ETFE covers for making intelligent continental layers

چکيده
 

امروزه فويل هاي ETFE، در کنار مصالحي نظير شيشه، پلي کربنات و اکريليک و ... ازجمله مصالح مورد استفاده در پوشش هاي ساختماني هستند که معمولاً هم در نما و هم در نورگيرهاي سقفي استفاده مي گردند. کيفيت ويژه ي اين مصالح ساختماني نظير شفافيت زياد، مقاومت عالي در برابر آلودگي هاي محيطي و خاصيت ضد چسبندگي، مقاومت بالا در برابر تابش فرابنفش و عمر مفيد طولاني، سبکي و بي خطر بودن، امکان تنظيم شفافيت و جلوه ي بصري پوسته و ... آن را به يکي از کم رقيب ترين مصالح جهت ساخت پوسته هاي اقليمي و هوشمند تبديل کرده است. اين مقاله ضمن معرفي اين ماده، مهم ترين خواص و ويژگي آن را با ذکر مصاديق مختلف مورد بررسي قرار مي دهد.

تصوير 1: باغ وحش برگر(Berger) در آرنهايم (Arnheim) هلند (1982): يکي از اولين نمونه هاي کاربردETFE درجهان

کليد واژه ها: فويل ETFE، شفافيت، سبکي، دوام، قابليت تنظيم.

مقدمه
 

بيش از بيست و پنج سال است که فويل ها براي مسقف کردن سازه ها مورد استفاده قرار گرفته اند. اين فن آوري مبتکرانه در آغاز براي پوشش استخرهاي شنا و ساختمان هاي باغ وحش استفاده شد (تصوير 1). امروزه اين سيستم ابتکاري که در آن شفافيت و وزنِ سبک با ويژگي هاي عايق کاري بسيار عالي و طول عمر زياد ترکيب شده و در توسعه ي معماري، پيشگام است توسط معماران مشهوري نظير نيکولاس گريمشاو، مايکل هاپکينز، نورمن فاستر، آلسوپ و ... استفاده مي شود. درحال حاضر، فويل ها به عنوان راه حل استاندارد مسقف کردن فضاهاي محصور اداري، نورگيرهاي سقفي کارخانه ها و ... و به طور کلي ساخت پوسته هاي ساختماني متناسب با اهداف عملکردي و زيبايي شناسانه بنا، در حال استفاده اند.

جدول 1: ويژگي هاي سازه اي فويل هاي ETFE
 

ضخامت (ميکرون)	وزن )	مقاومت کششي (DIN 53455)	کرنش کششي (درصد) L/T	مقاومت گسيختگي (N) L/T
50	5/87	56/64	450/450	450/450
80	140	54/58	600/500	550/450
100	175	57/58	600/550	440/430
150	5/262	57/58	650/600	420/450
200	350	52/52	600/600	430/430
250	5/437	40 > /40 >	300 > /300 >	300 > /300 >

معرفي ماده و خواص آن
 

فويل ETFE، کوپليمري از اتيلن و تترافلوئور اتيلن، يک پلاستيک بي نهايت پايدار است که در برابر هر نوع بارگذاري و عامل محيطي نظير اشعه ي ماوراي بنفش، آلودگي هوا، فضولات پرندگان و ... مقاومت مي کند و ترکيبات فيزيکي و شيميايي آن در طول زمان تغيير نمي کند.
نقطه ي ذوب آن حدود 250 تا 270 درجه ي سانتي گراد، چگالي اش بين 73/1 تا 77/1 گرم بر سانتي متر مکعب و در ضخامت هاي مختلف از 50 تا 250 ميکرومتر ساخته مي شود.

فويل هاي ETFE بسيار شفاف اند و گذردهي نور آن ها بين 90 تا 95 درصد است. اين شفافيت در بيش تر طيف الکترومغنايس اتفاق مي افتد و شامل طيف فرابفنش (UV) هم مي شود که براي رشد گياهان و فتوسنتز ضروري است.
اين ماده خويشاوندي نزديکي با تفلون دارد و خاصيت نچسب بودن آن ها به کي ميزان است. رسوباتي مانند کثيفي، گرد و خاک و ذرات خرد به سطح اين ماده نمي چسبند و توسط باران شسته مي شوند، لذا در زمره ي مواد خود شست و شو (self cleaning) محسوب مي شوند.

به دليل مقاومت عالي آن در برابر تابش فرابنفش (UV)، طول عمر متوسط آن به بيش از سي سال مي رسد.
غشاهاي ETFE، مصالحي تقريباً ايزوتروپيک هستند که داراي خواص نسبتاً يکسان در جهات مختلف اند در جدول 1 خلاصه اي از ويزگي هاي سازه اي اين ماده در دو جهت طولي (L or Longitudinal) و عرضي (T or Transversal) آورده شده است.

سيستم پوشانه ي ETFE:
 

طرح کلي سيستم پوشانه ي ETFE شامل دو لايه يا بيش تر از فيلم هاي ETFE مي شود که لبه هاي آن ها جوش حرارتي داده مي شود تا به شکل يک قطعه ي بالشتکي که قابل باد شدن است درآيند. (تصاوير 2 و 3)
براي ساخت يک بالشتک حداقل دو فويل مورد نياز است. لايه هاي بيش تر ويژگي هاي عايق کاري را بهبود مي بخشند، گرچه در مقابل، شفافيت غشا را تقليل مي دهند. سپس اين فويل ها به يک نيم رخ آلومينيومي اکستروژن شده پيراموني محکم مي شوند که خود نيز قاعدتاً به يک نوع سازه زيرين پيچ شده است اين سازه مي تواند چوب چند لايه، فولاد، آلومينيوم، يا سيستم هاي کابلي باشد. (تصاوير 4 و 5)

ويژگي هاي بالشتک هاي ETFE :
 

به طور قطع ويژگي هاي بالشتک ETFE مربوط به خواص فويل هاي سازنده ي آن است که به طور اجمالي ذکر شد. اما چون اين ماده معمولاً در پوسته هاي ساختماني به صورت بالشتک هاي باد شده ي چند لايه به کار مي رود، در ادامه مهم ترين ويژگي هاي اين سيستم پوشانه بيش تر تشريح مي شود.

امکان تنظيم شفافيت پوسته
 

ساختمان چند لايه ي بالشتک ها به طراح فرصت هاي بي شماري مي دهد تا مقدار سايه اندازي پوسته ي بنا را کنترل و شفافيت بصري آن را مديريت نمايد. اين ويژگي، توسعه ي محيط هايي با مصرف کم انرژي و مهندسي طبيعي را ممکن ساخته است.
استفاده از روکش هاي انتخاب کننده (selective coating) بر روي فويل هاي کارآيي آن را در شرايط گوناگون افزايش مي دهد. روش هاي کنترل انکسار نور در طول موج هاي 300 تا 800 نانومتر نيز در وضوح بصري پوشانه نقش مهمي دارد و امروزه دستيابي به وضوح (clarity) کامل تقريباً ميسر است (تصوير 6)
بر روي بالشتک هاي ETFE مي توان الگوهاي گرافيکي از پليمرهاي فلوئور نيمه شفاف يا مات را چاپ کرد. با استفاده از اين بالشتک ها، طيف وسيعي از سايه اندازي قابل وصول است در عين حال که شفافيت بصري پوسته نيز حفظ مي شود، فويل ETFE مي تواند با يک ته رنگ نيمه شفاف توليد شود. با تغيير دادن تعداد و نوع لايه ها، چگالي و رنگ آن ها، خواص گذردهي نور را مي توان به طور نامحدود تغيير داد. رنگ هاي استاندارد موجود عبارت اند از سفيد، آبي، زرد، قرمز و سبز. (تصوير 7)

کنترل انرژي خورشيدي و پوسته هاي متغير
 

ساختمان چند لايه بالشتک ها مي تواند براي ايجاد پوسته هاي اقليمي که محيط خود را حس مي کنند و درجه عايق بودن خود و گذردهي نور خورشيد را در صورت نياز تغيير مي دهند، به کار گرفته شود.
با چاپ کردن طرح هاي گرافيکي داراي همپوشاني بر روي لايه هاي متعدد و يکي کردن بالشتک ها با سيستم هاي پنوماتيک پيچيده، مي توان طرح هاي گرافيکي مختلف را همراه با هم و جدا از هم حرکت داد. با اين روش مي توان هم مقدار جذب انرژي خورشيدي نفوذ کرده در بنا و هم سيماي بصري پوسته را تغيير داد. اين پديده را نه تنها مي توان براي کنترل مقدار انتقال نور خورشيد از ميان پوسته به خدمت گرفت، بلکه مي توان براي تغيير تعداد محفظه هاي هوا در درون يک بالشتک نيز مورد استفاده قرار داد و به وسيله ي آن مقدار U براي بالشتک تغيير داده شود.

اين خواص منحصر به فرد طراحان را قادر مي سازد تا ساختمان هايي خلق کنند که کارآيي انرژي و صرفه جويي اقتصادي دارند و نسبت به تغييرات شرايط محيطي عکس العمل بصري دارند.
به طور کلي به منظور مقاومت در برابر گرماي بيش از حد از طريق تشعشع مستقيم خورشيد چندين امکان وجود دارد تا از درجه حرارت نامناسب در فضاي داخل اجتناب گردد. در مورد تشعشع مستقيم بسيار شديد خورشيد سه راه حل ممکن وجود دارد: (تصاوير 8 تا 13)
1- سايه اندازي بيروني پوسته؛
2- سايه اندازي دروني پوسته؛ و
3- کنترل پويا و متغير به کمک پُر و خالي کردن باد محفظه هاي مختلف.

جدول 2: مقدار U براي بالشتک هاي چند لايه ETFE
 

تعداد فويل ها	مقدار U ، بر حسب
2	94/2
3	96/1
4	47/1
5	18/1

عايق کاري، تهويه
 

بالشتک هاي ETFE از 2 تا 5 لايه ي فويل ساخته مي شوند. چون هر لايه ي فويل يک لايه ي هوا را محصور مي کند، مقدار U براي پوسته بسيار پاين است و مي تواند متناسب با نوع کاربرد، بهينه سازي شود. (جدول 2) به منظور افزايش کيفيت بالاي عايق کاري پوسته مي توان از روکش هاي انتخاب گر نيز استفاده کرد.
علاوه بر پايين بودن استثنايي مقدار U، اتلاف گرما در اثر تراوش (infiltration) نيز در درون سيستم به صفر کاهش مي يابد، به طوري که بالشتک ها يک حصار محافظ داراي فشار تنظيم شده را در پيرامون ساختمان شکل مي دهند.
علاوه بر کنترل مقدار U و جذب انرژي خورشيدي، مي توان بازشوهاي تهويه در پوسته ي بنا نيز تعبيه کرد. پوشانه ي ETFE در ميان فن آوري هاي ساختماني منحصر به فرد است، چرا که انعطاف پذيري بالا آن را قادر مي سازد تا تهويه ي هاي بسيار بزرگ تر و سازه هاي متحرکي ساخت که با فن آوري هاي معمول پيشين، امکان آن نبود. (تصوير 14)

دوام، سازگاري با محيط زيست و پايداري
 

فويل ETFE از آلودگي جوي و اشعه UV متاثر نمي شود. اين ماده در طي زمان سخت نمي شود، زرد نمي گردد و تنزل کيفي پيدا نمي کند. اين ويژگي ها استفاده از آن را براي بناهاي نيازمند عمر طولاني و هزينه نگهداري کم، نظير بيمارستان ها، ايستگاه هاي راه آهن، مراکز تفريحي و مراکز گياه شناسي ايده آل مي سازد. همچنين، قابليت آن در شست و شوي خود در اثر برخورد باران، هزينه هاي دوره ي بهره برداري را بسيار کاهش مي دهد.
فويل ETFE هم کارآيي انرژي دارد و هم از فن آوري دوستدار محيط زيست برخوردار است. اين ماده به صورت خام تحت معاهده مونترال پذيرفته مي شود و از مشتقات پتروشيمي نيست. توليدآن يک فرآيند پايه ي آبي بسته است و در تهيه ي آن از هيچ حلالي استفاده نمي گردد.
اين مصالح 100 درصد قابل بازيافت است و بسياري از اعضاي سيستم از مواد قابل بازيافت ساخته مي شوند؛ به مجرد خرابي محصول، فويل ها به شرکت سازنده بازگردانده مي شوند تا بازيافت شوند. فلوريت که از مواد اوليه ي سازنده ي غشاهاي ETFE مي باشد، يک عنصر رايج است که در سراسر جهان يافت مي شود. اين محصول بسيار سبک وزن است (وزن سيستم تقريباً 2 کيلوگرم بر مترمربع است) و براي حمل و نقل اين سيستم نسبت به ساختمان مشابهي از جنس شيشه يک دهم انرژي مورد نياز است. مقطع پيچيده اکستروژن ها محيط محافظت شده اي را براي واشرها و درزگيرها فراهم مي کند تا از هر گونه خرابي عادي و يا نياز به نگهداري حفظ شوند.
بنابراين پوشانه ي ETFE يک فن آوري با صرفه ي انرژي بسيار بالاست؛ هم به دليل عملکرد محيطي اش يعني عايق قوي بودن و کنترل بهينه ي انرژي خورشيدي، و هم انرژي نهفته ي پايين آن (کم تر از يک درصد فن آوري هاي رايج).

ويژگي هاي سازه اي
 

بالشتک هاي ETFE را مي توان در اندازه هاي بزرگ ساخت و مي توانند دهانه هاي بسيار بزرگ تري را نسبت به فن آوري هاي پوشانه اي مرسوم پوشاند. اين ويژگي براي طراحان فرصتي را فراهم مي کند تا طرح پوشانه را با سازه ي اوليه يکپارچه نمايند و زيبايي سادگي و ظرافت را به نمايش گذارند. (تصوير 15)
سختي ذاتي اين مصالح، مقاومت بالا در برابر پارگي و قابليت سخت شدن وراي دامنه ي ازدياد طول آن (جدول 1). به اين معناست که اين سيستم مي تواند به طور طبيعي با خيزهاي بسيار بزرگ در سازه تکيه گاهي سرو کار داشته باشد. اين امر، ساخت سازه هاي سبک وزن منحصر به فرد نظير توري هاي کابلي تک محوره و ژئودزيک هاي بزرگ مقياس را ممکن مي سازد. (تصوير 14)
با توجه به اين که تنظيم فشار بالشتک ها با باد صورت مي گيرد، نيروهاي ايجاد شده در بالشتک ها توسط تورم (باد شدن) و بارهاي خارجي نظير باد و برف بايد توسط سازه اوليه تحمل شوند. بارهايي که تحميل مي شوند تابع دهانه ي بالشتک ها و ميزان بالا آمدگي آن ها هستند.
به دليل ويژگي هاي فيزيکي فويل ها، محاسبات مهندسي آن ها کاملاً با محاسبات مهندسي استاندارد تفاوت دارد. کشساني بالاي آن در محدوده ي الاستيک و پلاستيک تعيين نقطه گسيختگي فويل و ضرايب ايمني مورد نياز که بايد دخيل شوند را مشکل مي سازد. داده هاي مصالح ثابت نيست. اما بستگي به نوع بارگذاري و چگونگي اعمال بارها بر محصول دارد.

آتش
 

اين ماده در موسسات گوناگون اروپايي، آزمايشات گسترده اي را پشت سر گذاشته است و داراي خاصيت منحصر به فرد «تهويه ي خودکار» موادحاصل از احتراق به بيرون مي باشد. در شرايط آتش سوزي، هر گاز داغي که در دماي بالاي حدود 200 درجه سانتي گراد به بالشتک ها برخورد مي کند، فويل را گرم مي کند. از آن جايي که فويل تحت کرنش ناشي از تورم است، در اثر زبانه هاي آتش خراب، و به عقب جمع مي شود و به طور موثري آتش را به هواي آزاد بيرون مي دهد. هر يک از تکه هاي فويل که هنوز باقي است، توسط زبانه هاي آتش به سمت بالا رانده مي شود و از آنجا که ذرات ماده مورد استفاده در سقف بسيار کوچک ا ند، کسي چکه هاي ETFE مذاب را که به زمين مي افتند حس نمي کند. (تصوير 16)
اين ويژگي تهويه ي خودکار، از انباشت گازهاي بسيار گرم در زير ساختمان سقف و در نتيجه از امکان جرقه و انفجار و يا واژگوني فاجعه بار سازه اصلي جلوگيري مي کند.
اين سيستم را مي توان با سيستم مديريت ساختمان به کار انداخت و به حس گرهاي گرما، دود، باد و باران مرتبط کرد. از سبکي و انعطاف پذيري ETFE مي توان بهره ي بيش تري گرفت و بازشوهاي بسيار بزرگ تري در سقف طراحي کرد تا دهليزها و فضاهاي بازِِ محصور (آتريوم ها) بتوانند در شرايط آتش سوزي تهويه ي بهتري را انجام دهند.
نقطه ي ذوب ETFE تقريباً 275 درجه ي سانتي گراد است، گرچه در زير اين درجه حرارت نيز نرم مي شود. وجود فلوئورين در ساختار ETFE، اين ماده را خود خاموش شونده کرده است.

آزادي فرم و امکان ايجاد جلوه هاي بصري
 

اين محصول اساساً با هر شکلي خود را تطبيق مي دهد و مي تواند براي پوشش شکل هايي که در فضا مي پيچيند نيز به کار مي رود. (تصوير 17)
بالشتک هاي ETFE امکانات زيبايي را همراه با سيستم نورپردازي پيش روي طراحان قرار مي دهند. (تصوير 18)
در طرح مرکز ملي بازي هاي آبي در پکن، معماران پروژه از ويژگي شکلي بالشتک هاي ETFE در ايجاد ساختماني با سيماي حباب گون بهره گرفته اند. (تصوير 19)

جمع بندي
 

سيستم پوشانه ي ETFE، فرصت هاي بي مانندي را در مسير توسعه ي پوسته ي اقليمي براي طراحان فراهم مي کند. اين سيستم تشکيل شده است از بالشتک هاي بادي که توسط پروفيل هاي اکستروژن شده آلومينيومي، مهار مي شود و به وسيله ي يک سازه ي سبک وزن نگه داشته مي شوند. اين بالشتک ها به منظور عايق شدن و تأمين مقاومت در برابر باد با فشار کم هوا باد مي شوند.

اين بالشتک ها از کوپوليمر اتيلن تترافلوئور اتيلن اصلاح شده ETFE و بين دو تا پنج لايه ساخته مي شوند. اين مصالح منحصر به فرد که در اصل براي صنعت فضانوردي ايجاد گرديد، در برابر تابش فرابنفش يا آلودگي جوي تنزل کيفي پيدا نمي کند. اين بالشتک ها به دليل اين که بسيار با دوام هستند مي توانند به عنوان بخشي از پوسته هاي ساختماني دائمي مورد استفاده قرار گيرند. به علاوه، به دليل سطح بسيار نرم و خاصيت ضد چسبندگي اين بالشتک ها، پوسته ي بنا با برخورد باران، خودش تميز مي شود. فويل ETFE، گذردهي استثنايي نور را با عايق کاري بسيار عالي ترکيب مي کند. اين لايه ها مي توانند درجات مختلفي از سايه اندازي را ايجاد کنند و طراح را قادر مي سازند تا عملکرد محيطي و زيبايي شناسانه ي پوسته ي ساختمان را بهينه نمايد. حتا مي توان سيستم هاي پوشانه اي ايجاد کرد که در برابر تابش خورشيد عکس العمل نشان دهند و ميزان گذردهي نور و عايق بودن خود را در طول روز تغيير دهند.
از طريق تحليل بار و الگوسازي پيچيده مي توان اين بالشتک ها را به هر شکل و اندازه اي در محاسبات مهندسي منظور نمود. انعطاف پذيري ذاتي ETFE، به طراحان اين امکان را مي دهد تا سازه هايي با سبکي و ظرافت نامتعارف خلق نمايند.
اين خواص پوشانه ي ETFE، همراه با ميزان بسيار کم انرژي نهفته و ويژگي هاي محيطي برجسته ي آن، تحقق پوسته هاي واقعاً اقليمي – طبيعي را ممکن مي سازد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- کارشناس ارشد معماري، طراح، محقق و مدرس معماري، m.mojahedi@gmail.com
2- عضو هيئت علمي گروه معماري دانشگاه صنعتي 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.
دانش نما شماره پياپي 166-165