Исследователи из Сколтеха и их коллега из Гранадского университета (Испания) определили, какие способы укрепления куполов и сводов архитектурных построек справляются с задачей лучше других. Учёные сравнили, насколько хорошо выдерживают нагрузку конструкции с разными вариантами расположения рёбер жёсткости. Проверка проводилась в форме натурных и вычислительных экспериментов, в которых укреплённую конструкцию нагружали сначала равномерно, потом асимметрично. На основании полученных результатов, исследователи предложили свою собственную схему расположения рёбер жёсткости, вдохновлённую крыльями стрекоз, которая оказалась прочнее всех рассмотренных в работе традиционных и новаторских решений. Исследование опубликовано в журнале Thin-Walled Structures.
Рёбра жёсткости используются для укрепления сводов и куполов с античности. Они делают возможными более тонкие конструкции, выбор которых бывает продиктован как эстетическими, так и инженерными соображениями — это экономия материала, широкие пролёты без промежуточных опор, изящная геометрия конструкции и большие окна, как в готических соборах. Рёбра жёсткости можно увидеть не только в исторических постройках, но и на станциях метро, промышленных объектах.
Однако, если говорить о выборе самой схемы расположения рёбер, обычно предпочтение отдаётся проверенной временем классике. Это кессонные потолки — квадратная сетка, как в римском Пантеоне. Или так называемые крестовые своды — как в традиционных православных храмах крестово-купольного типа и вдохновивших их византийских прообразах. Никакого сложного анализа для поиска более совершенных решений обычно не проводится.
«Мы решили проанализировать несколько вариантов расположения рёбер и узнать, какие из них лучше противостоят вертикальной, а также асимметричной нагрузке, — рассказывает первый автор исследования, аспирант программы „Математика и механика“ Анастасия Москалёва. — Для этого мы провели численное моделирование и физические эксперименты на изогнутых полимерных композитных оболочках, спроектированных в прошлогоднем исследовании. Их снабдили рёбрами жёсткости, расположенными пятью разными способами, при этом во всех случаях на рёбра выделялось в два раза меньше материала, чем на саму оболочку».