Wczesne ostrzeżenia o uszkodzeniach konstrukcji zabytkowych budynków
Zabytkowe budynki są szczególnie podatne na trzęsienia ziemi i inne klęski żywiołowe. Przyczyną tego stanu rzeczy jest wiek oraz wszystkie uszkodzenia, którym uległy w przeszłości. Poza niską odpornością mają także jeszcze jedną wadę – są nieefektywne energetycznie. Często znajdują się w nich duże, nieizolowane przestrzenie, które prowadzą do olbrzymiego zużycia energii. Z drugiej strony modernizacja istniejących budynków w taki sposób, aby były one odporne na wstrząsy sejsmiczne, a jednocześnie energooszczędne, stanowi często wyzwanie nie do przeskoczenia. „Z tego powodu naukowcy z działającego pod auspicjami Komisji Europejskiej Wspólnego Centrum Badawczego badają nowatorskie rozwiązania, które pozwolą na jednoczesne poradzenie sobie z tymi dwoma problemami”, wyjaśnia Dionysios Bournas, lider zespołu grupy badawczej pracującej nad tym zagadnieniem. Realizowany w ramach działań grupy projekt STRETCH zajął się badaniami nowego systemu, który łączy wzmocnione tkaniny z izolacją termiczną i czujnikami odkształcenia. „Dzięki temu powstał nowatorski sposób modernizacji starych budynków, pozwalający na zwiększenie ich efektywności energetycznej przy jednoczesnym umożliwieniu monitorowania stanu ich konstrukcji”, wyjaśnia Bournas, koordynator projektu. Oprócz ograniczenia zużycia energii oraz monitorowania, jak stare budynki wytrzymują próbę czasu, innowacyjne rozwiązanie opracowane przez zespół projektu STRETCH może ratować życia. „Skupiamy się na zabytkowych budynkach, zarówno elementach dziedzictwa kulturowego, jak i tych, które nie mają tego statusu, zbudowanych przed wprowadzeniem przepisów dotyczących zabezpieczania przed wstrząsami sejsmicznymi – w związku z tym są szczególnie podatne na zagrożenia z tym związane”, wyjaśnia główny badacz projektu Michela Rossi, której prace badawcze zostały częściowo sfinansowane w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Takie budynki stanowią większość zabudowy historycznych centrów miast w regionach zagrożonych trzęsieniami ziemi, na przykład we włoskich Apeninach – łańcuchu górskim przecinającym kraj z północy na południe. Budynki te są szczególnie podatne na zagrożenia sejsmiczne ze względu na niską jakość materiałów i niedostatecznie wytrzymałe elementy konstrukcyjne”, dodaje.
Lekkie wzmocnienie z tkanin na potrzeby modernizacji
Proponowane hybrydowe rozwiązanie łączy lekkie wzmocnienia wykonane z tkanin o wysokiej wytrzymałości, wykonanych z włókien węglowych, szklanych, bazaltowych lub naturalnych, takich jak len. Dodatkowy materiał izolacyjny lub grzewczy może zostać połączony ze wzmocnieniem w celu zwiększenia efektywności energetycznej budynku. „Wzmocnienie jest łączone ze skorupą budynku za pomocą cementów wapiennych, geopolimerów lub innych spoiw nieorganicznych”, wyjaśnia Bournas. Czujniki światłowodowe wszyte w tkaninę i zabezpieczone za pomocą żywicy epoksydowej pozwalają na ocenę naprężeń. Dzięki temu są w stanie wykrywać nie tylko odkształcenia, ale także mierzyć temperaturę, ciśnienie i inne parametry fizyczne. „Dane dostarczane w czasie rzeczywistym przez rozproszone czujniki światłowodowe mogą zmienić sposób, w jaki monitorujemy naszą infrastrukturę oraz zarządzamy jej utrzymaniem. Ich wysoka czułość sprawia, że nadają się do integracji ze złożonymi systemami Internetu rzeczy, jednocześnie pozwalają na wykrywanie wczesnych sygnałów ostrzegawczych, które wskazują na degradację stanu konstrukcji”, dodaje Rossi.
Mechanizm owijania budynków tkaniną pełną czujników
Tkaniny z wszytymi czujnikami są nakładane na zewnętrzne części budynków wraz z nieorganicznymi spoiwami, takimi jak powłoka zaprawy, które przyklejają się do muru i chronią zarówno tkaninę, jak i zawarte w niej czujniki. W efekcie rozwiązanie przypomina tradycyjny tynk, dzięki czemu budynki zachowują swój oryginalny charakter – to samo w sobie ma kluczowe znaczenie dla zabytkowych konstrukcji. Jak wyjaśnia Rossi, podczas trzęsienia ziemi budynki zbudowane z kamienia lub cegły poddawane są obciążeniu zarówno w płaszczyźnie (w wyniku sił przyłożonych w kierunku równoległym do ściany), jak i poza płaszczyzną (w wyniku sił bocznych lub prostopadłych do ściany). Zespół zbadał ściany kamienne, aby określić skuteczność modernizacji w obu wariantach. „Zmodernizowane ściany charakteryzowały się znacznie większą wytrzymałością z punktu widzenia maksymalnego obciążenia w porównaniu ze ścianami niewzmocnionymi. Zachowanie energetyczne zmodernizowanych ścian zostało zweryfikowane numerycznie poprzez przeprowadzenie analizy przenikania ciepła, wykazując znaczny wzrost efektywności termicznej ścian”, wyjaśnia Rossi.
Przetestowana koncepcja gotowa do wdrożenia
Rezultaty projektu zostaną udostępnione za pośrednictwem ogólnodostępnych publikacji naukowych i technicznych, w tym czasopism i referatów konferencyjnych. Powinny one zainteresować wiele grup docelowych - społeczeństwo, społeczność naukową i akademicką, sektor budowlany; decydentów, europejskie platformy technologiczne, takie jak BUILD UP i wiele innych podmiotów. „Wierzymy, że rozwiązania opracowane w ramach naszych prac mogą zostać wykorzystane do wsparcia inicjatywy Renovation Wave w ramach Europejskiego Zielonego Ładu. Projekt przyczynia się również do zachowania i utrzymania budynków stanowiących elementy europejskiego dziedzictwa kulturowego, zgodnie z zasadami promowanymi w ramach inicjatywy Nowy Europejski Bauhaus”, dodaje Bournas.
Słowa kluczowe
STRETCH, zabytkowe budynki, trzęsienia ziemi, modernizacja, renowacja, efektywność energetyczna
