Żelbetonowe belki stanowią jeden z podstawowych elementów konstrukcyjnych w budownictwie. Optymalizacja topologiczna w ramach wspieranego komputerowo procesu projektowania pozwala na uzyskanie kształtu belki, zapewniającego odpowiednią nośność i wytrzymałość, przy jednoczesnej redukcji zużycia materiałów konstrukcyjnych: betonu i stali.
Jednak najbardziej zoptymalizowane geometrie okazują się skomplikowane technologicznie, a ich otrzymywanie konwencjonalną metodą przy użyciu sztywnych form do betonu jest utrudnione i/lub nieekonomiczne. Nieliczne zrealizowane projekty tego typu wykonano przy użyciu specjalistycznego sprzętu, na przykład zrobotyzowanych systemów do druku 3D z betonu.
Z badań przeprowadzonych na MIT (Massachusetts Insitute of Technology) wynika, że belki o nawet bardzo skomplikowanych geometrycznie kształtach mogą być wytwarzane w ekonomiczny sposób, przy użyciu miękkich form, uszytych z tkaniny materiałowej. W celu weryfikacji przyjętych założeń wykonano żelbetonową belkę o długości trzech metrów i zoptymalizowanej konstrukcji. Do jej produkcji zaprojektowano specjalną formę materiałową, złożoną ze zszytych ze sobą, wygenerowanych komputerowo wykrojów tkaniny. Uszyta forma materiałowa została rozpięta na stelażu z drewnianych belek, a następnie, po montażu prętów zbrojenia, zalana betonem. Wyzwaniem przy realizacji projektu okazała się deformacja miękkiej formy pod ciężarem płynnego betonu. Odkształcenia musiały zostać uwzględnione w projekcie technologicznym.
W porównaniu do konwencjonalnej belki o analogicznej nośności, zoptymalizowana geometria pozwoliła na redukcję zużycia betonu o 2/3 i zużycia stali o połowę. Podczas testów fizycznych prototypowej belki odnotowano zbieżność z wynikami symulacji komputerowych na poziomie 98%.
Zdaniem autorów koncepcji, zaletą szytych form materiałowych, oprócz swobody geometrycznej i niskich kosztów w przypadku produkcji jednostkowej, jest także łatwość prefabrykacji i przenośny charakter, co może ułatwić wdrożenie technologii na większą skalę.
news.mit.edu
