Адаптивные конструкции сокращают углеродный след зданий и выдерживают ураганы. Как?

Новые методы строительства сокращают углеродный помогут экологии. Ученые из EPFL (Федеральной политехнической школы Лозанны) разработали новые методы проектирования строительных конструкций и управления ими. Их особенность в том, что они автоматически адаптируются к нагрузке. Цель — снижение воздействия строительного сектора на окружающую среду. Рассказываем почему эти меры необходимы и есть ли у новых конструкций будущее? И, главное, поможет ли новая разработка?

Как строительство влияет на окружающую среду?

«Строительная промышленность — крупнейший потребитель сырья и отвечает за треть мирового спроса на энергию. Для решения текущих экологических проблем отрасли пора найти новые способы строительства.

Дженнаро Сенаторе, ученый из Лаборатории прикладных вычислений и механики ENAC (IMAC) и руководитель исследовательского проекта подчеркивает: «На строительную среду приходится до 40-50% общих выбросов CO₂ за весь срок службы зданий».

Этот показатель частично объясняется традиционными методами проектирования зданий. Строительные конструкции создаются так, чтобы выдержать особенно тяжелые нагрузки — сильный ветер, землетрясения и большие скопления людей. Однако на деле такие ситуации случаются редко. Проще говоря, способности конструкций выдерживать такие условия нужна не всегда, а время от времени. Лучше всего для строительства подходят адаптивные конструкции, которые меняются в зависимости от факторов среды.

Инновационность нового метода строительства заключается как раз в использовании адаптивных конструкций, вместо пассивных, т.е. обычных. Они меняются в зависимости от условий нагрузки для обеспечения необходимой прочности и безопасности зданий, мостов и т.д.. Кроме того, адаптивные конструкции способны справляться с экстремальными нагрузками лучше обычных.

Предоставлено: Федеральная политехническая школа Лозанны.

Основной критерий нового экологически чистого проектирования — минимизация потребности таких структур в энергии за весь эксплуатационный период. Речь идет об энергии, которая необходима для обнаружения угроз, управления и приведение в действие механизмов защиты от погодных факторов. Кроме того, много энергии тратится на материалы и само строительство. Такой тип энергии называется воплощённой.

Как конструкции адаптируются к условиям нагрузки?

ля того, чтобы выяснить жизнеспособность нового метода проектирования и системы оптимизации управления, команда IMAC разработала прототип в форме пешеходного моста. Он способен пассивно воспринимать обычную нагрузку. Но если она увеличивается выше определенного порога активации, его структуры адаптируются за счет изменения формы.

Процесс проектирования адаптивных структур. Кредит: IMAC, EPFL.

Сама система адаптивных конструкций включает в себя ряд датчиков, блоков управления и исполнительных устройств. «Каждый элемент конструкции оснащен датчиком деформации, а система оптического слежения фиксирует движение конструкции. Машинное обучение определяет источник и интенсивность приложенной нагрузки, — объясняетАрка Прабхата Рексовардоджо, ассистент доктора наук в IMAC. — Блоки управления обрабатывают информацию, полученную от датчиков, и дают команду исполнительным устройствам расширяться и сжиматься, тем самым управляя конструкцией, которая изменяется при изменении внешней нагрузки».

Процесс проектирования адаптивных структур. Кредит: IMAC, EPFL.

Меньшая воплощенная энергия и масса

Длина прототипа-пешеходного моста составляет 6,6 м, ширина — 1 м, а глубина — всего 16 см. В итоге, соотношение пролета к глубине в три раза выше, чем у пассивных конструкций. Именно этот показатель отвечает за то, как обычные конструкции выдерживают нагрузку. Чем выше коэффициент, тем сильнее их деформация. Это как пластиковая линейка, которую человек сгибает в руках. Способность уменьшать отклонения за счет активного управления позволяет создавать новые типы структур для сверхтонких адаптивных зданий и мостов.

Предоставлено: EPFL / Ален Херцог.

Как объясняют ученые, конструкция спроектирована таким образом, чтобы противодействовать эффектам нагрузки за счет контроля формы. Еще один фактор, который делает структуру IMAC инновационной, ее способность адаптироваться к нагрузке за счет изменения конфигурации. Проще говоря, конструкция требует меньшей массы и воплощенной энергии как раз благодаря способности изменять форму под нагрузкой.

Потенциал разработки

Адаптивные конструкции представляют собой альтернативу традиционным инженерным сооружениям с регулируемой жесткостью. Они требуют меньше материальных и энергетических ресурсов для соблюдении критических требований безопасности. Такие структуры особенно полезны, когда архитектура постройки рассчитана на сильные, но редкие нагрузки (например, на ураган). Высотные здания получат наибольшую выгоду отразработки: градостроители смогут оптимизировать пространство в городах с высокой плотностью населения.

Предоставлено: EPFL / Ален Херцог.

Комбинация низкого энергопотребления и сверхтонкой конструкции делает адаптивные конструкции уникальными для инженерии и сокращает влияние строительства на окружающую среду и общество.

  • Автор: Анастасия Никифорова
СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "Экология"