بالشتک های ETFE؛ زیبایی شناسی سیال حباب ها

امروزه به دلیل برخورداری سازه های فضاکار از مزایا و ویژگی های متنوع و تطبیق با عملکردهای گوناگون، کاربردهای گسترده ای برای بهره مندی از این سازه ها ایجاد شده است. یکی از مهم ترین ویژگی های سازه های فضاکار، پوشاندن دهانه های بزرگ با متریال سبک می باشد. بالشتک های ETFE، یکی از بهترین متریال هایی است که به عنوان پوشانه در سازه های فضاکار مورد استفاده قرار می گیرد.

ETFE چیست؟

ETFE (Ethylene Tetra Fluoro Ethylene)(اتیل تترا فلوئورو اتیلن) نوعی پلاستیک است که دارای مقاومت بالا و مقاومت به سایش عالی در طیف وسیعی از دماهاست. این ماده پلیمری، دمای ذوب بالایی داشته و ویژگی های شیمیایی، الکتریکی و مقاومت در برابر تشعشع انرژی فوق العاده ای دارد. شاید این ماده، پراستفاده ترین فیلم باشد، اما به دلیل خواص مکانیکی اش، کاربرد محدودتری دارد. ETFE می تواند تابش متعارف خورشید و دیگر شرایط محیطی را بیش از 15 سال تحمل کند. خاصیت گذردهی نور ETFE در طول  موج های مختلف، سهم بیشتری در کارایی شان در گلخانه سازی دارد. این پوشش، همانند شیشه تمام نور مرئی را که به آن برخورد می کند، انتقال خواهد داد، ولیکن بر خلاف شیشه معمولی که درصد زیادی از تابش فرابنفش را مسدود می کند، نسبت به UV شفاف است و اثر ضد باکتری UV سبب می شود تا گیاهان کمتر در معرض بیماری قرار گیرند.

برخي از خواص بالشتک های ETFE

1.       شفافيت

اين ماده درصد شفافيت بالايي دارد و انتقال نور در آن در محدوده نور مرئي حدود 94 تا 97% از کل نور را شامل مي­شود. همچنين ميزان عبور نور ماوراء بنفش از اين ماده نيز بسيار خوب است؛ چنان­چه به پوشش گياهي موجود در فضاي خود اجازه رشد و نمو مي­دهد. در ضمن فويل ETFE مقدار زيادي از اشعه­هاي مادون قرمز را نيز جذب کرده که اين امر مي­تواند در بهبود مصرف انرژي ساختمان به کار گرفته شود.

2.       کنترل انرژي خورشيدي

مواد پايه حباب­ها بسيار شفاف مي­باشند. راه­هاي مختلفي جهت تغيير خواص انتقال نور اين ماده وجود دارند که به شرح زير مي­باشند:

·         چاپ

·         رنگ آميزي

·         اصلاحات سطوح

·         پرتو افشاني

·         چند لايه کردن حباب

3.       دوام و ماندگاري

فويل ETFE داراي ماندگاري بالايي در محيط زيست مي­باشد و آن به علت بي­اثر بودن اين پوشش در برابر نور ماوراء بنفش، آلودگي جوي و ساير مشکلات فرسايشي در اثر عوامل زيست محيطي مي­باشد. اگرچه قديمي­ترين ETFE به کار برده در صنعت ساختماني قدمتي برابر با 10 سال دارد، اما با آزمايش­هاي انجام شده بر روي اين ماده، طول عمر آن تا 30 سال پيش­بيني شده است.

4.       قطع برق

در  مواقعي که احتمال قطع برق وجود دارد، سيستم حباب­گون ETFE قادر است تا فشار هواي داخل خود را بين 3 تا 6 ساعت  (بسته به شرايط آب و هوايي) حفظ نمايد و باعث عدم خالي شدن از هوا و بي­باد شدن گردند. بعد از اين زمان، احتمال تخريب سقف وجود دارد. در نتيجه براي حل اين مشکل به دو طريق مي­شود عمل کرد: 1. نصب کابل­هاي پشتيباني به سيستم حباب ­گون ETFE  2. استفاده از ژنراتور

5.       ايمني/خطر انفجار

ETFE، به عنوان يک ماده منعطف، قابليت بارگذاري زيادي را براي مدت کمي دارا مي­باشد که اين موضوع آن را به عنوان يک مصالح ايده­آل براي استفاده در مکان­هايي با خطر انفجار، معرفي کرده است.

همچنين چنان­چه درصد خطر تخريب در مکاني بالا باشد، استفاده از اين مصالح مي­تواند کارساز باشد. زيرا سيستم حباب گون ETFE هرگز نمي­شکند و يا در صورت آسيب­ديدگي از چارچوب خود خارج نمي­شود.

6.       جايگزيني

اگر يکي از حباب ETFE شروع به آسيب ديدن بکند، حباب آسيب­ديده مي­تواند با کمترين اختلال در عملکرد سازه، به آساني تعويض شود. همچنين تعميرات کوچک روي حباب­ها مي­تواند بدون جابه­جايي وبرداشتن آن از روي سازه اصلي انجام پذيرد.

7.       آتش

فويل­هاي ETFE قابليت اشتعال کمي دارند و داراي خاصيت خود خاموشي مي­باشند.

8.       آکوستيک

حباب­هاي ETFE در برابر صدا تقريباً شفاف مي­باشند. در مواقعي که اين پوشش در مکان­هايي با ميزان بارندگي بالا به کار مي­رود، مي­توان از يک لايه مانع صداي باران در سطح بالايي حباب­ها استفاده کرد.

9.       نظافت

برخلاف سازه­هاي پارچه­اي سنتي، فويل ETFE يک ماده قالب خورده و با سطحي کاملاً صاف مي­باشد. اين صافي، ميزان آلودگي سطح فويل را کاهش مي­دهد و اجازه مي­دهد تا باران، کثيفي باقي مانده روي فويل­ مانند سرگين پرندگان و غيره را بشورد.

معرفي تکنيک هاي هوشمند سازي پوشانه هاي ETFE

*چاپ بافت هاي بر هم منطبق شونده بر سطح لايه هاي ETFE

در اين روش دو بافت گرافيکي بر هم منطبق شونده بر روي لايه هاي بيروني و مياني بالشتک ها چاپ مي شوند. زماني که فضاي مياني بين لايه بيروني و مياني از هوا پر شود، بافت هاي چاپي از يکديگر فاصله گرفته و نور خورشيد امکان عبور از ميان بافت ها را مي يابد. در اين حالت بسته به نوع بافت هاي گرافيکي طراحي شده بين 40 تا 70 درصد نور خورشيد امکان عبور به فضاي داخلي را پيدا مي کند. از اين ويژگي در فصول سرد سالکه به انرژي گرمايي ناشي از نور خورشيد براي گرمايش فضاهاي داخلي نياز است، مي توان استفاده کرد. در اين حالت بافت هاي چاپي بر جداره ساختمان، از خارج و داخل بنا، به طور کامل قابل مشاهده هستند.

در حالت دوم هواي ميان لايه هاي بيروني و مياني به طور کامل تخليه شده و به طور همزمان فضاي بين لايه هاي مياني و دروني از هوا پر مي شود. در اين حالت بافت هاي چاپي به طور کامل بر هم منطبق شده و بسته به طرح گرافيکي صفر تا 20 درصد نور خورشيد امکان عبور از ميان ليه ها را مي يابد. از اين ويژگي در فصول گرمتر سال که به انرژي خورشيد نيازي نيست، استفاده مي شود. در اين حالت با بازکردن دريچه هاي تهويه ساختمان، امکان سيرکولاسيون طبيعي هوا بدون مصرف انرژي فراهم است. در اين وضعيت بسته به ميزان همپوشاني بافت هاي چاپي نماي داخلي و خارجي ساختمان تقريبا يکدست و به صورت يکسان مشاهده مي شود. همچنين به منظور بهبود عملکرد سيستم در شرايط آب و هوايي مختلف، سنسور هاي حساس به نور خورشيد و دما بر روي بالشتک ها نصب مي شوند و با انتقال اطلاعات به سيستم کنترل مرکزي، امکان تعيين وضعيت باز و بسته شدن لايه ها را به طور اتوماتيک، فراهم مي کنند. بعد از اين مرحله دستگاه هاي دمنده ميزان فشار هواي لازم در بين محفظه ها را تامين کرده و وضعيت باز و بسته بودن لايه ها را در حالت بهينه کنترل مي کنند.

جوهر چاپي مورد استفاده معمولا به رنگ نقره اي و از جنس FEP ( فلوئورو اتيلن پروپيلن) مي باشد. استفده از رنگ هاي روشن براي چاپ بافت ها اين  امکان را فراهم مي کند که در حالت همپوشاني کامل، جلوه بيروني بنا حالت مات و محو به خود گرفته و هاله اي از سازه نگهدارنده و فضاهاي داخلي از بيرون پيدا باشد. اين امر در بهبود کيفيت زيبايي شناسانه و تلطيف فضاي معماري نيز تاثيرگذار است.

*نصب سلول هاي فتوولتائيک منعطف بر سطح لايه هاي ETFE:

همانطور که در مقدمه عنوان شد تکنولوژي ETFE در صنعت ساختمان يک تکنولوژي نسبتا جديد بوده و استفاده از آن تنها به 40 سال گذشته باز مي گردد. در طي 3 سال گذشته تکنولوژي جديدي ابداع گرديده که در ترکيب با تکنولوژي ETFE موجود، قابليت هاي جديدي را براي اين ماده فراهم کرده و گامي ديگر را در جهت هوشمندسازي اين پوشانه ها برداشته است. امروزه با جايگزيني بافت ها و پوشش هاي چاپي روي صفحات ETFE با سلول هاي  فتوولتائيک منعطف مي توان تا علاوه بر بهبود خواص عايق گرمايي اين صفحات، که در گذشته با استفاده از سيستم تنظيم فشار هواي فشرده داخل بالشتک ها تامين مي شد، کاري کرد که اين صفحات به منابع توليد انرژي تبديل شوند. با استفاده از اين سلول ها مي توان انرژي خورشيدي مازاد را که براي گرمايش و روشنايي فضاهاي داخلي به کار مي رود، ذخيره کرد. با پيشرفت تکنولوژي سلول هاي خورشيدي نازک و منعطف و امکان نصب آنها بر روي کليه سطوح پارچه اي و انحنادار، اين پوسته ها از سطوح ساده به پوسته هاي ديناميک مولد انرژي تبديل شده اند. امروزه استفاده از اين تکنولوژي به ويژه در مجموعه هاي بزرگ همانند استاديوم هاي ورزشي و فرودگاه ها رو به گسترش است.

ورزشگاه آلیانتس آرِنا؛ پوشش ETFE بالشتکی

ورزشگاه آلیانتس آرِنا، در شمال کشور آلمان و در شهر مونیخ واقع شده است. از سال 2005 میلادی، دو باشگاه معروف بایرن مونیخ و مونیخ 1860، بازی های خانگی خود را در این ورزشگاه برگزار می کنند. آلیانتس آرنا توسط گروه معماری "هرزوگ و دومورون" طراحی شده است. این ورزشگاه موقعیتی جدیدی را در حدفاصل فرودگاه و مرکز شهر مونیخ ایفا کرده است. پوسته ی بدنة نورانی، از بالشتک های ETFE الماس مانندِ بزرگ، که سفید و  درخشان هستند تشکیل شده است. هر کدام از این بالشتک ها، می توانند به صورت جداگانه با نورهای سفید، آبی و قرمز روشن شوند. ظاهرِ در حال تغییر استادیوم باعث بهبود جذابیت آن به مثابه یک بنای یادبودِ شهری می شود، حتی برای کسانی که به فوتبال علاقه مند نباشند.

مرکز ملی ورزش های آبی پکن(مکعب آبی)؛ پوسته ی یکپارچه دیوار و سقف

مرکز ملی ورزش های آبی پکن(مکعب آبی)، نام ساختمان محل برگزاری مسابقات شنا، شیرجه و واترپلو در بازی های المپیک تابستانی 2008 پکن در کشور چین است. این ورزشگاه گنجایش بیش از 17000 تماشاگر را دارد. در سال 2003، شرکت مهندسین سازه چین، به همراه موسسه طراحیCSCEC و شرکت معماری آروپ، جایزه مسابقه بین المللی طراحی این ورزشگاه را از آنِ خود کردند. از آنجایی که استخرهای شنا بایستی در بیشتر ماه  های سال  گرم شوند، تیم طراحی به این نتیجه رسید که یک "گلخانه-ساختمان" که انرژی خورشیدی را جذب و حفظ کند، برای این کار، بهترین و مناسب ترین سازه خواهد بود. همین امر منجر به خلق ایده ی پوسته یکپارچه دیوار و سقف شد که می بایست شفاف باشد. شیشه انتخاب مناسبی نبود، چون در داخل ساختمان نوعی آکوستیک ایجاد می کرد که باعث پیچیدن صدا در سالن می شد. بنابراین تصمیم گرفته شد تا از  ETFE استفاده شود. پوسته ی این ساختمان از 4000 حباب ETFE تشکیل شده است که طول برخی از آن ها به 9 متر می رسد. یک قاب فضایی، که در محل سایت، از 220000 تیوب فولادی که در 120000 نقطه به هم متصل شده اند، ساخته شده که حباب ها را در جایشان نگه می دارد و یک سازه ی بی نیاز از ستون را می سازد که دهانه هایی به طول 120 متر دارد. با توجه به اینکه آب استخر درون ساختمان( که مواد شیمیایی به آن افزوده می شود) و هوای آلوده بیرون، عواملی خورنده هستند، بنابراین تیم طراحی، قاب فولادی را درون حفره هایی متشکل از دو لایه ی بالشتک مانند از جنس ETFE قرار داد. این حفره ها در سقف دارای عمق  6/7 متر و در دیوارها نیز عمقی معادل 6/3 متر دارد. نور خورشید از بالشتک های ETFE، رد می شود و به درون ساختمان جریان می یابد. این بالشتک ها از بیرون با خمیر شیشه گری آبی، و از داخل با خمیر نقره ای، پوشاده شده اند. در بخش هایی که به گرمای کمتری نیاز است، خمیر شیشه گری دارای مقدار بیشتری است و گاهی تا 90% سطح را می پوشاند. و بالعکس در مکان هایی با نیاز بیشتر به گرمای خورشید، این ماده حدود 10% سطح را می پوشاند. علاوه بر این، لایه ی ETFE با کاهش نیاز به استفاده از نورپردازی الکتریکی و منابع تولید حرارت مکانیکی، مصرف انرژی را به میزان 300%  کاهش می دهد. نکته قابل توجه درمورد این بالشتک ها این است که دارای خاصیتی شبیه ظروف تفلون می باشند و هیچ چیزی به آن نمی چسبد. بنابراین بعد از هر باران،گرد و خاک و کثیفی شسته می شود. علاوه بر این، چراغ های LED درونِ هر یک از 40000 حباب نصب شده، این امکان را به مدیران  ساختمان می دهد تا روشنایی نمای مکعب آبی را با هر ترکیب رنگی دلخواه، انتخاب کنند.

فن آوری نانو و آینده ی سازه های غشایی

با پیشرفت تکنولوژی، پای فن آوری نوظهور نانو به این حوزه نیز باز شده است. این فن آوری، تأثیر خود بر روی پارچه ها و غشاها، با استفاده از نانو روکش هایی که بر روی الیاف کشیده می شوند و پارچه هایی که با استفاده از رشته های متشکل از مواد نانو کامپوزیت بافته می شوند، بر جای می گذارد. در سازه های پارچه ای، دغدغه ی اصلی مهندسان، متمرکز بر مقاومت مصالح مورد استفاده در غشاء و جهت تار و پود و جهت گیری سازه نسبت به امتداد نیروهای اصلی می باشد. افزون بر این، مصالح مورد استفاده در سازه های غشایی باید در برابر پارگی و سایش نیز از مقاومت کافی برخوردار باشد. همچنین این غشاها باید ضد آب بوده و با گذشت زمان و هنگامیکه در معرض پرتوهای فرابنفش خورشید قرار می گیرند، کیفیت خود را از دست ندهند. از منظر ایمنی نیز، باید این نوع مصالح، غیر قابل احتراق بوده و به هنگام آتش سوزی، گازهای سمی متصاعد نکنند. البته نباید از این ویژگی مهم نیز غافل شد که انواع سازه های غشایی، که سازه های اکسپوز بوده و به طور مداوم در معرض تابش خورشید هستند، نباید تغییر رنگ داده و پس از گذشت زمان، بدمنظر شوند. این ویژگی ها متخصصان را بر آن داشت تا به دنبال ساخت غشاهای چند منظوره ای باشند که بتوان با استفاده از آن ها، همه کیفیت های یادشده را با هم و به طور هم زمان در ساختمان داشت. یعنی غشاهایی که همه ویژگی های مطلوب پیش گفته را داشته باشند و علاوه بر آن، از سلول های فتوولتائیک انعطاف پذیر نیز در کالبد خود بهره ببرند. اگر به این ویژگی ها، خودتمیزشوندگی، قابل بازیافت بودن و قابلیت تغییر فاز را نیز اضافه کنیم، می توان ادعا کرد که دیگر نمی توان از سازه غشایی، چیز بیشتری انتظار داشت. و این آینده ای است قابل دسترس و امکان پذیر برای ذهن های جستجوگر و آرمان خواه.