Optimalizácia spotreby distančných krúžkov na výstuž v stavebníctve pomocou robotizácie

Zo všetkých odvetví priemyslu je práve ten stavebný najmenej automatizovaný. Zaužívané spôsoby návrhu stavebných konštrukcií sú prispôsobené tomuto faktu, čo platí aj o samotnom návrhu betonárskej výstuže. Výstuž plošných prvkov, ako sú stropné dosky alebo steny, je pritom dostatočne jednoduchá na to, aby jej výroba bola automatizovaná, čím je znížená spotreba materiálu a aj zvýšená efektivita využitia pracovnej sily.

Automatizácia ako riešenie efektívnejšieho využitia materiálov

S produkciou až 38 % celosvetových uhlíkových emisií patrí stavebný priemysel medzi hlavný objekt záujmu v rámci boja proti klimatickej zmene. V kontexte strategickej vízie Európskej komisie pre dosiahnutie klimaticky neutrálneho hospodárstva do roku 2050, Medzinárodná agentúra pre energetiku (IEA) odhaduje, že emisie priamo vyplývajúce zo stavebnej činnosti musia klesnúť o 50 % do roku 2030. Vzhľadom na fakt, že automatizácia ako taká v tomto sektore stavebného priemyslu prakticky neexistuje, je nutné si stanoviť rozumné a hlavne splniteľné ciele. Bolo teda prirodzené, že pre tento účel boli vybrané také konštrukčné prvky, ktoré sú, čo sa vystuženia týka, jednoduché. Zároveň však ich vystuženie tvorí najväčšiu časť z celkovej výstuže použitej v typických monolitických konštrukciách pozemných stavieb. Ide o 2D konštrukčné prvky. Konkrétne o výstuž, ktorá môže byť vyhotovená vo forme sietí.

Aby si výstuž viazaná robotmi našla uplatnenie v tak rigidnom priemyselnom odvetví, ako je ten stavebný, je nutné aby kombinovala výhody viazanej výstuže s výhodami vystužovania pomocou sietí. Veľkoformátové siete sú najjednoduchším a zároveň najefektívnejším spôsobom navrhovania výstuže plošných železobetónových prvkov viazaných pomocou robotov.

Prípadová štúdia: Stenový konštrukčný systém

Prípadová štúdia bola vykonaná na jednom z veľkých developerských projektov na okraji Bratislavy. Konštrukčný systém objektov tejto etapy developerského projektu bol navrhnutý ako stenový, obojsmerný. Samotné zvislé, ako aj vodorovné nosné konštrukcie boli vyhotovené z monolitického železobetónu. Vybraný objekt bol zvolený ako prípadová štúdia kvôli tomu, že realizačný projekt bol vypracovaný s výstužou vo viazanej forme.

Porovnanie spotreby výstuže

V prvej alternatíve vystuženia pomocou viazanej výstuže bolo na jednom typickom podlaží navrhnutých 6544 kg výstuže v stropnej doske objektu a 5554 kg výstuže v stenách. V druhej alternatíve vystuženie pomocou zváraných betónárskych sietí s príložkami bolo na jednom typickom podlaží použitých 7807 kg výstuže v stropnej doske a 6202 kg výstuže v stenách.

Návrh výstuže pomocou roboticky viazaných veľkoformátových sietí

Ako cieľ bol stanovený rozmer sietí 6×6 metrov. Samotné siete sú vyrábané z kotúčov betónárskej výstuže. Výstuž v kotúči prechádza cez tzv. vyrovnávačku betónárskej výstuže, ktorá prút odstrihne v presnej vzdialenosti a posunie do zásobníka. Keďže prúty výstuže môžu byť variabilnej dĺžky, je tak možné vyhotoviť siete atypických rozmerov a tvarov, či sietí s otvormi.

Kontrolný návrh a prepočet bol vyhotovený ako alternatíva k vystuženiu spomínaného objektu. Na typickom podlaží bol porovnávaný hlavný raster výstuže vyhotovený v podobe zváraných sietí. Pri použití konvenčných metód vystužovania, kde sa dbá na dostatočnú jednoduchosť vyhotovenia, v praxi to znamená, že projekty, kde je vo výkresoch výstuže príliš veľa položiek, sú nežiadúce pre ich zdĺhavé vyhotovenie. Hľadá sa teda kompromis medzi spotrebou výstuže a rýchlosti vyhotovenia. Pri viazaní výstuže pomocou robotov sa na ľudský faktor pri jej viazaní neberie ohľad.

Viazanie výstuže v podobe veľkoformátových sietí pomocou robotov umožňuje navrhovať jednotlivé prúty výstuže plošných prvkov tak, aby sa nachádzali výlučne v tých miestach, v takej vzdialenosti a v takej dĺžke ako je staticky nutné. Jednotlivé prúty dodatočnej výstuže sú navrhované len v miestach najviac exponovaných ťahovým napätiam, ktoré sú reprezentované izolíniami.

Optimalizácia prekryvov a eliminácia odpadu

V prípade použitia zváraných sietí typu Q257 s rozmermi 6×2,3 m bolo na ploche 469.2 m2 použitých 59.2 m2 prekryvu sietí (12.6 %). Červenou farbou bola znázornená tá časť sietí, ktorá musela byť odstrihnutá a tvorila tak odpad. Pri použití veľkoformátových atypických sietí s cieľovým rozmerom 6×6 metrov sa redukuje prekryv sietí na 34.1 m2, čo tvorí 8.3 % z celkovej plochy 412.6 m2. Taktiež sa úplne eliminuje odpad.

Metodika návrhu roboticky viazanej výstuže

Pre návrh samotnej výstuže stačia doteraz používané metódy jej výpočtu. Samotnú výstuž aj v tomto prípade môžeme rozdeliť na základný raster a príložky. Prvým krokom je teda riešenú vystužovanú oblasť prekryť rastrom s veľkosťou oka navrhnutej vzdialenosti jednotlivých prútov. Obyčajne ide o výstuž potrebnú na pokrytie požiadavky takzvanej minimálnej plochy výstuže As,min. Je dôležité si uvedomiť, že jednotlivé prúty výstuže ukladá a viaže robot.

Pre návrh príložiek sú použité izolínie vymedzujúce tzv. výstužné oblasti. Prvá výstužná oblasť je taká oblasť, v ktorej musí byť plocha výstuže tvoriaca základný raster navýšená o jeden prút na meter bežný. Nasledujú ďalšie výstužné oblasti, kým nie je pokrytá najvyššia potrebná plocha výstuže. V ľubovoľnom komerčne dostupnom statickom programe je teda nutné exportovať izolínie reprezentujúce výstužné oblasti.

Keďže komerčne dostupné statické programy neumožňujú zobrazenie viacerých izolínii špecifickej hodnoty naraz, je nutné tieto izolínie poskladať dodatočne. V týchto výstužných oblastiach je potrebné dodať príložky, ktorých dĺžku je možné ukončiť vo vzdialenosti kotevnej dĺžky za hranicou danej oblasti. Posledným krokom je rozdelenie výstuže na siete rozmerov 6×6 m.

Výstup stroja a jeho konštrukcia

Výstupom stroja je výstužná sieť, ktorá môže mať ľubovoľný tvar vyskladateľný z jednotlivých rovných prútov - to znamená štvorce, obdĺžniky, tvary písmen „L“, „T“ a iné. Pre tento účel bola zostrojená rámová konštrukcia vo výške približne 1 m s troma nezávislými vedeniami. V osi „X“ je ukladač, ktorý vezme odstrihnutý prút z vyrovnávačky a uloží ho do riadkov. Následne sa odparkuje mimoúrovňovo, čím dá možnosť pohybu ďalším dvom nezávislým osiam - „Y1“ a „Y2“. Konštrukcia stroja tak predstavuje gantry portál s výškou 500/800 mm (jednotlivé osi).

Výhody a perspektívy

Použitím optimalizovaných veľkoformátových sietí došlo v prípadovej štúdii k šetreniu ocele oproti prvej alternatíve (viazaná výstuž) až o 10 %. Výhodami riešenia sú minimálna zmena metodiky návrhu výstuže do železobetónových plošných konštrukčných prvkov, zvýšenie objemov odbornej práce ako aj zrýchlenie výstavby. Automatizácia spája výhody nízkej spotreby materiálu (viazaná forma výstuže) s rýchlosťou a jednoduchosťou jej vyhotovenia (výstužné siete).

Drobné negatívum navrhovanej technológie shledávam v transporte a ukladaní sietí o rozmeroch až 6×6 metrov. Predpokladám, že tento problém by mohol byť riešený napríklad umiestnením robotického systému priamo na stavenisku. Ukladanie sietí potom prípadným prispôsobením projektu. Je nutné si uvedomiť, že vyvíjaná technológia môže byť v budúcnosti nápomocná z hľadiska úspor, je však nutné na to pripraviť stavebné firmy a ich pracovníkov. Technológia v sebe zahŕňa nutnosť využitia danej siete v danom mieste (presný kladecký plán), čo oproti bežnému systému armovania pomocou typizovaných, rovnakých sietí s presahmi kladie nároky na precíznosť.

Celkovo sa jedná o veľmi zaujímavý výskum s dobrou perspektívou pre reálne uplatnenie v praxi.

tags: #spotrebe #distancnych #kruzkov #na #vystuz