طراحی بتن فراماده برای توسعه سیستم‌های زیرساختی هوشمند

به گزارش مجله خبری نگار،فراماده ماده‌ای است که به صورت مهندسی شده، یک ویژگی را که در مواد به طور طبیعی وجود ندارد دارا می‌باشد.

این تحقیق با استفاده از فراماده در تولید بتن گزینه‌ای را برای تغییر شکنندگی، انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری آن فراهم می‌کند تا سازندگان ساختمان بتوانند بدون اینکه استحکام یا طول عمر سازه را کاهش دهند بتن را با استفاده از مواد اولیه کمتری تولید کنند.

این مطالعه با عنوان “سیستم‌های بتنی فراماده یکپارچه با نانو ژنراتور چند منظوره برای زیرساخت‌های عمرانی هوشمند” در مجله Advanced Materials منتشر شد.

به گفته محققان، قدمت استفاده از بتن در ساخت و ساز به صد‌ها سال قبل و به زمان رومیان باستان میرسد. امیر علوی، استادیار مهندسی عمران و محیط زیست و نویسنده این مطالعه در یک بیانیه خبری گفت: استفاده گسترده از بتن در پروژه‌های زیربنایی ما مستلزم نیاز به توسعه نسل جدیدی از مصالح بتنی است که مقرون به صرفه‌تر و پایدارتر از نظر زیست‌محیطی هستند و در عین حال قابلیت‌های پیشرفته‌تری را ارائه می‌دهند. این تیم قصد دارد با معرفی یک الگوی فراماده در توسعه بتن برای سناریو‌های مورد استفاده پیشرفته، به این اهداف دست یابد.

این بتن فراماده از “شبکه‌های پلیمری auxetic تعبیه شده در یک ماتریس سیمانی رسانای تقویت شده ساخته شده است. به گفته این تیم، زمانی که شبکه‌های پلیمری auxetic در این بتن فراماده به صورت مکانیکی فعال می‌شود، الکتریسیته مالشی را بین لایه‌ها القا می‌کند. در این بتن فراماده از پودر گرافیت به عنوان الکترود استفاده شده است که با جریان الکتریسیته مالشی باعث تقویت بتن می‌شود.

مطالعات نشان داده اند که این ماده می‌تواند تا ۱۵ درصد بیشتر فشرده شود و تحت فشار ۳۳۰ میکرووات توان الکتریکی تولید کند. محققان ادعا می‌کنند که این پروژه اولین ماده کامپوزیتی را ارائه می‌دهد که دارای ویژگی‌های تراکم پذیری و قابلیت برداشت انرژی است.

امیر علوی می‌گوید: این بتن فراماده با وزن کم و قابلیت تنظیم مکانیکی می‌توانند دری را به روی استفاده از بتن در کاربرد‌های مختلف مانند مواد مهندسی شده ضربه‌گیر در باند فرود در فرودگاه‌ها، برای کمک به کاهش سرعت هواپیما هنگام فرود یا سیستم‌های جداسازی پایه لرزه‌ای باز کنند.

سیستم‌های جداسازی پایه زلزله (Seismic Base Isolation Systems)، یک روش مهندسی برای کاهش تأثیرات زلزله بر ساختمان‌ها هستند. در این روش، ساختمان روی پایه‌هایی قرار می‌گیرد که توانایی جذب انرژی زلزله را دارند و شوک‌ها و لرزش‌ها را کاهش می‌دهند.

این سیستم‌ها به طور معمول با استفاده از مواد نرم و انعطاف پذیری مانند لاستیک، فولاد، پلیمر‌ها و آرام بند‌ها ساخته می‌شوند. این روش به عنوان یکی از روش‌های پیشگیرانه در مهندسی زلزله برای حفاظت از ساختمان‌ها و مردم در برابر زلزله، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مطالعات نشان داده اند که این ماده به اندازه کافی کارآمد است تا الکتریسیته مورد نیاز برای تامین انرژی حسگر‌های کنار جاده را تولید کند. علاوه بر این، سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط بتن فراماده تحت تحریکات مکانیکی نیز می‌توانند برای نظارت بر آسیب‌های داخل سازه بتنی یا نظارت بر زلزله‌ها و در عین حال کاهش تأثیر آن بر ساختمان‌ها مورد استفاده قرار گیرند.

محققان امیدوارند که این ساختار‌های هوشمند به رانندگی خودکار بیشتر کمک کند.

به دلیل داشتن قابلیت تولید انرژی الکتریکی، این ماده می‌تواند به تراشه‌های تعبیه شده در جاده کمک کند تا در شرایطی که سیگنال GPS ضعیف است یا سامانه LIDAR کار نمی‌کند، به ماشین‌های خودران کمک کند تا با دقت در مسیر مورد نظر در بزرگراه‌ها رانندگی کنند.