Istraživači Tehničkog univerziteta u Beču (TU Wien), u saradnji sa tehnološkim partnerima, razvijaju digitalni postupak proizvodnje topološki optimizovanih armiranobetonskih ploča. Novi pristup mogao bi da smanji količinu potrebnog materijala do 50 odsto, a da pritom ne ugrozi nosivost konstrukcije.
Prototip rebrastog plafona (Foto: TU Wien)
Međuspratne ploče neizostavan su deo stambenih, poslovnih, obrazovnih i drugih objekata, ali istovremeno spadaju među komponente zgrada za čiju se izradu troši najviše materijala.
Na njih može da se utroši čak 60 odsto ukupne količine betona ugrađene u objekat. Imajući u vidu da je proizvodnja cementa odgovorna za približno osam odsto globalnih emisija ugljen-dioksida, upravo u ovom segmentu postoji veliki prostor za uštedu i smanjenje ugljeničnog otiska građevinarstva.
Oglas
Rešenje na kome rade stručnjaci iz Beča zasniva se na spoju matematičke topološke optimizacije i digitalne proizvodnje koja je u velikoj meri automatizovana. Cilj je da se beton ugrađuje samo na mestima na kojima je neophodan za prenošenje opterećenja, umesto da se čitava ploča izvodi kao puna konstrukcija jednake debljine.
Materijal samo tamo gde je konstrukcijski potreban
Klasične armiranobetonske međuspratne konstrukcije najčešće se projektuju kao pune ravne ploče. Međutim, njihovoj nosivosti ne doprinosi podjednako sav ugrađeni beton. Znatne količine materijala koriste se prvenstveno zato što su jednostavni i puni oblici do sada bili najlakši i najjeftiniji za proizvodnju.
Tobias Huber iz Istraživačke jedinice za armirani beton pri Tehničkom univerzitetu u Beču ukazao je da beton ima izuzetne karakteristike kao građevinski materijal, ali da se mora koristiti mnogo racionalnije. Prema njegovom objašnjenju, namera istraživačkog tima jeste da materijal ostane samo u zonama u kojima je njegova uloga konstrukcijski opravdana.
Na tom principu zasnovan je projekat "Topology-Optimized Reinforced Concrete Slabs with Digital Formwork and Reinforcement" (TOPS). Posebni algoritmi analiziraju konstrukciju i izračunavaju na kojim mestima je beton potreban, kao i iz kojih zona može da bude uklonjen. Tako nastaju organski oblikovane noseće strukture sa rebrima čiji položaj prati tok sila unutar elementa.
Sistemi ploča sa manjom potrošnjom materijala nisu novina. Rebraste i kasetirane tavanice odavno su poznate u građevinarstvu, ali je njihova proizvodnja složenija, a samim tim i skuplja od izrade standardnih punih ploča.
Konstrukcije razvijene kroz projekat TOPS odlaze korak dalje jer omogućavaju još veće uštede. Njihova geometrija je, međutim, toliko složena da ekonomična proizvodnja klasičnim metodama praktično ne bi bila moguća.
Huber je naveo da se ovakvi oblici već mogu izračunati pomoću računara, ali da je njihova praktična primena uglavnom bila ograničena problemima u proizvodnji. Novi pristup osmišljen je upravo da poveže digitalno projektovanje sa izradom stvarnih konstrukcijskih elemenata.
Neprekidan digitalni put od modela do proizvodnje
Ključna inovacija projekta ne odnosi se samo na geometriju ploča već i na način njihove izrade. Na osnovu znanja i tehnologija partnerskih kompanija razvijen je neprekidan proces "od datoteke do fabrike", u kojem se digitalni podaci iz projekta neposredno koriste za proizvodnju.
Svaka promena proračunate geometrije može odmah da bude preneta u proizvodne podatke za oplatu i armaturu. Time se izbegavaju pojedini međukoraci koji zahtevaju dodatno vreme i mogu da dovedu do grešaka.
Oplata formira kalup u koji se uliva beton, dok armatura, odnosno čelični skelet sastavljen od šipki ili mreža, omogućava konstrukciji da preuzme zatezna naprezanja. Izrada obe komponente danas često podrazumeva veliki udeo ručnog rada, zbog čega je vremenski zahtevna i troši znatne resurse.
U okviru projekta TOPS oplata i armatura najpre se digitalno planiraju, a zatim proizvode uz visok stepen automatizacije.
Prema Huberovim rečima, presudan element sistema je celovit digitalni lanac podataka, od projektovanja do proizvodnje. Izmene modela mogu direktno da se uključe u proces izrade, čime se štedi vreme, smanjuje mogućnost greške i omogućava ekonomski opravdana proizvodnja složenih geometrijskih oblika.
Demonstratori potvrdili rezultate proračuna
Kako bi proverio funkcionisanje sistema u realnim uslovima, istraživački tim izradio je dva demonstratora velikih dimenzija. Kompanija DataB GmbH proizvela je oplatu primenom CNC tehnologije, dok je Mesh AG robotski zavario armaturu.
Oba elementa podvrgnuta su ispitivanju opterećenjem, a njihovo ponašanje upoređeno je sa konvencionalnim sistemima međuspratnih ploča. Stručnjaci su, između ostalog, analizirali nosivost i ugib konstrukcije. Dobijeni rezultati potvrdili su da je moguće ostvariti znatnu uštedu materijala bez odstupanja od zahtevanih konstrukcijskih karakteristika.
Huber je ocenio da su demonstratori pokazali kako koncept ne funkcioniše samo u računarskim simulacijama, već i na stvarnim armiranobetonskim elementima.
Najveći potencijal kod zgrada sa dužim rasponima
Tehnologija bi naročito mogla da bude korisna kod višespratnih objekata sa većim rasponima, poput poslovnih zgrada i tržnih centara. U takvim projektima složenija geometrija može da postane posebno isplativa, jer se isti elementi oplate mogu koristiti više puta.
Projektom TOPS, Tehnički univerzitet u Beču i partneri DataB GmbH i Mesh AG nastoje da doprinesu dekarbonizaciji građevinske industrije. Rezultati istraživanja pokazuju da digitalne tehnologije ne moraju samo da ubrzaju projektovanje i proizvodnju, već mogu da omoguće potpuno nove konstrukcije koje racionalnije koriste resurse.
Šira primena ovakvih sistema mogla bi u budućnosti znatno da smanji potrošnju betona, posebno u objektima kod kojih međuspratne konstrukcije čine veliki deo ukupne količine ugrađenog materijala.
