Minimalizace uhlíkové stopy mostů a dalších staveb

Zane Schemmer, inženýr a stipendista MIT Morningside Academy for Design (MAD), je fascinován mosty – jejich vzhledem, funkcí a způsobem návrhu a výstavby. Po zvážení obou oborů se rozhodl pro stavební inženýrství, kde se zaměřuje na vývoj algoritmů optimalizujících funkci konstrukcí, minimalizujících jejich uhlíkovou stopu a zároveň zajišťujících možnost výroby.

Tento přístup, i když se zdá být samozřejmý, je ve skutečnosti nový a holistický. Optimalizace zahrnuje výběr materiálů, úhly i počet prvků v uzlech spojujících větší komponenty budovy, mostu, věže atd.

Podle Schemmera nebyl v oblasti optimalizace návrhu staveb pro minimalizaci tzv. „embodied carbon“ (uhlíková stopa začleněná do materiálu) zaznamenán velký pokrok. Existující práce často vedou k návrhům \"příliš složitým na realizaci\". „Embodied carbon“ zahrnuje emise CO2 z celého životního cyklu stavby: od těžby či výroby materiálů, přes jejich dopravu a použití až po demolici a likvidaci materiálu. Schemmer, spolupracující s Josephine V. Carstensen, se zaměřuje na fázi výstavby.

Na sympoziu IASS 2024 v Curychu Schemmer a Carstensen představili algoritmy diskrétní topologické optimalizace, které dokáží snížit „embodied carbon“ mostu nebo jiné stavby až o 20 %. To se dosahuje výběrem materiálů, který zohledňuje nejen vzhled a vlastnosti, ale i dostupnost, vzdálenost od staveniště a uhlíkovou stopu spojenou s výrobou a dopravou.

„Novinkou našeho algoritmu je schopnost zohlednit více materiálů v silně omezeném prostoru řešení a vytvořit tak realizovatelné návrhy s uživatelem specifikovatelným tokem sil,“ říká Schemmer. „Problém je komplexní a často má mnoho omezení. V tradičních formulacích může být složité začlenit dlouhý seznam omezení. Naším cílem je tato omezení začlenit, abychom usnadnili přechod z počítačového návrhu do reálné výstavby.“

Příkladem je ocelová věž, která může být „super lehkým a efektivním řešením“. Díky pevnosti oceli není potřeba tolik materiálu jako u betonu nebo dřeva. Nicméně výroba a doprava oceli jsou velmi náročné na uhlík. Doprava přes zemi nebo ze zahraničí výrazně zvyšuje její uhlíkovou stopu. Schemmerova topologická optimalizace nahradí část oceli dřevěnými prvky nebo sníží množství oceli v jiných částech, čímž vznikne hybridní konstrukce s minimální uhlíkovou stopou. „Proto může použití stejné oceli ve dvou různých částech světa vést k dvěma různým optimalizovaným návrhům,“ vysvětluje.

Schemmer, který vyrůstal v horách Utahu, získal bakalářský a magisterský titul v oboru stavebního a environmentálního inženýrství na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Na MIT se však zaměřuje na překonávání omezení současných konvencí a hledá ideální řešení. Algoritmy topologické optimalizace pak vytvářejí lepší návrhy s nižším potenciálem globálního oteplování.

Stipendium MAD Design Fellowship poskytuje studentům MIT finanční podporu a umožňuje jim síťovat s kolegy, profesory a externími řečníky, čímž rozšiřují své znalosti o iterativním designu.

Schemmerova práce spojuje jeho zkušenosti se stavebním inženýrstvím s novými nápady, což mu umožňuje navrhovat efektivnější a udržitelnější mosty a další stavby. Jeho inspirací je ikonický Golden Gate Bridge, který ho od dětství fascinuje.

Jeho doktorské studium a stipendium MAD mu otevírají cestu k dalším inspirativním nápadům, které bude moci aplikovat do svých inženýrských projektů.