Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

Odkształcalny beton do wznoszenia budynków odpornych na trzęsienia ziemi

Tworząc konstrukcje zdolne do oparcia się trzęsieniom ziemi, inżynierowie korzystają obecnie wyłącznie z metod opartych na siłach. Nie mogą decydować, jak konstrukcja będzie dostosowywać się do wstrząsów sejsmicznych, co może skutkować niepożądanymi uszkodzeniami. Istnieje nadzieja, że innowacyjny projekt wysoce odkształcalnej konstrukcji betonowej zapewni taką swobodę, optymalizując jednocześnie wykorzystanie zasobów, minimalizując koszty i zapewniając bezpieczeństwo.
Odkształcalny beton do wznoszenia budynków odpornych na trzęsienia ziemi
Projekt SHDS (Seismic-resistant Highly Deformable Structures) opiera się na innym, także finansowanym ze środków unijnych, projekcie ANAGENNISI, który poświęcony jest recyklingowi cząstek gumy oponowej w celu zastąpienia zarówno drobnego, jak i grubego kruszywa betonowego.

Zastosowanie tego „wysoce odkształcalnego betonu (HDC, ang. High deformability concrete) w elastycznych belkach łączących i prace nad plastycznymi ścianami murowymi poddawanymi obciążeniom ścinającym mają umożliwić zespołowi opracowanie konstrukcji o kontrolowanych parametrach użytkowych, w której zabezpieczenia przed uszkodzeniami strukturalnymi koncentrują się na konkretnych dedykowanych elementach. To oznacza łatwiejsze i szybsze naprawy, a także wkład w gospodarkę o obiegu zamkniętym.

Dr David Escolano, stypendysta Marie Curie na Uniwersytecie w Sheffield i koordynator projektu SHDS, omawia dotychczasowe ambitne osiągnięcia projektu.

Partnerzy projektu biorą pod uwagę raczej parametry użytkowe konstrukcji niż jej wytrzymałość. Dlaczego ma to znaczenie?

Dr David Escolano: Na potrzeby metod opartych na siłach, oddziaływanie sejsmiczne definiuje się za pomocą bocznych „równoważnych sił” rozproszonych na wysokości konstrukcji. Elastyczna magnituda takich sił jest uzależniona od poziomu zagrożenia na miejscu (przyspieszenia gruntu), a w przypadku stanowisk o wysokim zagrożeniu sejsmicznym, istniejące przepisy umożliwiają osłabianie sił bocznych. Skutkuje to podwyższeniem kosztów konstrukcji, oczywiście pod warunkiem że są one w stanie wytrzymać pewien zakres uszkodzeń, zanim dojdzie do zawalenia.

Chociaż takie zasady projektowania są proste, łatwe do zastosowania i pozwalają skutecznie zapobiegać potencjalnym ofiarom śmiertelnym, inżynierowie kierują się w stronę zasad, które pozwoliłby im projektować konstrukcje odporne na trzęsienia ziemi o różnej intensywności w ramach określonych ograniczających poziomów uszkodzeń, to znaczy w stronę projektowania opartego na parametrach użytkowych (PBD, ang. Performance-based design). Tego typu projektowanie umożliwiłoby opracowywanie optymalnych konstrukcji, maksymalne wykorzystanie zasobów i zminimalizowanie kosztów, a wszystko to osiągając dopuszczalne poziomy bezpieczeństwa i dając projektantom możliwość eksperymentowania z nowymi rozwiązaniami projektowymi, innowacyjnymi materiałami i elementami konstrukcyjnymi, aby uzyskiwać żądane poziomy użytkowe.

Jaki wkład wnosi SHDS w tym zakresie?

Projekt SHDS koncentruje się na bardzo specyficznym elemencie konstrukcyjnym: belkach łączących w systemach ścian połączonych. Dwie ściany konstrukcyjne lub ich większa liczba są połączone belkami tworzącymi regularny wzór na wysokości konstrukcji, co podnosi wytrzymałość sejsmiczną poszczególnych ścian i zapewnia niezwykle stabilne źródło rozpraszania energii.

Zważywszy na fakt, że ogólne zachowanie systemu jest w znacznym stopniu uzależnione od odkształcalności belek łączących, naszym celem jest opracowanie innowacyjnych rozwiązań w zakresie konstrukcji belek łączących o niezrównanej odkształcalności, dzięki zastosowaniu nowo opracowanego HDC.

Co to jest HDC i na czym zasadza się jego wartość dodana w tym projekcie?

HDC to dorobek projektu ANAGENNISI, którego partnerzy poszukują sposobów wykorzystania wszystkich elementów opon pokonsumenckich w zastosowaniach betonowych o dużym znaczeniu. Koncentrują się między innymi na zastępowaniu kruszyw mineralnych w betonie cząstkami gumowymi, aby zwiększyć odkształcalność tradycyjnie kruchego betonu.

Wysoka odkształcalność wymaga zawartości gumy, co z kolei radykalnie obniża wytrzymałość materiału na ściskanie nawet o 90%. HDC wykorzystuje także zaawansowane osłony kompozytowe, aby zwiększyć wytrzymałość na ściskanie klasy konstrukcyjnej, utrzymując jednocześnie żądaną odkształcalność osiową gumowanego betonu w szerokim zakresie. Osłona aramidowa o grubości zaledwie 1,6 mm owinięta na kolumnie z gumowanego betonu może skutkować wyjątkowym zwiększeniem wytrzymałości i poprawą odkształcalności.

Dwie z głównych zalet nowego betonu, o których pan wspomina, to zrównoważenie i łatwość naprawy. Czy może je pan szerzej omówić?

PBD umożliwia inżynierom projektowanie uprzednio ustalonych i starannie zaprojektowanych komponentów, które mogą ulegać uszkodzeniom w czasie trzęsień ziemi. W efekcie naprawy konstrukcji zaprojektowanych zgodnie z PBD, wykonywane po trzęsieniach ziemi, koncentrować się będą na tych komponentach, zamiast na całej konstrukcji. Opracowane w ramach projektu belki łączące pełnią rolę „bezpieczników” i są pierwszym elementem ulegającym znacznym zniszczeniom w czasie trzęsienia ziemi, chroniąc dzięki temu większość pozostałych elementów konstrukcyjnych i innych.

Jeżeli chodzi o zrównoważenie, to proponowane belki łączące mogą zostać z łatwością zastąpione po poważnych zdarzeniach sejsmicznych, minimalizując w ten sposób kosztowne naprawy i ograniczający wpływ na społeczność poprzez umożliwienie szybszego powrotu do budynku. Proponowane belki łączące wykorzystują także materiały odzyskiwane ze zużytych opon, wspomagając dążenia ukierunkowane na bardziej ekologiczną gospodarkę o ograniczonej produkcji odpadów i presji na surowce.

Co może nam pan powiedzieć na temat dotychczasowych wyników fazy testowej?

Jeżeli chodzi o materiały, to przetestowaliśmy ponad 300 walców/sześcianów w celu przeanalizowania właściwości gumowanego betonu w postaci świeżej i stwardniałej. Testy objęły różne mieszanki i zawartości gumy, co ostatecznie zaowocowało opracowaniem zoptymalizowanej mieszanki z 60% zawartością gumy, zastępującą drobne i grube kruszywa mineralne. Ta zoptymalizowana mieszanka posłużyła do ostatecznego opracowania HDC.

Następnie przetestowane zostały różne typy zaawansowanych osłon kompozytowych, aby znaleźć idealny stosunek odkształcalności do wytrzymałości, włącznie z aramidowymi i węglowymi FRP. Opracowany HDC jest w stanie osiągnąć odpowiednią na potrzeby konstrukcyjne wytrzymałość na ściskanie (40-120 MPa) o maksymalnej odkształcalności osiowej 20 razy wyższej niż w przypadku tradycyjnego betonu. Wyniki SHDS są jak dotąd niezwykle obiecujące i pokazują, że belki łączące HDC są w stanie wytrzymać podobne obciążenia jak ich tradycyjne odpowiedniczki, odznaczając się jednocześnie czterokrotnie większą odkształcalnością.

Czy nawiązaliście już kontakt z potencjalnymi inwestorami?

Nie kontaktowaliśmy się jeszcze z żadnym potencjalnym inwestorem. Jeżeli chodzi o zastosowania konstrukcyjne, osiągnęliśmy naszym zdaniem 5. poziom gotowości technologicznej, a więc nie jesteśmy gotowi na komercjalizację. Nadal rozwijamy naszą technologię i musimy pogłębić wiedzę na temat materiałów i ich użytkowych parametrów konstrukcyjnych, zanim będziemy w stanie przejść na kolejny poziom. Przeprowadzamy także testy w celu oceny długofalowej trwałości nowego HDC.

Co istotne, należy mieć także na uwadze, że nasz nowy materiał i rozwiązania inżynieryjne nie są objęte żadną z obowiązujących norm i potrzebne są dalsze prace w tym kierunku, aby umożliwić przyjęcie się i stosowanie takich nowatorskich technologii. Jesteśmy niemniej niezwykle entuzjastycznie nastawieni do tego, co dotychczas zaobserwowaliśmy i mamy nadzieję, że przemysł budowlany dostrzeże wartość kilku proponowanych przez nas innowacji.

Jakie ma pan plany po zakończeniu projektu?

Prace nad SHDS przyniosły niezwykle pozytywne wyniki, stawiając także wiele bardzo interesujących pytań dotyczących zarówno fizycznego, jak i konstrukcyjnego zachowania HDC i jego wielu możliwych zastosowań konstrukcyjnych. W miarę możliwości chcielibyśmy dalej pogłębiać naszą wiedzę na temat tego materiału i badać jego długofalowe parametry użytkowe (między innymi pełzanie i zmęczenie) oraz reakcję na ogień i uderzenie.

SHDS
Dofinansowanie z H2020-EU.1.3.2.
strona projektu w serwisie CORDIS

Źródło: Wywiad dla 60. numeru magazynu research*eu nt. wyników, strony 8-9

Powiązane informacje

Programy

Kraje

  • Zjednoczone Królestwo
Śledź nas na: RSS Facebook Twitter YouTube Zarządzany przez Urząd Publikacji UE W górę