科学家开发出可自动适应荷载的土木结构 降低碳排放
发布日期：2020-11-27 10:09:43 浏览：次
EPFL的科学家已经开发出新的方法来设计和控制能够自动适应荷载的土木结构。其目的是减少建筑业对环境的影响。
为了应对当前的环境挑战，建筑业必须找到新的建筑方式。”ENAC应用计算与力学实验室（IMAC）的科学家、该研究项目的负责人Gennaro Senatore说：“建筑业是原材料的最大消费国，占全球能源需求的三分之一以上。”建筑环境在其整个使用寿命中造成了高达40-50%的总二氧化碳排放量。”
这一数字之所以如此之高，部分原因在于大多数土木工程结构都采用了传统的设计方法。土木结构通常被设计成能够承受最坏情况下的荷载事件，这些事件实际上很少发生：强风、地震、暴风雪和大量人群。
解决方案在于自适应结构，这种结构能够适应变化的荷载条件，以确保满足强度和可用性要求。”自适应结构可以在接近设计极限的情况下运行，这意味着它们可以比传统被动结构表现得更好、更可持续，”Senatore解释道。
本工作采用的设计准则是将结构的全寿命能量需求最小化，其中包括操作所用的能量，例如在服务期间用于传感、控制和驱动的能量，以及用于材料和建筑的能量，称为内含能源。
通过形状控制来适应不断变化的载荷条件
为了验证其设计方法和控制优化系统的可行性，IMAC团队开发了一个以人行天桥为形式的样机。它可以被动地承受普通载荷，当载荷增加到一定的激活阈值以上时，结构能够通过改变形状来适应最佳结构。
控制系统包括一系列传感器、控制单元和执行器。”每个结构单元都装有应变传感器和光学跟踪系统来监测结构的运动。“机器学习已经被用来提高应用负载位置和强度的检测精度，”IMAC的博士助理Arka Prabhata Reksowardojo说，他几天前成功地为与该项目相关的博士论文进行了辩护。”控制单元处理从传感器接收到的信息，并命令执行器伸展和收缩，从而将结构控制到随外部负载变化而变化的最佳形状。”
如果停电怎么办？”结构不会倒塌，因为它的设计有足够的承载能力，即使没有主动系统的贡献。然而，正常使用的极限，例如挠度，可能会被超过，”Senatore解释道
较小的内含能量和质量
这座人行天桥长6.6米，宽1米，只有16厘米深。”它有一个非常纤细的结构，跨度和深度比是传统结构的三倍，”Reksowardojo说。这个比率表明了被动结构在荷载作用下的行为。比率越高，结构就越像塑料尺在我们手中弯曲变形。相反，通过主动控制减少挠度的能力使新型结构，如超长自适应建筑和桥梁成为可能。
Reksowardojo说：“设计的结构能够通过形状控制来抵消荷载的影响。”。IMAC结构创新的部分原因在于它可以通过大的形状重构来适应负载。这种结构适应导致在强荷载作用下应力的均匀化，非控制状态和受控状态之间的平均应力显著降低（高达37%）。因此，由于结构能够在荷载作用下改变形状，因此需要较小的质量和内含能量。
高冲击潜力
自适应结构为工程结构的刚度控制设计提供了一种替代方案。设计良好的适应性结构在满足安全关键要求的同时，所需的材料和能源资源要少得多。当结构设计由强而罕见的荷载（如暴风雪）控制时，自适应结构尤其适用。高层建筑和细长建筑尤其能从中受益，为城市规划者在高密度城市中优化空间提供了一个有吸引力的选择。
Senatore说：“研究表明，用这种方法生产的结构物，在消耗一定数量的操作能量的情况下，可以实现高达70%的节能效果。”由于技术进步，未来能源生产的碳足迹可能会减少，因此，通过用较小的运营份额取代较大的具体份额来推迟能源使用，有助于进一步减少温室气体排放。”
Senatore说：“这种低能耗和超薄设计的结合在结构工程中是独一无二的，从而为建筑环境和整个社会创造了巨大的影响潜力。”。