کاربرد پوشانه های ETFE در ساخت پوسته های اقلیمی و هوشمند

ETFE covers for making intelligent continental layers

چکیده

امروزه فویل های ETFE، در کنار مصالحی نظیر شیشه، پلی کربنات و اکریلیک و ... ازجمله مصالح مورد استفاده در پوشش های ساختمانی هستند که معمولاً هم در نما و هم در نورگیرهای سقفی استفاده می گردند. کیفیت ویژه ی این مصالح ساختمانی نظیر شفافیت زیاد، مقاومت عالی در برابر آلودگی های محیطی و خاصیت ضد چسبندگی، مقاومت بالا در برابر تابش فرابنفش و عمر مفید طولانی، سبکی و بی خطر بودن، امکان تنظیم شفافیت و جلوه ی بصری پوسته و ... آن را به یکی از کم رقیب ترین مصالح جهت ساخت پوسته های اقلیمی و هوشمند تبدیل کرده است. این مقاله ضمن معرفی این ماده، مهم ترین خواص و ویژگی آن را با ذکر مصادیق مختلف مورد بررسی قرار می دهد.

تصویر 1: باغ وحش برگر(Berger) در آرنهایم (Arnheim) هلند (1982): یکی از اولین نمونه های کاربردETFE درجهان

کلید واژه ها: فویل ETFE، شفافیت، سبکی، دوام، قابلیت تنظیم.

مقدمه

بیش از بیست و پنج سال است که فویل ها برای مسقف کردن سازه ها مورد استفاده قرار گرفته اند. این فن آوری مبتکرانه در آغاز برای پوشش استخرهای شنا و ساختمان های باغ وحش استفاده شد (تصویر 1). امروزه این سیستم ابتکاری که در آن شفافیت و وزنِ سبک با ویژگی های عایق کاری بسیار عالی و طول عمر زیاد ترکیب شده و در توسعه ی معماری، پیشگام است توسط معماران مشهوری نظیر نیکولاس گریمشاو، مایکل هاپکینز، نورمن فاستر، آلسوپ و ... استفاده می شود. درحال حاضر، فویل ها به عنوان راه حل استاندارد مسقف کردن فضاهای محصور اداری، نورگیرهای سقفی کارخانه ها و ... و به طور کلی ساخت پوسته های ساختمانی متناسب با اهداف عملکردی و زیبایی شناسانه بنا، در حال استفاده اند.

جدول 1: ویژگی های سازه ای فویل های ETFE

معرفی ماده و خواص آن

فویل ETFE، کوپلیمری از اتیلن و تترافلوئور اتیلن، یک پلاستیک بی نهایت پایدار است که در برابر هر نوع بارگذاری و عامل محیطی نظیر اشعه ی ماورای بنفش، آلودگی هوا، فضولات پرندگان و ... مقاومت می کند و ترکیبات فیزیکی و شیمیایی آن در طول زمان تغییر نمی کند.
نقطه ی ذوب آن حدود 250 تا 270 درجه ی سانتی گراد، چگالی اش بین 73/1 تا 77/1 گرم بر سانتی متر مکعب و در ضخامت های مختلف از 50 تا 250 میکرومتر ساخته می شود.

فویل های ETFE بسیار شفاف اند و گذردهی نور آن ها بین 90 تا 95 درصد است. این شفافیت در بیش تر طیف الکترومغنایس اتفاق می افتد و شامل طیف فرابفنش (UV) هم می شود که برای رشد گیاهان و فتوسنتز ضروری است.
این ماده خویشاوندی نزدیکی با تفلون دارد و خاصیت نچسب بودن آن ها به کی میزان است. رسوباتی مانند کثیفی، گرد و خاک و ذرات خرد به سطح این ماده نمی چسبند و توسط باران شسته می شوند، لذا در زمره ی مواد خود شست و شو (self cleaning) محسوب می شوند.

به دلیل مقاومت عالی آن در برابر تابش فرابنفش (UV)، طول عمر متوسط آن به بیش از سی سال می رسد.
غشاهای ETFE، مصالحی تقریباً ایزوتروپیک هستند که دارای خواص نسبتاً یکسان در جهات مختلف اند در جدول 1 خلاصه ای از ویزگی های سازه ای این ماده در دو جهت طولی (L or Longitudinal) و عرضی (T or Transversal) آورده شده است.

سیستم پوشانه ی ETFE:

طرح کلی سیستم پوشانه ی ETFE شامل دو لایه یا بیش تر از فیلم های ETFE می شود که لبه های آن ها جوش حرارتی داده می شود تا به شکل یک قطعه ی بالشتکی که قابل باد شدن است درآیند. (تصاویر 2 و 3)
برای ساخت یک بالشتک حداقل دو فویل مورد نیاز است. لایه های بیش تر ویژگی های عایق کاری را بهبود می بخشند، گرچه در مقابل، شفافیت غشا را تقلیل می دهند. سپس این فویل ها به یک نیم رخ آلومینیومی اکستروژن شده پیرامونی محکم می شوند که خود نیز قاعدتاً به یک نوع سازه زیرین پیچ شده است این سازه می تواند چوب چند لایه، فولاد، آلومینیوم، یا سیستم های کابلی باشد. (تصاویر 4 و 5)

ویژگی های بالشتک های ETFE :

به طور قطع ویژگی های بالشتک ETFE مربوط به خواص فویل های سازنده ی آن است که به طور اجمالی ذکر شد. اما چون این ماده معمولاً در پوسته های ساختمانی به صورت بالشتک های باد شده ی چند لایه به کار می رود، در ادامه مهم ترین ویژگی های این سیستم پوشانه بیش تر تشریح می شود.

امکان تنظیم شفافیت پوسته

ساختمان چند لایه ی بالشتک ها به طراح فرصت های بی شماری می دهد تا مقدار سایه اندازی پوسته ی بنا را کنترل و شفافیت بصری آن را مدیریت نماید. این ویژگی، توسعه ی محیط هایی با مصرف کم انرژی و مهندسی طبیعی را ممکن ساخته است.
استفاده از روکش های انتخاب کننده (selective coating) بر روی فویل های کارآیی آن را در شرایط گوناگون افزایش می دهد. روش های کنترل انکسار نور در طول موج های 300 تا 800 نانومتر نیز در وضوح بصری پوشانه نقش مهمی دارد و امروزه دستیابی به وضوح (clarity) کامل تقریباً میسر است (تصویر 6)
بر روی بالشتک های ETFE می توان الگوهای گرافیکی از پلیمرهای فلوئور نیمه شفاف یا مات را چاپ کرد. با استفاده از این بالشتک ها، طیف وسیعی از سایه اندازی قابل وصول است در عین حال که شفافیت بصری پوسته نیز حفظ می شود، فویل ETFE می تواند با یک ته رنگ نیمه شفاف تولید شود. با تغییر دادن تعداد و نوع لایه ها، چگالی و رنگ آن ها، خواص گذردهی نور را می توان به طور نامحدود تغییر داد. رنگ های استاندارد موجود عبارت اند از سفید، آبی، زرد، قرمز و سبز. (تصویر 7)

کنترل انرژی خورشیدی و پوسته های متغیر

ساختمان چند لایه بالشتک ها می تواند برای ایجاد پوسته های اقلیمی که محیط خود را حس می کنند و درجه عایق بودن خود و گذردهی نور خورشید را در صورت نیاز تغییر می دهند، به کار گرفته شود.
با چاپ کردن طرح های گرافیکی دارای همپوشانی بر روی لایه های متعدد و یکی کردن بالشتک ها با سیستم های پنوماتیک پیچیده، می توان طرح های گرافیکی مختلف را همراه با هم و جدا از هم حرکت داد. با این روش می توان هم مقدار جذب انرژی خورشیدی نفوذ کرده در بنا و هم سیمای بصری پوسته را تغییر داد. این پدیده را نه تنها می توان برای کنترل مقدار انتقال نور خورشید از میان پوسته به خدمت گرفت، بلکه می توان برای تغییر تعداد محفظه های هوا در درون یک بالشتک نیز مورد استفاده قرار داد و به وسیله ی آن مقدار U برای بالشتک تغییر داده شود.

این خواص منحصر به فرد طراحان را قادر می سازد تا ساختمان هایی خلق کنند که کارآیی انرژی و صرفه جویی اقتصادی دارند و نسبت به تغییرات شرایط محیطی عکس العمل بصری دارند.
به طور کلی به منظور مقاومت در برابر گرمای بیش از حد از طریق تشعشع مستقیم خورشید چندین امکان وجود دارد تا از درجه حرارت نامناسب در فضای داخل اجتناب گردد. در مورد تشعشع مستقیم بسیار شدید خورشید سه راه حل ممکن وجود دارد: (تصاویر 8 تا 13)
1- سایه اندازی بیرونی پوسته؛
2- سایه اندازی درونی پوسته؛ و
3- کنترل پویا و متغیر به کمک پُر و خالی کردن باد محفظه های مختلف.

جدول 2: مقدار U برای بالشتک های چند لایه ETFE

عایق کاری، تهویه

بالشتک های ETFE از 2 تا 5 لایه ی فویل ساخته می شوند. چون هر لایه ی فویل یک لایه ی هوا را محصور می کند، مقدار U برای پوسته بسیار پاین است و می تواند متناسب با نوع کاربرد، بهینه سازی شود. (جدول 2) به منظور افزایش کیفیت بالای عایق کاری پوسته می توان از روکش های انتخاب گر نیز استفاده کرد.
علاوه بر پایین بودن استثنایی مقدار U، اتلاف گرما در اثر تراوش (infiltration) نیز در درون سیستم به صفر کاهش می یابد، به طوری که بالشتک ها یک حصار محافظ دارای فشار تنظیم شده را در پیرامون ساختمان شکل می دهند.
علاوه بر کنترل مقدار U و جذب انرژی خورشیدی، می توان بازشوهای تهویه در پوسته ی بنا نیز تعبیه کرد. پوشانه ی ETFE در میان فن آوری های ساختمانی منحصر به فرد است، چرا که انعطاف پذیری بالا آن را قادر می سازد تا تهویه ی های بسیار بزرگ تر و سازه های متحرکی ساخت که با فن آوری های معمول پیشین، امکان آن نبود. (تصویر 14)

دوام، سازگاری با محیط زیست و پایداری

فویل ETFE از آلودگی جوی و اشعه UV متاثر نمی شود. این ماده در طی زمان سخت نمی شود، زرد نمی گردد و تنزل کیفی پیدا نمی کند. این ویژگی ها استفاده از آن را برای بناهای نیازمند عمر طولانی و هزینه نگهداری کم، نظیر بیمارستان ها، ایستگاه های راه آهن، مراکز تفریحی و مراکز گیاه شناسی ایده آل می سازد. همچنین، قابلیت آن در شست و شوی خود در اثر برخورد باران، هزینه های دوره ی بهره برداری را بسیار کاهش می دهد.
فویل ETFE هم کارآیی انرژی دارد و هم از فن آوری دوستدار محیط زیست برخوردار است. این ماده به صورت خام تحت معاهده مونترال پذیرفته می شود و از مشتقات پتروشیمی نیست. تولیدآن یک فرآیند پایه ی آبی بسته است و در تهیه ی آن از هیچ حلالی استفاده نمی گردد.
این مصالح 100 درصد قابل بازیافت است و بسیاری از اعضای سیستم از مواد قابل بازیافت ساخته می شوند؛ به مجرد خرابی محصول، فویل ها به شرکت سازنده بازگردانده می شوند تا بازیافت شوند. فلوریت که از مواد اولیه ی سازنده ی غشاهای ETFE می باشد، یک عنصر رایج است که در سراسر جهان یافت می شود. این محصول بسیار سبک وزن است (وزن سیستم تقریباً 2 کیلوگرم بر مترمربع است) و برای حمل و نقل این سیستم نسبت به ساختمان مشابهی از جنس شیشه یک دهم انرژی مورد نیاز است. مقطع پیچیده اکستروژن ها محیط محافظت شده ای را برای واشرها و درزگیرها فراهم می کند تا از هر گونه خرابی عادی و یا نیاز به نگهداری حفظ شوند.
بنابراین پوشانه ی ETFE یک فن آوری با صرفه ی انرژی بسیار بالاست؛ هم به دلیل عملکرد محیطی اش یعنی عایق قوی بودن و کنترل بهینه ی انرژی خورشیدی، و هم انرژی نهفته ی پایین آن (کم تر از یک درصد فن آوری های رایج).

ویژگی های سازه ای

بالشتک های ETFE را می توان در اندازه های بزرگ ساخت و می توانند دهانه های بسیار بزرگ تری را نسبت به فن آوری های پوشانه ای مرسوم پوشاند. این ویژگی برای طراحان فرصتی را فراهم می کند تا طرح پوشانه را با سازه ی اولیه یکپارچه نمایند و زیبایی سادگی و ظرافت را به نمایش گذارند. (تصویر 15)
سختی ذاتی این مصالح، مقاومت بالا در برابر پارگی و قابلیت سخت شدن ورای دامنه ی ازدیاد طول آن (جدول 1). به این معناست که این سیستم می تواند به طور طبیعی با خیزهای بسیار بزرگ در سازه تکیه گاهی سرو کار داشته باشد. این امر، ساخت سازه های سبک وزن منحصر به فرد نظیر توری های کابلی تک محوره و ژئودزیک های بزرگ مقیاس را ممکن می سازد. (تصویر 14)
با توجه به این که تنظیم فشار بالشتک ها با باد صورت می گیرد، نیروهای ایجاد شده در بالشتک ها توسط تورم (باد شدن) و بارهای خارجی نظیر باد و برف باید توسط سازه اولیه تحمل شوند. بارهایی که تحمیل می شوند تابع دهانه ی بالشتک ها و میزان بالا آمدگی آن ها هستند.
به دلیل ویژگی های فیزیکی فویل ها، محاسبات مهندسی آن ها کاملاً با محاسبات مهندسی استاندارد تفاوت دارد. کشسانی بالای آن در محدوده ی الاستیک و پلاستیک تعیین نقطه گسیختگی فویل و ضرایب ایمنی مورد نیاز که باید دخیل شوند را مشکل می سازد. داده های مصالح ثابت نیست. اما بستگی به نوع بارگذاری و چگونگی اعمال بارها بر محصول دارد.

آتش

این ماده در موسسات گوناگون اروپایی، آزمایشات گسترده ای را پشت سر گذاشته است و دارای خاصیت منحصر به فرد «تهویه ی خودکار» موادحاصل از احتراق به بیرون می باشد. در شرایط آتش سوزی، هر گاز داغی که در دمای بالای حدود 200 درجه سانتی گراد به بالشتک ها برخورد می کند، فویل را گرم می کند. از آن جایی که فویل تحت کرنش ناشی از تورم است، در اثر زبانه های آتش خراب، و به عقب جمع می شود و به طور موثری آتش را به هوای آزاد بیرون می دهد. هر یک از تکه های فویل که هنوز باقی است، توسط زبانه های آتش به سمت بالا رانده می شود و از آنجا که ذرات ماده مورد استفاده در سقف بسیار کوچک ا ند، کسی چکه های ETFE مذاب را که به زمین می افتند حس نمی کند. (تصویر 16)
این ویژگی تهویه ی خودکار، از انباشت گازهای بسیار گرم در زیر ساختمان سقف و در نتیجه از امکان جرقه و انفجار و یا واژگونی فاجعه بار سازه اصلی جلوگیری می کند.
این سیستم را می توان با سیستم مدیریت ساختمان به کار انداخت و به حس گرهای گرما، دود، باد و باران مرتبط کرد. از سبکی و انعطاف پذیری ETFE می توان بهره ی بیش تری گرفت و بازشوهای بسیار بزرگ تری در سقف طراحی کرد تا دهلیزها و فضاهای بازِِ محصور (آتریوم ها) بتوانند در شرایط آتش سوزی تهویه ی بهتری را انجام دهند.
نقطه ی ذوب ETFE تقریباً 275 درجه ی سانتی گراد است، گرچه در زیر این درجه حرارت نیز نرم می شود. وجود فلوئورین در ساختار ETFE، این ماده را خود خاموش شونده کرده است.

آزادی فرم و امکان ایجاد جلوه های بصری

این محصول اساساً با هر شکلی خود را تطبیق می دهد و می تواند برای پوشش شکل هایی که در فضا می پیچیند نیز به کار می رود. (تصویر 17)
بالشتک های ETFE امکانات زیبایی را همراه با سیستم نورپردازی پیش روی طراحان قرار می دهند. (تصویر 18)
در طرح مرکز ملی بازی های آبی در پکن، معماران پروژه از ویژگی شکلی بالشتک های ETFE در ایجاد ساختمانی با سیمای حباب گون بهره گرفته اند. (تصویر 19)

جمع بندی

سیستم پوشانه ی ETFE، فرصت های بی مانندی را در مسیر توسعه ی پوسته ی اقلیمی برای طراحان فراهم می کند. این سیستم تشکیل شده است از بالشتک های بادی که توسط پروفیل های اکستروژن شده آلومینیومی، مهار می شود و به وسیله ی یک سازه ی سبک وزن نگه داشته می شوند. این بالشتک ها به منظور عایق شدن و تأمین مقاومت در برابر باد با فشار کم هوا باد می شوند.

این بالشتک ها از کوپولیمر اتیلن تترافلوئور اتیلن اصلاح شده ETFE و بین دو تا پنج لایه ساخته می شوند. این مصالح منحصر به فرد که در اصل برای صنعت فضانوردی ایجاد گردید، در برابر تابش فرابنفش یا آلودگی جوی تنزل کیفی پیدا نمی کند. این بالشتک ها به دلیل این که بسیار با دوام هستند می توانند به عنوان بخشی از پوسته های ساختمانی دائمی مورد استفاده قرار گیرند. به علاوه، به دلیل سطح بسیار نرم و خاصیت ضد چسبندگی این بالشتک ها، پوسته ی بنا با برخورد باران، خودش تمیز می شود. فویل ETFE، گذردهی استثنایی نور را با عایق کاری بسیار عالی ترکیب می کند. این لایه ها می توانند درجات مختلفی از سایه اندازی را ایجاد کنند و طراح را قادر می سازند تا عملکرد محیطی و زیبایی شناسانه ی پوسته ی ساختمان را بهینه نماید. حتا می توان سیستم های پوشانه ای ایجاد کرد که در برابر تابش خورشید عکس العمل نشان دهند و میزان گذردهی نور و عایق بودن خود را در طول روز تغییر دهند.
از طریق تحلیل بار و الگوسازی پیچیده می توان این بالشتک ها را به هر شکل و اندازه ای در محاسبات مهندسی منظور نمود. انعطاف پذیری ذاتی ETFE، به طراحان این امکان را می دهد تا سازه هایی با سبکی و ظرافت نامتعارف خلق نمایند.
این خواص پوشانه ی ETFE، همراه با میزان بسیار کم انرژی نهفته و ویژگی های محیطی برجسته ی آن، تحقق پوسته های واقعاً اقلیمی – طبیعی را ممکن می سازد.

پی‌نوشت‌ها:

1- کارشناس ارشد معماری، طراح، محقق و مدرس معماری، m.mojahedi@gmail.com
2- عضو هیئت علمی گروه معماری دانشگاه صنعتی شاهرود

منابع
[1] Rogier Houtman: “There is no material like membrane material”, Designing Tensile Architecture, Vrije universiteit, Brussel, 2003, page 180-191.
[2] Brian Forster, Marijke Mollaert” “European Design Guide for Tensile Surface Structures”, Vrije universiteit, Brussel, 2004, page 45,220,221
[3] Stefan Lehnert” “Intelligent Roof Systems: Foil Cushions”, The Design of membrane and lightweight structures, Vrike universiteit , Brussel, 2002, page 125-130.