LiquidBlocks
V projektu Liquid Blocks analyzuji a hledám využítí minimálních ploch, které na sebe periodicky navazují ve třech směrech (Triply Periodic Minimal Surface dále jen TPMS). Snažím se využít specifických vlastností těchto ploch a způsobu jakým tyto plochy utváří kontinuální, “tekutý“ prostor a obohatit o něj městské prostředí.
Vice zde:
*Projekt Liquid Blocks 2009/2010
Block01~LiquidZooid
Block01~LiquidZooid je prohloubením projektu Liquid Blocks, který byl zpracován v zimním semestru 2009/2010. Projekt je zaměřen na návrh a zpracování městského bloku / objektu vymezeného v projektu Liquid Blocks. Hlavním cílem bylo navrhnout a posoudit strukturu bloku z hlediska jeho realizovatelnosti. Dále je nastíněn způsob pohybu v objektu a možnost využití objektu, avšak tyto kapitoly jsou stále otevřené k dalšímu řešení a propracování.
Block01~LiquidZooid / section cut from Michal Bednar on Vimeo.
*Rapid prototyping model v sekci modely
00_Minimální plochy a zpěněné struktury
Minimální povrch je lokálně minimalizovaný povrch. To znamená, že malý kousek této plochy zaujímá nejmenší možnou plochu rozpínající se mezi danou hranicí. Minimální povrch má vždy nulovou hodnotu středního zakřivení.
Výhody
+ je to geometrie s nejmenší plošnou velikostí mezi danou hranicí prostoru
+ minimalizuje napětí v povrchu
+ umožňuje minimalizovat množství materiálu
+ umožňuje maximální plošné využití za minimálního množství materiálu
+ geometrie TPMS ma charakter pěny
Výzvy k řěšení
- efektivita plošného využití z hlediska obyvatelnosti
- dikontinuálnost - člení prostoru na dvě a více částí otázka využítí a propojení „tekutého“ děleného prostoru
Pěnové struktury představují nejhospodárnější princip vynalezený přírodou pro zacházení s materiálem.
01_Konstrukce
V projektu byly navrženy 2 konstrukčí varianty:
VARIANTA I
Skladba
Konstrukce je tvořena nosnými ocelovými trubkami (průměr 190 mm, tloušťka stěny 10 mm). Na tuto nosnou konstrukci jsou z obou stran kladeny ocelové sítě, na který je dále aplikován stříkaný drátkobeton. Tloušťka drátkobetonu je 50mm a slouží jako pochozí deska. Konstrukce je vyplněna stříkanou polyuretanouvou pěnou. Minimální celková tlouška skladby je 290mm
Styčník
Ocelové trubky jsou spojovány prostřednictvým kulového styčníku (viz. obrazová příloha). Takto řešený styčník umožňuje použítí více různých profilů ocelových trubek pro různé části konstrukce. Napojení ocelových trubek může být montované (pomocí příruby) nebo svařované. Je však potřeba optimalizovat počty uzlů, počet prvků (ocelových trubek) vycházejících z uzlu a jejich úhel, který mezi sebou svírají.
Realizace
Celá konstrukce – nosná ocelová síť je rozdělena po výškových úsecích (patrech) na menší celky. Tyto celky jsou dále děleny na menší částí, které jsou prefabrikovány mimo staveniště. Konstrukce je na staveništi postupně montována. Stříkaný beton je na konstrukci aplikován jednotlivých celcích (patrech)
VARIANTA II
Skladba
Nosnou konstrukci tvoří železobetonová deska. Ocolová síť na , kterou je aplikován stříkaný beton je nadimenzovaná tak, aby unesla vlastní tíhu a zatížení při aplikaci betonu v rámci dílčího celku konstrukce. Minimální tloušťka nosné konstrukce je 200 mm
Výroba sítí
Sítě jsou svařovány na formách. Forma je vyrobena CNC obráběním bloků polyuretanové pěny (PUR). Na PUR formu je strojně nanesen protipožární nástřik v tloušťce 20 mm. Po té je barevným nástřikem vyznačena síť pro polohování tyčových prvků sítě při svařování. Ocelové sítě jsou převezeny na staveniště kde jsou posvařovány do celků.
Realizace je odbodobná jako v případě Varianty I
03_Materiály
Střikáný beton
Metoda stříkaného betonu betonu (Shotcrete) je běžně užívána pro konstrukci tunelů. Je vhodná pro vytvoření zakřivených ploch. Beton může být stříkán jak v horizontálním, tak i vertikální poloze. Tato metoda je levnější než vytvářet pro tyto plochy nákladné bednění. Pomocná ocelová konstrukce na které jsou uchyceny ocelové sítě fungují jako bednění a zároveň výztuž konstrukce. Pro docílení hladkého povrchu je na nosnou vrstvu nastříkána druhá vrstva betonu, která obsahuje menší velikost příměsi.
Aplikace stříkaného betonu
Beton je obvykle stříkán za použití dvou metod. V případě suchého procesu, je voda k suché betonové směsi přidávána až v ustí stříkací hadice. U mokrého procesu je voda přídána již v betonárce. Výhoda mokrého procesu je ve větši kontrole kvality betonové směsy. Běžně se stříkají dvě vrstvi betonu. Kdy v první vrstvě je použit mokrý proces a jako tenčí druhá vrstva je použity suchý proces stříkání betonu. Stříkaný beton je „špinavý“ process. Část betonu se odrazí, část může projít přes zadní stranu ocelových sítí. Musí být tedy nezbytné umístit dočasnou ochranu před znečištěním okolí staveniště.
Los Angeles Export Terminal, 1999 ( beton stříkaný zevnitř nafouknuté formy)
Philip Johnson, Gate House (rigid foam panels - insulation, shotcrete)
Toyo Ito, Taichung Opera (shotcrete structure)
Liquid Granite
Tekutý granit je alternativou k betonu. Je tvořen z 30-70% z recyklovaných materiálů a je v něm použito menší množství cementu ve srovnání s klasickým betonem. Nejvýznamější vlastností tohoto materiálu je však odolnost vůči ohni. Liquid Granite
dokáže vzdorovat vyšším teplotám po dělší časový úsek něž klasický beton a při extrémě vysokých teplotách neexploduje. V současné době je tento materiál použit pro vystavbu areálu pro olympijské hry v Londýně 2012.
Sheffield Hallam University
http://www.shu.ac.uk/
Fiber Concrete (Vláknobeton)
Fibre reinforced concrete (FRC) is concrete containing fibrous material which increases its structural integrity. It contains short discrete fibres that are uniformly distributed and randomly or oriented. Fibres include steel fibres, glass fibres, synthetic fibres and natural fibres. Within these different fibres that character of fibre reinforced concrete changes with varying concretes, fibre materials, geometries, distribution, orientation and densities.
Drátkobeton
Použití ocelových vláken jako výztuže do betonu zaručuje při dokonalém zpracování drátkobetonové směsi vyztužení celého profilu se současným využitím všech příznivých vlivů působení rozptýlené výztuže v betonu. Betony zpevněné těmito vlákny představují homogenní materiál, jehož pevnost je určena kombinací hodnot jeho dvou základních složek - betonu a výztuže. Celková pevnost je pak výslednicí dílčích pevností. Oproti prostému betonu je drátkobeton materiál všestranně hodnotnejší a houževnatější. Rozptýlená výztuž zachycuje převážne tahová namáhání a brání vzniku mikrotrhlin od smrštování betonu a rozvoji tahových trhlin v konstrukci. Působením rozptýlené výztuže je podstatně ovlivněn pracovní diagram drátkobetonu a je patrný podstatný vzrůst pevnosti v tahu, ale i v tlaku. Ocelová vlákna zajištují schopnost drátkobetonu deformovat se a prenášet tahová namáhání při překrocení vrcholové tahové pevnosti i po vzniku trhlin. Mezní poměrné protažení drátkobetonu je vetší než u prostého betonu. Vzrůst tahové pevnosti drátkobetonu je zhruba závislý na hodnotě objemového vyztužení ocelovými vlákny.
ocelová vlákna drátkobetonu zajistí : - zvýšenou pevnost v tahu, ohybu a tlaku - odolnost proti vzniku vlasových trhlin - trvanlivost a houževnatost betonu - zvýšený modul pružnosti - zvýšenou rázovou pevnost - odolnost proti teplotním změnám - homogenní strukturu betonu
Samočisticí fotokatalické povrchy Povrchy materiálů tvořících konstrukce budovy obsahují fotokatalitické částice TiO2, které mají schopnost čistit vzduch od virů, bakterií, alergenů, karcinogenů a zplodin. Fotoaktivní nanočástice TiO2 jsou uchyceny v porézní struktuře minerálních látek. Vlivem působení UV záření z přírodního nebo umělého zdroje dochází k aktivaci fotoaktivních nanočástic. Při kontaktu organických částic ( bakterie, vir, spóra atd.) s aktivovanou nanočásticí TiO2 dochází k reakci se vzdušným kyslíkem a k rozkladu organické částice na vodu a CO2. Dalším dopadem UV záření dochází k nové aktivaci fotoaktivních nanočástic a celý proces se opakuje. Částice TiO2 způsobují že povrch materiálu se stává samočistícim. Jakmile dojde k rozkladu organických částic stává se povrch značně hydrofilní. Po oplachnutí vodou (deštěm) se tedy všechny nečistoty z povrchu odplaví.
04_Statika
Struktura objektu má charakterer pěny – prostorové skořepinové konstrukce. Celý objekt je založen na betonové vaně. Zatížení je roznášeno do betonové vany prostřednictvím plynule navazujících pilířu.
Statické posouzení bylo provedeno na plošném modelu v softwaru Ansys. Byla snaha v další pracovat s proměnlivým průřezem konstrukce a posoudit objekt na prostorovém modelu. Avšak v tomto případě se nezdařilo kvalitně diskretizovat objemový model a přesést tak data s programu Rhinoceros do programu Ansys.
V posuzovaném modelu se nachází jedno problematické místo. Je to přední konzola střechy, kde dochází k nadměrnému přemístění (průhybu). Model byl dále upraven – byli zmenšeno rozpětí konzoly (alternatiní byla přidána podpora). Avšak tyto úpravy již nebyly posouzeny z výše zmíněných důvodů.
Posouzení:
Varianta I: ocelový nosný rám + ŽB kazety (event. drátkobeton)
Úloha je řešena metodou konečných prvků, s využitím SW produktu ANSYS verze 12.1. Pro ocelovou prutovou kostru použit prvek BEAM44 (3-uzlový prvek, z toho 1 uzel orientační) definovaný pomocí profilu a polohy uzlů (33 812 prvků); pro plošné kazety použit prvek SHELL43 (4-uzlový, případně i 3-uzlový prvek) definovaný tloušťkou (t = 50 mm, předpokládáno ς = 2500 kg/m3 a E = 25 GPa) a polohou uzlů (62 861 prvků). Model se celkově sestává z 96 673 prvků lokalizovaných 62 345 uzly. Pro tvorbu modelu bylo využito 5 464 ploch definovaných 2 954 klíčovými body.
Ocelová k-ce předpokládána zjednodušeně jako ocelové svařované trubky (předpoklad 190/10), z návrhu vyplyne nutná průřezová plocha A a moment setrvačnosti I pro finálně použitý profil.
Konstrukce je podepřena na 4 liniích s předpokladem liniových kloubů, sedání podpor se neuvažuje. Konstrukce je zatížena vlastní tíhou a náhradním přitížením modelujícím zjednodušeně tíhu podlaží, vybavení a na střeše zatížení sněhem. Vstupní hodnoty po konzultaci předány zadavatelem.
Při výpočtu je řešena soustava 373 260 rovnic. Výpočtem bylo prokázáno, že konstrukci je možné reálně dimenzovat pro předpokládaná zatížení. Přemístění i napětí dosahují dostatečně nízkých hodnot, kromě jednoho z okrajů střešní k-ce.
Varianta II: ŽB skořepinová k-ce provedená v kombinaci s drátkobetonem
Geometrie modelu je totožná s předcházející variantou. Pro skořepinové kazety použit prvek SHELL43 (4-uzlový, případně i 3-uzlový prvek) definovaný tloušťkou (t = 200 mm, předpokládáno ς = 2500 kg/m3 a E = 37 GPa) a polohou uzlů. Model je detailně rozdělen na konečné prvky a celkově se sestává z 706 965 prvků lokalizovaných 706 387 uzly.
Konstrukce za podepřena a zatížena stejným postupem jako v předešlé variantě. Celkové průměrné náhradní přitížení činí 265 kg/m2 pláště skořepiny.
Při výpočtu je řešena soustava přibližně 4,2 milionu rovnic. Výpočtem bylo prokázáno, že konstrukci je možné reálně dimenzovat jako ŽB drátkobetonovu skořepinu pro předpokládaná zatížení. Přemístění i napětí dosahují dostatečně nízkých hodnot, kromě jednoho z okrajů střešní k-ce, kde je nutné ztužení například v podobě podepření okraje střechy na nižší podlaží (s eventuelním roznosem do dalších podlaží) Po této úpravě konstrukce splní nároky kladené z hlediska mezního stavu únosnosti i použitelnosti.
05_Využití objektu
Prostor v objektu je rozdělen na dvě části. První část slouži jako obchodní centrum, druhá část je koncipovaná jako průchozí veřejný prostor se službami (restarace, kavárna), relax centrem a zahradami. Touto části je možné plynule projít až na střechu budovy.
Suterén budovy je využit pro parkování a technické zázemí
Pohyb v objektu, zásobování a údržba
Celý objekt funguje jako plynule průchozí struktura ve všech směr. Pro usnadnění přístupu do vyšších částí objektu slouží robotická vozidla a transportéry Segway. Roboti jsou řízeni umělou inteligencí založené na kolektivní inteligenci (Swarm teory). Roboti podobně jako mravenci v mraveništi nebo hejna ptáku ví přesně, na kterém místě, kdy mají být a co mají dělat. Vozidla se tedy přeskupují a vrací zpět na místo na základě potřeby návštěvníku a uživatelů budovy. Obdobným způsobem funguje i zásobování a základní udržba objektu.
06_Technické zařízení budovy, vnitřní klima, výroba energie
Klimatizace Čerstvý vzduch se rozvádí do prostoru budovy vzduchotechnickým potrubím, které kopíruje plynulý tvar konstrukce. Průtok vzduchu výustkami je regulovatelný v závislosti na potřebách vnitřního klimatu budovy / jednotlivých prostor . Je tak možné aktivně klimatizovat pouze prostory, kde se vyskytují lidé a šetřit tak energii. Teplo a vlhkost s odsávaného použitého vzduchu jsou v zimě rekuperovány a jsou využívány k předehřívání a zvlhčování přiváděného vzduchu. V létě rekuperátor předchlazuje přiváděný vzduch v okamžiku, když teplota venkovního vzduchu převýší teplotu vnitřního vzduchu. Otevíratelné větrací průduchy v zasklení po obvodě budovy umožňují přirozené větrání. Vytápění a chlazení Budova je výtapěna teplovzdušně v kombinaci s lokálním vytápěním. Horká voda pro nepřímý ohřev vzduchu a lokální vytápění budovy se vyrábí ve vysoce výkonných kotlech vytápěných plynem. Rozvodné systémy jsou dimenzovány, aby umožnily nízkotlaké operace a různé průtokové objemy čímž redukují elektrickou energii používanou čerpadly. Pro chlazení je využívána voda z vrtů. Po použití je tato voda skladována v nádrži a je následně použita pro splachvání toalet, zkrápění a zavlažování. Celý systém podporuje a využívá efekt přirozeného vztlaku vzduchu, čímž se vyhýbá použití ventilátorů při klimatizaci. Rozsáhlé použití povrchů osázených rostlinami a akumulační betonová konstrukce umožňuje vytvořit stabilní vnitřní prostředí. Voda Dešťová voda dopadající na střechu a do okolí budovy je sbírána a filtrována pro zavlažování rostlin. Pro tyto účely je dále využívána voda z podzemních vrtů. Splašková voda z budovy je sbírána do čistících nádrží a poté je znovu použita jako užitková voda na splachovaní apod.
Oslunění, stínění, přírozené a umělé osvětlení Stínění budovy z jižní a jihozápadní fasády je podporováno vetším vykonzolováním konstrukce. Dále pak je použito zasklení které současně funguje jako display a může tak sloužit jako stící prvek, obrazovka, reklamní plocha (Philips Daylight Window Concept) . Objekt je osvětlen elktroflorescenčními materiály v kombinaci s klasickými svítidly. Pro potřeby rostlin je v tmavých místech použito fotesynteticky aktivní světlo.
Výroba elektřiny Uvnitř objektu na nejfrekventovanějších místech jsou rozmístěny piezoelektrické snímače, které pod vlivem působení tlaku vytváří elektrickou energii. Dále jsou ve střeše budovy integrovány fotovoltaické panely.
Samočisticí fotokatalické povrchy viz. Materiály
konzultace a externi spoluprace:
Ing.Aleš Nevařil, Ph.D. , FAST VUT Brno / statika , výpočty /
doc. Ing. Jan Vodička, CSc./ betonové konstrukce, drátkobeton /
prof. Ing. Karel Kabele, CSc. / TZB /
výroba modelu:
3D studio, FaVU VUT Brno, Viktor Paluš, MgA Tomáš Medek
vedoucí atelieru: Ing.arch. Miloš Florián, Ph.D.
konzultanti: Ing.arch. Lukáš Kurilla
liquidblock.blogspot.com
