Архитектурная бионика

Архитектурная бионика ториальных линий деформаций, чтобы по ней можно было создавать оптимальную по массе конструкцию. Эти же вопросы должны интересовать и технологов, поскольку процесс создания материалов и изготовления конструкций — единый процесс. Таким образом, оп ­ тимальное проектирование по массе структур конструк ­ тивных систем можно свести к двум этапам : определять конфигурацию структуры эксперимен ­ тальным путем; с помощью методов математического программи ­ рования находить оптимальные размеры ячеек, сечений элементов (стержней). Такой подход позволяет значи ­ тельно уменьшить область допустимых решений, из числа которых находится искомое оптимальное реше ­ ние. Анализ статической работы конструкций с траекто- риальной структурой типа турнесоль. Одной из харак ­ терных сторон траекториальных структур живой при ­ роды, как было уже отмечено, является соответствие размещения их элементов силовому полю. Это обеспе ­ чивает значительную несущую способность конструкции при минимальных затратах материала и позволяет компактно формировать конструктивное пространство. С этой точки зрения, например, в строении цветка подсолнуха (турнесоль) особый интерес представляет композиция его наружных слоев, геометрия решеток которых совершенно не похожа друг на друга. Зарож ­ дение наружных слоев с различным рисунком решеток вызвано не только их функциональным назначением, но и различной статической работой. Слой, состоящий из стержней, образующих радиально-кольцевую сетку, работает на сжатие, а слой, состоящий из стержней, образующих спиралевидную сетку, — на растяжение. В основе такого синтеза также лежит оптимизация био ­ логических систем. Принцип разделения статической работы слоев в цветке подсолнуха был использован при конструиро ­ вании двухслойного безраспорного покрытия (рис. 66, 67). Покрытие, опертое по контуру, включает верх ­ ний (сжатый) и нижний (растянутый) слои, которые соединены между собой по внешнему контуру непосред ­ ственно, а в центре — через напрягающие распорки. Верхний (сжатый) слой выполнен из связанных между собой стержней, образующих радиально-кольцевую сет ­ ку. Стержни могут быть выполнены из профильного металла и металлических лент, объединенных в секции, образующие конструкцию верхнего слоя (рис. 68). Нижний (растянутый) слой выполнен из связанных между собой дугообразных элементов, например стерж ­ ней, тросов, лент (рис. 69) и т.д. Эти элементы, распо ­ ложенные по диагоналям относительно радиально- кольцевой сетки верхнего слоя, образуют спиралевид ­ ную сетку с неравномерными ромбическими ячейками, прикрепленную к центральному кольцу. Распорки ус ­ тановлены в шахматном порядке в узлах пересечения стержней радиально-кольцевой сетки и прикреплены к нижнему слою в узлах пересечения дугообразных стерж ­ ней (рис. 70). При работе конструкции растягиваю ­ щие усилия воспринимаются дугообразными элемента ­ ми нижнего слоя, расположение которого по пересе ­ кающимся в плане спиралям обеспечивает равные напряжения во всех элементах спиралеобразной сетки. Это позволяет применить элементы одинакового сече ­ ния. Сжимающие усилия от нагрузок на покрытие вос ­ принимаются стержнями верхнего слоя, расположении ми по радиально-кольцевой сетке, что соответствует направлению максимальных напряжений силового поля покрытия. Статический расчет конструкций типа турнесоль, выполненный методом перемещений по машинной прог ­ рамме "Рассудок", показал, что траекториальные струк ­ туры этого типа работают как пространственные кон-

Рис. 67. Конструкция покры ­ тия с сотовой траекториаль-

ной структурой. Инж. В.Г. Темнов

струкции. Распределение усилий в пределах слоев носит довольно равномерный характер, что и объясня ­ ется геометрией решеток, полученных в результате рас ­ положения элементов по радиально-кольцевой и спи ­ ральным сеткам соответственно. Обнаруженная особен ­ ность дает возможность путем варьирования местопо ­ ложения узлов решеток покрытия без изменения попе ­ речного сечения стержней (один типоразмер элемента) получать равнонапряженные системы, т.е. системы с оп ­ тимальным распределением материала. Из этого можно сделать вывод, что конструкция двухслойного безраспорного покрытия, созданная на ос ­ нове использования принципа разделения статической работы слоев в цветке подсолнуха, при малой материа ­ лоемкости обладает достаточной несущей способностью. Принцип накопления упругой энергии. Эффектив ­ ность конструктивных систем живых организмов био ­ логи оценивают отношением веса скелета к весу тела. Это позволяет им установить влияние сил гравитации на формирование структур живых организмов, находя ­ щихся в различных средах. Воздействию тех же сил гравитации подвержены искусственные конструктивные системы, поэтому эффективность их по аналогии с кон ­ струкциями живых систем можно оценить отношением tD = P/G, l7) где р — предельная нагрузка, выдерживаемая конструкцией (кгс) ; G — вес конструкции (кгс) . Такой критерий оценки конструкции позволяет наглядно видеть скрытые ее возможности и оценить эффективность для восприятия нагрузок. Из формулы (7) также следует, что эффективность можно повы ­ сить либо за счет увеличения нагрузки Р либо за счет уменьшения веса G , либо одновременным увеличением нагрузки Р и уменьшением веса G. Уменьшить вес можно за счет оптимизации структуры конструктивной системы. Примером рационального по ­ строения структур служат животные.о чем говорят про ­ центные отношения веса скелета к весу тела: рыбы — 7 — 8; амфибии — 10 — 12; рептилии — 13-15; птицы — 13 — 16; человек — 16 — 18. С увеличением силы Р или уменьшением веса G в конструкции будет расти упругая энергия деформации.