Сучасна будівля з давно забутими техніками - Звіт про інновації
Плити, що складали цю підлогу, виготовлені з піску з 3D друком. ETH Цюріх/Пітер Рюегг
Міста в містах мало. Тому архітектори шукають способи будувати компактно - і в той же час якомога дешевше та екологічніше.
Одним із підходів є легка конструкція: чим тонші стелі багатоповерхового будинку, наприклад, тим більше місця для додаткових поверхів. Оскільки вони мають меншу вагу, будівельний матеріал також можна заощадити на фундаментах та стінах, що знижує витрати.
Але при сучасній звичайній конструкції з бетону навряд чи можливо зменшити вагу: для того, щоб підлоги поверхів мали несучу здатність, вони повинні бути в середньому товщиною 25 сантиметрів і додатково посиленими всередині сталевими прутами або сітками, так званими підкріпленнями. Це робить їх дуже важкими.
Несуча без сталі
Дослідники з Інституту технологій в архітектурі при ETH в Цюріху зараз представляють новий підхід. Ви спроектували елементи підлоги з бетону, опорна плита якого має товщину всього два сантиметри, але при цьому дуже стійка.
"Це заощаджує нам 70 відсотків ваги порівняно зі звичайними бетонними підлогами", - говорить Філіп Блок, доцент кафедри архітектури та конструкції та заступник директора з національних досліджень, що займається цифровим виготовленням. У той же час це захищає навколишнє середовище, оскільки потрібно менше бетону, виробництво якого утворює велику кількість СО2.
Зменшення ваги можливо, оскільки панелі не плоскі, а скоріше арочні - подібно до склепінчастої стелі в готичних соборах. Завдяки лише своїй формі вони витримують дуже великі навантаження, так що для армування їм не потрібна арматурна сталь.
Будувати як старі майстри
"Проектуючи проект, ми зорієнтувались на історичні принципи та методи забудови, про які забули", - говорить Блок. З цією метою дослідники проаналізували, серед іншого, будівлі у стилі каталонських склепінь.
Іспанський архітектор Рафаель Гуаставіно привіз цей традиційний спосіб будівництва з Іспанії до США наприкінці XIX століття. Він посилив свої цегляні склепіння з верхньої сторони вузькими вертикальними ребрами. З одного боку, вони служать для створення рівної поверхні підлоги. З іншого боку, вони підвищують стійкість при асиметричних навантаженнях, тобто коли вага людей або предметів не рівномірно розподіляється в приміщенні.
Дослідники ETH використовували принцип армування ребер для своїх бетонних елементів. За допомогою спеціально розробленої комп’ютерної програми вони підрахували, як повинні бути розташовані ребра, щоб оптимально розподілити сили тиску, що виникають під навантаженням. В результаті виходить філігранний малюнок тонких ліній, що сходяться по кутах.
Сам елемент затиснутий у сталевій рамі, яка поглинає стискаючі сили - він таким чином виконує ту саму функцію, що і контрфорси, на яких спираються склепіння соборів. "Конструкція надзвичайно стабільна", - говорить Блок. Випробування навантаження показали, що він витримує асиметричне навантаження 4,2 тонни. Це навіть у два з половиною рази більше, ніж вимагають будівельні стандарти, що застосовуються у Швейцарії.
Практична перевірка в NEST
Тепер дослідники вперше випробують нові плити перекриття на практиці в дослідницькому корпусі NEST у Дюбендорфі поблизу Цюріха. Двоповерховий гостьовий пентхаус повинен бути побудований на його даху з цього літа. Для цього використовуються елементи підлоги розміром від п’яти до п’яти метрів, які збірні модульно, а потім встановлюються на місці. Вони пропонують ще одну перевагу: у порожнинах між бетонними ребрами труби для вентиляції, охолодження та опалення можна прокласти без проблем, що також економить простір.
Проте виготовлення елементів досі було дорогим, оскільки потрібні ливарні форми з обох сторін, які повинні точно відповідати одна одній. Ось чому Блок та його команда пішли на крок далі: щоб зменшити виробничі витрати, вони виготовили перші елементи за допомогою 3D-друку - але не з бетону, а з піску та в’яжучого речовини. Вони витримують навантаження в 1,4 тонни і, таким чином, також відповідають швейцарським будівельним стандартам. "Згідно з нашими будівельними принципами можна використовувати також матеріали, які раніше не були придатними для будівництва", - говорить Блок. "Вам просто потрібно привести його в потрібну форму, щоб вона стала дуже стабільною структурою".