곳에 재료를 효과적으로 재분배하여 제작되었습니다.

바닥 패턴은 서로 겹쳐진 두 개의 껍질로 시작하여 바닥 패턴만 갈비뼈의 시드 구조로 최적화하여 얻었습니다.마지막으로, 다섯 번째 생체 모방 패턴은 거북이 등껍질, 잠자리 날개 등에서 나타나지만 보로노이 다이어그램으로 알려진 수학적으로 순수한 형태는 아닙니다.

물리적 실험과 수치 시뮬레이션 모두 위상적으로 최적화된 설계가 중앙 하중을 견디는 데 있어 기존 및 생체 모방 리브 레이아웃보다 우수하다는 것을 보여주었습니다.그러나 비대칭 하중이 가해지면 테이블이 회전했습니다. 이는 대략 지붕 한쪽에 눈이 쌓이거나 많은 사람들이 한 지점에서 다른 지점으로 그룹으로 이동하는 것과 같습니다.

그러한 상황에서는 교차 볼트가 왕이었고 그 다음에는 일괄 토폴로지 최적화가 이어졌습니다.중요한 점은 대칭형에서 비대칭형 부하로 전환했을 때 성능 저하가 가장 적은 두 가지 옵션으로 격자천장과 보로노이 패턴이 돋보였다는 것입니다.

Moskaleva는 "이로 인해 우리는 두 세계의 장점을 최대한 활용하기 위해 수직 하중 실험에서 가장 최적화된 레이아웃과 Voronoi 패턴을 결합하게 되었습니다."라고 말했습니다.

"우리는 실제로 보로노이 패턴을 정확하게 따르지 않는 잠자리 날개의 구조를 주의 깊게 조사한 결과 내부의 강화 리브가 두 개의 별도 그룹을 형성하는 것으로 생각할 수 있다는 것을 발견했습니다. 비틀림에 대응하는 더 견고한 유형이 있습니다. 그리고 나서날개의 전반적인 구조적 무결성을 보장하는 더 얇은 리브가 있으며 우리는 이를 볼트에서 재현할 수 있다고 생각했습니다."

여섯 번째 하이브리드 패턴을 얻기 위해 팀은 먼저 토폴로지 최적화를 반복했지만 재료 지출에 대한 더 엄격한 제한을 적용하여 리브 재료의 70%를 이러한 기본 리브에 할당했습니다.그 다음에는 파라메트릭 알고리즘이 남은 재료를 모두 사용하고 더 얇은 2차 재료를 채우는 추가 단계가 이어졌습니다.갈비 살보로노이 패턴에 따라이 아이디어는 매우 효과적이어서 새로운 결합 패턴은 두 시나리오(중앙 및 비대칭 부하)에서 5가지 초기 레이아웃 각각보다 성능이 뛰어났습니다.

Moskaleva는 "이것은 위상 최적화가 구조 설계에 실제로 많은 일을 할 수 있다는 것을 보여줍니다. 그러나 토목 공학에서는 거의 사용되지 않으며 자동차 및 항공기 부품과 같은 기계 공학에서만 사용됩니다"라고 Moskaleva는 말했습니다.

"물론, 최적화된 형태는 매우 복잡하고 따라서 제조가 까다롭습니다. 그러나 주차장과 같은 표준 건물의 부품이 최적화되어 필요에 따라 재생산될 수 있게 되면 장기적으로 이익을 얻을 것입니다.

재료가 보존되고 건축가에게는 더 큰 창작의 자유가 주어집니다."

추가 정보:Anastasiia Moskaleva 외, 자유형 복합 쉘 구조의 강화 패턴,벽이 얇은 구조(2024).DOI: 10.1016/j.tws.2024.112037