Az építőipar felel a globális szén-dioxid-kibocsátás jelentős részéért, de egy új számítógépes modellel radikálisan csökkenthető az alapanyagok mennyisége.
Amikor egy hatalmas acélhidat vagy sokemeletes irodaházat látunk, ritkán gondolunk rá, hogy a szerkezet tömegének mekkora része szolgálja valóban a stabilitást, és mennyi az, ami csupán az építőipar megszokott tervezési sémái miatt került bele. Pedig a különbség óriási: az építőanyagok előállítása 2022-ben a globális szén-dioxid-kibocsátás több mint 7 százalékáért volt felelős. Az MIT kutatói most olyan technológiát tökéletesítettek, amely a jövőben több milliárd tonnával vághatja vissza ezt a környezetterhelést.
Áthidalják a szoftver és az építőipar valósága közötti szakadékot
A mérnökök előtt már évtizedek óta ismert a topológiai optimalizálásnak nevezett eljárás. Ez a módszer matematikai algoritmusokkal határozza meg, hová kell pontosan anyagot tenni ahhoz, hogy a szerkezet elbírja a terhelést, miközben a felesleget egyszerűen kihagyja a tervből.
Bár a technika elméletileg akár 90 százalékos anyagmegtakarítást is lehetővé tesz, a gyakorlatban eddig leginkább csak a 3D nyomtatásban használták.
Az építőiparban a kivitelezők eddig elvetették ezeket a terveket, mert a kapott formák túl bonyolultak, drágák vagy egyszerűen megépíthetetlenek voltak a hagyományos eszközeikkel.
„A szakirodalomban sokszor mutatkozott szakadék a számítógépen elérhető és a valóságban megvalósítható szén-dioxid-megtakarítás között, különösen az olyan tervezési tervezési technológiáknál, mint a topológiai optimalizálás” – nyilatkozta az MIT közleményében Josephine Carstensen, a vonatkozó tanulmány egyik szerzője. A professzor szerint a probléma eddig abban rejlett, hogy a szoftverek nem vették figyelembe az építkezés fizikai korlátait. Éppen ezért az MIT munkatársai olyan keretrendszert fejlesztette, amely lehetővé teszi, hogy a mérnökök már a tervezési fázisban megadják a kivitelezhetőség paramétereit, például a csatlakozási pontok maximális számát vagy az alkatrészek minimális méretét.
Fa és acél együttműködése
A keretrendszer újdonsága, hogy képes egyszerre több különböző anyaggal is számolni. A kutatók acélból, fából és ezek vegyes használatából álló rácsos szerkezeteket terveztek a modellel, figyelembe véve az egyedi anyagtulajdonságokat. Míg az acélrudak remekül bírják a nyomást, az acélkábelek nem, a fa pedig teljesen más csatlakozási szabályokat igényel. A rendszer ezeket az eltéréseket már a matematikai optimalizálás során beépíti a tervekbe.
„Az anyagok azonban együtt is működhetnek: a fát a szén-dioxid-megtakarítás miatt használjuk, az acélt pedig ott, ahol extra szilárdságra van szükség” – vezette le Zane Schemmer, a kutatás első szerzője, megjegyezve: szerkezetépítő mérnökként sosem tanítottak arra, hogyan tervezzen alacsony szén-dioxid-kibocsátással. E modell segítségével viszont a szakemberek pontosan látják, milyen kompromisszumokat kell kötniük a környezeti hatás és az építhetőség között. A fejlesztők szerint a megközelítés azért izgalmas, mert olyan korlátokat adhatnak meg, amelyekkel soha nem kerülnek abba helyzetbe, hogy a kapott tervet túl nehéz legyártani.
A kutatók a New York állambeli Lockport egyik különleges hídján tesztelték a módszert, bebizonyítva, hogy a szoftver egy hagyományos laptopon (jelen esetben egy Macbook Pron) is elfut, magyarán a legtöbb mérnökiroda számára elérhető. A csapat a jövőben kicsinyített modellekkel akarja igazolni a gépi számítások pontosságát, hogy a technológia a családi házaktól a hatalmas infrastruktúrákig mindenhol elterjedhessen.
A címlapkép illusztráció. Forrás: Sergey Omelchenko / Unsplash
„A Roszatom Műszaki Akadémián képzett szakemberek már most olyan kompetenciákat sajátítottak el, amelyekre az erőművi blokkok üzembe helyezésének minden szakaszában szükség lesz.”