Nový počítačový model z MIT může snížit spotřebu materiálu na mosty až o 90 % a výrazně omezit emise

Nový počítačový model vyvinutý americkými výzkumníky z Massachusettského technologického institutu (MIT) by mohl snížit množství materiálu potřebného pro stavbu mostů a budov až o 90 % a výrazně zvýšit efektivitu budoucích konstrukcí.

Nový počítačový model vyvinutý americkými výzkumníky z Massachusettského technologického institutu (MIT) by mohl snížit množství materiálu potřebného pro stavbu mostů a budov až o 90 % a výrazně zvýšit efektivitu budoucích konstrukcí. Tento přístup je založen na procesu známém jako topologická optimalizace, což je výpočetní metoda, která určuje nejúčinnější rozmístění materiálu.

Výzkumný tým vedla Josephine Carstensen, profesorka stavebního inženýrství. Podle týmu tato technika překlenuje propast mezi optimalizovanými digitálními návrhy a praktickou konstrukcí. Carstensen věří, že by mohla výrazně snížit jak náklady, tak uhlíkové emise. Zdůrazňuje, že je potřeba současně řešit materiály, proveditelnost návrhů a optimalizaci struktury, což se tým snažil dosáhnout.

Topologická optimalizace využívá počítačové programy k optimálnímu rozložení materiálu v daném prostoru, například k vytvoření nejsilnějších možných konstrukcí s nejnižší hmotností. Dosud se však převážně používá ve výzkumu a 3D tisku, nikoli inženýry při stavbě mostů a budov. Důvodem je, že výsledné návrhy jsou často příliš složité a drahé na realizaci, připomínající pavučinové struktury, které by byly výzvou i pro ty nejzkušenější inženýry.

K řešení tohoto problému vyvinul tým z MIT rámec, který uživatelům umožňuje definovat praktická konstrukční omezení již na začátku procesu návrhu. Inženýři tak mohou specifikovat maximální počet konstrukčních prvků setkávajících se v jednom spoji, minimální úhly spojení a minimální velikosti komponent. Systém podporuje více materiálů a umožňuje kombinovat ocel a dřevo. Pro každou konstrukční část však vybírá jeden materiál a následně kontroluje, zda jsou všechna spojení dostatečně pevná, aby splňovala technické normy. Zane Schemmer, doktorand a první autor studie, vysvětluje, že nelze mít část, která je například ze 72 % dřevo a z 28 % ocel.

Pro demonstraci metody tým přepracoval most Lockport „Upside-Down Bridge“ poblíž Buffala v New Yorku. Vygenerovali návrhy pouze z dřeva, pouze z oceli, a také hybridní dřevo-ocelové nosníkové konstrukce. Testovali, jak různá konstrukční omezení ovlivňují konečné struktury. Výsledky ukázaly, že silnější návrhy nebyly vždy nejsnadněji postavitelné. Schemmer uvedl, že systém dokázal navrhnout most z čisté oceli, což však nemusí být nejlepší z hlediska uhlíkové stopy. Naopak most z čistého dřeva by nemusel být nejsilnější.

Schemmer věří, že strategickým kombinováním materiálů může rámec využít dřevo tam, kde jsou úspory uhlíku nejdůležitější, a spoléhat se na ocel pouze tam, kde je nezbytná dodatečná pevnost. Zdůrazňuje, že tyto materiály mohou spolupracovat, což umožňuje využít dřevo pro úsporu uhlíku a ocel pro dodatečnou pevnost, a v těchto konstrukcích lze najít rovnováhu. Optimalizace vyžaduje více výpočetního výkonu než některé stávající metody, ale výzkumníci uvedli, že jejich experimenty běžely na standardním MacBooku Pro, což činí tento přístup praktickým pro inženýrské firmy. Schemmer uzavřel, že ačkoli se tomuto přístupu v minulosti průmysl vyhýbal, nyní věří, že jde o praktický způsob řešení problémů s proměnnými omezeními. Studie byla publikována v časopise Automation in Construction.