اقرأ في هذا المقال
ما هي المواد الذكية المستخدمة في البناء؟
يتم وصف المواد الذكية أو مواد البناء الذكية على أنها مواد يمكنها تحقيق تباين متحكم فيه ويمكن التنبؤ به في واحد أو أكثر من خصائصها كاستجابة مباشرة لمحفزات خارجية و أو تغيير في بيئتها. حيث يمكن أن تكون التغييرات الخارجية تقلبات في درجة الحرارة أو الضوء أو الضغط أو المجالات المغناطيسية أو الكهربائية أو الرطوبة المحيطة أو المواد الكيميائية.
ليست كل المواد الذكية متشابهة. كما يمكن للبعض تغيير خصائصهم بسبب أكثر من واحد من المحفزات الخارجية في نفس الوقت، وتوفر بعض المواد قدرة أكبر على التكيف بسبب تغييرات خارجية معينة أكثر من غيرها. ومع ذلك، فإنّ الفكرة الشائعة هي أن التغييرات قابلة للعكس، ممّا يجعل هذه الأنواع من المواد مفيدة بشكل خاص.
نظرًا لقدرتها على تكييف خصائصها، فإنّ المواد الذكية لها مجموعة واسعة من التطبيقات ليس فقط في التكنولوجيا والتصنيع والعلوم والطب، ولكن بشكل أكثر تحديدًا، في الهندسة المدنية. حيث سواء تم دمجها كجزء من الخرسانة أو البلاستيك أو الزجاج أو السبائك، يمكن استخدام هذه المواد لخلق كفاءات في عملية البناء، وزيادة عمر المباني أو الهياكل وتحسين أدائها بمرور الوقت.
أنواع مواد البناء الذكية:
بناءً على المدخلات والمخرجات، يتم تصنيف المواد الذكية على النحو التالي:
1. سبائك الذاكرة الشكل (SMAs):
تمتلك هذه المواد القدرة على استعادة شكل أو حجم محدد مسبقًا عند تعرضها لتغيرات حرارية مناسبة. حيث تجد سبائك ذاكرة الشكل تطبيقاتها في التطبيقات الجديدة في الهندسة المدنية على وجه التحديد في الحماية الزلزالية للمباني.
تطبيق سبيكة ذاكرة الشكل في تطبيقات الهندسة المدنية، هو الامتصاص المتكرر لطاقة الإجهاد دون تشوه دائم، للحصول على مجموعة واسعة من السلوك الدوري، لمقاومة الإجهاد تحت دورات الإجهاد الكبيرة، وبسبب متانتها الكبيرة وموثوقيتها على المدى الطويل.
2. المواد المغناطيسية:
تخضع هذه المواد لتشوه ميكانيكي يتناسب مع مربع المجال الكهربائي، وهو ما يشير إلى جودة المواد ذات الحجم المتغير استجابة إمّا لمجال كهربائي أو مغناطيسي، وعلى العكس من ذلك. ينتج جهدًا عند التمدد. كما تظهر هذه المواد واعدة في تطبيقات تتراوح من المضخات والصمامات إلى نفق الرياح الجوي.
3. المواد الكهرضغطية:
المواد الكهرضغطية قادرة على تحويل الإجهاد الميكانيكي وطاقة الاهتزاز إلى طاقة كهربائية. بحيث تتيح هذه الخاصية فرصًا لتنفيذ الطاقة المتجددة والمستدامة من خلال تجميع الطاقة والاستشعار الذكي المستدام ذاتيًا في المباني. ونظرًا لكونه أكثر مواد البناء شيوعًا، فإنّ معجون الأسمنت العادي يفتقر إلى الكهرباء الانضغاطية المرضية وغير فعال في حصاد الطاقة الكهربائية من الاهتزازات المحيطة لنظام البناء.
في السنوات الأخيرة، تم اقتراح وتطبيق العديد من التقنيات لتحسين السعة الكهرضغطية للمركّب القائم على الأسمنت، أيّ دمج المزيج (على سبيل المثال تيتانات زركونات الرصاص، تيتانات زركونات الباريوم، جزيئات الكربون، وألياف الصلب) والمعالجات الفيزيائية (مثل التسخين الحراري و تطبيق المجال الكهربائي).
لا يعتمد التطبيق الناجح لِلمواد الكهروإجهادية من أجل التنمية المستدامة للمباني على فهم آلية الخصائص الكهروضغطية لمكونات المبنى المختلفة فحسب، بل يعتمد أيضًا على أحدث التطورات والتطبيقات في صناعة البناء.
تطبيقات المواد الذكية في البناء:
1. الخرسانة الذكية ستفقد الخرسانة الذكية تحت عملية التحميل والتفريغ وتستعيد موصليتها، وبالتالي تعمل كمواد هيكلية بالإضافة إلى جهاز استشعار. كما تلعب الخرسانة الذكية دورًا حيويًا في إنشاء أرصفة الطرق كمسجل حساس لحركة المرور، كما تعمل على إذابة الجليد على الطرق السريعة والمطارات أثناء تساقط الثلوج في فصل الشتاء عن طريق تمرير تيار الجهد المنخفض من خلالها.
2. في إنشاء المباني الذكية، من أجل التحكم البيئي، ومراقبة الصحة الإنشائية.
3. في البناء الذكي، كان يستخدم لتحويل الكفاءة والراحة والسلامة للأشخاص والأصول.
4. المواد الذكية تقلل من آثار الزلازل.
5. في تطبيقات النقل البحري والسكك الحديدية لمراقبة الإجهاد باستخدام مستشعرات الألياف الضوئية المدمجة.
6. يسمح استخدام المواد الذكية ببناء جسور ذكية وخاصة الجسور المثبتة بالكابلات ذات مدى أوسع لتجنب زيادة التعرض للاهتزازات التي تسببها العوامل المحيطة مثل الرياح أو المطر أو حركة المرور. وبالتالي، يتطلّب الهيكل صيانة أقل ويمكن مراقبة استجابة الهيكل.
7. يتم استخدامها لمراقبة الهياكل الهندسية المدنية لتقييم متانتها.
8. المواد الذكية في الهياكل المستخدمة لمراقبة سلامة الجسور والسدود وأبراج التنقيب عن النفط البحرية حيث يتم استخدام مستشعرات الألياف الضوئية المدمجة في الهياكل لتحديد مناطق المشاكل.
9. يمكن استخدامها لإعادة تأهيل تكسير الخرسانة عند استخدام مادة ذكية فائقة المرونة كقضيب تقوية.
