Строительные балки на основе фрактальных структур: эталон прочности

Известно, что большая часть современных зданий и сооружений в своей основе имеет каркас, выполненный на базе колонн и балок. Чаще всего, колонны и балки для таких конструкций выполняются из прочной стали. Безусловно, этот материал обладает рядом высоких показателей и характеристик, касающихся прочности и устойчивости, однако, даже несмотря на это, в каждом индивидуальном случае требуется выполнять точный расчет всех конструкций здания. Это сопряжено с определенными сложностями и затратами, которых, как недавно выяснилось, вполне можно избежать.

Специалист-исследователь Йонг Мао при участии своих коллег, работающих на базе университета Ноттингема, представил принципиально новый метод производства строительных балок при помощи так называемых фрактальных структур, которые, в свою очередь, выполняются по технологии 3D-печати. Как утверждают разработчики этой технологии, новые балки, изготовленные с использованием принципа 3D-печати, отличаются минимальным весом, но, в то же время, действительно высокой прочностью. Доказано, что их прочность в десять тысяч раз превышает аналогичный показатель стандартных строительных балок, выполняемых из стали. Впрочем, самым существенным преимуществом этих строительных элементов можно назвать то, что их показатели жесткости можно особым способом настраивать в соответствии с характеристиками каждой отдельно взятой конструкции. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность существенным образом сокращать объем как производственных, так и строительных отходов, равно как и финансовых затрат. Впрочем, сам процесс производства особых фрактальных структур, необходимых для изготовления таких балок, отличается сложностью. Он состоит из нескольких этапов, которые повторяются друг за другом.

В действительности, фрактальная структура, как известно, состоит из нескольких фрагментов, одинаковых, и представляющих собой своеобразные шаблоны. На самом деле, это не является изобретением человека.Ведь известно, что подобные модели можно встретить и в природе. Ярки пример - кровеносные сосуды в человеческом организме, цветная капуста или листья папоротника. Таким образом, имитируя те механизмы формирования фрактальных структур, которые происходят в живой природе, специалистам удалось разработать целый ряд работающих теоретических основ, которые можно использовать, в том числе, и для строительных конструкций. Речь, в частности, идет о тех конструкциях, в рамках которых их иерархический порядок в структуре находится в прямой зависимости от видов, а также от степени воздействий и нагрузки на них.

Взяв соответствующие принципы за основу, специалисты при помощи современного 3D-принтера, в частности, методом быстрого макетирования, смогли создать фрактальную структуру. Она представляет собой полую, самую обычную раму, созданную на основе полимерной смолы. После этого они тщательным образом проанализировали эффект нагрузки в рамках полученной ими модели. Затем они, при помощи достаточно сложно алгоритма, разработали проект принципиально новой модели, в которой постарались учесть так называемые "слабые места" той конструкции, которая была создана ими в предыдущем варианте. Данный процесс, как удалось выяснить в ходе эксперимента, повторяется, и процесс продолжается ровно до тех пор, пока не будет осуществлена максимально точная настройка данной структуры в соответствии с той или иной степенью нагрузки.

Впрочем, даже у этой технологии производства балок для строительства имеются собственные недостатки. Среди них можно отметить структурные дефекты, имеющиеся в материале. Они могут стать причиной достаточно существенных проблем. Разработчики подчеркивают, что даже несущественный дефект может иметь серьезное влияние на показатели прочности конструкции в целом, так как отсутствуют дополнительные материалы для принятия дополнительной нагрузки. Именно по этой причине основной целью работы группы специалистов станет активное повышение показателей устойчивости фрактальных моделей к подобным дефектам.