آگاه: در سالهای اخیر، توسعه مصالح نوین از جمله مصالح هوشمند و خودترمیم شونده، رویکردهای تازهای در افزایش تابآوری سازهها به ویژه در برابر بارهای شدید گشوده است. این مصالح، قابلیتهایی مانند پایش آسیب، تغییر خواص مکانیکی در پاسخ به شرایط محیطی و حتی ترمیم ترکها را دارا هستند؛ که میتواند عملکرد سازه بنا را در برابر بارهای انفجاری بهبود و هزینههای تعمیر و نگهداری را کاهش دهند. مهدیه محمدیجمال، کارشناس گروه معماری و طراحی شهری مرکز مطالعات شهرداری در این یادداشت به بررسی انواع مصالح هوشمند در سازههای مقاوم در برابر انفجار پرداخت.
مصالح خودترمیمشونده در سازههای بتنی
این نوع بتنها قادرند ترکهای ایجاد شده در ساختار خود را به صورت خودکار یا نیمه خودکار ترمیم کنند. دو مکانیسم اصلی برای خودترمیمی بتن وجود دارد. خودترمیمی ذاتی و خودترمیمی مهندسی شده. در خودترمیمی ذاتی، وجود ذرات سیمان واکنشندیده و رطوبت محیط میتواند منجر به تشکیل مجدد محصولات هیدراتاسیون و پرشدن ترکهای ریز شود. (این پدیده معمولا در ترکهای با عرض کم رخ میدهد.) در روش خودترمیمی مهندسی شده از موادی مانند کپسولهای حاوی رزین، پلیمرهای ترمیمکننده یا باکتریهای تولیدکننده کربنات کلسیم استفاده میشود. در هنگام ایجاد ترک، این کپسولها شکسته شده و ماده ترمیمکننده آزاد و شکاف را پر میکند. در سازههای تحت بار انفجار، استفاده از بتنهای خودترمیمشونده میتواند با ترمیم ترکهای ریز پس از حادثه، نفوذپذیری بتن را کاهش داده و از خوردگی آرماتورها جلوگیری کند.
کامپوزیتهای سیمانی مهندسی شده
کامپوزیتهای سیمانی مهندسی شده، با استفاده از الیاف مقاومی همچون: کربن، شیشه یا آرامید، داخل یک ماتریس پلیمری (رزین) تقویت شدهاند. این کامپوزیتهای سیمانی قادرند کرنشهای کششی بسیار بالا را تحمل کنند. ویژگی اصلی آنها، تشکیل تعداد زیادی ترکهای بسیار ریز به جای چند ترک بزرگ است. این رفتار سبب افزایش ظرفیت جذب انرژی و کاهش احتمال شکست ترد در سازه میشود.
استفاده از لایههای کامپوزیتهای سیمانی مهندسیشده در دیوارها و دالهای بتنی میتواند مقاومت سازه در برابر بارهای انفجاری را بهطور چشمگیری افزایش دهند. این لایهها با جذب انرژی موج انفجار و کنترل گسترش ترکها، از کندهشدگی سطحی و پرتاب قطعات بتن جلوگیری کرده و میتوانند عملکرد حفاظتی قابل توجهی در برابر بارهای انفجار فراهم کنند.
آلیاژهای حافظهدار
آلیاژهای حافظهدار از دیگر مصالح هوشمند هستند که قابلیت بازگشت به شکل اولیه پس از تغییر شکل را دارند. این مواد به علت خاصیت سوپرالاستیسیته، قادرند تغییر شکلهای بزرگ را بدون ایجاد آسیب دائمی تحمل کنند. از این آلیاژها میتوان در مهاربندها، اتصالات و حتی آرماتورها در اعضای بتنی استفاده کرد. استفاده از آلیاژهای حافظهدار در سازهها میتواند سبب کاهش تغییر مکانهای دائمی پس از اعمال بارهای شدید شود. این ویژگی به خصوص در سازههایی که تحت بارهای انفجاری قرار میگیرند؛ باعث افزایش قابلیت بهرهبرداری سازه پس از حادثه میشود. پژوهشها نشان دادهاند که اعضای بتن آرمه مسلح شده با آلیاژهای حافظهدار عملکرد بهتری در برابر بارهای دینامیکی شدید (همچون انفجار) از خود نشان میدهند؛ و همچنین این آلیاژها میتوانند نقش مهمی در افزایش تابآوری سازهها ایفا کنند.
کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف
کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف، دارای مقاومت کششی بسیار بالا، وزن کم و مقاومت مناسب در برابر خوردگی هستند. استفاده از ورقها و لمینیتهایی از کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف در سطح اعضای بتنی میتواند ظرفیت خمشی و برشی آنها را افزایش داده و از گسترش ترکها جلوگیری کند. تقویت پانلهای بتن آرمه با الیاف کربن در این کامپوزیتها میتواند میزان آسیب ناشی از انفجار را کاهش داده و از پرتاب قطعات بتن جلوگیری کند. استفاده از سیستمهای کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف میتواند پاسخ دینامیکی سازهها را در برابر بارهای انفجاری بهبود بخشیده و ظرفیت جذب انرژی آنها را افزایش دهد. در صورت ترکیب این کامپوزیتها با فیبرهای نوری، امکان پایش سلامت سازه و تشخیص آسیبهای ناشی از انفجار نیز فراهم میشود.
استفاده از مصالح پیشرفته در مقاومسازی سازههای مهم
استفاده از سیستمهای کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف و کامپوزیتهای سیمانی مهندسیشده میتواند ظرفیت جذب انرژی و شکلپذیری سازههای مهم در برابر بارهای انفجاری را افزایش دهد.
توسعه فناوریهای خودترمیمشونده برای کاهش هزینههای بازسازی
در سازههایی که پس از انفجار ترک میخورند، استفاده از مصالح خودترمیمشونده میتواند زمان و هزینههای بازسازی را بهشدت کاهش دهد. استفاده از مصالح هوشمند، بایستی همراه با سامانههای پایش سلامت سازهها و برنامههای مدیریت بحران شهری به کار روند تا پس از انفجارها، ارزیابی و بازسازی سریعتر و صحیحتر صورت پذیرد. زیرساختها همچون مراکز درمانی، خدماتی، نظامی، آموزشی، صنعتی و... بایستی با مصالحی تقویت یا طراحی شوند که در برابر بارهای انفجاری مقاومت و شکلپذیری بالایی داشته باشند.
راهبردها و راهکارها:
۱- استفاده از مصالح پیشرفته در مقاومسازی سازههای ساختمانهای دارای اهمیت بالا
استفاده از سیستمهای کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف و کامپوزیتهای سیمانی مهندسی شده میتواند بدون تخریب گسترده، ظرفیت جذب انرژی و شکلپذیری سازههای ساختمانهای با اهمیت بالا همچون بیمارستانها، بناهای نظامی و... را افزایش دهد.
۲- توسعه فناوریهای خودترمیمشونده برای کاهش هزینههای بازسازی در تهران
در صورت ایجاد ترکهای ریز در برخی سازهها پس از انفجار، مصالح خودترمیم شونده همچون بتنهای دارای میکروکپسول، میتوانند ترکهای ریز را ترمیم کنند و از هزینه و زمان بازسازی بکاهند.
۳- مقاومسازی سازههای حیاتی با کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف
ستونها، تیرها و دیوارهای برشی در ساختمانهای خاص و مهم شهری همچون زیرساختهای هستهای و... میتوانند با ورقههای کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف، تقویت شوند. این عمل موجب افزایش مقاومت کششی، شکلپذیری و ظرفیت جذب انرژی در برابر بارهای انفجاری میشود.
۴- استفاده از بتن کامپوزیت مهندسی شده در سازههای جدید شهر تهران
پس از بحران، در ساختوسازهای جدید برای ساختمانهای امدادی و درمانی، فرهنگی و مذهبی و... میتوان از کامپوزیتهای سیمانی مهندسی شده استفاده نمود تا به علت رفتار کششی و ایجاد ترکهای ریز، از شکست ناگهانی سازه جلوگیری شود.
۵- به کارگیری بتنهای خودترمیمشونده در زیرساختهای زیرزمینی بتنی
در سازههای زیرزمینی تهران و حتی تونلها میتوان از بتنهای خودترمیمشونده استفاده کرد؛ تا در صورت ایجاد ترک ناشی از موج انفجار یا ارتعاشات، ترکها بهطور خودکار بسته شوند.
۶- بهرهگیری از آلیاژهای حافظهدار در اتصالات سازهای خاص
در برخی سازههای خاص فلزی، کاربرد این آلیاژها در مهاربندها و اتصالات باعث میشود سازه پس از تغییر شکل ناشی از بارهای شدید، تا حدی به حالت اولیه باز گردد.
۷- طراحی لایههای ترکیبی کامپوزیتها
کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف و کامپوزیتهای سیمانی مهندسی شده در دیوارهای محافظ یا نماهای سازهای حساس همچون مراکز دولتی و نظامی و بهویژه ساختمانهای مجاور این بناها، میتواند بخش قابل توجهی از انرژی موج انفجار را جذب و مستهلک کند.
نظر شما