22:52
Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) изготовили трёхметровую бетонную балку в сшитой тканевой опалубке. По сравнению с обычной балкой, рассчитанной на ту же нагрузку, в конструкции использовали примерно втрое меньше бетона и вдвое меньше стальной арматуры.
Результаты испытания опубликованы в Journal of Building Engineering. Когда исследователи нагрузили балку, её прогиб в центре оказался примерно на 2% меньше или больше значения, предсказанного компьютерной моделью.
Форма балки рассчитана с помощью методов компьютерной оптимизации, которые позволяют размещать материал там, где он нужнее всего для прочности. Такие конструкции часто сложно изготовить в обычной жёсткой опалубке: для этого могут потребоваться 3D-принтеры для бетона или формы, вырезанные на станках. Тканевая опалубка легче и проще в изготовлении, но под тяжестью влажного бетона меняет форму, поэтому заранее предсказать результат непросто.
«Главное открытие состояло в том, что гибкость ткани — не просто ограничение, с которым нужно справляться: при правильном компьютерном проектировании она помогает создавать оптимальные формы», — сказала руководитель исследования Джозефин Карстенсен, профессор гражданского строительства MIT.
По словам соавтора работы Джексона Джуэтта, тканевую форму можно сшить вне стройплощадки, упаковать и привезти на место. Для её изготовления нужны цифровой шаблон, подходящая ткань, швейная машина и простая деревянная опорная рама — оборудование доступнее, чем роботизированные системы или фрезерные станки.
Как изготовили балку
Сначала исследователи рассчитали траекторию стальной арматуры методом графической статики, который быстро помогает определить, как распределяются силы. Затем топологическая оптимизация показала, где бетон необходим для прочности, а где его можно убрать. В результате получилась балка с верхней частью, узкими наклонными опорами и тонким нижним элементом для арматуры.
Автоматизированная система преобразовала трёхмерный проект в плоские детали ткани, учитывая её деформацию при заливке. Команда изготовила три формы для одной балки — из 36, 56 и 76 деталей. Большее число швов позволяло точнее контролировать отдельные участки, но усложняло сборку и повышало риск накопления ошибок. Наилучший баланс, по оценке исследователей, дала форма из 56 деталей.
Для заливки использовали смесь с большим содержанием песка, небольшими камнями и умеренным количеством воды. Слишком жидкий бетон мог бы просочиться сквозь хлопковую ткань и сильнее оттеснить её от заданной формы. Смесь укладывали вручную, уплотняя каждый слой; гибкость ткани помогла распределить бетон по узким участкам без вибратора.
После заливки балку проверили, постепенно устанавливая сверху 36 вёдер с водой. Нагрузка достигла примерно 30% от расчётной — уровня, выбранного для проверки поведения конструкции в обычных условиях эксплуатации. Измерительные приборы фиксировали прогиб при добавлении и снятии веса.
Где технология может быть выгодна
Стоимость изготовления зависит от региона. В странах Глобального Юга, где материалы относительно дороже труда, балки в тканевой опалубке оказались на 10–20% дешевле обычной. В странах Глобального Севера более высокая стоимость швейных работ, напротив, делала их на 16–55% дороже.
Поэтому технология, вероятно, лучше подходит для индивидуальных или малосерийных элементов сложной формы: открытых балок, длиннопролётных конструкций, пешеходных сооружений и элементов ландшафтного дизайна. Для стандартных прямоугольных балок, которые производят серийно, повторно используемая жёсткая опалубка остаётся более экономичным решением там, где труд дорог.
Снижение расхода бетона важно и для климата: на производство цемента приходится около 8% антропогенных выбросов углекислого газа. По словам Карстенсен, уменьшение потребности в материалах — один из способов снизить углеродный след строительства. При этом, по оценкам исследователей, к 2050 году число зданий в мире почти удвоится, а около 85% прироста придётся на развивающиеся страны, где доступ к сложному строительному оборудованию часто ограничен.
Авторы называют трёхметровую балку проверкой концепции, сопоставимой с небольшим строительным пролётом. Просто увеличить её размеры нельзя: с ростом длины меняются собственный вес конструкции и давление бетона на ткань, поэтому потребуется новый расчёт. Следующий этап работы — испытать несколько балок до разрушения. Исследование частично поддержал Национальный научный фонд США.
Оригинал этой публикации впервые появился на localhost.
