استفاده از کامپوزیتها در ساخت و ساز

1- Fiber Reinforced Polymer : (FRP)

ساخت و ساز یکی از بزرگترین بازارهای کامپوزیت ها در جهان است. کامپوزیت های ساختمانی در ساخت سقف کاذب، درب و پنجره، نماکاری ساختمان، پارتیشن بندی، پوشش بام منزل و … استفاده می شوند و نقش بزرگی را در بهبود عملکرد، کارآمدی، صرفه جویی در انرژی و هزینه ایفا می کنند. رشد بازار کامپوزیت ها در ساخت منازل مسکونی در نواحی از جهان شامل اروپا و آمریکای شمالی کاهش داشته است ولی در چین و سایر بخش های آسیا رو به رشد است.

دلیل وسعت استفاده از کامپوزیت های FRP در صنعت ساختمان، مزیت هایی است که کامپوزیت ها نسبت به مواد ساختمانی قدیمی دارند، که شامل:

وزن کمتر: که ضمن آسان تر نمودن نصب قطعات حین کار، هزینه های نصب و حمل ونقل را کاهش می دهد و نیاز کمتری به سازه های نگهدارنده دارد
مقاومت عالی در برابر خوردگی و پوسیدگی
کاهش هزینه های ناشی از افزایش طول عمر
نیاز کمتر به نگهداری و تعمیر
آزادی طراحی بیشتری و امکان ایجاد اشکال پیچیده تر

با توجه به همه مزایا و فرصت های رشداین صنعت امروزه در محدوده ی سرزمینی خاورمیانه شرکت های ساخت و ساز و معماری اغلب مواد مهندسی غیرکامپوزیتی را عرضه و مصرف می کنند. لذا متخصصین حوزه ی کامپوزیت با مجهز کردن خود به علوم ساخت سازه های ساختمانی فرصت رشد زیادی در بازار خاورمیانه دارند. در این نوشتار ضمن معرفی برخی شرکت های فعال در این زمینه به معرفی برخی کاربردهای کامپوزیت ها در صنایع ساختمان پرداخته می شود.

2-مهندسی هزینه ها و مصرف مواد با جایگزینی کامپوزیت های FRP:

از شرکت های مطرح در این شاخه تخصصی می توان به شرکت انگلیسی Optima Projects Ltd اشاره کرد که در طراحی و آنالیز مواد FRP به جهت جایگرینی سازه های مهندسی شده پیشرفته به جای مواد و مصالح سنتی فعالیت می کند. در شرح فعالیت های این مجموعه می توان گفت همه سازه های نگهدارنده را در طراحی در نظر می گیرد و مقدار مواد درست را برآورد کرده، تا مواد و هزینه های ساخت را تا حد امکان کاهش دهد.

این شرکت می خواهد ساخت سازه های نوع پوسته (shell-type) مانند سقف استادیوم و سایر سازه هایی که برای فضاهای باز بزرگ، بدون نیاز به چارچوب های داخلی و آستری ها را توسعه دهد. به ادعای مدیر عامل این شرکت آنها قادر به خلق سازه های پوسته ای با فاصله تکیه گاه 200 یا 300 متر هستند و تقریبا یک دوم وزن برآورد شده از مواد سنتی را دارند.

در بیان مثالی دیگر از تلاش های شرکت Optima Projects Ltd می توان گفت، این شرکت در طی همکاری با شرکت های عمرانی خاورمیانه چارچوب های داخلی و سازه های نگهدارنده که بیشتر از فولاد ساخته می شود را با سازه های کامپوزیتی جایگزین نموده است.

یکی دیگر از فعالیت های بزرگ این شرکت توسعۀ مواد ساختمانی جدید پروژۀ 24 ماهۀ FACOMP با هدف ایجاد بخش هایی از دیوارهای curtain walls با استفاده از نانوکامپوزیت ها بود که معمولاً برای نمای خارجی ساختمانها و به عنوان جایگزینی برای آلومینیوم و فولاد استفاده می شوند. هدف این پروژه آن بوده است که نانوکامپوزیت هایی با انعطاف پذیری بیشتر در طراحی، وزن کمتر، نصب آسان، مقاومت خوردگی و عملکرد مکانیکی زیاد و مقاومت خوب در برابر آتش به ارمغان آورند.

3-ساخت سریع ساختمان و صرفه جویی در مصرف انرژی:

از با خبران صنعت ساختمان سازی پوشیده نیست که با استفاده از این پنل های پیش ساخته می توان خانه ای استاندارد را طی مدت یک تا سه روز ساخت. شرکت Innovida Holdings سازنده جهانی پنل های کامپوزیتی در فلوریدا، مواد و فرآیندهای خاصی را برای ساخت سریع خانه های بادوام و کارآمد از نظر مصرف انرژی (energy efficient) ارائه نموده است. این شرکت با استفاده از فناوری خاص خود پنل های کامپوزیتی لیفی(FCPs) را تولید می کند. پنل های FCP این شرکت عایق بوده و تحمل بار خوبی دارند که بدون نیاز به چوب، بتن یا فولاد هم از نظر مصرف انرژی کارآمد هستند و هم زمان و هزینه ساخت را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.

این پنل ها از پوسته ای محکم (structural skins) از جنس پارچه های الیاف شیشه ی نوع E (با استحکام بالا) آغشته شده به رزین اپوکسی به صورت مقاوم در برابر آتش با هسته داخلی به شکل فوم ساخته شده اند. از این پنل ها در ساخت دیوارهای درونی و بیرونی، تیر، ستون، پروفیل ها و پنل های سقف استفاده می شود. محاسبات بار برای دیوارهای درونی به گونه ای است که به عنوان المان های نگهدارنده عمل کرده و نیاز به تیرها را در بسیاری طراحی ها از بین می برد.

این شرکت در ساخت المان های ساختمانی FCP پیش ساختۀ خود از پنل های استاندارد برای پنجره ها، راهروها، زوایا و انحناها Cut-outs استفاده می کند. در محل ساخت برای اتصال و نصب FCPs نیز از Innovida Bond استفاده می شود که نوعی جوش شیمیایی قوی است و بر اساس ادعای شرکت نمی تواند با اتصالاتی مانند پیچ و میخ برابری کند. (شکل 1)

شکل 1- پنل های کامپوزیتی شرکت InnoVida که بدون نیاز به پیچ یا میخ و با استفاده از InnoVida Bond به هم متصل می شوند و اتصال شیمیایی قوی به وجود می آورند.

4-ستون های پالترود شده برای قاب بندی ساختمان (Pultruded framing studs)

شرکت Composite Building Structures (CBS) در فلوریدا ستونهای Egis® به شکل I را برای دیوارۀ چارچوب ها و سازه های سقف تولید می کند (شکل 2).

شکل 2- میلگردهای پالترود شده شرکت CBS با نام تجاری Egis®

این ستون های کامپوزیتی در ابعاد cm 5 × cm 10 و از رزین اپوکسی و روینگ الیاف شیشه ساخته می شوند.(در صورت علاقه مندی به تهیه این مواد کافیست روی عبارت آن کلیک بفرمایید تا وارد صفحه فروشگاهی این محصول شوید) صفحات سیمانی با استفاده از پیچ هایی از جنس فولاد ضد زنگ به چارچوب کامپوزیتی متصل می شوند و پنل های حاصل به محل ساختمان سازی منتقل می شوند. ساختمان سازان می توانند پنل ها را به شکل صفحات دریافت کنند یا به صورت واحدهای کامل با پنجره ها، درب ها، مجرای سیم برق و عایق در محل تحویل بگیرند.

مطابق ادعای شرکت CBS، هر کار گروه پنج نفری از این شرکت می توانند خانه ای به مساحت حدود m² 180 را تنها در یک روز برپا کنند. دو کارخانۀ متعلق به این شرکت قادر به ساخت 7200 خانه در سال هستند. به گزارش CBS ستون های تولیدی این شرکت محکم تر از فولاد و سبک تر از چوب هستند. همچنین وزن یک چارچوب ساختمانی CBS کسری از وزن الوار مورد استفاده در قاب بندی است و قیمت آن قابل مقایسه با قاب بندی چوبی است.

5-شرکت های سازنده سقف ها و پنل های دیوار FRP

در انگلستان شرکت Normanton Laminating Services بیش از 30 سال در تولید پنل های کامپوزیتی سابقه دارد. پنل های تولیدی این شرکت در آستری های داخلی، پوشش های خارجی و پوشش (screening) ساختمان های صنعتی و تجاری و پنل های عایق ساختمانی به کار می روند.

شرکت (ICI) Innovative Composites International پنل های ترموپلاستیک آمادۀ استفاده با نام تجاری Structure-Lite^TM تولید می کند. این پنل ها ساختار ساندویچی دارد که پوستۀ آن از پلی پروپیلن تقویت شده با شیشه و هسته ای لانه زنبوری است. این پنل ها که در دیوار و سقف خانه ها کاربرد دارند به گونه ای طراحی شده اند که در برابر پوسیدگی، طوفان و زلزله مقاوم هستند و نیز دافع کپک و حشرات می باشند. به گفتۀ شرکت ICI پنلی با مساحت cm2 155 و ضخامت cm 27/1 می تواند kg 258 وزن را تحمل کند که دو برابر وزن قابل تحمل لمینیت چوبی با همین ضخامت است. این درحالی است که پنل مذکور کمتر از نصف وزن لیمنیت چوبی هم ضخامت خود را دارد. این پنل ها را می توان مطابق نظر خریدار و قبل از استفاده تزیین و رنگ نمود.

شرکت فعال دیگر در این حوزه Composite Panel Solutions در نیویورک است که انواع محصولات و پنل های ساندویچی چند لایه را برای کاربردهای درونی و بیرونی ساختمان عرضه می کند. پنل های ویژه این شرکت شامل خط تولیدی است برای کف اتاق کامپیوتر که با استفاده از چند لایه های پیش آغشتۀ شیشه برای رویه و هستۀ لانه زنبوری Nomex^® ساخته شده است. گفته شده که این پنل ها هدایت الکتریکی و گرمایی کمی دارند، دارای مقاومت ضربه و سایش خوب و نیز نسبت استحکام به وزن عالی هستند.

در نمایشگاه تجاری صنعت ساختمان در برزیل در سال 2010، FEICON BATIMAT، خانه ای از جنس مواد کامپوزیتی FRP نمایش داده شد. دیوارهای کامپوزیتی این خانۀ 37 متر مربعی از پنل های ساندویچی با هستۀ فومی و رویۀ پلی استر، پلی استایرن و پلی یورتان تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده بود.(در صورت علاقه مندی به تهیه این مواد کافیست روی عبارت آن کلیک بفرمایید تا وارد صفحه فروشگاهی این محصول شوید) این پنل ها با استفاده از چسب های ساختاری به هم متصل شده بودند. به گزارش انجمن مواد کامپوزیتی برزیل که مجموعه ای از شرکت های تولید کننده کامپوزیت است، از کامپوزیت ها می توان در تولید درب ها و کف حمامِ box-type نیز استفاده کرد.

6-آزادی طراحی

کامپوزیت ها به میزان زیادی در بیشتر ساختمان های تجاری برای افزودن ویژگی های هنری در معماری استفاده می شوند. همانطور که در مجلۀ Reinforced Plastics شمارۀ می و جولای 2010 آمده است نمای خارجی هتل جدید Sheraton در میلان ایتالیا به شدت مدیون رویۀ انحنادار خارجی آن است که از کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده است (شکل 3).

شکل 3- نمای بیرونی هتل Sheraton در میلان

نمونۀ دیگر در نمایشگاه World Expo در شانگهای دیده شد. در این نمایشگاه، طراحی ابتکاری غرفۀ مصر آن را از بقیه متمایز ساخته بود. بخش های درونی و بیرونی انحنادار ساخته شده و ورودی غرفه به صورت کمانی بود. این طراحی با استفاده از کامپوزیت های تقویت شده با شیشه و مقاوم در برابر آتش که به صورت لایه گذاری دستی ساخته شده بودند حاصل شده بود. سقف غرفۀ دیگری در همین نمایشگاه از پنل های FRP نیمه شفاف ساخته شده بود که اجازۀ عبور نور طبیعی تا 90 درصد را داده و نیاز به روشنایی برقی را کاهش داده بود. پنلهای سقف حدود m² 16,000 را پوشش داده و از رزین Aropol^TM تقویت شده با شیشه ساخت شرکت Ashland Performance Materials تولید شده بود.

همچنین شرکت DIAB AB تأمین کنندۀ جهانی کامپوزیت های ساندویچی با همکاری شرکت سوئدی Skandinaviska Glassystem AB (SG) نوعی روش برای اجرای نمای بیرونی با سه درجه آزادی را در اوایل 2010 عرضه کرد. این روش آزادی خلق نماهای جدید را به طراحان و معماران می بخشد.(شکل-4)

شکل 4- برخی از محصولات شرکت DIAB AB

شرکت هلندی Trespa International BV با 50 سال سابقه در ساخت پنل های بیرونی از فناوری های خاصی جهت ساخت پنل های بادوام برای پوشش های بیرونی، نماهای تزیینی و سطوح داخلی استفاده می کند. سال 2010 مسابقه ای را برای دعوت طراحان معماری برای ارسال طرح های جدید برای نمای خارجی برگزار شد که شرکت فوق حمایت مالی آن را بر عهده گرفت. پنل های Trespa Meteon ساخت این شرکت، ورقه های تزئینی فشار بالا هستند که جنبه زینتی داشته) (شکل 5)

شکل 5- پنلهای Trespa Meteon ساخت شرکت هلندی Trespa International BV

7-رشد تقاضا برای Wood Plastic Composite (WPC):

در بررسی کاربرد کامپوزیت های چوب-پلاستیک (WPC) در ساختمان سازی می توان به decking در ایالات متحده اشاره کرد که بیشترین تقاضا را برای WPC دارد. در همین راستا شرکت PolyOne Corp واقع در Ohio در ایالات متحده محصولی را با نام SmartbatchTM WPC در سال 2010 ارائه کرد و تا به امروز این شرکت سعی می کند با استفاده از مواد افزودنی و رنگ ها، عملکرد و کاربرد کامپوزیت های الیاف طبیعی را بهبود بخشند.

8-مواد جدید FRP برای سکو (deck)

شرکت LifeTime Composites با استفاده از پلی یورتان تقویت شده با خاکستر بادی بازیافتی (recycled fly ash) که مادۀ معدنی بی خطری است و از سوخت زغال سنگ در کارخانه های تولید برق بازیابی می شود، تخته های اکسترود شده ای را تولید کرده است. (شکل 6)

شکل 6- تخته های کامپوزیتی شرکت LifeTime Composites

این محصول برای decking، نرده، تخته سرسره یا حوض (dock board) و سایر کاربردهایی غیرساختاری (جایی که نیاز به تحمل نیروی زیادی نباشد) استفاده می شود. کار با این پروفیل ها مانند کارکردن با چوب است و اتصال آنها با پیچ و میخ انجام می شود. گفته شده هنگامی که از این مواد در کاربرد deck استفاده شود در مقایسه با سایر کامپوزیت ها به مقدار ماده و کار کارگری کمتری احتیاج دارد زیرا فاصله تیرک ها بیشتر و برابر cm 60 قرار داده شده است.

شرکت GAF Materials Corp بزرگترین سازنده سقف در آمریکای شمالی است. مجموعۀ DuraLifeTM Natural Grain این شرکت شامل تخته های deck اکسترود شده با پلی اتیلن سنگین و الیاف پوست برنج (rice hull) است و در چهار رنگ موجود می باشد. (شکل 7)

شکل 7- تخته های DuraLifeTM اکسترود شده با پلی اتیلن سنگین و الیاف پوست برنج

شرکت Trex یکی دیگر از تولید کنندگان محصولات WPC در ایالات متحده است. محصول Trex TranscendTM برای خط ریلی و decking استفاده می شود و از پلی اتیلن پرشده با الیاف چوب ساخته شده است. به ادعای این شرکت، مزیت این محصول رویۀ یکپارچۀ آن است که آن را 2 تا 3 برابر ضخیم تر از سایر محصولات این شرکت نموده است.(شکل 8)

شکل 8- برخی از WPC های تولیدی شرکت Trex

کامپوزیت های FRP در ساخت سقف نیز نقش دارند. شرکت CertainTeed یکی از تولیدکنندگان این محصولات است. محصول SymphonyTM این شرکت، کامپوزیتی به شکل تخت سنگ (slate) است که حس تخته سنگ طبیعی را به وجود می آورد. این محصول که سبک تر و بادوام تر از سنگ طبیعی است، کامپوزیت پلیمری مهندسی شده با ضخامت 15 تا cm 30 است و در سه آمیختۀ رنگی پایدار موجود است. گفته شده که کاشی های تهیه شده از این کامپوزیت مناسب برای جایگزین کردن سقف خانه های تاریخی، کلیساها و سایر مکان های خاص هنری است و هزینه نصب آن بسیار کمتر از سنگ طبیعی است.

9-تعمیر سازه های فولادی

یکی دیگر از کاربردهای کامپوزیتهای FRP در ساخت وساز در تعمیر سازه های آسیب دیده و تقویت سازه های موجود است. 15 مؤسسه در 8 کشور اروپایی سامانه پچ کامپوزیتی را ایجاد کرده اند که Co-Patch نامیده می شود و برای کاهش هزینه های نگهداری برج ها، پله ها و سایر سازه های فولادی بزرگ قابل استفاده است. همچنین برای زیرساخت های عمرانی، کشتی ها و صنایع هوایی قابل استفاده است. یک پچ کامپوزیتی با کاهش تنش، ترک ها را به دام انداخته و عمر مفید سازۀ تعمیر شده را افزایش می دهد.

زمینۀ دیگر تقویت بتن با کامپوزیت های FRP است که گروه صنعتی Vector Construction در کانادا این کار را انجام می دهند.

میلگردهای کامپوزیتی نیز مشکلات تخریب سازه ها را که ناشی از خوردگی میلگردهای فولادی است حذف می کند. میلگردهای کامپوزیتی که توسط شرکت های مختلفی تولید می شود، مقاوم در برابر خوردگی، سبک و دارای استحکام مکانیکی و عملکرد مکانیکی عالی هستند. برای مثال میلگردهای کامپوزیتی V-ROD توسط متخصصان پالتروژن در شرکت کانادایی Pultrall Inc و از سال 1987 تولید می شود.

وزن این میلگردها یک چهارم فولاد است. به گفتۀ این شرکت با در نظر گرفتن هزینه ها در طول عمر استفاده از این میلگردها، 25 درصد کاهش هزینه ها در مقایسه با نمونه های فولادی حاصل خواهد شد. نمونۀ دیگرِ میله های کامپوزیتی، C-Bar ساخت شرکت Marshall Composites است که گفته شده است در حالی که وزن آنها یک چهارم فولاد است، استحکام کششی 5/1 برابر فولاد دارند (شکل 9).