Jak samoorganizujące się materiały ziarniste zmieniają przyszłość architektury

Architektura jest dyscypliną konserwatywną, nie tylko ze względu na rygorystyczne standardy stabilności i bezpieczeństwa, których muszą przestrzegać wszystkie konstrukcje wykonane przez człowieka. Siły działające na każdą konstrukcję i wewnątrz niej muszą być dokładnie obliczone, a projekt odpowiednio zmodyfikowany. Niewiele można pozostawić przypadkowi.

Przynajmniej taki jest tradycyjny pogląd. Ale niektórzy projektanci bawią się innym pomysłem – że istnieje inny sposób budowania, który wykorzystuje losowość zamiast jej unikać. Ten rodzaj budynku będzie opierał się na nowych rodzajach materiałów ziarnistych, które po ułożeniu na miejscu łączą się w sposób zapewniający stabilność strukturalną. W ten sposób ściany, kolumny, a nawet kopuły można było wylać na swoje miejsce, tworząc złożone, ale stabilne konstrukcje.

To może brzmieć jak science fiction, ale dziś Sean Keller z Illinois Institute of Technology w Chicago i Heinrich Jaeger z University of Chicago wyjaśniają, jak tego rodzaju aleatoryczna architektura w końcu staje się możliwa. Ci faceci mówią, że pierwsze aleatoryczne struktury już są budowane i że podejście to wprowadza nowe sposoby myślenia o architekturze i projektowaniu w ogóle.

Najpierw trochę tła. Ludzie od tysięcy lat wykorzystują materiały ziarniste, takie jak kamienie, piasek czy ziemia, do budowy konstrukcji. Nawet dzisiaj technika ta jest powszechna do budowy tam, falochronów portowych i podsypek żwirowych dla kolei.

Struktury te korzystają ze specjalnych właściwości materiałów ziarnistych – ich porowatości, która umożliwia szybki drenaż oraz faktu, że można je wlać na miejsce szybko i po niskich kosztach.

Bardziej interesujący jest sposób, w jaki znoszą obciążenia. Konwencjonalne konstrukcje wymagają specjalnie zaprojektowanych kolumn lub łuków. Jednak materiały ziarniste opierają się na łańcuchach sił między sąsiednimi cząstkami wewnątrz materiałów, które są tworzone, gdy materiał się zakleszcza. Jednocześnie materiał może płynąć po zwolnieniu zacięcia.

Jest jednak minus. Kształt tych struktur jest mocno ograniczony przez naturalny kąt usypu materiału. A to również ogranicza zastosowania.

Wiele właściwości materiałów ziarnistych zależy od kształtu cząstek, z których są one wykonane. W wielu przypadkach jest to mniej więcej kuliste.

Ale w ostatnich latach naukowcy zajmujący się materiałami zaczęli eksperymentować z cząstkami o bardziej egzotycznych kształtach, takich jak trójwymiarowe kształty gwiazd, kształty X, haczykowate i inne. Po nalaniu łatwiej je zakleszczają i tworzą stabilne struktury.

Doprowadziło to do zupełnie nowego sposobu myślenia o projektowaniu. Tradycyjnie architekci zaczynali od najmniejszych elementów konstrukcyjnych, takich jak kolumny, łuki, ściany itd., a następnie łączyli je ze sobą, tworząc większe konstrukcje, takie jak mosty, domy i drapacze chmur.

Jednak właściwości tych nowych materiałów ziarnistych stawiają to podejście na głowie. Dzięki temu architekci mogą pomyśleć o ogólnej formie, a następnie wymyślić, jak można ją osiągnąć, wsypując granulowany materiał na miejsce.

Jednym ze sposobów jest wlanie materiału do hermetycznego pojemnika z tkaniny, który można zapakować próżniowo. To generuje ciśnienie, które powoduje, że materiał zakleszcza się w mniej więcej dowolny pożądany kształt. Kilka lat temu inżynierowie z Politechniki w Delft zbudowali most, korzystając z tego pomysłu, który można opróżnić (poniżej).

Bardziej ambitnym celem jest wymyślenie ogólnej struktury, a następnie praca wstecz, aby określić kształt cząstek, które wytworzyłyby ją po wylaniu. Granulki te można następnie wydrukować w 3D i wylać na miejsce, gdzie będą się składać lub składać za pomocą robota.

Będzie to miało głęboki wpływ na proces projektowania. W rezultacie planowanie wstępne jest wolne od uwzględniania lokalnych szczegółów konstrukcyjnych, mówią Keller i Jaeger. Zamiast tego głównym zadaniem staje się teraz generowanie odpowiednich kształtów cząstek, a także ogólnych warunków granicznych i przetwarzania, aby zagwarantować, że pożądana struktura docelowa będzie mechanicznie stabilna po zrealizowaniu.

Pierwsze niepewne kroki w kierunku tego rodzaju konstrukcji są już podejmowane z fascynującymi rezultatami. Czy to możliwe, że następny dom, do którego się wprowadzisz, zostanie wylany, a nie zbudowany? Prawdopodobnie nie, ale nie wykluczaj kolejnego.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1510.05721 : Architektury Aleatory

ukryć