科學家開發(fā)出可自動適應荷載的土木結構 降低碳排放
發(fā)布日期：2020-11-27 10:09:43 瀏覽：次
EPFL的科學家已經開發(fā)出新的方法來設計和控制能夠自動適應荷載的土木結構。其目的是減少建筑業(yè)對環(huán)境的影響。
為了應對當前的環(huán)境挑戰(zhàn)，建筑業(yè)必須找到新的建筑方式。”ENAC應用計算與力學實驗室（IMAC）的科學家、該研究項目的負責人Gennaro Senatore說：“建筑業(yè)是原材料的最大消費國，占全球能源需求的三分之一以上。”建筑環(huán)境在其整個使用壽命中造成了高達40-50%的總二氧化碳排放量。”
這一數(shù)字之所以如此之高，部分原因在于大多數(shù)土木工程結構都采用了傳統(tǒng)的設計方法。土木結構通常被設計成能夠承受最壞情況下的荷載事件，這些事件實際上很少發(fā)生：強風、地震、暴風雪和大量人群。
解決方案在于自適應結構，這種結構能夠適應變化的荷載條件，以確保滿足強度和可用性要求。”自適應結構可以在接近設計極限的情況下運行，這意味著它們可以比傳統(tǒng)被動結構表現(xiàn)得更好、更可持續(xù)，”Senatore解釋道。
本工作采用的設計準則是將結構的全壽命能量需求最小化，其中包括操作所用的能量，例如在服務期間用于傳感、控制和驅動的能量，以及用于材料和建筑的能量，稱為內含能源。
通過形狀控制來適應不斷變化的載荷條件
為了驗證其設計方法和控制優(yōu)化系統(tǒng)的可行性，IMAC團隊開發(fā)了一個以人行天橋為形式的樣機。它可以被動地承受普通載荷，當載荷增加到一定的激活閾值以上時，結構能夠通過改變形狀來適應最佳結構。
控制系統(tǒng)包括一系列傳感器、控制單元和執(zhí)行器。”每個結構單元都裝有應變傳感器和光學跟蹤系統(tǒng)來監(jiān)測結構的運動。“機器學習已經被用來提高應用負載位置和強度的檢測精度，”IMAC的博士助理Arka Prabhata Reksowardojo說，他幾天前成功地為與該項目相關的博士論文進行了辯護。”控制單元處理從傳感器接收到的信息，并命令執(zhí)行器伸展和收縮，從而將結構控制到隨外部負載變化而變化的最佳形狀。”
如果停電怎么辦？”結構不會倒塌，因為它的設計有足夠的承載能力，即使沒有主動系統(tǒng)的貢獻。然而，正常使用的極限，例如撓度，可能會被超過，”Senatore解釋道
較小的內含能量和質量
這座人行天橋長6.6米，寬1米，只有16厘米深。”它有一個非常纖細的結構，跨度和深度比是傳統(tǒng)結構的三倍，”Reksowardojo說。這個比率表明了被動結構在荷載作用下的行為。比率越高，結構就越像塑料尺在我們手中彎曲變形。相反，通過主動控制減少撓度的能力使新型結構，如超長自適應建筑和橋梁成為可能。
Reksowardojo說：“設計的結構能夠通過形狀控制來抵消荷載的影響。”。IMAC結構創(chuàng)新的部分原因在于它可以通過大的形狀重構來適應負載。這種結構適應導致在強荷載作用下應力的均勻化，非控制狀態(tài)和受控狀態(tài)之間的平均應力顯著降低（高達37%）。因此，由于結構能夠在荷載作用下改變形狀，因此需要較小的質量和內含能量。
高沖擊潛力
自適應結構為工程結構的剛度控制設計提供了一種替代方案。設計良好的適應性結構在滿足安全關鍵要求的同時，所需的材料和能源資源要少得多。當結構設計由強而罕見的荷載（如暴風雪）控制時，自適應結構尤其適用。高層建筑和細長建筑尤其能從中受益，為城市規(guī)劃者在高密度城市中優(yōu)化空間提供了一個有吸引力的選擇。
Senatore說：“研究表明，用這種方法生產的結構物，在消耗一定數(shù)量的操作能量的情況下，可以實現(xiàn)高達70%的節(jié)能效果。”由于技術進步，未來能源生產的碳足跡可能會減少，因此，通過用較小的運營份額取代較大的具體份額來推遲能源使用，有助于進一步減少溫室氣體排放。”
Senatore說：“這種低能耗和超薄設計的結合在結構工程中是獨一無二的，從而為建筑環(huán)境和整個社會創(chuàng)造了巨大的影響潛力。”。