Намалете въглеродния отпечатък с оптимизация на топологиите

Нов изчислителен инструмент е предназначен да помогне за намаляване на въглеродния отпечатък чрез комбиниране на подходящи материали. Навсякъде в съвременното строителство конструкциите обикновено са изработени от стомана или дърво, или комбинация от двете. Има обаче малко количествени изследвания за това как да се изберат правилните материали, за да се сведе до минимум възможния принос на тези структури към глобалното затопляне.

„Въплътеният въглерод“ в строителния материал включва използваното при производството горивото (например, при добива и топенето на стомана или при изсичането и обработката на дървета) и горивото за транспортирането му до строителната площадка. Към това се добавят и машините за самото строителство.

Изследователите от Масачузетския технологичен институт MIT вече са извършили подробен анализ и са разработили набор от изчислителни инструменти, които позволяват на архитектите и инженерите да проектират по такъв начин, че въглеродът да бъде намален до минимум, като същевременно се поддържат всички свойства, необходими за конкретно приложение в сградата.

Докато дървесината по принцип има много по-малък въглероден отпечатък, използването на стомана на определени места, където нейните свойства носят максимална полза, може да доведе до оптимален резултат, смятат изследователите.

Начини за намаляване на емисиите

Анализът е описан в статия, публикувана в списание Engineering Structures от докторанта Ернест Чинг и асистент-професора по гражданско и екологично инженерство в Масачузетския технологичен институт, Джоузефин Карстенсен.

Основните възможности за намаляване на въглеродните емисии са подмяна на материалите или промяна на структурата. Досега обаче е направено изненадващо малко за разработването на инструменти, които поддържат стратегии за намаляване на емисиите при конкретни ситуации, казва Карстенсен.

Новата система използва оптимизация на топологията. Тя позволява да се въвеждат основни параметри като натоварването, което трябва да се носи, и размерите на конструкцията. Може да се използва за създаване на проекти, които са оптимизирани според различни характеристики като тегло, цена или ефект върху глобалното затопляне.

Инструменти за оптимизиране от ранната фаза на планиране до крайната фаза на проектиране

Дървесината е много подходяща за натоварвания от налягане/тежест, но има недостатъци в сравнение със стоманата, когато става въпрос за натоварвания на опън. Според Карстенсен като цяло дървото е много по-добро от стоманата по отношение на въплътения въглерод. Така че, за да сведете до минимум емисиите, „определено трябва да използвате само дърво, особено при конструкции, които не са напрегнати. Теглото на конструкцията е по-високо от това на стоманата и това е недостатък”, казва тя. Инструментите, разработени от изследователите, могат да се използват в различните фази на планиране.

Значителни икономии при емисиите на парникови газове

Като упражнение екипът разработва предложение за преработване на различни конструкции чрез инструментите за оптимизация. По този начин изследователите успяват да покажат, че могат да се постигнат значителни спестявания на въплътените емисии на парникови газове, без да се жертва ефективността. Оказва се, че могат да се постигнат подобрения от поне 10%. Но тези резултати не могат да бъдат прехвърлени едно към едно към реалността, казва Карстенсен. Защото спестяванията могат да бъдат два до три пъти по-високи. „Става дума за по-интелигентен избор на материали“, в зависимост от спецификата на конкретно приложение, казва тя. “В съществуващите сгради дървото често се използва там, където е подложено на натиск и където има смисъл. В този случай се използват наистина тънки стоманени елементи, които са под напрежение, отново там, където това има смисъл.“

Рано е за комерсиално приложение

Инструментите обаче все още не са готови за търговска употреба, тъй като в момента няма съответния потребителски интерфейс. Карстенсен вижда тенденция към нарастващо използване на дървесина в мащабното строителство, което крие важен потенциал за намаляване на глобалните въглеродни емисии.