Nie występują w naturze – są projektowane i tworzone przez człowieka, ale mają niezwykłe właściwości mechaniczne. Mowa o metamateriałach tensegrity. Ich wyjątkowość można wykorzystać w budownictwie, ale jak to robić optymalnie? Tematem zajmują się naukowcy z Politechniki Warszawskiej.
Tensegrity to specjalny typ konstrukcji kratownicowej, który składa się z elementów ściskanych (prętów) i rozciąganych (cięgien), połączonych tak, że cała struktura jest bardzo stabilna i wytrzymała. Tensegrity wykorzystuje stan samonaprężenia, co oznacza, że siły ściskające i rozciągające są w idealnej równowadze.
Tensegrity znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach – wskazuje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka z Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej. – Można z nich wykonywać elementy nośne budynków czy kładek dla pieszych, a także konstrukcje rozwijalne, np. ruchome fasady czy składane słupy. Bardzo ważnym obszarem zastosowania jest też lotnictwo i kosmonautyka, w których wykorzystuje się ultralekkie struktury tensegrity jako elementy anten czy łazików planetarnych. W mniejszych skalach ze struktur tensegrity można wykonywać struktury modułowe, jak metamateriały, które są przedmiotem mojego projektu – wskazuje badaczka.
Jego efektem ma być uzyskanie co najmniej dwóch gradientowych (o zmieniających się parametrach) metamateriałów tensegrity o ekstremalnych własnościach mechanicznych, a także wskazanie ich potencjalnego zastosowania w budownictwie. Można by je wykorzystać do różnego typu elementów tłumiących drgania, np. mat wibroizolacyjnych.
Jak zatem uzyskać metamateriał? Najprościej zbudować go z podstawowych modułów tensegrity (to np. moduły typu simplex powstałe na bazie graniastosłupów prawidłowych). Moduły to najmniejsze, elementarne cząstki materiału. Mogą być rozmieszczone na różne sposoby – od tego zależy, jakie właściwości będzie miała dana struktura. Z kilku, najczęściej ośmiu modułów, powstają superkomórki mające pożądane własności i zachowujące je przy powielaniu. W modelu matematycznym można wyznaczyć właściwości superkomórki – otrzymany na koniec metamateriał, niezależenie od liczby składowych superkomórek, będzie miał dokładnie takie same właściwości.
Nasze badania będą obejmowały struktury trójwymiarowe i mają doprowadzić do opracowania nowego algorytmu do analizy inteligentnych metamateriałów o zmiennych własnościach mechanicznych – opisuje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Metamateriały będą miały strukturę komórkową i będą oparte na regularnych modułach tensegrity o zmiennych proporcjach geometrycznych, różnych sposobach łączenia, zmiennej sztywności. Przeanalizujemy różne sposoby uzyskiwania gradientowych (czyli o zmieniających się parametrach) własności oraz ich wpływ na ekstremalne cechy struktur tensegrity.
Na takie cechy zwraca się szczególną uwagę, bo pozwalają na uzyskanie struktury, która w jednym kierunku będzie miała dużą nośność i będzie sztywna pod przyłożonym obciążeniem (np. w kierunku pionowym), a pod wpływem obciążenia przyłożonego w innym kierunku (np. poziomo) będzie bardzo podatna. Jest to ważne np. w przypadku mat tłumiących drgania sejsmiczne.
Stworzenie algorytmu to realizacja pierwszego (teoretycznego) celu projektu. Cel drugi jest praktyczny – to sprawdzenie, jak algorytm działa. Zaplanowano badania laboratoryjne na próbkach pojedynczych modułów, superkomórek i metamateriałów tensegrity wykonanych w technologii druku 3D. Zespół z Politechniki Warszawskiej chce też opracować bazę danych, zawierającą wyniki badań laboratoryjnych przeprowadzonych na elementach wydrukowanych w 3D. Skorzystają z niej naukowcy i inżynierowie zajmujący się badaniami elementów wibroizolacyjnych.
źródło; PW