Struktur adaptif mengurangi jejak karbon bangunan
Engineering

Struktur adaptif mengurangi jejak karbon bangunan


Kredit: EPFL / Alain Herzog

Para ilmuwan di EPFL telah mengembangkan metode baru untuk merancang dan mengontrol struktur sipil yang mampu beradaptasi secara otomatis dengan pemuatan. Tujuannya untuk mengurangi dampak lingkungan dari sektor konstruksi.

Untuk mengatasi tantangan lingkungan saat ini, industri konstruksi harus menemukan cara baru dalam membangun. “Industri konstruksi adalah konsumen bahan mentah terbesar dan menyumbang lebih dari sepertiga permintaan energi global,” kata Gennaro Senatore, seorang ilmuwan di Laboratorium Mekanika dan Komputasi Terapan ENAC (IMAC) dan pemimpin proyek penelitian. “Lingkungan buatan bertanggung jawab hingga 40-50% dari total CO2 emisi selama masa layanan mereka. “

Angka yang sangat tinggi itu sebagian disebabkan oleh praktik desain tradisional yang diterapkan pada sebagian besar struktur teknik sipil. Struktur sipil biasanya dirancang untuk menahan kejadian pembebanan terburuk — yang dalam praktiknya sangat jarang terjadi: angin kencang, gempa bumi, badai salju, dan kerumunan besar.

Solusinya terletak pada struktur adaptif, yang mampu beradaptasi untuk memastikan bahwa persyaratan kekuatan dan kemudahan servis terpenuhi terhadap perubahan kondisi pemuatan. “Struktur adaptif dapat beroperasi mendekati batas desain, yang berarti dapat bekerja lebih baik dan dengan cara yang lebih berkelanjutan daripada struktur pasif konvensional,” jelas Senatore.

Kriteria desain yang diadopsi dalam pekerjaan ini adalah minimalisasi kebutuhan energi seumur hidup struktur, yang meliputi energi yang digunakan untuk operasi, seperti untuk penginderaan, kontrol, dan penggerak selama layanan serta energi yang digunakan untuk material dan konstruksi — yang dikenal sebagai energi yang diwujudkan.

Kredit: Politeknik Ecole Federale de Lausanne

Beradaptasi dengan perubahan kondisi pemuatan melalui kontrol bentuk

Untuk memastikan kelayakan metode desain dan sistem optimasi kontrol, tim IMAC mengembangkan prototipe yang berbentuk jembatan penyeberangan. Ini dapat menerima beban biasa secara pasif, dan jika beban meningkat di atas ambang batas aktivasi tertentu, struktur tersebut dapat beradaptasi ke dalam konfigurasi yang optimal melalui perubahan bentuk.

Sistem kendali mencakup serangkaian sensor, unit kendali dan aktuator. “Setiap elemen struktural diinstrumentasi dengan sensor regangan dan sistem pelacakan optik memantau pergerakan struktur. Pembelajaran mesin telah digunakan untuk meningkatkan akurasi deteksi lokasi dan intensitas beban yang diterapkan,” kata Arka Prabhata Reksowardojo, asisten doktor di IMAC, yang berhasil mempertahankan gelar Ph.D. skripsi terkait proyek ini beberapa hari yang lalu. “Unit kontrol memproses informasi yang diterima dari sensor dan memerintahkan aktuator untuk memperpanjang dan berkontraksi, dengan demikian mengontrol struktur menjadi bentuk optimal yang berubah saat beban eksternal berubah.”

Dan bagaimana jika terjadi pemadaman listrik? “Struktur tidak akan runtuh karena dirancang untuk memiliki daya dukung beban yang cukup bahkan tanpa kontribusi dari sistem aktif. Namun, batas kemampuan servis, seperti defleksi, kemungkinan besar akan terlampaui,” jelas Senatore.

Struktur adaptif mengurangi jejak karbon bangunan

Kredit: EPFL / Alain Herzog

Energi dan massa yang terwujud lebih kecil

Jembatan penyeberangan berukuran panjang 6,6 m, lebar 1 m dan kedalaman hanya 16 cm. “Ini memiliki konfigurasi yang sangat ramping dengan rasio bentang-ke-kedalaman yang tiga kali lebih tinggi dari struktur konvensional,” kata Reksowardojo. Rasio ini memberikan indikasi tentang bagaimana struktur pasif berperilaku di bawah pembebanan. Semakin tinggi rasionya, semakin besar bentuk strukturnya — seperti penggaris plastik yang menekuk di tangan kita. Sebaliknya, kemampuan untuk mengurangi defleksi melalui kontrol aktif memungkinkan jenis struktur baru seperti bangunan dan jembatan adaptif super ramping.

“Strukturnya telah dirancang untuk dapat melawan efek pemuatan melalui kontrol bentuk,” kata Reksowardojo. Bagian dari apa yang membuat struktur IMAC inovatif adalah dapat beradaptasi dengan pemuatan melalui konfigurasi ulang bentuk besar. Adaptasi struktural semacam ini mengarah pada homogenisasi stres di bawah peristiwa pembebanan yang kuat, dengan penurunan substansial (hingga 37%) dalam stres rata-rata antara keadaan tidak terkontrol dan terkontrol. Dengan demikian, struktur membutuhkan massa yang lebih kecil dan energi yang terkandung karena kemampuan untuk berubah bentuk saat dibebani.

Potensi berdampak tinggi

Struktur adaptif memberikan alternatif untuk desain yang diatur kekakuan untuk struktur teknik. Struktur adaptif yang dirancang dengan baik membutuhkan lebih sedikit bahan dan sumber daya energi sekaligus memenuhi persyaratan keselamatan kritis. Struktur adaptif sangat cocok jika desain struktur diatur oleh beban yang kuat tetapi jarang terjadi seperti badai angin. Bangunan bertingkat tinggi dan ramping dapat memperoleh keuntungan dari pendekatan ini, memberikan pilihan yang menarik bagi perencana kota untuk mengoptimalkan ruang di kota dengan kepadatan tinggi.

“Studi telah menunjukkan bahwa struktur yang dihasilkan oleh metode ini mencapai hingga 70% penghematan energi yang diwujudkan dengan mengorbankan sejumlah energi operasional,” kata Senatore. “Penangguhan penggunaan energi yang diperoleh dengan mengganti sebagian besar yang diwujudkan dengan bagian operasional yang lebih kecil membantu mengurangi emisi gas rumah kaca lebih lanjut — karena jejak karbon dari produksi energi kemungkinan besar akan menurun di masa depan karena kemajuan teknologi.”

“Kombinasi kebutuhan energi rendah dan desain super ramping ini unik dalam rekayasa struktural, sehingga menciptakan potensi dampak tinggi bagi lingkungan binaan dan masyarakat secara keseluruhan,” kata Senatore.


Sebuah aplikasi perangkat lunak untuk memudahkan penggunaan kembali bahan konstruksi


Disediakan oleh Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Kutipan: Struktur adaptif mengurangi jejak karbon bangunan (2020, 25 November) diakses 27 November 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-11-carbon-footprint.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Togel HKG