ساختمان سازی سبز و نقش بتن، فولاد و چوب برای تحقق آن!

امروزه فولاد و بتن بازار مصالح ساختمانی را در دست گرفته‌اند. در بیشتر کشور‌های جهان، فولاد و بتن بسیار پر کاربرد‌تر از چوب هستند اما به تازگی چوب، این همراه قدیمی انسان با مقادیر پایین کربن و قابلیت تجزیه پذیری که دارد، توجهات بسیاری را به سمت خود جلب نموده است. بسیاری از کشور‌ها در تلاش برای ساخت مصالحی هستند که کمترین آسیب را به محیط زیست وارد کنند اما اینکه از بتن یا فولاد یا چوب باید استفاده کرد، خود همچنان پرسشی بزرگ است که پاسخی به آن داده نشده است. در ادامه با بررسی هر یک از این مصالح و نقش آنها در ساختمان سازی سبز با ویکی ساختمون همراه باشید.

ساختمان سازی سبز و عاری از کربن

اولین بار باکمینستر فولر که به طراحی ساختمان‌های سبک وزن مشغول بود، این سؤال مشهور را مطرح کرد: «وزن ساختمان شما چقدر است؟» امروزه مهندسین معماری به این نتیجه رسیده‌اند که علاوه بر کفایت ساختار سازه، مقدار کربن به کار رفته در آن هم اهمیت زیادی دارد در نتیجه این سؤال مشهور بدین صورت تغییر کرده: «وزن کربن ساختمان شما چقدر است؟».

همان‌گونه که هدف طرح انرژی کاربردی (operational energy) کاهش میزان کربن بوده است، بسیاری از مهندسین ساختمان سعی در کاهش یا از بین بردن آلودگی محیط زیست توسط گاز کربن دارند. مثلاً برای اولین بار در سال ۲۰۲۰ سازمان مهندسی بین المللی و موسسه مهندسی هوک (HOK) که یک موسسه آمریکایی فعال در زمینه طراحی و مهندسی شهرسازی است، سعی در شروع انجام یک ارزیابی کلی چرخه زیستی روی تمامی پروژه‌های خود کردند تا به گفته خودشان دنبال فرصتی برای کارایی بهتر و بازده بیشتر در سازه‌های خود بگردند. مدیریت این طرح‌ها که برای پایداری هر چه بیشتر محیط زیست اجرا می‌شود، بر عهده موسسه معماری آمریکا (AIA) است.

بیشتر بخوانید: معماری پایدار چیست؟ از تاریخچه تا نمونه ها شاخص در ایران و جهان

در خصوص نقش مصالح در ساختمان سازی سبز باید عنوان داشت که در این میان مطمئناً خود سازه ساختمان و زیربنای آن اولین جاهایی هستند که برای تولید آنها مقادیر عظیمی کربن دی اکسید آزاد می‌شود؛ یعنی در واقع نصف مصالح ساختمانی که برای تولید آنها کربن دی اکسید زیادی تولید می‌شود، صرف بنا نهادن زیر بنا و اسکلت ساختمان می‌شود.

علاوه بر این، معماران و بساز بفروشان بهتر است به جای تخریب ساختمان‌های قدیمی تا حتی‌الامکان اقدام به ‌ترمیم و تعمیر آنها کنند چرا که این خود باعث ذخیره انرژی و پیشگیری از اتلاف آن می‌گردد؛ در ثانی دیگر لازم نیست برای تولید مصالح جدید کربن دی اکسید بیشتری تولید شود. تا سال ۲۰۳۰ معماران می‌توانند با استفاده از پالت‌های هوشمند محاسبه کننده کربن، ماشین حساب‌های مخصوص اندازه گیری مقادیر کربن سازه‌ها، اِی سی ۳ (EC3) (دستگاهی که توسط انجمن سرکردگی کربن ابداع شده است)، آزمایشگاه‌های تغییر کربن و اسکانسکا برای تحقیق در مورد اثرات مواد مختلف روی استحکام ساختمان‌های قدیمی یا تازه ساخت استفاده کنند.

وقتی فلز، بتن و چوب را برای تعدیل وزن یک سازه در اختیار داشته باشید، باید برای انتخاب گزینه مناسب فاکتورهایی مثل مکان پروژه، اندازه و مقیاس سازه، مدت زمانی که برای عمر سازه انتظار می‌رود، قابلیت استفاده مجدد و حتی مقدار مصالح مورد نیاز را در نظر بگیرید. امروزه همچنان که اطلاعات در مورد مقادیر تولید کربن در صنعت تولید مصالح بیشتر شده است، شرکت‌های مختلف سعی در بهینه سازی محصولات خود کرده‌اند.

اگرچه که معماران نمی‌توانند به تنهایی این رویه مصرف محصولات با درصد کربن بالا را در هم بشکنند، اما از آنجایی که در حکم مشاورین ساخت‌وساز هستند؛ می‌توانند نکات لازم را در این زمینه به مشتریان خود آموزش داده و از آنها بخواهند در مورد مصالح به کار برده شده تجدید نظر کنند. قبل از اینکه نظر نهایی در مورد مصالح گرفته شود، بهتر است بنای ساختمان و فروشندگان مصالح نیز در جلسات مشاوره‌ای شرکت کنند.

فولاد و ساختمان سازی سبز

در خصوص نقش فولاد و فلزات در ساختمان سازی سبز باید خاطر نشان کرد که تولید فلز در سراسر جهان اثرات به مراتب زیادی روی تولید کربن دی اکسید دارد و تقریباً ۱۰% این گاز گلخانه‌ای در مراحل استخراج و ذوب کردن فولاد تولید می‌شود. به گفته متیو ونبان اسمیت، مدیریت اجرایی سازمان بین المللی فولاد مسئول (Responsible steel) در استرالیا اشاره کرده است که «شرکت‌های عمده تولید کننده فولاد از میزان تولیدات گاز کربن دی اکسید در فرآیند تولید فولاد آگاه هستند و می‌دانند که این مقادیر کربن دی اکسید باید کاهش یابد و در حال حاضر تمام تلاش خود را در این زمینه به کار گرفته‌اند».

برای تولید فولاد خالص از سنگ آهن مقدار قابل توجهی انرژی مورد نیاز است. این فرآیند در غالب کشور‌های در حال پیشرفت در کوره‌های اکسیژنی (BOF) انجام می‌شود. این کوره‌ها با زغال سنگ خالص شده (کوک-coke) کار می‌کنند که با حرارت دادن سنگ آهن، آهن را از ناخالصی‌ها جدا کرده و آن را با کربن ‌ترکیب می‌کنند. در این حالت آهن چدن (pig iron) به دست می‌آید که سپس غنی سازی شده و به فولاد خفیف (mild steel) تبدیل می‌شود. برای تولید فولاد خفیف می‌توان از آهن بازیافتی استفاده کرد که و در واقع ۲۵% آهن بازیافتی با ضایعات فولاد‌ ترکیب شده و به فولاد خفیف تبدیل می‌گردد. امروزه تولیدکنندگان به دنبال راهکارهایی برای حذف زغال سنگ و کوک در کوره‌های اکسیژنی هستند و به نظر می‌رسد سوخت‌های غیر فسیلی مثل هیدروژن و الکترولیز جایگزین بسیار خوبی باشند.

بیشتر بخوانید: لاستیک‌های بازیافت شده چگونه مقاومت حرارتی بتن را افزایش می‌دهند؟!

انستیتو تولید فولاد آمریکا بیان می‌کند که ۹۸% فولاد به کار رفته در ساختمان‌های قدیمی، در زمان تخریب ساختمان همچنان قابل استفاده هستند، هم با تعمیر مختصر و هم با بازیافت آن. این خود گامی بزرگ در ساختمان سازی سبز است. همچنین مطابق مطالعات دیگری که توسط همین انستیتو در سال ۲۰۱۶ اعلام شده است، ۹۳% فولادی که داخل کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) تولید شده و در ساختن سازه‌ها از آنها استفاده می‌شود، قابل بازیافت هستند.

لوک جانسون، مشاور انستیتو تولید فولاد آمریکا اشاره می‌کند «از در یک اتومبیل گرفته تا انواع میلگردهای آهنی یا حتی یک یخچال کهنه که به صورت آهن قراضه به فروش می‌رسند توانایی تبدیل شدن به یک شاخه تیر فولادی را دارند که امروزه به انسان کمک می‌کند آسمان خراش‌هایی با طول چند صد متر بسازد».

از آنجایی که کوره‌های قوس الکتریکی با انرژی الکتریسیته کار می‌کنند، کاملاً دوست دار محیط زیست بوده و نسبت به کوره‌های اکسیژنی بازده بهتری دارند. ماه سپتامبر گذشته یکی از شعب کارخانه‌های شرکت روسی اِوراز در ایالت کلورادو آمریکا با اداره برق محلی توافق کرد که در حوالی کارخانه یک شبکه متوالی از پنل‌های خورشیدی کار بگذارد.

توان این شبکه خورشیدی ۲۴۰ مگاوات تقریب زده شده است که در واقع درصد زیادی از انرژی برق مورد نیاز کارخانه را به تنهایی تأمین می‌کند. همچنین شرکت فولاد سازی نیوکور در ایالت میزوری در حال ساخت یک کارخانه به ارزش مالی ۲۵۰ میلیون دلار است که تمام الکتریسیته مورد نیاز آن از طریق باد تأمین می‌گردد و پروژه‌های بسیاری از این دست در جهت جایگزین کردن منابع تجدید پذیر با سوخت‌های فسیلی برای کاهش تولید مقادیر دی اکسید کربن در دست انجام است.

سازمان بین المللی فولاد به تازگی اولین نسخه از استاندارد‌های جدید خود را اعلام نموده است. رعایت این استاندارد‌ها برای شرکت‌های مختلف اختیاری بوده و در واقع معیاری است برای سنجش مسئولیت پذیری شرکت‌های فولاد سازی در جهت حفظ محیط زیست که با مشارکت شرکت‌های فولاد سازی مثل آرسِلومیتال (ArcelorMittal) و سازمان‌های حفاظت از محیط زیست مثل زمین توانا (Mighty Earth) اعمال می‌شود. گواهی که در این زمینه صادر می‌شود از جانب هیئت‌های شخص ثالث بوده و وظیفه بررسی و تائید عملکرد استاندارد به عهده ارگان‌های مستقل است.

بیشتر بخوانید: تقویت بتن با استفاده از پرتوهای گاما و پلاستیک‌های پودر شده!

وبنان اسمیت که نقش مؤثری در طراحی استاندارد‌های حفاظت از محیط زیست در مقابل تولیدات فولاد داشت، می‌خواهد که فولاد به یکی از پاک‌ترین مصالح موجود تبدیل شود و اشاره می‌کند «زمانی چرخه اقتصادی فولاد کامل شده و به درستی کار می‌کند که عوارض و اثرات کوره‌های قوس الکتریکی تماماً از بین رفته و انرژی مورد استفاده آنها کاملاً پاک باشد». اگر این رویه بشری دست یافتنی باشد، بدیهی است که اولین بار در کشور‌های توسعه یافته جامه عمل خواهید پوشید چراکه این کشور‌ها مقادیر بسیاری ضایعات دارند که می‌توانند با بازیافت کردن صحیح و اصولی قسمت قابل توجهی از نیاز خود به فولاد را جبران کنند.

بتن و ساختمان سازی پاک

بتن جز پر مصرف‌تر ین مصالح است که تقریباً در سراسر دنیا به کار برده می‌شود. مصرف بیش از حد بتن و تقاضا جامعه بشری، آن را به یکی از عوامل اصلی آلودگی هوا مبدل کرده و تقریباً ۶ الی ۱۱% کل کربن دی اکسید تولید شده در کره زمین مربوط به صنایع و کارخانه‌های بتن سازی است. بیشتر کربن دی اکسید تولید شده مربوط به آماده سازی مواد اولیه برای تولید بتن است مثل سیمان پرتلند که به طور متوسط ۱۰% کل وزن بتن را تشکیل می‌دهد. مقدار انرژی مصرف شده برای تولید سنگ دانه (ترکیب خاک و سنگ خرد شده که تقریباً به طور متوسط ۷۰ الی ۸۰ % بتن را تشکیل می‌دهند) به مراتب کمتر است. استخراج خاک ممکن است باعث آسیب بستر رود‌ها و اکوسیستم‌های ساحلی شود.

تقریباً نصف آلودگی کربن دی اکسید تولید شده حین تولید سیمان، به دلیل استفاده از سوخت‌های فسیلی برای حرارت دادن و گرم کردن کوره‌های سیمان تا ۲۵۰۰ درجه فارنهایت است. نمونه‌های اولیه کارخانه‌های پاک که تمام انرژی خود را از نور خورشید می‌گیرند احداث شده‌اند. شرکت هِلیوژِن (Heliogen) کالیفرنیا و سولپارت (Solpart) فرانسه موفق شده‌اند نور خورشید را با استفاده از آینه‌های عظیم در یک نقطه متمرکز کرده و کوره‌های سیمان را تا دمای ۱۸۰۰ درجه فارنهایت حرارت دهند.

البته مقادیر عمده کربن دی اکسید آزاد شده در هوا به دلیل ماهیت سیمان و واکنش‌های شیمیایی انجام گرفته داخل آن است. مثلاً در واکنشی به نام کلسیناسیون (تکلیس)، سنگ آهنگ تحت حرارت بالا به کربن دی اکسید و آهک زنده (quicklime) تبدیل می‌شود. کربن دی اکسید حاصل از این آزمایش وارد هوا شده و آهک زنده برای تولید سیمان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بیشتر بخوانید: بتن هوشمند چیست؟ معرفی انواع بتن هوشمند و کاربردهای آ‌نها

بعضی از شرکت‌های تولیدکننده اعم از شرکت کانادایی دارتموث (Dartmouth)، شرکت کربن کیور (Carbon Cure)، شرکت لوس گاتوس (Los Gatos) و شرکت کالیفرنیایی سیاره آبی (Blue Planet) سعی در جدا کردن کربن دی اکسید آزاد شده در زمان تولید بتن دارند. فرآیند‌های انجام شده توسط این شرکت‌ها اگرچه تا به امروز در جذب کامل کربن دی اکسید تولید شده ناتوان بوده‌اند اما مقادیر قابل توجهی از آلاینده‌ها در زمان تولید بتن را به دام می‌اندازند.

در حال حاضر مطابق شواهد به دست آمده از پالت‌های اندازه گیری کربن، راحت‌ترین روش برای کاهش کربن دی اکسید تولید شده در صنایع بتن سازی، استفاده از مقادیر کمتر سیمان است. ماده‌ای که به آن سیمان مخلوط می‌گویند از سنگ آهک تکلیس نشده و چند نوع ماده مکمل سیمانی (SCM ها) به جای کلینکر استفاده می‌شود. کلینکر در واقع گلوله‌های دایره‌ای سنگی هستند که داخل کوره شکل می‌گیرند و برای تولید سیمان به کار برده می‌شوند. همچنین مواردی مثل اضافه کردن پازولان (یک نوع خاکستر بیرون آمده از دهانه آتش فشان با دانه‌های ریز) طبیعی مثل خاکستر پوسته برنج و تولیدات جانبی صنعتی مثل خاکستر بادی، سرباره آهن گدازی و فوم سیلیسی و به کار بردن مکمل‌های سیمانی (SCM ها) علاوه بر افزایش کیفیت و استحکام بتن، نقش مهمی در کاهش کربن تولید شده دارند.

جولی بوفنبارگر دانشمند ارشد و سرپرست بخش پایداری محیط زیست شرکت مشاوران معماری بیتون (Beton) ایالت مینسوتا آمریکا معتقد است که آمریکا در استفاده از سیمان مخلوط به اندازه اروپا خوب عمل نکرده است. همچنین اشاره کرد «استفاده از مواد خاص می‌تواند نقش بسیار مهمی در بهبود کیفیت بتن داشته باشد اما پیچیدن نسخه در مورد میزان دقیق ‌ترکیبات، تولید بتن را با مشکل مواجه می‌کند». او پیشنهاد می‌کند برای تعیین میزان دقیق مواد مورد استفاده از بتن، دسته‌هایی از انواع بتن با سختی‌های مختلف مشخص شود تا کارخانه‌ها بتوانند انواع مختلف آن را تولید کنند.

این نکته را نیز در نظر داشته باشید که مکمل‌های سیمانی زمان رسیدن به استاندارد‌های استحکام را نیز بیشتر می‌کنند. در زمان تولید یک نوع بتن خاص باید این سؤال‌ها مطرح شود:

• آیا می‌توان مقدار سیمان موجود در ‌ترکیبات بتن را کاهش داد؟
• آیا می‌توان مقدار بتن به کار رفته برای ساخت سازه را کاهش دارد؟
• کدام کوره سیمان قابل دسترس، کمترین میزان انرژی را مصرف می‌کند؟
• از کدام تکنیک و روش می‌توان برای کاهش کربن آزاد شده در هوا استفاده کرد؟

چوب و ساختمان سازی سبز

بدون شک چوب می‌تواند یکی از بهترین مصالح برای ساختمان سازی سبز باشد. نوآوری‌هایی که در زمینه تولید مصالح چوبی و خصوصاً صفحات چوبی مهندسی شده اعم از چوب‌های چند لایه متقاطع، صفحات چند لایه چوب متصل شده با چسب، میخ یا پرچ ساختن خانه در مقیاس‌های وسیع با کمترین میزان آلودگی هوا را به امری کاملاً قابل دسترس تبدیل کرده‌اند. تجزیه و تحلیل‌های صنعتی نشان می‌دهند میزان کربن دی اکسیدی که نهال‌های کاشته شده بعد از قطع درختان در زمان رشد خود جذب می‌کنند از کل کربن دی اکسیدی که در زمان بریده شدن درختان تا حمل و نقل و استفاده آنها به عنوان مصالح ساختمانی تولید می‌شود بیشتر است.

تقاضای بسیار برای چوب می‌تواند به نابودی قسمت زیادی از درختان و جنگل‌ها دامن بزند که این خود اهمیت کاشت نهال برای جایگزین کردن درختان قطع شده را پررنگ‌تر می‌کند. لندرینو یکی از کارشناسان شرکت هوک معتقد است «ما باید جنگل‌هایی که نابود می‌کنیم را ‌ترمیم نماییم و ساخت‌وساز با مصالح چوبی باید محدود به مناطقی باشد که امکان استخراج الوار وجود دارد».

بیشتر بخوانید: شروع ساخت بزرگ‌ترین و اولین ورزشگاه چوبی جهان با طراحی زاها حدید

صفحات مهندسی شده چوب می‌تواند جایگزین خوبی برای اسکلت‌های فولادی و پنل‌های بتنی که در کف ساختمان‌های تجاری قرار می‌گیرند باشند. همچنین می‌توان به جای گذاشتن وزن ساختمان روی ستون‌های بتنی و فولادی، از گلولام‌ها (الوار‌های چند لایه چسبی) به عنوان ستون در ساختمان‌های با ارتفاع‌های مختلف استفاده کرد. این الوار‌ها علاوه بر اینکه در مقابل حریق مقاوم هستند، مدت زمان کمتری برای نصب آنها صرف می‌شود. به گفته کنت بلاند، یکی از معاونین انجمن چوب آمریکا «از همان روزی که الوارهای چوب نصب شده و در قاب طراحی شده جای بگیرند، تمام بار کاری که برایشان مشخص شده را بر دوش می‌کشند».

آیا مصرف چوب در ساخت‌وساز به محیط زیست کمک می‌کند؟

در خصوص نقش چوب در ساختمان سازی پاک و سبز باید عنوان داشت که مطابق یافته‌های دپارتمان کشاورزی ایالات متحده، حجم کلی درخت‌های موجود در این کشور از سال ۱۹۵۳ تقریباً ۶۰% بیشتر شده است. در صورتی که مهندسی خانه‌های چوبی اشاعه داده شود، طبیعتاً تقاضا برای چوب بسیار بیشتر خواهد شد. در این حالت مدیریت تولید الوار امری بسیار حیاتی بوده و باید با کاشت نهال به تعداد درخت‌های قطع شده از نابودی جنگل‌ها پیشگیری کرد. از طرفی نیز درخت‌های مختلف مقادیر کربن دی اکسید متفاوتی جذب می‌کنند به همین دلیل مدیریت اینکه تولید الوار از کدام جنگل‌ها و کدام درختان صورت بگیرد نیز حائز اهمیت است.

مقادیر کربن تولید شده در زمان قطع، پردازش و انتقال الوار‌ها هنوز به‌طور دقیق مشخص نیست و انجام تحقیقاتی در این زمینه ضروری به نظر می‌رسد. میانگین رسوب دهی الکتروفورتیک جدید برای تولیدات صنایع چوبی و الوار در چهار ماهه اول سال ۲۰۲۰ اعلام می‌شود که شفافیت و دقت شرکت‌های تولید کننده محصولات و مصالح چوبی در این زمینه بسیار مهم است. البته باید دقت شود علاوه بر کربن آزاد شده در زمان قطع و حمل‌ونقل درخت، کاهش حجم درختان جنگل خود منجر به افزایش مقادیر کربن دی اکسید موجود در جو می‌شود و از طرفی نیز، کارخانه‌های تولید کننده رزین‌ها و چسب‌های مورد نیاز برای تهیه صفحات بزرگ چوبی نیز مقادیری کربن دی اکسید تولید می‌کنند.

اجرای فونداسیون ساختمان را در کارگشا ثبت و از کمک متخصصان خبره بهره‌مند شوید.

در پایان در خصوص ساختمان سازی سبز، این نکته را نیز اضافه کنیم که مزیت چوب در ذخیره کربن در ساختار خودش، تنها زمانی صدق می‌کند که تیرچه‌ها و صفحات چوبی تا مدت زمان زیادی دوام بیاورند چراکه در صورت تجزیه، کربن موجود در چوب دوباره وارد جو می‌شود. بدین منظور مصالح چوبی باید با استفاده از مواد عایق در مقابل رطوبت، حشرات و قارچ‌ها مقاوم باشند. علاوه بر این خانه‌های چوبی نباید صدا بدهند و ظاهری زیبا و مناسب داشته باشند. همچنین برای اینکه الوار‌ها و صفحات قابلیت استفاده مجدد را داشته باشند، باید قطعات آنها به راحتی از یکدیگر جدا شوند.