Ochrona budynków, elektrowni i mostów dzięki metamateriałom
Nie jest tajemnicą, że trzęsienia ziemi – zjawiska sejsmiczne spowodowane zmianami zachodzącymi głęboko pod powierzchnią ziemi w wyniku ruchu płyt tektonicznych – mogą doprowadzić do olbrzymich zniszczeń na powierzchni. Nie są one jednak jedynym zagrożeniem. Drgania rozprzestrzeniające się na powierzchni mogą być również wywoływane przez inne źródła, w tym przejeżdżające samochody i pociągi, a także roboty budowlane i działalność wydobywczą. „W zależności od intensywności, elementów rezonujących i bliskości źródła drgań, ich wpływ na konstrukcje oraz elementy infrastruktury może być znaczący”, wyjaśnia Marianna Lol, koordynatorka projektu INSPIRE Marianna Loli z ramienia greckiej spółki Grid Engineers. „Takie drgania mogą nieść za sobą zróżnicowane skutki, począwszy od generowania hałasu, a kończąc na groźbie zawaleń budynków i elementów infrastruktury, co stanowi poważne zagrożenie dla społeczeństwa i gospodarek”.
Innowacyjne rozwiązania oparte na metamateriałach
Głównym celem projektu INSPIRE, koordynowanego przez Narodowy Uniwersytet Techniczny w Atenach i wspieranego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, było opracowanie innowacyjnych rozwiązań w celu lepszej ochrony budynków i elementów infrastruktury przed niebezpiecznymi drganiami podłoża. Opracowane rozwiązania zawierają metamateriały. „Metamateriały to materiały inżynieryjne, które nie istnieją w naturze, ale mogą być wytwarzane w celu uzyskania wyjątkowych właściwości”, wyjaśnia Loli. „Mowa tu na przykład o możliwości zmiany kierunku fal sejsmicznych w celu złagodzenia wstrząsów konstrukcji”. Projekt opierał się na rosnącej liczbie badań, których autorzy wskazują, że metamateriały mogą zwiększyć odporność budynków, mostów i innych elementów infrastruktury krytycznej podczas trzęsień ziemi. Mogą także zapewniać doskonałą izolację akustyczną, poprawiając w ten sposób warunki życia w mieście.
Wykorzystanie najnowocześniejszych technologii
Nowe koncepcje zostały opracowane w ramach nowatorskiego programu szkoleniowego, którego realizacja doprowadziła do współpracy ośmiu europejskich uniwersytetów i jedenastu czołowych spółek w branży. Spośród ponad 100 kandydatów z całego świata, w drodze wysoce konkurencyjnego procesu do udziału w programie wybrano piętnaścioro doktorantów. „Podczas 3-letnich studiów doktoranckich naukowcy badali szeroki zakres koncepcji metamateriałów zwalczających drgania”, zauważa Loli. „Obejmowały one konstrukcje podziemne działające jako osłony o właściwościach rozpraszających, filtrujących i rozpraszających falę, nowatorskie urządzenia tłumiące i pasywne pochłaniacze drgań oraz inżynieryjne materiały żwirowe, które mogą chronić rurociągi”. Inne badane innowacje obejmowały urządzenia ograniczające drgania, opracowane w celu optymalizacji reakcji mostów na wstrząsy sejsmiczne, a także rozwiązania z zakresu inżynierii kolejowej zwalczające drgania wywołane przez pociągi w celu zminimalizowania hałasu w obszarach miejskich. Jeden z badaczy przyjrzał się powierzchniom akustycznym i dynamicznym pochłaniaczom drgań, opracowanym z myślą o zwalczaniu dźwięków o niskiej częstotliwości. Opracowując swoje pomysły, naukowcy wykorzystali najnowocześniejsze technologie, takie jak druk 3D, a także zaawansowane symulacje numeryczne realizowane dzięki superkomputerom. Technologie te zostały wykorzystane do optymalizacji projektów rozwiązań i wykazania ich skuteczności.
Bezpieczeństwo i wygodne życie w środowisku zabudowanym
Zespół projektu INSPIRE z powodzeniem wykazał, w jaki sposób można wykorzystać metamateriały do zwiększenia bezpieczeństwa i wygody życia w środowisku zabudowanym. „Wykonalność proponowanych projektów została wykazana na podstawie zaawansowanych symulacji i analiz, a także doświadczeń w niewielkiej skali”, zauważa Loli. W ramach projektu powstał także zestaw narzędzi obejmujący algorytmy, szereg zróżnicowanych metod numerycznych i programów do przetwarzania, które mogą być wykorzystywane przez naukowców zaangażowanych w podobne projekty w przyszłości. Kolejne kroki w kierunku komercjalizacji opracowanych rozwiązań obejmują testy pilotażowe na dużą skalę i dalszą optymalizację projektów. „Wśród obszarów zastosowań tych rozwiązań można wymienić podmioty zajmujące się ochroną przed wstrząsami sejsmicznymi, spółki realizujące badania i działalność rozwojową w dziedzinie ochrony konstrukcji, urzędy oraz spółki budowlane”, mówi Loli. „Uważamy, że rezultaty projektu INSPIRE mogą również przyczynić się do poprawy wytycznych dotyczących projektowania z myślą o aktywności sejsmicznej”.
Słowa kluczowe
INSPIRE, metamateriały, sejsmiczne, trzęsienia ziemi, druk przestrzenny, druk 3D, tektoniczne
