Nowe systemy materiałów, wśród których najważniejszym jest niestandardowy cement, wykazują obiecujące właściwości, jeśli chodzi o zabezpieczanie przed huraganowym wiatrem.
Niestandardowe włókna polimerowe sprawiają, że beton może się zginać.
Nowe normy budowlane i błyskawicznie rosnące koszty ubezpieczenia wywołują tendencję do opracowywania nowych materiałów i konstrukcji, które są bardziej odporne na huragany i inne klęski żywiołowe, takie jak na przykład trzęsienia ziemi. Jednym z ciekawszych wynalazków jest nowy, “zginalny” cement, w którym kruszywo zastąpiono siecią starannie zaprojektowanych i powlekanych włókien polimerowych.
Nowy, niestandardowy beton, opracowywany na Uniwersytecie Michigan, jest 500 razy odporniejszy na pękanie i o 40 procent lżejszy od zwykłego betonu. Nowy beton charakteryzuje Victor C. Li, profesor inżynierii lądowej i wodnej oraz materiałoznawstwa na Uniwersytecie Michigan twierdząc, że będzie on „rozkładał obciążenie w sposób bardzo podobny do tego, jak robi to metal”. Opisując szczegółowo ten nowy wynalazek twierdzi, że kluczem do sukcesu tej niestandardowej struktury jest synergiczna praca materiałów. Z powodu dużego obciążenia, początkowa wada materiałowa przekształca się w pęknięcie, które będzie się rozszerzać w ściśle kontrolowany sposób. Pęknięcie będzie o wiele mniejsze od ludzkiego włosa, albo mniejsze niż 100 mikronów. Obciążenie będzie przenoszone przez włókna poprzeczne tego pęknięcia. Włókna te, z kolei, przenoszą obciążenie z powrotem na inne części kompozytu.
Specjalistyczne włókna polimerowe, stano-wiące około 2 procent objętości mieszaniny, mają kluczowe znaczenie dla zwiększonej wytrzymałości. W efekcie, te mikroskopijne włókna, zastępują kamienne kruszywo i działają jak wiązadła, umożliwiające zginanie się betonu. Zespół badawczy prof. Li koncentruje się głównie na trzech typach polimerów, które mają być używane jako włókna: polialkoholu winylowym (PVA), polietylenie o wysokim module Younga oraz wysokowytrzymałym polipropylenie. „Zwracamy uwagę na właściwości mechaniczne i wymiary materiałów – informuje Li.- Skupiamy się na wytrzymałości włókna, jego zdolności do zginania się i wielkości odkształcenia, jakie może ono znieść zanim się złamie”.
Synergiczna plastyczność
Kluczem do plastyczności nowego kompozytu betonowego jest powłoka na włóknach z tworzywa sztucznego, umożliwiająca ruch pod obciążeniem. Sposób, w jaki włókno pracuje wewnątrz kompozytu, musi być dokładnie taki, aby spełniał odpowiednie założenia. Oznacza to, że włókna się nie wysuną. W przeciwnym wypadku nie jest to już kompozyt. Z drugiej strony, włókna nie mogą być związane zbyt mocno. W takim przypadku nie mogłyby się one przesuwać – złamałyby się. W obu przypadkach, nastąpiłby powrót do kruchego materiału, a celem było uzyskanie plastyczności.
Zginalny kompozyt betonowy, opracowany na Uniwersytecie Michigan, to jeden z nowych materiałów, które wykazują obiecujące właściwości, jeśli chodzi o zabezpieczanie przed huraganowym wiatrem.
Włókna są mieszane z piaskiem i betonem za pomocą konwencjonalnego wyposażenia, dzięki czemu stają się izotropowe, czyli wykazują taką samą wytrzymałość we wszystkich kierunkach tak samo, jak ma to miejsce w przypadku metalu. Włókna można ustawiać w linii, jeśli wymaga tego projektant. Materiał zespolony można lać, natryskiwać jak piankę lub nawet wytłaczać jak rurę.
W rezultacie, główne zastosowanie materiału ECC (Engineered Cement Composites, czyli „kompozyty cementowe”) opracowanego na Uniwersytecie Michigan będzie służyło ochronie przed klęskami żywiołowymi. Inżynierowie budowlani już wykorzystują kompozyty cementowe do budowy rdzeni budynków w Japonii, jako zabezpieczenie przeciwko trzęsieniom ziemi. Prof. Li podkreśla także, że ECC pozwala obniżyć koszty, ponieważ w projekcie zużywa się mniejszej ilości materiału.
Firma Lookout Shutters instaluje osłony z poliwęglanu na okiennicach
i drzwiach w celu zabezpieczenia ich przed wichurami.
Inny typ elastycznego betonu jest opracowywany we Francji i komercjalizuje się go. Jest to materiał o nazwie Ductal. opracowany przez naukowców z Lafarge, wspólnie z partnerami: Bouygues i Rhodia. W latach 1994-2001 zgłosili oni cztery patenty, a prototypy wprowadzono w Ameryce Północnej w 1998 roku. Celem wynalazku jest zmniejszenie liczby niezbędnych materiałów, przyspieszenie procesu budowy oraz zmniejszenie kosztów robocizny i konserwacji.
Jednym z ważniejszych projektów, w którym zastosowano ten materiał, jest dworzec autobusowy Thiais w pobliżu Paryża, gdzie budynek całkowicie pokryto warstwą z betonu Ductal. Użycie Ductalu do budowy budynku jest głównie dowodem umiejętności projektantów. Wygląda, jakby wyrastał z drogi lub krajobrazu i zlewał się z nim.
Ductal jest, mniej więcej, dwa razy bardziej wytrzymały od ECC (Engineered Cement Composites, czyli „kompozyty cementowe”), podczas gdy ECC ma około 20 razy większą wytrzymałość na rozciąganie niż Duc¬tal. Ogólnie rzecz biorąc, Ductal jest mocniejszy niż ECC, ale bardziej kruchy. ECC, z racji swojej wysokiej plastyczności, ma znacznie wyższy współczynnik pochłaniania energii i odporność na uderzenia.
Naprawa mostu w Michigan
W Stanach Zjednoczonych materiał ten wykorzystano już w 2007 r. do modernizacji odcinka mostu nad drogą I-94 w stanie Michigan. Płyta z ECC zastępuje złącze kompensacyjne tak, by powstał ciągły pomost. Stwarza ona możliwość rozwiązania niektórych problemów związanych z trwałością pomostów, takich jak np. przedwczesne pękanie. Oczekuje się, że ECC sprawdzi się i być może pozwoli to obniżyć koszty jego wytwarzania, gdy zostanie zdobyte doświadczenie w produkcji na dużą skalę.
Zastosowania ECC mogą być różne, np. jedna z australijskich firm wytwarza prototypową rurę wykonaną z ECC, aby zastąpić nią rurę wykonaną z żelbetu. „W przeliczeniu na długość, kosztuje ona mniej niż rura żelbetowa i jest mocniejsza”, ocenia prof. Li.
Natomiast Uniwersytet Alabama bada kombinacje nowych materiałów, które mogłyby zapewnić ochronę przez huraganowym wiatrem. Zastosowanie ulepszonych materiałów budowlanych daje szansę zmniejszenia liczby ofiar w udziach i wysokości strat materialnych, które będą nadal rosły, jeśli nie poweźmie się kroków mających na celu lepszą ochronę społeczności zamieszkujących na wybrzeżu. Prace badawcze mają na celu stworzenie wzmocnionych włóknami kompozytów polimerowych, tworzących konstrukcyjny panel izolowany (SIP). Nowe panele zastąpiłyby sklejkę i podobne materiały, które wykorzystują formowany, spieniony polistyren (są one ciężkie), jako materiał rdzeniowy, mający niską odporność na uderzenia obiektów niesionych przez wiatr. Panele przetrwały bez uszczerbku próbę, w ramach której odpowiednik drewnianej belki o długości około 4,6 m, lecącej z prędkością około 210 km/godz. uderzył w blok SIP o grubości około 15 cm. Odpowiada to konarowi rzuconemu w kierunku domu podczas tornado. Próby potwierdzają, że panele te mają większą odporność na przebicie przez obiekty niesione wiatrem podczas anomalii pogodowych, takich jak huragany i tornada. We wzmocnionych panelach, dodatkowo przewiduje się zastosowanie kompozytów z włóknami naturalnymi: ju-tą, sizalem i kenafem.
Gotowe już teraz
Tymczasem bardziej znani producenci tworzyw sztucznych, już teraz, oferują na rynku kilka rozwiązań, które mogłyby zmniejszyć straty powodowane przez wiatr i wodę.
Jednym z ważniejszych sposobów jest wymiana standardowych okien na okna z szybami powleczonymi poliwęglanem łączącymi doskonałą odporność na uderzenia z dobrymi własnościami optycznymi. Jedną z wad poliwęglanu jest jednak tendencja tego tworzywa do rysowania się.
Sklepy sprzedające materiały budowlane i wyposażenie domów wprowadzają już na rynek zestawy ochronne przed huraganami. Zainstalowany taki zestaw (zawiera także zamocowanie) jest ponad czterokrotnie odporniejszy od arkuszy ze sklejki (12 mm grubości), jakie wykorzystuje się często do ochrony okien przed uderzeniami obiektów niesionych przez wiatr. Sklejka ma bowiem tendencję do rozszczepiania się, pękania i mogą w niej powstawać małe szczeliny. Natomiast oferowane zastawy ochronne tak się nie zachowują. Pokryte powłoką anty-UV, pofałdowane arkusze są ponad 250-krotnie odporniejsze na uderzenia niż szkło.
Badane są także inne poliwęglanowe produkty do ochrony przed huraganami. Rozważane są dodatkowe rozwiązania, takie jak arkusz wielościankowy, który służyłby w domach do zabezpieczania otworów, takich jak okna czy świetliki. Nowe arkusze są wytłaczane z wyżłobieniami, co zapewnia wytrzymałość na takiej samej zasadzie, jak w przypadku stalowej belki dwuteowej.
Innym rozwiązaniem jest wykorzystanie warstwy pośredniej z poliwinylobutyralu umieszczonej między dwoma płytami szkła: rozwiązanie podobne do tego, jakie stosuje się w przednich szybach samochodów w Stanach Zjednoczonych.
Rozwiązania te charakteryzują się dużym ciężarem i do ich podniesienia i instalacji potrzebny może okazać się nawet dźwig. Firma Sheffield bada rozwiązania, w których poliwęglan wykorzystuje się do ochrony szkła, jako rozwiązanie aktywne (instaluje się gdy zbliża się wichura) lub pasywne (instalowanie trwałe).
Najistotniejszym problemem, jaki wiąże się z zastosowaniem poliwęglanu w systemie pasywnym są jego dobrze znane problemy z rysowaniem się i odpornością na wpływy atmosferyczne. Poliwęglan nie jest materiałem w sposób naturalny przezroczystym i pod wpływem czynników atmosferycznych przybiera żółtawe zabarwienie. Natomiast nowe, stosowane obecnie powłoki anty-UV, mają twardość zbliżoną do twardości szkła. Rozwiązania firmy Sheffield podniosłyby koszt standardowego okna od 20 do 25 procent.
W tym roku, firma DuPont Glass Laminating Solutions wypuściła na rynek Dry Glaze SentryGlas Plus, produkt zawierający nową warstwę pośrednią, która jest 100 razy sztywniejsza i pięć razy odporniejsza od poliwinylobutyralu (PVB). Nowy produkt wydaje się rozwiązywać problemy, które związane są z powłokami typu PVB. Jak twierdzi opublikowana przez DuPont notka, pewien szklarz na południu Florydy, który zainstalował 650 m² szyb w budynku biurowym, osiągnął niższe koszty instalacji niż w przypadku systemów oszklenia PVB, zaś sama instalacja przebiegła o wiele szybciej.
DN
