Les in leseni izdelki v življenjski dobi (WOOLF)

Razvojno-raziskovalni projekt WOOLF je bil leta 2018 izbran na javnem razpisu Ministrstva za izobraževanje, znanost in šport ter Evropske unije – Evropski sklad za regionalni razvoj (ESRR) z naslovom »Spodbujanje izvajanja raziskovalno-razvojnih projektov (TRL 3-6)«. V obdobju nadaljnjih treh let se je multidisciplinarni konzorcij s področja gozdno-lesne verige, katerega so sestavljale štiri raziskovalne organizacije vključno z InnoRenew CoE in štiri organizacije iz gospodarstva, osredotočil na izzive znotraj prednostnega področja Pametne stavbe in dom z lesno verigo v okviru Slovenske Strategije Pametne Specializacije (S4).

Glavna ideja projekta je temeljila na razvoju izdelkov in naprednih tehnologij, ki bodo omogočale uporabo standardnih in alternativnih lesnih vrst ter odsluženega lesa, napovedovanje življenjske dobe lesa in lesenih izdelkov, njihovo inteligentno upravljanje in delovanje ter večnadstropno modularno leseno gradnjo. Za ta namen je projektni konzorcij razvil lesene konstrukcijske in okenske sisteme, ki omogočajo gradnjo večnadstropnih modularnih lesenih stavb, ter vanje vnašajo novo razvito senzorsko tehnologijo.

Končni cilj projekta je bil razvoj štirih prototipov izdelkov ter storitev, ki so združeni v hibridnem lesenem-jeklenim modularnem objektu:

IoT (angl. »Internet of things«) senzorske enote, imenovane »WOrMS« ki predstavljajo sistem za spremljanje lastnosti lesa, ki so s centralno enoto povezane z uporabo brezžičnih povezav, ta pa je preko internetne povezave povezana v oblak s potrebno infrastrukturo (Slika 1).
Inteligenten IKT sistem za upravljanje z lesenimi strukturami »bIOMASS« predstavlja napreden IKT oblačni sistem, ki omogoča fleksibilno in učinkovito namestitev v javnem ali privatnem oblaku. Njegov cilj je zagotoviti celovit razširljiv sistem, kompatibilen z uveljavljenimi standardi s področja IoT in ki je hkrati prilagojen specifično za domeno upravljanja z lesenimi elementi in konstrukcijami. (Dostop: https://data-woolf.xlab.si/)
Inteligentno povezan lesen okenski sistem »ICON« predstavlja okna iz izbranih lesnih vrst ter odsluženega lesa, ki je nadgrajen z enotami »WOrMS« in v kombinaciji z »bIOMASS« IKT sistemom predstavlja inteligenten sistem, sposoben spremljanja in napovedovanja življenjske dobe izdelka.
Alternativni lignocelulozni konstrukcijski sklop »ALLWOOD WALL« predstavlja hibridne nosilne konstrukcijske sklope, ki v hibridni kombinaciji les in jeklo zadoščajo potrebam po postavitvi modularno zasnovanih objektov z vsaj tremi nadstropji in so lahko opremljeni z enotami »WOrMS«.

V povezavi z novo razvitim pametnim sistemom IKT bo v prihodnje omogočeno spremljanje kakovosti lesa in lesenih izdelkov v dejanskem času ter napovedovanje njihove življenjske dobe.

Glavne naloge InnoRenew CoE v projektu WOOLF so bile razvoj konstrukcijskega sistema in konstrukcijskih detajlov večetažne hibridne lesene-jeklene modularne gradnje ter izvedba socialno-ekonomske analize (S-LCA) materialov in prototipov proizvodov, razvitih v okviru projekta.

Pri razvoju posameznih delov konstrukcijskih sklopov smo v začetni fazi izvedli preliminarno študijo numeričnih simulacij mehanskega obnašanja hibridnih lesenih-jeklenih nosilnih konstrukcijskih elementov. Preučili smo obnašanje sklopov kot so okvirji, stene, stropi in podi. V nadaljevanju smo preučili različne možnosti spojev posameznih konstrukcijskih elementov s stališča trdnosti in togosti, vpliva staranja in morebitnega vpliva požara. Poudarek je bil na razvoju spojev, ki omogočajo hitro in zanesljivo povezavo med posameznimi konstrukcijskimi elementi ter rešitvam, ki omogočajo optimalno hitrost izdelave v tovarni. Dodatno smo vključili razvoj in načrtovanje vgradnih mest za senzorske enote »WOrMS« (Slika 1).

Slika 1: Izdelava prototipa M-Sora okna iz odsluženega lesa ter vgradnja »WOrMS« senzorske enote

V nadaljevanju smo izvedli eksperimentalne preiskave v laboratorijih Zavoda za gradbeništvo Slovenije (ZAG) na posameznih izbranih hibridnih lesenih-jeklenih zavetrovalnih konstrukcijskih sistemih, izpostavljenih vertikalnim obtežbam in horizontalnim obtežbam kot sta potres in veter. Preiskave so potekale z meritvami sil in deformacij ter spremljanjem porušitvenih mehanizmov na posameznih variacijah preizkušancev (Slika 2). Pripravljene vzorce smo testirali na podlagi več različnih parametrov in ponovitev, tako da smo poleg posameznih mehanskih lastnosti dovolj dobro določili tudi raztros le-teh. Druga faza eksperimentov se je osredotočala na obnašanje konstrukcijskih elementov v primeru požara (Slika 3).

Slika 2: Eksperimentalne preiskave hibridnega sistema jeklenih okvirjev z lesenimi strižnimi stenami na ZAG

Slika 3: Požarne preiskave strižnih sten na ZAG

V drugi fazi projekta smo izvedli verifikacijo in validacijo preliminarnih numeričnih modelov konstrukcijskih elementov s pomočjo rezultatov eksperimentalnih preiskav. Na podlagi izbranih optimalnih rešitev smo skupaj s projektnimi partnerji izdelali načrt detajlov konstrukcijskih sklopov za potrebe izdelave prototipov. Potem smo v okviru celotnega konzorcija izdelali prototip posameznih konstrukcijskih sklopov za modularno gradnjo z lesom (Slika 4 in 5). V izdelane prototipe konstrukcijskih sklopov smo vgradili razvite prototipe IoT senzorske enote »WOrMS«, ki omogočajo spremljanje in stanje ključnih parametrov sklopov tudi po zaključku projekta.

V sklopu aktivnosti življenjskega cikla materialov in izdelkov smo v začetni fazi projekta analizirali vplive uporabe novih lesnih vrst ter možnosti uporabe do sedaj manj uporabljenih drevesnih vrst ter uporabe odsluženega lesa. To bo namreč omogočilo zmanjšanje pritiska na sečnjo do sedaj ekonomsko bolj zanimivih in uporabljenih lesnih vrst. Ker so obrati za predvsem primarno proizvodnjo izdelkov iz lesa pretežno razporejeni na podeželju, bo obenem pozitivno vplivalo tudi na skladen regionalni razvoj in socialno kohezivnost, kar je pomembna prioriteta celotne EU. V nadaljevanju smo analizirali vplive razvitih inovativnih trajnostnih rešitev na področju modularne gradnje. Nove lesene modularne enote zaradi premika k uporabi trajnostnih materialov in možnosti večetažnosti spreminjajo paradigmo modularne gradnje, ukinjajo dosedanjo negativno konotacijo in uvajajo nove pristope reševanja socialno-ekonomskih kriz (begunci) in naravnih nesreč (premestitve stanovalcev po potresih itd.).