Nowe materiały pomogą w rozwoju budownictwa?
![Nowe materiały pomogą w rozwoju budownictwa?](https://cms.magazynprzemyslowy.pl/media/cache/resolve/opening_big%2Fmedia%2Fartykuly%2FSuperkom%25C3%25B3rki_Politechnika%2520Warszawska.jpg)
Nie występują w naturze – są projektowane i tworzone przez człowieka, ale mają niezwykłe właściwości mechaniczne. Mowa o metamateriałach tensegrity. Ich wyjątkowość można wykorzystać w budownictwie, ale jak to robić optymalnie? Tematem zajmują się naukowcy z Politechniki Warszawskiej.
– Mamy dwa główne cele: opracowanie algorytmu służącego do identyfikacji ekstremalnych własności mechanicznych metamateriałów tensegrity oraz przeprowadzanie badań laboratoryjnych próbek takich metamateriałów wykonanych w technologii druku 3D – wyjaśnia dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka z Wydziału Inżynierii Lądowej, kierownik projektu.
Efektem ma być uzyskanie co najmniej dwóch gradientowych (o zmieniających się parametrach) metamateriałów tensegrity o ekstremalnych własnościach mechanicznych, a także wskazanie ich potencjalnego zastosowania w budownictwie. Można by je wykorzystać do różnego typu elementów tłumiących drgania, np. mat wibroizolacyjnych Zespół z PW chce też opracować bazę danych, zawierającą wyniki badań laboratoryjnych przeprowadzonych na elementach wydrukowanych w 3D. Skorzystaliby z niej naukowcy i inżynierowie zajmujący się badaniami elementów wibroizolacyjnych.
![](https://cms.magazynprzemyslowy.pl/media/cache/resolve/original%2Fmedia%2Fartykuly%2FGradientowy%2520metamateria%25C5%2582_Politechnika%2520Warszawska.jpg)
Od modułu do metamateriału
Taki ma być finał. Jak do niego doprowadzić? Skoro metamateriały to sztuczne struktury, to znaczy, że ich właściwościami można sterować. Wiadomo, że są one wyjątkowe i że ta niezwykłość wynika głównie z ich kształtu i struktury na poziomie większym niż cząsteczkowy (a w mniejszym stopniu – ze składu chemicznego i fazowego). Naukowcy w projekcie skupiają się więc właśnie na tym dominującym aspekcie.
Pochylmy się teraz nad tym, czym jest tensegrity. Najprościej opisać to jako specjalny typ konstrukcji kratownicowej, który składa się z elementów ściskanych (prętów) i rozciąganych (cięgien), połączonych tak, że cała struktura jest bardzo stabilna i wytrzymała. Tensegrity wykorzystuje stan samonaprężenia, co oznacza, że siły ściskające i rozciągające są w idealnej równowadze.
– Tensegrity znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach – wskazuje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Można z nich wykonywać elementy nośne budynków czy kładek dla pieszych, a także konstrukcje rozwijalne, np. ruchome fasady czy składane słupy. Bardzo ważnym obszarem zastosowania jest też lotnictwo i kosmonautyka, w których wykorzystuje się ultralekkie struktury tensegrity jako elementy anten czy łazików planetarnych. W mniejszych skalach ze struktur tensegrity można wykonywać struktury modułowe jak metamateriały, które są przedmiotem tego projektu.
Jak zatem uzyskać metamateriał? Najprościej zbudować go z podstawowych modułów tensegrity (to np. moduły typu simplex powstałe na bazie graniastosłupów prawidłowych). Moduły to najmniejsze, elementarne cząstki materiału. Mogą być rozmieszczone na różne sposoby – od tego zależy, jakie właściwości będzie miała dana struktura. Z kilku, najczęściej ośmiu modułów, powstają superkomórki mające pożądane własności i zachowujące je przy powielaniu. W modelu matematycznym można wyznaczyć właściwości superkomórki – otrzymany na koniec metamateriał, niezależenie od liczby składowych superkomórek, będzie miał dokładnie takie same właściwości.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Są wstępne badania, które opublikowałam w monografii „High-Performance Tensegrity-Inspired Metamaterials and Structures”, ale dotyczyły one struktur bez gradacji – tłumaczy dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Nie ma w literaturze badań metamateriałów tensegrity o zmiennych parametrach.
![](https://cms.magazynprzemyslowy.pl/media/cache/resolve/original%2Fmedia%2Fartykuly%2FTest%2520%25C5%259Bciskania_Politechnika%2520Warszawska.jpg)
Teoria i praktyka
– Nasze badania będą obejmowały struktury trójwymiarowe i mają doprowadzić do opracowania nowego algorytmu do analizy inteligentnych metamateriałów o zmiennych własnościach mechanicznych – opisuje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Metamateriały będą miały strukturę komórkową i będą oparte na regularnych modułach tensegrity o zmiennych proporcjach geometrycznych, różnych sposobach łączenia, zmiennej sztywności. Przeanalizujemy różne sposoby uzyskiwania gradientowych (czyli o zmieniających się parametrach) własności oraz ich wpływ na ekstremalne cechy struktur tensegrity.
Na takie cechy zwraca się szczególną uwagę, bo pozwalają na uzyskanie struktury, która w jednym kierunku będzie miała dużą nośność i będzie sztywna pod przyłożonym obciążeniem (np. w kierunku pionowym), a pod wpływem obciążenia przyłożonego w innym kierunku (np. poziomo) będzie bardzo podatna. Jest to ważne np. w przypadku mat tłumiących drgania sejsmiczne.
Stworzenie algorytmu to realizacja pierwszego (teoretycznego) celu projektu. Cel drugi jest praktyczny – to sprawdzenie, jak algorytm działa.
– Zaplanowaliśmy badania laboratoryjne na próbkach pojedynczych modułów, superkomórek i metamateriałów tensegrity wykonanych w technologii druku 3D – dodaje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka.
Źródło: Politechnika Warszawska