ケンブリッジの研究者らがスマートコンクリート端壁を3Dプリントし、壁構造建設のデジタルツインを作成

この投稿は warrior bear によって 2023-7-19 18:53 に最後に編集されました。

インフラストラクチャは、コンクリート 3D プリントの重要な開発分野として浮上しています。 2023年7月19日、アンタークティックベアは、ケンブリッジ大学の研究者が業界やVersarienなどの専門企業と協力して、国道プロジェクト向けの初の3Dプリントコンクリートインフラの開発に貢献したことを知りました。 3Dプリント構造物（ヘッドウォールと呼ばれる擁壁の一種）はコーンウォールのA30高速道路に設置されており、その構造物に埋め込まれたケンブリッジ設計のセンサーによりリアルタイムの情報を提供することができる。これらのセンサーは、温度、歪み、圧力などの最新の測定値を提供します。壁のデジタルツインは、障害が発生する前にそれを検出して修正するのに役立ちます。

端壁構造は通常、限られた形状のプレキャストコンクリートで作られており、型枠と大量の補強材が必要です。しかし、3Dプリントを使用することで、コステイン、ジェイコブス、ヴァーサリエンの専門家を含むチームは、型枠や補強材を必要とせずに湾曲した空洞壁を設計し、構築することができました。壁の強さは鋼鉄からではなく、その形状から生まれます。
壁の印刷には1時間かかり、高さは約2メートル、幅は3.5メートルです。これは、グロスターシャーにある先進エンジニアリング会社、ヴァーサリエンの本社で、ロボットアームベースのコンクリートプリンターを使用して印刷されました。 3D プリントを使用して壁を作成すると、コスト、材料、炭素排出量が大幅に削減されます。

過去 6 年間にわたり、工学部の Abir Al-Tabbaa 教授のチームは、新しいセンサー技術を開発し、インフラストラクチャからより高品質の情報を取得するための既存の市販センサーの有効性を調査してきました。彼女のチームはまた、さまざまな「スマート」な自己修復コンクリートも開発しました。このプロジェクトでは、印刷プロセス中の温度を測定するためのセンサーを提供しました。
3D プリントされた壁のさまざまな層の温度変化を継続的に監視し、潜在的なホットスポット、温度勾配、異常を検出します。温度データは対応するサーモグラフィプロファイルと相関付けられ、3D プリントされた壁の熱挙動を理解します。
「3Dプリントには極めて速く硬化するセメントが必要なので、大量の熱も発生します」とアル・タバ氏は言う。「建設中の温度を測定するために壁にセンサーを埋め込み、今では壁が現場にある間にセンサーからデータを取得できます。」
センサーは温度に加えて、相対湿度、圧力、歪み、抵抗率、電気化学ポテンシャルも測定します。これらの測定により、センサーの信頼性、堅牢性、精度、寿命に関する貴重な洞察が得られます。
△ Versarien 工場のプロジェクトチームは、印刷中に壁をスキャンして 3D ポイントクラウドを作成し、壁のデジタルツインを生成するために LiDAR システムも使用しています。
「壁をデジタル化するということは、壁自体が語るものであり、私たちはセンサーを使ってこれらの3Dプリント構造をより深く理解し、産業界での受け入れを加速させることができる」とヴァーサリエン研究チームは述べた。
ケンブリッジのチームは、電気機械インピーダンス応答を測定し、時間の経過に伴う測定値の変化を監視して、損傷の可能性を検出することができる PZT (圧電セラミックチタン酸ジルコン酸鉛) センサーと呼ばれるセンサーを開発しました。これらのスマートセンサーは、主要構造の健全性を監視しながら、3D プリントされたモルタルが時間の経過とともにどのように硬化するかを表示できます。
3D プリントのプロセス中に、建設中および現場への設置後の耐用年数中の荷重と歪みを捕捉するために、8 つの PZT センサーが壁層のさまざまな場所に埋め込まれました。

スマートマテリアル、オートメーション、ロボット工学、データサイエンスの専門家を含むこのチームは、カスタムワイヤレスデータ収集システムも開発しました。これにより、埋め込まれたセンサーの多周波数電気機械応答データをケンブリッジから遠隔的に収集できるようになりました。
タバ教授は次のように語っています。「このプロジェクトは生きた実験室として機能し、そのライフサイクルを通じて貴重なデータを生成します。センサーデータと『デジタルツイン』は、インフラ専門家が戦略的な道路網向けに、より大きく複雑なセメント建築構造物を印刷するための3D印刷技術の使用方法とカスタマイズ方法をより深く理解するのに役立ちます。」
このプロジェクトのチームメンバーには、ケンブリッジ大学のスリプリヤ・レンガラジュ博士、クリストス・ヴラチャキス博士、イェンファン・スー博士、ダミアン・ペイリン博士、フサム・タハ博士、リチャード・アンヴォ博士、リリア・ポツェリュコ博士のほか、コステインの材料部門責任者バビカ・ラムラクヒャニ氏（工学部のパートタイム博士課程学生）、およびヴェルサリエンの建築イノベーション部門責任者ベン・ハリーズ氏（10月から工学部のパートタイム博士課程を開始する予定）が含まれます。
ケンブリッジチームの研究は、「Resilient Materials for Life」プログラムと「Digital Pathways to the Future」プログラムの一環です。この研究は、英国研究イノベーション機構（UKRI）、工学・物理科学研究会議（EPSRC）、欧州連合によって部分的に支援された。

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