مهندسی عمران یکی از بخش‌های حیاتی است که زندگی بسیاری را تحت تأثیر قرار داده و همچنان بر آن تأثیر گذاشته است. در تمام مراحل زندگی روزمره ما، از ساخت و ساز ساختمان گرفته تا پل ها، سدها، جاده ها، برج ها، مراکز ذخیره سازی، و سایر خدمات شهری یا اجتماعی، می گذرد. همچنین وظیفه حفظ و بهبود چنین امکاناتی را بر عهده دارد. مهندسی عمران بر برنامه ریزی، طراحی، ساخت و نگهداری کارهای عمومی مختلف مانند جاده ها و بزرگراه ها، سازه ها، راه آهن و آبراه نظارت می کند. این شاخه از مهندسی با ساخت سازه های مهم، سیستم ارتباطی اصلاح شده و پروژه های متعدد دیگر، جامعه را همواره در موقعیت اعتلای نگه می دارد.
با وجود آنکه بسیاری آن را قدیمی‌ترین و حیاتی‌ترین شاخه مهندسی می‌دانند، امروزه اما کمتر کسی با پیشرفت های این حوزه آشنایی دارد؛ در این مطلب قصد داریم تا بدیع ترین پیشرفت های این حوزه را در ساده ترین زبان معرفی نماییم.
بتن خود ترمیم شونده
بتن برای محیط زیست بسیار خطرناک است زیرا مقدار زیادی دی اکسید کربن تولید می کند. به همین دلیل است که متخصصان آموزشگاه فنی به دنبال وسیله ای برای کمک به مهندسان عمران و اطراف هستند به همین دلیل، مهندسان عمران بتن خود ترمیم شونده حاوی باکتری را در مخلوط بتن توسعه دادند. باکتری ها با ورود آب به شکاف ها رشد می کنند و سنگ آهکی می سازند که قبل از شروع خوردگی، شکاف را پر می کند.
توانایی بتن در ترمیم نیاز به شناسایی و ترمیم ترک هایی را که در غیر این صورت ممکن است منجر به خوردگی آرماتور و خراب شدن بتن شود را کاهش می دهد. این باعث کاهش هزینه ها می شود و در عین حال دوام را افزایش می دهد.
بتن سنتی اگر با آب در تماس باشد مکانیسمی برای خود ترمیمی دارد که به آن ترمیم خودزا می گویند. هنگامی که آب با سیمان هیدراته نشده تماس پیدا می کند، هیدراتاسیون بیشتر اتفاق می افتد و ترک را بهبود می بخشد. با این حال، تحقیقات اخیر با هدف افزایش خواص خود ترمیمی بتن انجام شده است.
بتن های خود ترمیم شونده نیاز به شناسایی و ترمیم ترک ها را کاهش می دهند و یکی از راهبردهای مقابله با خطر خوردگی هستند. این دارای مزایای اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی است، زیرا غلبه بر/کاهش نیاز به نگهداری و/یا افزایش طول عمر باعث کاهش اختلال و همچنین هزینه و استفاده از مواد می شود.
بتن خود ترمیم کننده دسته ای از مواد هوشمند است که از نظر ساختاری توانایی ترمیم آسیب های ناشی از استفاده مکانیکی در طول زمان را دارد. در بتن زنده از باکتری استفاده می کنیم که به آن بتن باکتری می گویند. باکتری هایی که برای خود ترمیم ترک ها استفاده می شوند، باکتری های تولید کننده اسید هستند. باکتری ها به عنوان یک کاتالیزور در فرآیند بهبود ترک عمل می کنند.
پلیمرهای سوپرجاذب (SAP) یا هیدروژل‌ها که می‌توانند مقدار زیادی سیال (حداکثر 500 برابر وزن خود) را بگیرند و بدون حل شدن آن را در ساختار خود حفظ کنند. هنگامی که ترک ایجاد می شود، SAP در معرض محیط قرار می گیرد و متورم می شود و تا حدی ترک را آب بندی می کند. پس از تورم، ذرات SAP جذب شده و سیال را برای پخت داخلی، هیدراتاسیون بیشتر و رسوب CaCO3 به ماتریکس اطراف می‌رسانند. به این ترتیب ممکن است ترک ها کاملا بسته شوند
میکروارگانیسم هایی که کربنات کلسیم را رسوب می دهند. این موجودات پس از تثبیت بر روی خاک دیاتومه در میکروکپسول ها یا در SAP در ماتریکس بتنی جاسازی می شوند و هنگامی که یک ترک ایجاد می شود شروع به رسوب CaCO3 می کنند. از طریق این فرآیند، سلول باکتری با لایه ای از کربنات کلسیم پوشانده می شود و در نتیجه ترک پر می شود.
پلیمرهای کپسوله شده که در حین ترک شکسته می شوند و محتوای خود را آزاد می کنند. به دلیل عملکرد مویرگی، عامل به داخل ترک جریان می یابد. پس از واکنش، صورت های ترک به هم متصل می شوند و ترک را التیام می بخشند.
مزایای بتن خود ترمیم شونده:
- می تواند دهه ها یا قرن ها طول بکشد. این بزرگترین مزیت بتن خود ترمیم شونده است. این تضمین می کند که ما هرگز مجبور نخواهیم شد دوباره سطح بتنی شما را در طول عمر آن جایگزین کنیم.
- بتن خود ترمیم شونده نگهداری بتن را کاهش می دهد. در بتن معمولی باید ترک ها را پر و آب بندی کنید. اما لازم نیست با بتن خود ترمیم شونده این کار را انجام دهید یا نگران آن باشید
- بهبود مقاومت فشاری بتن
معایب بتن خود ترمیم شونده:
- یکی از بزرگترین معایب آن در حال حاضر هزینه آن است. در مقایسه با بتن معمولی گران است. شاید در آینده زمانی که بتن خود ترمیم شونده رایج شود، هزینه کاهش یابد. اکنون کاملاً نادر است.
- هنوز بسیاری از پیمانکاران نمی دانند که چگونه از این محصول استفاده کنند. از آنجایی که این محصول جدید است، بسیاری از مردم ایده ای برای استفاده از آن ندارند.
- هیچ کدی برای استانداردسازی بتن خود ترمیم شونده وجود ندارد.
پرینت سه بعدی در مهندسی عمران
مدل‌سازی اطلاعات ساختمان در طول سال‌ها نوآوری‌های جالب و شگفت‌انگیزی در دنیای علم وجود داشته است، اما تعداد کمی از آنها ممکن است تأثیر طوفانی را مانند چاپ سه بعدی داشته باشند که به مقیاس اصلی تبدیل شود. هجوم اینترنت در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم منجر به بسیاری از چیزهای جذابی شد که ما اکنون از آن لذت می بریم، از جمله فناوری بلاک چین، تجزیه و تحلیل داده ها، جلسات مجازی و … . و با این حال بسیاری بر این باورند که چاپ سه بعدی فناوری ای بزرگتر خواهد بود، به خصوص برای مهندسی عمران.
کاربردهای پرینت سه بعدی در مهندسی عمران
با ارزش ترین ویژگی پرینت سه بعدی، توانایی آن در ایجاد آسان پیچیده ترین اشکال هندسی است. و لایه های افزودنی را برای تشکیل ساختار ایجاد کنید. با این ویژگی هر چیزی که در آموزش اتوکد ایجاد شده است امکان ساختنش فراهم است و سرعت ساخت آنها، باعث پیشرفت دوره مهندسی عمران می شود.
- بهبود در شیوه های ساخت پل: وقتی اولین پل بتنی در سال 2017 در هلند به روی کاربران باز شد یا زمانی که شانگهای چین طولانی ترین پل سه بعدی (26 متر در 450 ساعت) را چاپ کرد، هیچ کس انتظارش را نداشت. این پل ها نقطه عطف مهمی در نبردی بودند که در حال تبدیل شدن به یک نبرد امکان پذیر بود. این به دنیا نشان می دهد که تولید افزودنی می تواند سطوح بالاتر توسعه انسانی را باز کند، از جمله؛ پل های اضطراری ساخته شده در چند ثانیه، واکنش سریع به بلایا و بسیاری موارد دیگر.
- بهبود راه ها و تکنیک های نگهداری: امروزه حمل و نقل جاده ای همچنان مهم ترین و محبوب ترین وسیله حمل و نقل است. مهندسان عمران همچنان به تحقیق و بکارگیری روش ها و تکنیک های مختلف در بهبود استانداردهای جاده ها، پل ها و سایر سازه ها ادامه می دهند. هنگام کار در جاده ها، مواد و روش های سنگین مورد استفاده اغلب منجر به ازدحام و ناراحتی جدی می شود. با این حال، پیشرفت‌هایی برای استفاده از قیر، آسفالت و موارد دیگر در پرینت سه بعدی در حال انجام است.
- بهبود ابزار برای تجزیه و تحلیل و حسگر: برای بهبود جاده‌ها، پل‌ها و دیگر طرح‌های ساختمانی، مهندسان عمران اغلب به سنسورهای فیبر نوری وابسته هستند. در حالی که این حسگرها برای مهندس مهم هستند، نصب آنها در سازه ها نیز هزینه بر است و اغلب با مصالح ساختمانی مورد استفاده سازگار نیستند. با این حال، پیشرفت در چاپ سه بعدی یک بسته بندی چاپ سه بعدی ساده برای سنسورها ایجاد کرده است. این بسته بندی ها نه تنها برای تقریبا تمام مصالح ساختمانی مناسب هستند، بلکه نصب آن ها نیز ساده است. هنگامی که این حسگرها و دستگاه ها به طور کامل توسعه یافته و منتشر شوند، به مهندسان عمران کمک می کند تا تجزیه و تحلیل مناسب و دقیقی از سازه ها انجام دهند.
- کاهش ضایعات و هزینه در ساخت و ساز: هر ساله میلیاردها دلار به دلیل ضایعات ساخت و ساز در سراسر جهان از دست می رود، که یکی از معایب بسیاری از فرآیندهای تولید سنتی است. و برخی از این زباله ها اجزای اصلی تخریب بیولوژیکی زمین هستند. تولید افزودنی تقریباً صفر زباله در طول فرآیند ساخت و ساز تولید می کند. علاوه بر این، حتی شکل های پیچیده تری نسبت به هر یک از فرآیندهای تولید ذکر شده در بالا ایجاد می کند. اکثر ماشین‌ها، ساختمان‌ها و سایر سازه‌های ساخته شده با چاپ سه بعدی هر بار با هزینه‌های بسیار کمتری به دست می‌آیند. و پیشرفت مداوم در این زمینه به کاهش این قیمت ها ادامه خواهد داد.
- دستیابی به اشکال پیچیده تر در طراحی ها و ساخت و سازها: فقط می توان تصور کرد که در گذشته چند طرح به دلیل پیچیده بودن یا هزینه بر بودن تولید کنار گذاشته شده اند. با این حال، پیچیدگی در اشکال یکی از جالب ترین ویژگی های چاپگرهای سه بعدی است. این امکان را برای نوآوری، انعطاف پذیری بیشتر، تنظیمات در طراحی فراهم می کند و مهمتر از همه، آن را مقرون به صرفه تر می کند. این به عنوان یک فتوکپی کامل از آنچه در نقاشی ها می بینید، فقط این بار بیرون می آید. ملموس می شود
- ساخت و ساز در دوره های کمتری انجام شود: اگرچه پیشرفت‌ها در برخی از فناوری‌ها/روش‌های مورد استفاده مهندسان عمران، دوره‌های ساخت و ساز را به میزان زیادی کاهش داده است، اما هنوز هم برای رشدی که قصد داریم به آن دست یابیم کمی کند است. از طریق پرینت سه بعدی، زمین های تجهیزات پزشکی، خانه ها و سایر امکانات موقت در حال ساخت هستند. با پرینت سه بعدی، طراحی قطعات پیچیده تر و دشوارتر در دوره های کمتر بسیار امکان پذیر شده است.
ساخت و ساز مدولار
ساخت مدولار برخلاف سازه‌های ساخته شده به‌طور سنتی، به دلیل اینکه ساختمان خارج از محل، در یک محیط کارخانه کنترل‌شده، با استفاده از مصالح و طرح با رعایت قوانین و استانداردهای یکسان ساخته می‌شود، می‌تواند تقریباً در نیمی از زمان به پایان برسد. علاوه بر این، ساخت و ساز مدولار را می توان با هزینه کمتری نسبت به سازه های ساخته شده سنتی تکمیل کرد.
ماژول‌های پیش‌ساخته یک ساختمان ساخته می‌شوند و پس از مونتاژ در محل، به‌طور بی‌نقصی با هدف اصلی طراحی و الزامات خاص سایت، حتی آنهایی که در پیشرفته‌ترین تأسیسات مرسوم هستند، مطابقت دارند. این امکان پذیر است زیرا ماژول های پیش ساخته یک ساختمان در یک کارخانه ساخته می شوند.
با استفاده از ساخت و ساز مدولار، ساختار ساختمان قبل از انتقال به منطقه ای که قرار است مونتاژ شود، در یک کارخانه ساخته می شود. این چارچوب برای ادغام طیف گسترده‌ای از سبک‌ها و چیدمان‌های معماری باز است.
مزایای ساخت و ساز مدولار
- صرفه جویی در زمان: ساخت و ساز مدولار مزایای بسیاری دارد، یکی از آنها این است که اجازه می دهد تا اکثر کارها در یک کارخانه انجام شود، در حالی که کارهای در محل مانند پی ریزی فونداسیون را می توان به طور همزمان انجام داد. صرفه جویی در زمان ناشی از این افزایش کارایی نیز به حفظ پروژه در مسیر خود کمک می کند. با اتخاذ رویکرد مدولار، ممکن است 30 تا 60 درصد در زمان صرفه جویی شود.
- عدم امکان تاخیر آب و هوا: علاوه بر این، از آنجا که ماژول ها در یک محیط کنترل شده با آب و هوا ساخته می شوند، از تأخیر در ساختمان به دلیل آب و هوای بد عمدتاً جلوگیری می شود. این کار علاوه بر ایمن‌تر و راحت‌تر کردن محل کار، به افزایش بهره‌وری و تضمین کیفیت بالاتر نتیجه نهایی کمک می‌کند. علاوه بر این، کفپوش ها، کابینت ها، پیشخوان ها، لوله کشی، وسایل برقی و لوازم خانگی معمولاً قبل از ارسال به سایت در ماژول ها نصب شده اند.
- بدون نیاز به نگهداری مواد: قابلیت ذخیره آسان مصالح یکی دیگر از مزایای ساختمان مدولار است. صحنه‌سازی و جابجایی مواد می‌تواند چالش برانگیز باشد، همانطور که در یک محیط شهری متراکم مانند فیلادلفیا وجود دارد. این منطقه را به هم می ریزد، بهره وری را کاهش می دهد و مسائل امنیتی را بالا می برد. ماژول ها را می توان خارج از محل در یک محیط کنترل شده ساخت و کارگاه های ساخت و ساز را برای کارگران ایمن تر و راحت تر می کند.
- هزینه های نیروی کار کمتر: در برخی محافل، اقتصاد کار بحث برانگیز است. کارگران ماهر ساختمانی کمیاب هستند و پروژه های توسعه شهری را گران می کند. این مسائل را برای هر کسی که سعی در ساخت به موقع و با بودجه دارد ایجاد می کند. ساخت و ساز مدولار متخصصان مورد تقاضا را در یک نقطه نگه می دارد، جایی که می توانند ایمن تر کار کنند. کارخانه های مدولار می توانند با ارائه دسترسی آسان به مواد خام و ارتباطات لجستیکی، مانند بزرگراه ها و خطوط ریلی، افراد رقابتی را جذب کنند. صرفه جویی در هزینه نیروی کار از چند تا 25 درصد امکان پذیر است.
مصالح ساختمانی پیشرفته
در اغلب موارد، مواد و فناوری به عنوان دو نهاد متمایز در دوره عمران در نظر گرفته می شوند. با این حال، ما اکنون یک گام رو به جلو برداشته ایم تا مواد معمولی را با خود فناوری برای تولید مصالح ساختمانی پیشرفته ترکیب کنیم. این مواد جدید علاوه بر کارایی بالا، از نظر زیست محیطی نیز پایدار هستند.
این مواد جدید معماران را قادر می‌سازند تا طرح‌هایی نزدیک‌تر به دیدگاه‌های خود ایجاد کنند و مهندسان سازه‌هایی را به اشکال و تکنیک‌های ساخت‌وساز که قبلاً دیده نشده‌اند بسازند. بسیاری از مصالح ساختمانی که امروزه به آنها تکیه می کنیم، از منابع تجدید ناپذیر و تجدیدپذیر ساخته شده اند. مواد تجدید ناپذیر خطر تخلیه دیر یا زود در آینده را به همراه دارند. مواد تجدید پذیر بهتر عمل می کنند، اگرچه ممکن است در فرآیند به دست آوردن این مواد از طبیعت به محیط زیست آسیب برسانیم.
این مواد پیشرفته با تحقیق و تجزیه و تحلیل فشرده برای حل مسائل مختلفی که امروزه در ساخت و ساز با آن مواجه است، توسعه یافته اند. بسیاری از آنها هنوز به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار نگرفته‌اند، اما می‌توان انتظار داشت که با مقرون به صرفه‌تر شدن و در دسترس‌تر شدن مواد، این تغییر کند.
- گرافن : گرافن ماده ای قوی و سبک وزن است که اغلب در ریزتراشه ها و حسگرها استفاده می شود. چندین تحقیق نیز ثابت کرده اند که افزودن گرافن می تواند استحکام یک ماده را افزایش دهد. متأسفانه گران است و از این رو علیرغم قابلیت هایی که دارد چندان مورد استفاده قرار نگرفته است. با این حال، اکنون محققان موفق شده اند گرافن چاپ سه بعدی را با استفاده از هیدروژل اکسید گرافن به عنوان رزین چاپگر توسعه دهند. با این حال، این محصول نهایی نیست. از گرافن چاپ سه بعدی می توان برای تقویت بتن استفاده کرد.
- الوار متقاطع (CLT): الوار متقاطع یک نوع چوب انبوه (چوب دست ساز یا مهندسی شده) است که به صورت لایه ای چسبانده می شود. همانطور که از نام آن پیداست، الوارهای متقاطع با چسباندن قطعات چوبی در لایه‌هایی که هر لایه عمود بر لایه قبلی است، به صورت تخته‌ای ساخته می‌شود. CLT به دلیل استحکام و همچنین سبک بودنش معروف است. ساخت آن با CLT آسان و سریع است زیرا می توان آن را خارج از محل ساخت و در محل مونتاژ کرد. استفاده از CLT در کنار فناوری که نقشه ها و مدل های دقیق را ارائه می دهد و می تواند ضایعات و نیروی کار مورد نیاز برای ساخت و ساز را کاهش دهد.
- بیوپلاستیک: اخبار مربوط به پلاستیک‌ها که باعث آسیب‌های گسترده به محیط‌زیست می‌شوند به سختی از دست می‌رود. نه تنها باید آنها را تمیز کنیم، بلکه باید استفاده از پلاستیک های تجزیه ناپذیر را نیز کاهش دهیم. یک راه حل مناسب بیوپلاستیک است. بیوپلاستیک معمولا از یک منبع گیاهی ساخته می شود. هنگامی که متلاشی می شود، کیفیت خاک را کاهش نمی دهد و به محیط زیست آسیب نمی رساند. در حال حاضر، بیوپلاستیک هنوز یک ماده ساختمانی رایج نیست، اما برای ظروف غذا و وسایل کوچکتر خانگی استفاده شده است.
- میسلیوم: میسلیوم ساختار ریشه مانند یک قارچ است و در چند سال گذشته موضوع مورد توجه صنعت ساختمان بوده است. این ماده به عنوان یک ماده آلی، قابل کمپوست است و تأثیرات منفی محیطی بسیار کمی دارد، و در صورت وجود، آن را به یکی از پایدارترین مواد از نظر اکولوژیکی تبدیل می کند. علاوه بر این، در برابر قالب و آتش مقاوم است و به عنوان یک ماده اولیه برای آجر آزمایش شده است.
- میله های کامپوزیتی: میله های رشته ای با استفاده از کامپوزیت های فیبر کربن در هر دو الیاف مصنوعی و معدنی و رزین ترموپلاستیک تولید می شوند. این در ژاپن برای ایجاد یک سیستم تقویت لرزه ای سبک وزن ساخته و آزمایش شده است. این بسیار سبک تر از میله های فلزی با طول و استحکام یکسان است در حالی که به همان اندازه مؤثر است. به عنوان سبک ترین آرماتور لرزه ای، استحکام کششی بالایی دارد و از نظر زیبایی نیز دلپذیر است. اولین استفاده از چنین متریالی را می توان در نمای کار کنگو کوما برای دفتر مرکزی کوماتسو سیرن مشاهده کرد.
- فیبر کربن: الیاف کربن که از رشته های کربن نازک بافته شده با هم برای ترکیبی مانند پارچه ساخته شده است، به طور کلی به عنوان جایگزینی برای فولاد سبک تر و قوی تر در نظر گرفته می شود.
- آلومینیوم شفاف: آلومینیوم شفاف از آلومینیوم عنصری خالص ساخته شده است در حالی که در دنیای واقعی آلومینیوم شفاف یک آلیاژ سرامیکی است. بسیار بادوام است و اعتقاد بر این است که در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاوم است، در حال حاضر به عنوان شیشه ضد گلوله و در سایر سیستم های امنیتی استفاده می شود. نکته منفی این است که گران است، بسیار بیشتر از شیشه ضد گلوله معمولی. با این حال، هنگامی که قیمت کاهش می یابد، می توان انتظار استفاده بسیار گسترده تری از این ماده شگفت انگیز را برای پنجره ها، نماها یا حتی سازه های زیر آب داشت. ممکن است این ماده مقرون به صرفه و بادوام باشد که امروزه صنعت ساخت و ساز ما به آن نیاز دارد.
این مصالح ساختمانی جدید و پیشرفته، فرصت های جدیدی را در صنعت برای آینده ای پایدارتر با ساخت و ساز کارآمد و آلودگی کمتر باز کرده است. اگرچه ممکن است برخی از این مواد هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگیرند، بدون شک نوآوری های تکنولوژیک سناریو را در آینده نزدیک تغییر خواهد داد.
منابع:
https://www.novatr.com/blog/advanced-construction-materials
https://www.gcelab.com/blog/modular-construction-and-types-of-modular-construction
https://www.mcneilengineering.com/applications-of-3d-printing-in-civil-engineeringhttps://civilwale.com/self-healing-concrete/
