مصالح هوشمند ضد زلزله

سازه ها و مصالح هوشمند

بزرگ ترین چالشی که امروزه در مهندسی سازه وجود دارد، اصلاح طراحی سازه ای برای مقابله بهتر در برابر خسارات ناشی از بلایای طبیعی و حملات تروریستی می باشد. سیستم های هوشمند سازه ای مفهومی جدید در مبحث حفاظت سازه ای هستند. این سیستم ها انرژی مخرب و نیروی معکوس را جذب کرده و پاسخ سازه ای و خرابیهای حاصله را کاهش می دهند.

تحقیقات پیشرفته، مصالحی طبیعی و ساخته دست بشر را کشف کرده است که خود را با تغییرات محیطی تطبیق داده و سیستمهای تطبیق پذیر نام گرفته اند. این کشفیات ما را به سمت مفهومی جدید به نام سازه های هوشمند هدایت کرده اند. تعریف مصالح هوشمند به این صورت است: « مصالحی که بتوان خواص آنها از جمله تنش، دما، رطوبت، PH، خواص الکتریکی و مغناطیسی راکنترل نمود». این مصالح با توجه به مشخصات و خواصشان به چند زیرگروه مطابق شکل زیر تقسیم شده اند.

تعدادی مصالح هوشمند که در حال حاضر استفاده از آنها متداول است

پلیمر، آلیاژهای حافظه دار

این مصالح می توانند از تغییر شکل زیادی که در آنها بر اثر تنش و دما ایجاد می شود به حالت اولیه باز گردند که به آنها به اصطلاح «شبه الاستیسیته» گفته می شود. زمانی که مصالح/پلیمر در دمای پایین تغییر شکل می دهند، با افزایش دما و رساندن آن به یک دمای معین به شکل اولیه باز می گردند که به این روش «تبدیل معکوس» می گویند.

این مصالح کاربردی منحصر بفرد می توانند درکنترل غیر فعال، نیمه فعال و فعال سازه های عمرانی مورد استفاده قرار گیرند. خود ترمیمی سیستم های سازه ای که از آلیاژهای حافظه دار مسلح مارتنزیت* استفاده می کنند، نمونه ای از کنترل فعال سازه ای است.

مصالح هوشمند: پلیمر خودترمیمی

این مصالح قابلیت ترمیم خسارات را داشته که به افزایش عمر مفید آنها کمک می کند. این مصالح بیولوژیکی که به صورت عملکردی بهینه شده اند، می توانند خود را در مقابل بارهای تحملی مکانیکی خارجی ترمیم کنند. اخیرا، کاربرد بتن خود ترمیم شونده در مهندسی عمران توجه بسیاری به خود جلب کرده و موضوع تحقیقات کاربردی محور است.

باید به این نکته توجه کرد که عرض ترک در روند خود ترمیمی نقش اساسی بازی می کند. به همین دلیل، کامپوزیتهای سیمانی مهندسی برای کنترل عرض ترکها، حتی در کششهای بالا، با میزان معین تولید شده اند. یکی از پیشرفتهای اخیر دانشگاه تکنولوژی دلفت، دستیابی به یک عنصر ترمیم گر بیوشیمی دوعنصره است.

این نوآوری، ترکیبی از بذر باکتری با کلسیم لاکتات است. این نوع از بتن برای ساخت مسیرهای انتقال پساب های خطر ناک زیرزمینی ایده ال است. باید در نظر داشت که استفاده از این نوع بتن در حال حاضر برای ساختمان های مسکونی امکان پذیر و اقتصادی نیست.

مصالح هوشمند: کامپوزیت نانو

این مصالح می تواند مشکلات کنونی ساخت و ساز را به صورت قابل ملاحظه حل کنند. کاربرد نانو تکنولوژی در صنعت ساختمان می تواند در لیست اعضاء سازه ای سبکتر و محکمتر با عملکرد سازه ای بهتر تحت بارهای لرزه ای و گرانشی قرار گیرد، درحالی که کمترین پوشش را برای نگهداری و درصد انتقال حرارت کم به همراه نانو سنسورها هستند. یکی از آخرین توسعه های کاربردی در این زمینه، تولید ذرات نانو سیمان ها برای اصلاح عملکرد سازه ای و دوام اعضاء بتنی می باشند.

مصالح کروموژنیک

به این مصالح آفتاب پرست می گویند زیرا به صورت برگشت پذیر رنگ آنها با تغییر شرایط محیطی تغییر می کند. نوع خاصی از مصالح کروموژنیک به نام مکانوکرومیک/پیزوکرومیک وجود دارند که توانایی تغییر رنگ تحت محرکهای مکانیکی را دارند. کاربرد این مصالح در صنعت ساختمان سازی به این صورت است که نقص های سازه ای از جمله شکست، خوردگی، خستگی و یا خزش را پایش کرده و تشخیص می دهند.

مهم ترین مشخصه مصالح هوشمند این است که خواص آانها تحت شرایط بیرونی تغییر می کند و این تغییر، برگشت پذیر و به دفعات زیادی قابل تکرار است. اولویت این مصالح به مصالح معمولی مانند آجر، بتن و فولاد این است که آنها می توانند در سازه هایی با عملکرد بالا در شرایط محیطی سخت بکار روند. این مصالح به مهندسین فرصت طراحی سازه / زیرساخت هایی با عملکرد بالا را در موارد بارهای غیرمتعارف تحت انفجار و با زمین لرزه را می دهند.

اهمیت استفاده از مصالح هوشمند

سازه ها و زیرساختهای عمرانی شامل سدها، پل ها، برج ها و تونل ها ممکن است براساس بارهای دینامیکی زلزله/ باد های شدید به شدت آسیب دیده و یا فروریزند. علی رغم تلاش زیاد مهندسین در طراحی ها و توسعه دستورالعمل ها جهت دریافت عملکرد بالاتر، هنوز این سازه ها در مقابل باد های شدید و محرکهای زلزله آسیب پذیر هستند.

دلیل آن این است که سازه هایی که با دستاوردهای سنتی طراحی می شوند، ظرفیت محدودی برای مقاومت در برابر بار و اتلاف انرژی ناشی از آنها دارند. چنین سازه هایی جهت مقابله با نیروی زلزله، تنها از سختی و میراگری ناچیز خود برای دفع انرژی استفاده می کنند. این سازه ها به حدی منفعل هستند که نمی توانند خود را با تغییرات ناگهانی و غیر قابل پیش بینی بارهای ناشی از زلزله و باد شدید تطبیق دهند.

در جهت مقابله و رویارویی با این بارها، نیاز به طراحی سازه هایی محکم با انعطاف بالا می باشد که معمولا متریال مورد استفاده برای چنین سازه هایی بسیار گران قیمت هستند. بزرگ شدن مقاطع اعضاء سازه برای افزایش مقاومت، درحقیقت نیروی بیشتری جذب کرده، و متعاقبا نیاز به مقاومت بیشتری دارد که طراحی را وارد یک مسیر دایره وار بی ثمر می کند.

علاوه بر این، هیچ راهی برای افزایش میراگری متریالهایی چون بتن آرمه و فولاد وجود ندارد. ناکارآمدی مصالح سنتی در برابر باد و زلزله منجر به کاربرد تکنولوژی سازه های هوشمند نوآورانه در سازه های عمرانی در دهه 1970 شد. این موضوع به طور پیوسته با پیشرفت تحقیقات در این زمینه و آزمایشهای عملی، مورد پذیرش قرار گرفت و نشان داد که راهی مطمئن برای حفاظت سازه ها در برابر باد و زلزله می باشد.