Nowe możliwość dla budownictwa ze wsparciem badań Politechniki Krakowskiej

Ta nowa technologia coraz częściej znajduje zastosowanie w budownictwie i zyskuje uznanie inżynierów m.in. ze względu na wiele korzyści technicznych, ale także redukcję kosztów i odpadów budowlanych. Oczywistym jest fakt, że elementy nośne wydrukowane przestrzennie nie mogą budzić żadnych wątpliwości dotyczących ich jakości oraz bezpieczeństwa. Dlatego właśnie dr inż. Tomasz Howiacki z Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej podjął się opracowania innowacyjnego systemu diagnostyki i monitoringu elementów betonowych drukowanych w technologii 3D z wykorzystaniem zintegrowanych w ich wnętrzu liniowych czujników światłowodowych. Projekt, któremu lideruje naukowiec z PK z wieloletnim stażem w przemyśle, uzyskał dofinansowanie w wysokości 1 798 400 zł w ramach XV edycji programu Lider, realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Zespół projektowy tworzą badacze z Politechniki Krakowskiej i Politechniki Rzeszowskiej oraz praktycy firm projektowych i monitoringowych. Przed nimi trzy lata intensywnych badań i prac, na których rezultaty czeka branża budowlana.

Technologia wytwarzania przyrostowego (ang. additive manufacturing) lub druku 3D z betonu (ang. 3D concrete printing, 3DCP) to jedna z innowacji, której potencjał wykorzystania w inżynierii lądowej jest ogromny. Wśród zalet wspomnianych metod wymienić należy dowolność geometrii, brak szalunków, skrócenie czasu budowy, możliwość prefabrykacji, redukcję odpadów i śladu węglowego, automatyzację. Co ważne, z betonu drukowanego w 3D można wykonywać zarówno elementy dekoracyjne i małej architektury – doniczki, rzeźby, fontanny, ławki – jak i elementy konstrukcyjne (pełniące funkcje nośne) lub całe konstrukcje, np. ściany, schody, stopy fundamentowe, szalunki tracone, słupy i kolumny, zbiorniki, nadproża, domy jednorodzinne, obiekty kubaturowe, a nawet mosty i inne konstrukcje inżynierskie. Sztandarowymi przykładami okazałych budowli wykonanych techniką z użyciem druku 3D są m.in. serwerownia w niemieckim Heidelbergu czy Tor Alva (Biała Wieża) w szwajcarskiej wiosce Mulegns, będąca obecnie najwyższą budowlą na świecie wydrukowaną z betonu w technologii 3D. Na wyobraźnię działa też zainteresowanie NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej technologiami drukowania baz księżycowych z wykorzystaniem lokalnych materiałów. Obydwie agencje prowadzą już projekty badawcze dotyczące właśnie tego zagadnienia.

Prace nad rozwojem technologii 3DCP trwają obecnie w różnych jednostkach badawczych na całym świecie. Wyzwań jest sporo, a jedno z nich stanowi brak doświadczeń i wiedzy na temat długoterminowej pracy elementów konstrukcyjnych wykonanych tą techniką, potwierdzonej obiektywnymi danymi pomiarowymi. – Brak jest dedykowanych metod diagnostycznych i pomiarowych. Ponadto, na powstawanie różnego rodzaju defektów takich jak zarysowania, imperfekcje (geometryczne i materiałowe) czy delaminacja (rozwarstwianie się połączonych ze sobą warstw) w konstrukcjach wydrukowanych 3D, wpływ mają właściwości mieszanek betonowych, np. konsystencja i nadmierny skurcz, trudności w stosowaniu zbrojenia czy też brak powszechnych doświadczeń praktycznych i standardów projektowania – mówi dr inż. Tomasz Howiacki z Politechniki Krakowskiej. Jego projekt ma dostarczyć narzędzi do kompleksowej diagnostyki konstrukcji 3DCP i być kamieniem milowym w rozwoju tej technologii.

Pomiary elementów betonowych
 

W przypadku klasycznej diagnostyki elementów betonowych, punktowe czujniki instalowane są wyłącznie w wybranych lokalizacjach. Na podstawie pomiarów możliwa jest obserwacja zachodzących zmian (np. odkształceń) w czasie, ale tylko w tych konkretnych punktach. Jak wskazuje dr inż. Tomasz Howiacki, klasyczna diagnostyka nie dostarcza odpowiedzi na pytanie, co dzieje się z konstrukcją pomiędzy punktami pomiarowymi – nie jest możliwa bezpośrednia detekcja lokalnych uszkodzeń, które mogą powstać w losowych miejscach pod losowym obciążeniem.

Ograniczenia tradycyjnych metod pomiarowych dały asumpt do rozwoju nowej techniki dla inżynierii lądowej i geotechniki – pomiarów światłowodowych DFOS (ang. Distributed Fibre Optic Sensing). Ta nowoczesna i wszechstronna technologia pozwala zastąpić tysiące tradycyjnych czujników punktowych jednym światłowodowym, który dostarcza wiedzy na temat rozkładu odkształceń na całej długości pomiarowej z rozdzielczością przestrzenną rzędu nawet 1 mm, co oznacza aż 1000 punktów pomiarowych na 1 metr czujnika światłowodowego. Dla przykładowej belki o długości 6 metrów, dostaniemy zatem informację z 6000 punktów! Instalacja takiej liczby klasycznych tensometrów nie jest ani możliwa technicznie, ani nie byłaby ekonomicznie opłacalna. Dlatego właśnie dr inż. Tomasz Howiacki i jego zespół podjęli się opracowania technologii integracji czujników DFOS wewnątrz elementów betonowych wykonanych w technologii 3DCP w celu ich diagnostyki i monitoringu.

Ambitne cele
 

Celem projektu, który otrzymał z NCBR finansowanie w wysokości blisko 1,8 mln zł, jest opracowanie systemu diagnostyki (kontrola jakości poprodukcyjnej) oraz monitoringu (pomiary w długim okresie eksploatacji) elementów wykonanych w technologii druku 3D. – Chcemy, aby nasze działania umożliwiły przede wszystkim mierzenie odkształceń mechanicznych i termicznych na całej długości ścieżki druku, dzięki czemu możliwa będzie detekcja lokalnych niedoskonałości i zarysowań. Projektowany przez nas system można porównać do układu nerwowego człowieka, natychmiast informującego o potencjalnych zagrożeniach, niezależnie od miejsca ich wystąpienia – tłumaczy dr inż. Tomasz Howiacki, lider projektu z Wydziału Inżynierii Lądowej PK.

Zespół dr. Howiackiego wyróżnia interdyscyplinarność i współdziałanie świata nauki z branżowymi przedsiębiorstwami. Naukowy team tworzą: dr inż. Rafał Walczak, specjalista ds. badań wytrzymałościowych z Wydziału Inżynierii Lądowej PK, dr inż. Barbara Kozub, specjalistka ds. materiałów i druku 3D z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Fizyki PK, dr inż. Szymon Gądek, specjalista ds. druku 3D z betonu (WIMiF), dr inż. Bartosz Piątek, specjalista ds. światłowodowej diagnostyki betonu (Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej). Naukowców wspierają Kamil Badura – specjalista ds. pomiarów światłowodowych DFOS z firmy SHM System, będącej jednym ze światowych liderów w rozwoju czujników światłowodowych do ciągłych geometrycznie pomiarów odkształceń, drgań, przemieszczeń i temperatur, a także Błażej Legut – specjalista ds. modelowania MES z GSBK Biuro Konstrukcyjne, firmy specjalizującej się w projektowaniu konstrukcji obiektów budowlanych i inżynierskich.

Szczegóły integracji czujników światłowodowych z drukowanym betonem będą przedmiotem badań, a także zgłoszeń patentowych. Tymczasem przed zespołem dr. inż. Tomasza Howiackiego wiele wyzwań. Wśród tych technologicznych badacz wymienia: wybór czujników o odpowiednich parametrach (m.in. promień gięcia, moduł sprężystości, maksymalna odkształcalność, średnica itp.), opracowanie sposobu ich zautomatyzowanej integracji w warstwie betonowej w czasie jej druku, a także opracowanie algorytmów diagnostycznych umożliwiających sprawną, inżynierską interpretację wyników. Projekt został rozłożony na 36 miesięcy, ale pracy jest naprawdę sporo. Na efekt końcowy, a więc system diagnostyki i monitoringu przetestowany na demonstracyjnym elemencie pracującym w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, czeka całkiem spora grupa odbiorców.

Nowy system oczekiwany przez firmy i badaczy
 

Jak wskazuje dr inż. Tomasz Howiacki, głównymi adresatami rezultatów jego projektu będą: firmy projektowo-wykonawcze (konstrukcyjne) oferujące usługę wznoszenia konstrukcji betonowych z wykorzystaniem technologii druku 3D; przedsiębiorstwa specjalizujące się w projektowaniu i budowie różnego typu drukarek 3D; firmy specjalizujące się w diagnostyce i monitorowaniu konstrukcji inżynierskich; pracownicy naukowo-badawczy uczelni technicznych i innych jednostek badawczo-rozwojowych.

Naukowiec z Politechniki Krakowskiej podkreśla, że firmy wykonawcze to najważniejsi beneficjenci wyników jego badań, ponieważ będą bezpośrednio zaangażowane w proces wdrożenia nowej technologii. – Takie przedsiębiorstwa dysponują odpowiednim doświadczeniem i zapleczem technicznym, które przy nieznacznej modyfikacji na podstawie zdobytej w trakcie realizacji projektu wiedzy, a więc zastosowania specjalnej głowicy drukującej i automatycznego mechanizmu podawania odpowiedniego czujnika DFOS, umożliwi uzyskanie nowych właściwości użytkowych oraz rzetelnych informacji na potrzeby przyszłych optymalizacji – mówi Tomasz Howiacki. – Firmy te mogą bezpośrednio proponować inwestorom zastosowanie innowacyjnego systemu diagnostycznego zintegrowanego z drukowaną konstrukcją, przy pomijalnym wzroście kosztów względem wartości całej inwestycji – dodaje. Badacz przypomina, że często zdarza się, iż firmy wykonawcze są równocześnie głównym inwestorem. – Wykorzystanie opracowanego systemu diagnostycznego pozwoli im natychmiast reagować na występujące niekorzystne zjawiska, np. nadmierne zarysowania mogą zostać ograniczone poprzez zmianę sposobów pielęgnacji młodego betonu, a także lepiej zrozumieć pracę wznoszonych obiektów w odniesieniu do zmieniających się w długim okresie czasu warunków eksploatacji – wskazuje Howiacki. Dzięki temu możliwe będzie usprawnienie realizacji kolejnych inwestycji, podniesienie jakości prowadzonych prac, wygenerowanie oszczędności i poprawa bezpieczeństwa.