Akıllı veya akıllı malzemeler, dış uyaranlara ve / veya çevrelerindeki bir değişikliğe doğrudan yanıt olarak özelliklerinden bir veya daha fazlasında kontrollü, öngörülebilir bir varyasyon elde edebilen malzemeler olarak tanımlanır. Dış değişiklikler sıcaklık, ışık, basınç, manyetik veya elektriksel alanlar, çevredeki nem veya kimyasallardaki dalgalanmalar olabilir. Tüm akıllı malzemeler aynı değildir. Bazıları, aynı anda birden fazla dış uyaran nedeniyle özelliklerini değiştirebilir ve bazı malzemeler, bazı dışsal değişiklikler nedeniyle diğerlerinden daha fazla uyarlanabilirlik sunar. Bununla birlikte, ortak bir tema, değişikliklerin tersine çevrilebilir olmasıdır, bu da bu tür malzemeleri özellikle yararlı kılar.
Özelliklerini uyarlama yetenekleri göz önüne alındığında, akıllı malzemeler yalnızca teknoloji, üretim , bilim ve tıpta değil, daha spesifik olarak inşaat mühendisliğinde de geniş bir uygulama alanına sahiptir . Beton, plastik, cam veya alaşımların bir parçası olarak dahil edilsinler, bu malzemeler inşaat sürecinde verimlilik oluşturmak, binaların veya yapıların ömrünü uzatmak ve zaman içinde performanslarını artırmak için kullanılabilir.
Akıllı inşaat malzemeleri: Neden onlara ihtiyacımız var?
İklim değişikliği ile mücadele perspektifinden bakıldığında, binaların ve yapıların (ve daha geniş anlamda inşaatın) sürdürülebilirliği ve çevremizi nasıl etkilediğine odaklanılıyor. Bu sadece inşaat sürecinde ne kadar karbondioksit yayıldığı değil, aynı zamanda bir bina veya yapının ömrü boyunca ne kadar enerji verimli olduğu ile ilgili. Malzemeler, bir binanın veya yapının nasıl inşa edildiğinde, nasıl performans gösterdiğinde ve enerji açısından ne kadar verimli olduğu konusunda büyük rol oynar; ve malzeme ne kadar akıllıysa, bu ölçümler üzerindeki olumlu etki o kadar büyük olur.
Geleneksel inşaat sürecinde kullanılan doğal ve insan yapımı malzemeler (beton, ahşap, cam vb.) Geliştirilebilir, daha akıllı hale getirilebilir ve dış değişikliklere daha duyarlı hale getirilebilir, böylece daha sürdürülebilir bir yapıya katkıda bulunabilirler. Akıllı malzemeler kullanıldığında verimlilikleri iyileştirmede, performansları iyileştirmede, kaynakları korumada ve uzun vadeli bakımda büyük faydalar vardır.
Malzemelerin arkasındaki teknolojiler
Yeni akıllı inşaat malzemelerinin arkasında birkaç teknoloji var. Malzeme mühendisliğinde inovasyon, araştırma ve geliştirme, binalar ve diğer mühendislik altyapı projelerindeki farklı bileşenleri değiştiren yeni ürünleri piyasaya sürmektedir. Burada sektörü etkileyen üç malzemeye bakıyoruz:
- Şekil Hafızalı Alaşımlar : Adından da anlaşılacağı gibi, bu malzemeler şekillerini değiştirebilir veya deforme edebilir (stres uygulandığında) ve ardından orijinal şekillerine (ısı uygulandığında) geri dönebilir. Süper esneklik özellikleri, deprem gibi etkili bir olaydan sonra köprülerin ve binaların yapısal davranışını iyileştirmek için özellikle yararlı olabilir.
- Piezoelektrik Malzemeler : Bunlar, mekanik strese yanıt olarak yüzeylerinde elektrik enerjisi üretebilirler. Süreç tersine çevrilebilir, yani bir elektrik yükü uygulandığında stres veya mekanik bir tepki oluşturabilirler ve bu tersine çevrilebilirlik onları çeşitli bina sistemlerindeki sensörler, enerji hasadı ve aktüatörlerde çok uygulanabilir hale getirir.
- Elektrokromik Malzemeler : Elektrokromizm adı verilen bir işlemle kendisine bir elektrik voltajı uygulandığında rengi ve şeffaflığı değiştirme kabiliyetine sahiptirler. Geri dönüşümlü olmanın yanı sıra, değişiklikler anında gerçekleşebilir, bu da onları pencerelerde ve bina zarflarında akıllı camın temel bir bileşeni haline getirir.
Son kullanıcı uygulamalarına örnekler
Akıllı Beton: Kendini algılama ve kendini iyileştirme
İnşaatta sudan sonra en çok kullanılan ürün betondur. Kullanımı dünya çapında yapılar ve binalar için büyük faydalar sağlarken, üretimi CO2 emisyonlarının yaklaşık% 8’ini oluşturmaktadır. Bu nedenle, kullanımını yavaşlatmaya ve yerinde zamanını artırmaya yardımcı olabilecek herhangi bir şey, yalnızca çevre için iyi olabilir.
Donmuş betonda çatlaklar ve gerilmede değişiklikler meydana gelebilir ve meydana gelebilir ve uzun vadede su, kimyasallar veya diğer harici maddelerin içeri girmesine veya başka bozulmalara neden olmasına izin verebilir. Tespit edilmediğinde veya düzeltilmediğinde bu, betona ve yapının kendisine zarar verebilir, bu da betonu zayıflatır ve bakım veya değiştirme ihtiyacını artırır – maliyeti artırır ve sonuç olarak kullanım ömrünü kısaltır. Akıllı beton, belirli bir yeteneği olan beton ürünleri kapsayan kapsayıcı bir terimdir; en yaygın olanları kendini algılama ve kendini iyileştirmedir. Bir yapının sağlığını izlemek, betonun bileşiminde değişiklikler yapmak ve sorunu düzeltmek için harekete geçmek için kullanılabilirler.
Kendini algılayan beton, adından da anlaşılacağı gibi, kendi durumunu ve parçası olduğu yapı içindeki gerilme seviyelerini izleme yeteneğine sahiptir. Elektrik iletebilen, hasar gördüğünde direnç değerlerini (elektrik yükünün) değiştirebilen beton üretmek için standart bir beton karışımına mikroskobik karbon lifleri ve silis dumanı katkıları eklenerek yapılır. Bir yapı üzerindeki titreşimleri izlemek, genellikle yüksek binalar, köprüler, pistler, barajlar ve diğer yapılarda kullanılan titreşim sensörlerinin yerini almak için kullanılabilir. Betonun kendisi sensör haline gelir ve şiddetli rüzgarlar, nem, sıcaklık değişiklikleri ve diğer çevresel koşulların neden olduğu çatlakları ve diğer hasarları tespit edebilir.
Kendi kendini onaran beton, beton yüzeyindeki çatlakları otonom olarak onarma yeteneğine sahiptir. Standart bir beton karışımına iyileştirici bir ajan (bakteri ve kalsiyum laktat gibi) eklenerek yapılır. Ajanlar çoğunlukla uyku halindedir ve ancak çatlaklardan su verildiğinde aktif hale gelir. Bu daha sonra bakteri ve kalsiyum laktatın karışarak çatlağı kapatan kireçtaşı üretmesini sağlar. Diğer bir yöntem, beton karışımı içinde bir sodyum silikat iyileştirici madde içeren mikro kapsüller kullanmaktır. Çatlaklar göründüğünde, kapsüller parçalanır ve betondaki kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girdiğinde çatlakları onaran bir jel oluşturan kimyasalları salar.
Hem kendini algılayan hem de kendini iyileştiren betonlar kendilerini laboratuarlarda kanıtlamış ve toplu, gerçek hayattaki inşaat kullanımı için geliştirilmektedir. Bu akıllı malzemeler, yapıların ömrünü ve dayanıklılığını artırmada önemli bir rol oynayacak ve bu da maliyetleri azaltacak ve sürdürülebilirliği artıracaktır.
Akıllı Pencereler: Değiştirilebilir, Kırılmaz ve Isınma
Cam, son zamanlarda bazı önemli iyileştirmelerden geçen ve uzun vadede kullanımını ve güvenilirliğini büyük ölçüde etkileyecek başka bir malzemedir. Yüzyıllar boyunca cam, binalara ışık ve ısı girmesini sağlayan, sesin girip çıkmasını azaltan ve genel estetik açıdan hoş bir görünüm sağlayan pencereler yapmak için kullanılmıştır. Pencerenin şekli ve mimarisi yüzyıllar boyunca değişmiş olsa da, cam bileşeni son teknolojik gelişmelere kadar büyük ölçüde değişmedi.
Bu tür bir teknoloji, camın üzerinden geçen voltajı değiştirerek pencerelerin camdan ne kadar ışık geçtiğini (otomatik veya manuel olarak) değiştirmesini sağlayan elektrokromiktir. Şeffaftan opaklığa geçiş, aynı zamanda enerji kullanımının gün içinde optimize edilebileceği ve mevsimler boyunca kontrol edilebileceği anlamına gelir. Bu akıllı pencereler, bir elektrokromik katman, iyon iletkeni ve iyon depolama katmanları ve ortasında bir ayırıcı bulunan iki ince elektrik kontağı (elektrotlar) dahil olmak üzere birkaç katmandan oluşur. Elektrotlara küçük bir voltaj uygulandığında, iyonlar bir elektrottan ayırıcıdan diğer elektrota geçer. Bu, voltaj tersine dönene kadar (böylece iyon orijinal elektroda geri döner) ve cam tekrar şeffaf hale gelene kadar camı opak hale getirir. Bu yetenek, binaya giren gün ışığını (ve ısıyı) değiştirme ihtiyacının önemli olduğu pek çok uygulamaya sahiptir. Örneğin; okullar, hastaneler ve ofisler. Getirdiği kontrol, bu binaları çalıştırmanın aydınlatma, ısıtma ve soğutma maliyetlerini potansiyel olarak azaltabilir.
Yapısal cam, binanın kullanım şeklini, sahip olduğu enerji kullanımını ve estetik açıdan ne kadar hoş olduğunu değiştiren bir ev veya ofisin bir başka bileşenidir. Geleneksel olarak, cam paneller (taşıyıcı) çelik veya ahşap pencere çerçevelerine dahil edilirken, modern yapıdaki kullanımları, çerçevesiz ve yapının yük taşıyıcı elemanının bir parçasını oluşturan büyük bir cam parçasını içerebilir.
Yapısal camın kendisi normal çerçeveli pencere camına göre çok daha kalın ve güçlüdür ve sertleştirilmiş veya lamine cam kullanılarak yapılır. Çerçeveye ihtiyaç duymadan, yapısal camın konut ve ticari ofisleri tasarlayan mühendislere sağladığı esneklik, yapının kendisi ve kullanımıyla yenilik yapma fırsatı sunar. Yapısal camın termal ısıtma camı ve enerji tasarruflu low-e cam kaplamayla birleştirilmesi aynı zamanda güneş ışığı binaya her açıdan girebilmesine rağmen, bir sera haline gelmediği anlamına gelir. Cam teknolojisindeki modern yenilikler, çerçeveli bir pencerenin bir unsurundan daha fazlası haline geldiği anlamına gelir. Bir binanın yapısal yapısında ve içinde kullanılan enerji seviyelerinde değişiklikler sağlayabilir.
İnşaatta akıllı malzemelerin geleceği Gördüğümüz gibi, şimdi inşaatta kullanılan ve 10 yıl önce bile geçerli olmayan bir dizi yeni malzeme var. Bundan 10 yıl sonra, mühendisler enerji israfını azaltmak için kullanılabilen, ekonomik olarak üretilebilen ve binalarda ve diğer yapılarda yüksek küresel uygulamalara sahip malzemelere olan artan ihtiyaca cevap vermek zorunda kalacaklar. Nanoteknoloji, grafen ve biyoplastikteki daha büyük yenilikler, inşaat mühendisliği projelerinin daha verimli bir şekilde inşa edilmesini, maliyetinin etkin bir şekilde sürdürülmesini ve uzun vadede daha sürdürülebilir hale gelmesini sağlayacak yeni ürünler ortaya çıkaracaktır .
