自适应结构减少了建筑物的碳足迹

EPFL的科学家们开发了新的方法来设计和控制能够自动适应载荷的土木结构。目的是减少建筑部门对环境的影响。

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应用计算和力学实验室(IMAC)的科学家，研究项目负责人GennaroSenatore说：“建筑业是最大的原材料消费国，占全球能源需求的三分之一以上。”“在整个使用寿命期间，内置环境最多可导致总CO2排放的40-50%。”

如此高的数字部分是由于应用于大多数土木工程结构的传统设计实践。土木结构通常旨在承受最坏的载荷事件，而这种载荷在实践中很少发生：强风，地震，暴风雪和大人群。

解决方案在于自适应结构，该结构能够适应以确保在变化的负载条件下满足强度和可维护性要求。Senatore解释说：“自适应结构可以在接近设计极限的条件下运行，这意味着它们可以比传统的被动结构更好地工作，并且更具可持续性。”

在这项工作中采用的设计标准是使结构的整个生命周期的能量需求最小化，其中包括用于操作的能量，例如用于服务期间的感测，控制和致动的能量，以及用于材料和建筑的能量，即体现的能量。

通过形状控制适应不断变化的载荷条件

为了确定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形式的原型。它可以被动地承受普通负载，并且如果负载增加到某个激活阈值以上，则结构可以通过形状变化适应最佳配置。

控制系统包括一系列传感器，控制单元和执行器。IMAC的博士助理ArkaPrabhataReksowardojo说：“每个结构元件都装有应变传感器，并且光学跟踪系统监视结构运动。已经采用机器学习来提高所施加载荷位置和强度的检测精度。”成功捍卫了他的博士学位几天前与此项目有关的论文。“控制单元处理从传感器接收的信息，并命令执行器伸展和收缩，从而将结构控制为最佳形状，该形状随外部负载的变化而变化。”

如果断电怎么办?Senatore解释说：“该结构不会塌陷，因为即使在没有主动系统参与的情况下，它也具有足够的承载能力。但是，可能会超出诸如挠度之类的可使用性极限。”