Pametni materijali i njihova primjena u građevinarstvu

Danas, zbog oskudice odgovarajućih građevinskih materijala, primarna briga inženjera je da istraže nove napredne materijale koji nalaze svoju masovnu upotrebu u različitim inženjerskim aplikacijama. Za razvoj inovativnih materijala i njihovu upotrebu, inženjer mora izabrati najprikladniju tehnologiju, mora znati koja svojstva treba uzeti u obzir, kako se određuju, koja su njihova ograničenja, i treba inteligentno odabrati odgovarajući materijal za odgovarajuću upotrebu. Ova predviđanja nisu rezultat gledanja u kristalnu kuglu, već se zasnivaju na procjeni trenutnih istraživanja u vodećim laboratorijama za materijale širom svijeta.

Raspravljajući o mogućim materijalima sutrašnjice, nije dovoljno razmotriti trenutno istraživanje. U dinamičnom svijetu promjene političkih granica, smanjenja udaljenosti, širenja informacijskih  mreža i sve veće brige za okoliš, stavovi o proizvodnji i upotrebi materijala također će se promijeniti, vjerojatno radikalno. Svi aktuelni trendovi u istraživanju materijala ukazuju na mnogo efikasniju upotrebu odgovarajućih materijala u različitim oblastima inženjerske prakse u budućnosti.

Za materijale koji postaju oskudni, ovaj pristup je očigledan i istraživanje mora težiti pronalaženju alternativnih materijala koji bi zamijenili stare. Materijali budućnosti će biti proizvedeni efikasnije nego ikada prije, s naglaskom na manje operacija i mnogo manje gubitaka u proizvodnji konačnog oblika. Drugim riječima, sutrašnji materijal će pružiti osnovu proizvodne tehnologije koja je energetski svjesnija i ekološki odgovornija nego danas u smislu materijalne proizvodnje i primjene. Tako, ljudski napor da dostigne granice svog koncepta najdužeg, najvišeg i najdubljeg, doveo je do globalne potrage za nenadmašnom izvrsnošću u novim građevinskim materijalima.

Smanjena dostupnost stabilnih građevinskih materijala vrši pritisak na inženjere i dizajnere da razmisle o metodama korištenja čak i najsiromašnijih materijala. Pojavom napredne tehnologije, pametni materijali su revolucionirali svoju upotrebu u raznim građevinskim infrastrukturama. Danas se istraživači i dizajneri fokusiraju na pametne materijale za svoje jedinstvene osobine i performanse u građevinskim aplikacijama, kao i na širok spektar sektora, uključujući poljoprivredu, vazduhoplovstvo, pomorstvo, prehrambenu industriju i ambalažu, zdravstvenu zaštitu, sport i slobodno vrijeme, bijelu robu, energiju i okoliš, prostor i odbranu pomoću ugrađenih optičkih senzora.

Tehnologija pametnih materijala je relativno nova i zaista može stvoriti nove prilike i ima snažan inovativni sadržaj  i pokazuje izvanrednu sposobnost u obavljanju svoje dizajnerske funkcije. Pametni materijali su sposobni da osjete svoju okolinu i mogu se aktivirati kako bi obavljali svoje funkcije bilo u zatvorenoj petlji ili u otvorenosti. Mnogi istraživači su izvijestili o klasifikaciji i primjeni pametnih materijala u različitim projektima inženjerske infrastrukture, ali postoji potreba za pregledom primjene pametnih materijala u građevinarstvu.

Karakteristike pametnih materijala

Pametan materijal je onaj koji poseduje jedinstvene osobine i reaguje na promenu u okruženju. Općenito, pametni materijali postoje u dvije faze na različitim temperaturama, kao što su:

  1. Austenitna faza, koja postoji na visokoj temperaturi, i
  2. Martenzitna faza, koja postoji na niskoj temperaturi.

Zbog promjene temperature ili uvjeta opterećenja, pametni materijal ima mnogo jedinstvenih svojstava tokom transformacija između ove dve faze, kao što su efekat memorije oblika, efekat superelastičnosti i efekat dvosmjerne memorije, itd. Pametni materijali su sljedeća granica u inženjeringu i proizvodnji, koji su spremni da se pojave u širokom spektru industrijskih aplikacija. Primjena pametnih materijala i struktura nedavno je proširena na civilnu infrastrukturu jer je napredak u senzorizaciji, umrežavanju, stalnom praćenju i kontroli strukturnih funkcija ostvariv cilj.

Većina istraživanja fokusiranih na inteligentnu inženjersku konstrukciju bila je u sljedeća dva područja:

  1. Identifikacija ponašanja ili svojstava konstrukcija (npr. deformacija, potrošnja energije, procjena štete); i
  2. Kontrola konstrukcijskog odgovora na spoljašnje (npr. vjetar, zemljotres) ili unutrašnje (npr. akustične, temperaturne varijacije) podražaje.

Zbog složenosti građevinskih konstrukcija, kao što su masivne veličine, prisustvo nekonstruktivnih komponenti, podvrgavanje slučajnim pobudama i raznovrsna funkcionalnost, istraživanje inteligentnog građevinskog sistema postalo je izazovno i plodno područje istraživanja. Područje pametnih konstrukcija je novonastalo inženjersko polje koje je privuklo pažnju mnogih inženjera i akademika posljednjih godina.

Pametna konstrukcija uključuje senzore i aktuatore „pametnog materijala“, elektronsku obradu signala i napredne sisteme upravljanja kako bi proizveli odgovarajući odgovor aktuatora za određene ulaze senzora. Pametni materijali su materijali koji poseduju adaptivne sposobnosti za spoljne stimulanse. Takvi materijali uključuju materijale proizvedene tako da sadrže ugrađene računalne alate kao što su senzori i mikroprocesori, ali oni također uključuju nove klase konstrukcijskih materijala koji nude mogućnost revolucioniranja mnogih aspekata građevinskih konstrukcija.

Materijali visokih performansi mogu se uvesti kao građevinski medij za cijele strukture ili selektivno koristiti u kritičnim komponentama strukture. Primjeri prvih uključuju primjenu čelika, betona ili plastike ojačane vlaknima za konstrukcijske okvire, miješanje tla na bazi cementa za modifikaciju lokacije, itd. Primjeri mogu uključivati posebne zaštitne uređaje, kao što su seizmički izolatori i amortizeri, geosintetičke membrane, itd.

Ovi pametni materijali pružaju važnu priliku za projektovanje novih konstrukcija i rehabilitaciju starih ili oštećenih konstrukcija. Ovi materijali obećavaju lakše, jeftinije i trajnije konstrukcije od konvencionalnih materijala.

Potreba za pametnim materijalima

Smanjena dostupnost odgovarajućih građevinskih materijala vrši pritisak na inženjere i dizajnere da razmisle o metodama korištenja inteligentnih materijala. Razvoj ovih materijala pokrenuo je globalne istraživačke programe i nastavak konvencionalnih i nekonvencionalnih aplikacija koje su dovele do krajnje ekonomije. Tako, ljudski napor da dostigne granice svog koncepta najdužeg, najvišeg i najdubljeg, doveo je do globalne potrage za nenadmašnom izvrsnošću u novim građevinskim materijalima kao što su „pametni materijali“.

Pametni materijali imaju jedno ili više svojstava koja se mogu značajno mijenjati kontroliranim načinom pomoću vanjskih podražaja, kao što su stres, temperatura, vlaga, pH, električna ili magnetna polja. Danas je tehnologija posvećena razvoju novih materijala koji mogu zadovoljiti specifične zahtjeve u pogledu strukturnih i funkcionalnih performansi.

Postoji ozbiljna potreba za istraživanjem novih pametnih materijala, koji će nam pomoći da držimo korak s drugim razvijenim zemljama u različitim oblastima inženjerstva i tehnologije. Značajni pomaci očekuju se u novim kompozitnim materijalima, posebno u onim aplikacijama, kao što su elektronski, optički i biomedicinski, gdje je funkcionalnost najvažnija tehnička potreba.

Ključne oblasti fokusiranja za razvoj pametnih knstrukcija uključuju:

  1. a) Primjenu pametnih materijala u novim građevinskim infrastrukturama
  2. b) Konstrukcijsko praćenje, kontrola i produženje životnog vijeka konstrukcija koje djeluju u nepovoljnim okruženjima
  3. c) Termičko upravljanje visokotemperaturnim turbinama za proizvodnju električne energije.

Materijalni zahtjevi

Koristeći pametne materijale za postizanje željenog cilja za određenu primjenu, potrebno je ispuniti sljedeća specifična svojstva:

  1. a) Mehaničke osobine – kao što je ponašanje pri jačini
  2. b) Bihevioralne karakteristike – kao što je materijalno zdravstveno ponašanje
  3. c) Tehnološka svojstva – kao što su „mull-function free“ i mogućnosti održavanja
  4. d) Ekonomski kriteriji – kao što su efikasan i isplativ materijal na osnovu njegovih primjena
  5. e) Ekološke karakteristike – kao što je proizvod bez zagađenja i ekološki prihvatljiv proizvod za održivi razvoj infrastrukture

Opći zahtjevi i tehnologija

Za razvoj pametnih materijala treba koristiti tehnologije u oblasti nauke i tehnologije. Istraživači i dizajneri rade zajedno na uspostavljanju aplikacija pametnih materijala i struktura koje se zasnivaju na potrebama.

Budućnost pametnih materijala

Suština pametnih materijala nije došla do izražaja, čak se i pametne tehnologije razvijaju. Dakle, postoji ozbiljna potreba za novim aspektima nanotehnologije i novorazvijene nauke i tehnologije kako bi se zadovoljile potrebe za budući razvoj. Tehnološke prednosti takvih sistema su počele da se identifikuju, a demonstranti su u izgradnji za širok spektar primjena od svemira, do građevinarstva i domaćih proizvoda. Tehnologija pametnih materijala je interdisciplinarno područje koje obuhvata osnovne nauke, primijenjene nauke i inženjerska područja.

m-Kvadrat

print