橋やその他の構造物の二酸化炭素排出量を最小限に抑える |マサチューセッツ工科大学ニュース

幼い頃、サンフランシスコのゴールデン ゲート ブリッジの威厳に畏敬の念を抱き、土木技師として MIT モーニングサイド アカデミー フォー デザイン (MAD) フェロー ゼーン・シェマーは、橋がどのように見えるか、なぜ機能するのか、どのように設計され建設されるのかなど、橋に対する興味を持ち続けています。

彼は大学進学の際、建築と工学のどちらを選択するかを検討しましたが、構造工学の理由と方法に動機付けられ、後者を選択しました。現在、彼は、機能を最適化し、二酸化炭素排出量を最小限に抑えながら、製造可能な結果を生み出す全体的な設計を作成するために、構造の個別の部分に関与する力のバランスを完全に整えるアルゴリズムを作成する反復プロセスとして設計を組み込んでいます。

これは構造設計における明白な目標のように聞こえるかもしれませんが、そうではありません。新しいです。これは、建物、橋、塔などのより大きなコンポーネントを接続するノードまたはジョイントの材料、角度、要素の数に至るまで最適化できる、設計プロセスをより総合的に見る方法です。

によると シュマー炭素の固着を最小限に抑えるための構造設計の最適化はあまり進んでおらず、既存の作業では「現実に構築するには複雑すぎる」設計になることが多いと同氏は言う。構造物の固化炭素は、材料の採取または製造から輸送と使用、構造物の解体と材料の廃棄までのライフサイクルにおける二酸化炭素の総排出量です。協力しているSchemmer氏 ジョセフィーヌ・V・カールステンセン、ギルバート W. ウィンスロー キャリア開発准教授 土木環境工学 MIT では、建設を通じて実行されるそのサイクルの部分に焦点を当てています。

9月に開催されたIASS 2024シンポジウム「チューリッヒでの構造設計技術の再定義」で、シェマー氏とカールステンセン氏は、橋やその他の構造物に含まれる炭素を最大20パーセント最小限に抑えることができる離散トポロジー最適化アルゴリズムに関する研究を発表した。これは、材料の外観や仕事を遂行する能力だけでなく、調達の容易さ、建設現場への近さ、製造と輸送に含まれる炭素も考慮した材料の選択によって実現されます。

「私たちのアルゴリズムの真の新しさは、高度に制約された解空間で複数の材料を考慮して、ユーザーが指定した力の流れで製造可能な設計を生成できることです」とシェマー氏は言います。 「現実の問題は複雑で、多くの制約が関連していることがよくあります。従来の定式化では、複雑な制約の長いリストを作成することが困難な場合があります。私たちの目標は、これらの制約を組み込んで、コンピューターからデザインを取り出して実際に作成することを容易にすることです。」

鉄塔を例に挙げると、これは「超軽量で効率的な設計ソリューション」になる可能性があるとシェマー氏は説明します。鉄鋼は非常に強いため、大きな建物を建てるのにコンクリートや木材と比べてそれほど多くの鉄鋼を必要としません。しかし、鉄鋼は製造と輸送に非常に炭素集約的でもあります。全国へ、または特に別の大陸から輸送すると、その具体的な炭素価格が急激に上昇する可能性があります。スキーマーのトポロジー最適化では、鋼材の一部を木材要素に置き換えるか、他の要素の鋼材の量を減らして、効果的に機能し、二酸化炭素排出量を最小限に抑えるハイブリッド構造を作成します。 「世界の 2 つの異なる地域で同じ鋼を使用すると、2 つの異なる最適化された設計が得られるのはこのためです」と彼は説明します。

ユタ州の山間部で育ったシェマー氏は、カリフォルニア大学バークレー校で土木および環境工学の学士号と修士号を取得し、卒業研究では耐震設計に重点を置いていました。彼は、その教育が構造工学の伝統と現在の手法に関する知識とともに、「最も困難な工学的問題のいくつかに取り組んだ、非常に伝統的で非常に強力な工学的背景」を提供するものであると説明しています。

しかし、MIT で見ている仕事の多くは、「物事を行う際の現在の社会的慣習の制約を取り除くことに焦点を当てており、より理想的な形であればどうやって物事を行うことができるのかを問うものである」と彼は言います。そのとき私たちは何を見ているのでしょうか？それは本当に素晴らしいことだと思う」と彼は言う。 「しかし、私は時々、何かの最も完璧なバージョンと私たちがいる現在の間にジャンプがあるとき、その2つの間に橋が必要だと思うことがあります。そして、私の教育がその橋を理解するのに役立っていると感じています。」

彼が言及している橋とは、地球温暖化係数の低下という観点から優れた設計を実現するトポロジー最適化アルゴリズムです。

「そこで最適化アルゴリズムが登場します」とシェマー氏は言います。 「過去に設計された標準構造とは対照的に、アルゴリズムは同じ設計スペースを使用し、すべての構造要件を満たし、コードに対応し、必要なものをすべて備えた、より効率的な材料の使用法を考案できます。安全の観点から。」

そこで、MAD デザイン フェローシップが登場します。このプログラムは、研究所全体から集まった大学院生に、完全な経済的サポートを伴う 1 年間のフェローシップを提供し、大学院生同士、MAD 教員、および新しい方法でデザインを使用する外部の講演者とネットワークを築きます。驚くほど多彩な分野。これは、フェローが自分の仕事で反復デザインを使用する方法をより深く理解するのに役立ちます。

「通常、人々は自分の仕事について、『ああ、私にはこのような背景があったのだ。私は長い間、このことを一方的に見つめてきました。」そして、それを外側の視点から見ると、「なんてことだ」と心が開かれると思います。こんな風にやろうとは思いもしませんでした。たぶんそれを試してみるべきかもしれない。』そうすれば、より良い仕事のための新しいアイデアや新しいインスピレーションに移ることができます」とシェマー氏は言います。

彼は約 7 年前に建築ではなく土木構造工学を選択しましたが、次のように述べています。「100 年前、建築と構造工学は 2 つの別々の職業ではなかったと思います。物事がどのように見え、どのように機能するかについての理解があり、それが統合されたと思います。おそらく効率の観点からは、物事を別々に行った方が良いでしょう。しかし、システム全体がどのように機能し、自由形式の建築設計と土木技術者の数学的設計がさらに混ざり合う可能性についての知識を持っていることには、言うべきことがあると思います。それを再び統合すると、多くの利点があると思います。」

そこで、シェマー氏の長年のお気に入りであるゴールデン ゲート ブリッジの話に戻ります。 3 歳児がそのことについて話すとき、興奮した声が今でも聞こえます。

「それはとても象徴的なことだよ」と彼は言う。 「海からまっすぐ突き出たこの 2 つの陸地を繋いでいます。霧が何日も出たり消えたりするんです。ケーブルの撚り線のサイズやその他すべてから見て、ここは本当に魔法のような場所です。それはただ「すごい」です。人々はこれを 100 年以上前、現在私たちが持っている多くの計算ツールが存在する前に構築しました。つまり、計算やデザインのすべてはすべて手作業で、頭の中で行われていました。何もコンピューター化されていなかったのですが、それを考えるのはおかしいと思います。」

シェマー氏は MIT で博士号の取得に向けて研究を続けているが、MAD フェローシップは彼を他の分野のさらに多くの畏敬の念を抱かせるアイデアに触れ、それらのいくつかをエンジニアリングの知識と何らかの方法で組み込んで、より良い橋の建設方法を設計し、他の構造物。