スイスの科学者がコンクリート使用量を削減するケーブル床システムを3Dプリント

出典: 未知の大陸

建設業界は温室効果ガスの最大の発生源の一つであり、世界の排出量の3分の1は建築部門から発生しています。これらの温室効果ガスの大部分は床システムに使用されているコンクリートに含まれているため、建物におけるコンクリートの使用を削減するためのさまざまな取り組みが進行中です。強度を犠牲にせずに材料を少なくするための鍵は形状です。アーチは良い例です。アーチの上部に加わる重量は、その力を圧縮応力に分解し、引張応力を排除するため、形状全体に分散されます。 Block Research Group、Institute of Architecture、ETH Zurich の研究者チームは、3D プリントを使用して同じ原理をコンクリートの床に適用しました。

3D プリントされた材料は層状構造のため、建設業界で使用されるほとんどの材料よりも引張強度は低くなりますが、圧縮強度は高くなります。リブとアーチを床システムに設計することで、チームは推力を圧縮力に変換することができました。これはケーブルシステムとして知られています。 Philippe Block 氏と Tom Van Mele 氏が率いるエンジニアたちは、造形体積が 1.8 x 1.0 x 0.7 メートルの ExOne S-Max 砂型 3D プリンターを使用して、連結された 5 つのピースを 3D プリントしました。隣接する要素間に機械的な接続は使用されません。代わりに、圧縮を主眼としたプロトタイプの構造形状により、オスとメスの連結機能のみを使用して位置合わせを保証するシンプルなインターフェース設計が可能になります」と論文には記されている。

ケーブルの形状を生成するために、Thrust Network Analysis (TNA) とそのソフトウェア実装 RhinoVAULT が使用されました。彼らは、最初の 3D プリント砂床を製造する前に何百もの異なる構成をシミュレーションし、材料が仕様を満たし、人が使用しても安全であることを確認するために厳密にテストしました。うまく機能しましたが、必要な荷重基準を満たすにはわずか 3% 足りませんでした。そのため、2 つ目の 3D プリント砂床を少し変更したところ、荷重基準を満たすことができました。 3 回目の反復は異なる設計で、負荷制限は高いもののたわみが大きくなりましたが、チームはこの問題はプリロードを追加することで解決できると計算しました。

彼らの実験により、これらの形状を使用すると、従来のコンクリートスラブよりも 70 パーセント少ない材料で床システムを製造できることが示されました。彼らは研究を続け、従来の FDM 3D プリンターを使用して、持続可能でハイテクな建設方法を特徴とする NEST HiLo (高性能、低エネルギー) プロジェクトのアパートのコンクリートの床にケーブルのような構造を直接組み込むことができる金型を作成しました。スイスのデューベンドルフに建設中で、ETH の訪問教員が宿泊する予定です。

これらの 3D プリントされた床システムは、材料を節約するだけでなく、配線や導管に使用できるスペースも節約します。 Block Research Group は、ETH の建築および建物システム研究所と協力して、HVAC (暖房および冷房) システムを床に統合できるかどうかを判断しています。これは実現しそうです。模様が美しいので、床が覆われてしまうのは残念です。

材料の使用量を削減する形状は、3D プリントなしでは作成できないことがよくあります。建築家や建築技術者が、これらの形状をコンクリートの床に使用して強度を高めることができることを知らないわけではありませんが、これらの形状は信じられないほど高価であるか、従来の方法では作成不可能です。 3D プリンティングは以前から存在していましたが、厳しい規制や長年確立されたサプライチェーンやワークフローに直面している一部の業界では、新しいテクノロジーの導入が遅れています。建設業界にとっては、建築部品への 3D プリントの使用が十分に検証されるまで待つ方が安全ですが、3D プリント技術が住宅、橋梁、その他のコンクリート削減方法に使用されるにつれて、これらの検証が増加し、業界が注目し始めています。

出典: 未知の大陸

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