مصالح شهرهای آینده – بخش اول
«کم ضخامت تر، سبک تر، نرم و یکدست تر، با انحنای بیشتر نسبت به همیشه». این تصویری است که از شهر های آینده به لطف کشف مصالح ساختمانی جدید و به کار گیری خلاقانه انواع سنتی آن در اذهان ایجاد شده است. معماری ساختمان های بزرگ و گرانبها همواره با بی باکی هنرمندانه تعیین شده است و سرشت آن در محدودیت های مهندسی و طراحی شکل گرفته است.
امروزه این تاثیرات مشابه به ساختمان های کوچکتر نیز اعمال می شود، مانند خانه های ویلایی یا برج های آپارتمانی. اولویت ها در حال تغییر است. برای ساختمان هایی که جدید ساخته می شوند بیش از هر چیزی کاربرد از اهمیت زیادی برخوردار است. در این راستا بر جای گذاشتن یک رد پای محیطی کوچک نیز ضروری است: در زمستان گرم باقی بماند، در تابستان خنک باقی بماند و همواره در طول سال از نور کافی بهره مند باشد.
بتن مصالح تعریف کننده مدنیسم قرن بیستم بوده است و برای تمایلات جنبش معاصر «خطوط راست و تقارن» مناسب بود. بعد ها پیشرفت های مهندسی راهی را برای معمارانی مانند فرانک گری و زاها حدید فراهم کرد تا به تجسم ساختمان های عجیب و غریب که سیمایی هنرمندانه دارند، بپردازند.
چه مصالحی چهره قرن 21 را تعریف می کنند؟
شیشه های هوشمند:
این تکنولوژی باید به طور کلی کنترل نور طبیعی و کارکرد نور داخل ساختمان را بسیار آسانتر کند. در واقع چندین نوع شیشه هوشمند وجود دارد. یک نوع آن دارای قابلیت تمیز کردن خود را دارد که سطح آن به خوبی با پوشش های با مقیاس میکرو و غیر نفوذ پذیر پوشیده شده است. دیگر انواع این شیشه از یک کاتالیزور فعال شدهUV استفاده می کنند تا روغن های موجود در گریس را به دی اکسید کربن و آب تجزیه کنند.
دیگر انواع شیشه های هوشمند به نور خورشید حساس هستند بدین معنی که این شیشه به تغییرات نور خورشید و دمای هوا واکنش نشان می دهد و تیره می شوند، درست مانند عینک های فوتوکرومیک. این شیشه ها تابش خیره کننده نور خورشیدرا کاهش می دهد و به کنترل بهتر دمای هوای فضای داخلی می پردازد. در عینک های فوتوکرومیک انرژی حاصل از نور خورشید باعث به هم خوردن نظم اتم هایی از شیشه می شود که با فضاهایی خالی بین آنها امکان عبور 75 درصد نور خورشید وجود دارد. با ایجاد بی نظمی و موقعیت های تصادفی، تنها امکان عبور 25 درصد از نور خورشید وجود خواهد داشت.به طور کامل امکان کنترل مستقیم نور در مواد الکتروکرومیک جدید وجود دارد که با یک جریان الکتریکیدر درون آنها فعال می شوند در طول 5 دقیقه به تدریج تیره می شوند و تا 50 درصد از عبور نور خورشید ممانعت می کنند. همانطور که در شیشه های فعال خورشیدی، جریان الکتریکی باعث تغییرات ساختاری برگشت پذیر می شود.
اصول مشابهی قابل کاربرد است تا یک شیشه را اصطلاحا شبنم زده کرد(تیره کرده و به صورت یک سطح شبنم زده در آورد)به جای اینکه عبور نور آن را تنها با سایه روشن کنترل کرد. این تکنیک باعث فراهم آوردن فضای خصوصی در ادارات یا حمام می شود بدون اینکه ممانعتی در برابر دسترسی به نور خورشید ایجاد کند.
روشنایی روز:
یک روش برای مصرف کم انرژی استفاده موثر تر از نور خورشید به جای استفاده از انواع مصنوعی آن است. مهندسان شروع به انجام دقیق این فرایند در برخی از ساختمان ها با استفاده از هدایت نور طبیعی از طریق شفت هاو استفاده از صفحات بازتابنده نور نموده اند. به این عمل اصطلاحا روشنایی روز گفته می شود. این فرایند نه تنها نور پردازی خانه را به صرفه تر می کند بلکه باعث کاهش مصرف انرژی نیز می گردد و همچنین نوری سفید تر و طبیعی تر فراهم می آورد که می تواند باعث کاهش اختلالات عاطفی فصلی یا کمبود نور شود.
فلزات خارق العاده و جدید:
فلزات همچنین می توانند با چالش های جدید سازگار شوند. به هیچ گونه شیمی پیچیده یا عناصر شگفت انگیز نیازی نیست. ما می توانیم ساختار فلزات را به سادگی تغییر دهیم. ساختن ساختارهای قوی تر و کارآمدتر در جهانی که رشد جمعیت و تراکم در بسیاری از شهرهای آن در حال توسعه است، بسیار حیاتی است و این شهر ها به ساختمان های بلند و بلندتر احتیاج دارند. اما توسعه عمودی ساختمانها همواره با چالش های مهندسیهمراه است. آسمان خراش ها باید سبک تر و بهتر شوند، به خصوص در مناطقی که زمین لرزه ممکن است رخ دهد. خوشبختانه مصالحی موجود است که اسفنج فلزی نامیده می شود که می توانند قدرت و استحکام ایجاد کنند و انرژی را جذب می کنند تا بنا را از نوساناتخارج کنند در عین حال که باعث ایجاد عایق صوتی و حرارتی در ساختمان نیز می شوند.
در سال 2011 محققان یک اسفنج فلزی جدید تولید کردند و آن را به عنوان " میکرولاتیک " توصیف کردند که با قرار دادن الکترولیتی فلز بر روی یک چهارچوب پلیمری به وجود می آید که که بعدا آن چهار چوب از بین می رود. این محصول یک ماتریس از فلز متخلخل سه بعدی متشکل از لوله های فلزی متصل به هم است که هر لوله تنها یک هزارم ضخامت یک موی انسان و یا 100 میکرومتر است.
این میکرولاتیک سبک ترین مصالح ساختمانی جامد شناخته شده است. 99.99 درصد این مصالح را هوا تشکیل داده است. با وزن مخصوصی که 0.9 کیلو گرم در متر مکعب است و این وزن مخصوص 1.76 برابر وزن مخصوص هوا است. انواع اولیه این محصول از نیکل، آلومینیوم، یا فولاد ساخته شده اند اما هر فلزی می تواند بر روی چهار چوب قرار گیرد و آن را انعطاف پذیر می کند تا دیگر خواص مانند رسانایی الکتریکی را نیز در خود داشته باشد.
این ها یک توسعه نسبتا جدید هستند و در واقع هنوز در ساختمان ها استفاده نشده است اما صنعت هواپیما در حال حاضر قصد دارد از این فلزات در ساخت هواپیما استفاده کند. آنها قصد دارند تا صفحاتی نازک را به سطوح اسفنجی متصل کنند که یک سازه ساندویچ مانند شکل می گیرد. بهترین اسفنج ها پس از اینکه به اندازه نصف اندازه فعلی فشرده شوند، شکل خود را به طور کامل بهبود می بخشند. به این معنی که قابلیت کاربرد در ایجاد تنش های شدید موثر عمل کرده و آنها را جذب می کنند.
مصالح شهر های آینده – بخش دوم (کامپوزیت ها)
معرفی کامپوزیت ها و تاثیر آن در تشکیل شهر های آینده:
1- چرا کامپوزیت؟
لازم به ذکر است که اگر چه فلزیک مصالح سنتی پر کاربرداست، اما نیاز نیست که همه چیز از فلز ساخته شود. معماران مشتاقانه در حال کشف جایگزینی برای فلزات برای آینده معماری، با استفاده از بسیاری از مواد سبک وزن و غیر فلزی هستند که در حال حاضر برای طراحی هواپیماها، توربین ها و قایق ها استفاده می شود. (منظور بهبود بخشی به مصالحی به جز مصالح رایج ساختمانی قدیمی مانند چوب است.)
2- ایرادات فلز در شهر های آینده:
ساختمان های سبک تر، کم هزینه تر و ارزانتر هستند و زمان کمتری برای ساخت و ساز آنها صرف می شود. به خصوص در صورتی که وزن کاهش یافته ساختمان در بخش بالاییآن متمرکز شده باشد. اگر چه اسفنج های فلزی معرفی شده ممکن است راه حل مناسبی برای کاهش وزن ساختمان باشند، اما فلزات دارای مشکل دیگری نیز می باشند، و آن افزایش حجم آنها در اثر انتقال حرارت به آنها است. در حال حاضر اکثر آسمان خراش ها شامل یک قاب فلزی هستند که قابلیت مواجهه با انبساط و انقباض ها را دارند و این اثر را تا حد زیادی خنثی می کنند، اما این موضوع در آینده می تواند یک عامل محدود کنندهدر طراحی روش های جدید ساخت و ساز باشد.
3- ساختمان های مونوکوک:
یک راه حل ممکن است از تغییر هندسه ساختمان، که همزمان شیوه توزیع نیرو را نیز تغییر می دهد، حاصل شود. ساختمان های مونوکوک منحنی بوده و سیستم سازه ای آن به این صورت است که قابلیت تحمل بار را از طریق پوسته بیرونی اش دارد، درست همانند یک تخم مرغ یا هواپیمای مسافر بری. ساختمانهای ساخته شده به این طریق هنگامی که منبسط و منقبض می شوند، به اندازه ساختمانهایی که بار خود را از طریق یک قاب ساخته شده در فونداسیون تحمل می کنند دچار لطمه نمی شوند.
4- چرا مصالح کامپوزیتی؟
مشکلی که در اینجا ایجاد می شود این است که ایجاد اشکالی مانند تخم مرغ با فلز بسیار دشوار است. راه حل این مشکل استفاده از مصالح کامپوزیتی است (مصالح شکل یافته ازترکیب مصالح گوناگون). این مصالح این مزیت بزرگ را دارند که در بسیاری از موارد قابل شکل دادن باشند و اشکال این مصالح در درجه بالایی از دقت و صحتعمل می کند به طوری که جزئیات را نیز شامل می شود. این مصالح به شیوه هایی نوین قابل اتصال به یکدیگر می باشند، درست برعکس فلزات سنگین سنتیکه نیازمند جوشکاری می باشند، و البته جوشکاری ظاهری بسیار کثیف و نامطلوب ایجاد می کند، به خصوص در مواقعی که بر روی جزئیات کار می شود.
5- نوعی پیچیده از فایبر گلاس:
هنگامی که شرکت مهندسی و معماری «سازه های نو آورانه آفان» واقع در دبی مرکز تحقیقاتی پزشکی سیدرارا ساخت، اپوکسی Voraforce TF موجود در Dow chemical را با فیبر کربن ترکیب کرد تا نسخه پیچیده تری از فایبر گلاس را تولید کند،(اما نوعی که هم 85 درصد سبکتر از فلز است و دو برابر مقاومتر است). وزن کم این مصالح به این معنی است که سقف ها و پنل های دیواری ساخته شده با این مصالح، نیاز به سازه پشتیبان کم مقاوم تری است و این امر معماران را قادر می سازد تا بتوانند فرم های معماری جدید را خلق و اجرا کنند. همچنین این مصالح مقاوم بسیار فوق العاده ای در برابر انبساط و انقباض در گرما می باشد که این یک ویژگی بسیار با اهمیت برای ساختمانهایی است که در اقلیمی مانند دبی قرار می گیرند.
6- پلاسفالت:
نوع دیگر از کامپوزیت ها چیزی است که «تجدید کاربرد مصالح با ایجاد کیفیت برتر» گفته می شود، جایی که مواد زائد مجددا مورد استفاده قرار می گیرند تا مصالحی جدید تولید شود.یک نمونه از این مصالح پلاسفالت است که به عنوان پوششی برای سطح جاده ها مورد استفاده قرار می گیرد. این مصالح از زباله های پلاستیکی خورد شده تولید می شود که در ترکیبات آسفالت به کار برده می شود و با توجه به پیوند شیمیایی قوی بین امولسیفایر و پلاستیک، آسفالتی بسیار مقاوم تر از آسفالت معمولی« نوعی که حاصل از ترکیب معمول مواد شنی است» تولید می کند.
7- پلاستیک گرما سخت:
همچنین خواص یک ماده کامپوزیتمی تواند متناسب با آنچه مورد نیاز است طراحی شود. یکپارچگی ساختاری این نوع کامپوزیت معمولا از الیاف همپوشانی شدهتشکیل می شود که معمولا از شیشه، کربن یا بورون ساخته می شوند، اما برخی نیز از الیاف مبتنی بر چوب استفاده می کنند. اینها در یک رزین قرار می گیرند – یک پلاستیک گرماسخت (thermosetting) مانند اکریلونیترول بوتادین استایرن (ABS) که معمولا برای ساخت کلاه های کوهنوردی استفاده می شود.
8- کامپوزیت فیبر کربن:
بعضی از کامپوزیتها از الیاف مبتنی بر چوب استفاده می کنند که همراه با رزین پلی استر یا پلی پروپیلن است. این کامپوزیت های فیبر کربن، به لحاظ شیمیایی سخت و مقاومهستند و دارای مقاومت بسیار خوبی نسبت به وزن خود هستند، حدود 2000 مگاپاسکال نیروی کششی را قبول می کند(حدود یک پنجم نیرویی که نیاز است تا کربن به الماس تبدیل شود.) آنها معمولادارای قطر کمتر از5 تا 10 میکرومتر هستند و قابل مقایسه با ضخامت یک تار عنکبوت می باشند.این مصالح از آنجا که نیمی از حجم موجود را تشکیل می دهند، ظاهر جذابی چون پارچه های بافته شده ایجاد می کند.
این مصالح را می توان همانند پارچه در ورقه های نازکی تولید کرد. کامپوزیت های فیبر کربن می تواند در ورقه هایی تولید شود که بین 20 تا 40 میلیمتر ضخامت دارد. همزمان این مصالح در اشغال فضا صرفه جویی کرده و اشکال مستحکم و جذابی نیز ایجاد می کند. هر چند در آینده ممکن است استاین فیبرها از گرافن یا نانو تیوب های کربن و یا گرافیت با ضخامت یک اتم که به صورت لوله هایی طویل پیچیده می شود، ساخته شوند. این مصالح به صورت باور نکردنی سبک وزن بوده و دارای خاصیت الکتریکی منحصر بفردی می باشد و حد اکثر مقاومت کششی هر ماده را تا 63GPa اندازه می گیرد. آنها نسبت به Kevlar مقاوم تر، به روز تر، سبک تر و انعطاف پذیر تر می باشند. این مصالح که با پلاستیک ترکیب می شود، می تواند به شکل یک ساختار پایدار شکل داده شود که در روز های گرم کش نیاورده و تغییر شکل نمی دهد، اگر چه به علت چوب کاربردی در آنها نیازمند پوشش های مقاوم در برابر شعله آتش نیاز دارند.
9- مصالح شبه کامپوزیت:
برخی از مصالح شبه کامپوزیت، برخلاف ظاهری که دارند به لحاظ استحکام تاثیر گذاری کمی دارند. «مانند چوب روزنامه ای چوبی که از به هم چسباندن ورق های کهنه روز نامه شکل می گیرد، این نوع مصالح از روزنامه های با پوشش رزین ساخته شده و به صورت الوار پیچیده می شود و سپس به صورت تختهبرش داده می شود.» این نوع مصالح به وسیله شرکت Vij5 هلندی ساخته شده است. جوهر مورد استفاده برای روزنامه خاصیتی را ایجاد می کند که در اثر آن بافت و سطح چوب نرم و یکدست شده و تخته های چوبی می توانند افزایش ابعاد دهند تا به ضخامت یک روزنامه باز برسند. درست همانند سایر چوب ها، چوب روزنامه ای را می توان سمباده کشی کرد، کنگره دار شود، پوشش داده شود و یا جلا داده شود. بیشتر استحکام این مصالح به جهت استحکام چسب آن است. چوب روزنامه از چسب های عاری از حلال، پلاستیک و آب استفاده کرده و کاملا ارگانیک است. اما نوع غیر ارگانیک آن می تواند چوب را مستحکم تر کند.
10- کاربرد چسب برای شهر های آینده:
روندی دیگر در تشکیل سیمای شهرهای آینده است که طراحان به جهت اصلاح کاربرد چوب به عنوان یک مصالح ساختمانی، از چسب برای ایجاد چوب نرمی با مقاومت چشمگیر و به شکل لایه لایه استفاده می کنند. ساختمان های 10 تا 14 طبقه ای در ملبورن و برگنبه ترتیب به طور اولیه از چوب های لمینت ساخته شده اند. روشی که آنها به یکدیگر چسبانده شده اند به آنها یک سبک منحصر بفرد و جدید از بافت سطح بریده شده چوب می دهد.
نیازی نیست که چسب ها اساسا نوع جدیدی باشند، یا در آزمایشگاه تولید شوند. بسیاری از چسب های طبیعی به اندازه ای خوب هستند، گویی از چوب پردازش شده مشتق شده باشند یا از شیره درختان آکاسیاگرفته شده باشند. این چسب ها می توانند از غذاهایی مانند نشاسته و کازئین و (و به طریق سنتی تر) از حیوانات تولید شوند، مانند چسب هوف.
این چسب ها کاربری بیشتری دارند تا منحصرا مواد کامپوزیتی را کنار یکدیگر نگه دارد، اگرچه قطعات خانه های آینده ما، مراکز، و برج های آپارتمانی به نظر می رسد که به یکدیگر چسبانده شوند. در حال حاضر هواپیماها و تجهیزاتیداریم که با چسب چسبانیده شده اند و معماری در گام بعدی قرار دارد. از آنجا که امروزه پنل های فیبر کربنی بی هیچ نیازی به یکدیگر پیچیده شده و چسبیده شده اند (چسب به طور معمول مقاوم تر است)، ما در حال افزایش و رشد درست آورد های بیشتری در چسب های شیمیایی نامرئی هستیم.
11- نتیجه گیری:
اکنون قادر هستید شهر های آینده را بهتر و ملموس تر تجسم کنید. ما شفت ها و لوحه هایی برای انکاس نور روشنایی روز خواهیم داشت تا فضاهای اداری شهرهای آینده ما را به طور طبیعی روشن و پر نورنگاه دارد، ساختمان هایی که به طور طبیعی در فصول سرما گرم می مانند و در فصول گرما خنک می مانند. هیچ پیچ و مهره ای در احجام منحنی وجود نخواهد داشت، از جمله در پنجره ها. سطوح بسیار صاف و یکدست خواهند بود و دیدی یکپارچه خواهد داشت. به طور همزمان دیوار ها نازکتر و مقاومتر خواهند بود. هواپیماهای جدید محدودیت ارتفاعی را در هم خواهند شکست. در یک روز آفتابی شما قادر خواهید بود که از درون شهر های آینده گام برداشته و تنها انعکاس های سیاه و سفید را در شیشه هایی تاریک ببینید، اما در روز های خسته کننده شما هنوز هم قادر به جاسوسی کردن در خانه همسایگان خود از طریق همان پنجره خواهید بود.
