فولاد یا چوب؟ ابزارهای جدید به سازندگان کمک می‌کنند تا انتشار گازهای گلخانه‌ای سازه‌های خرپایی را کاهش دهند.

15 آذر 1401 | مهندس نسیم طاهری

چهارچوب سازه‌های فلزی

ساختمان‌ها نقش بسزایی در گرمایش زمین دارند، نه تنها بهره‌برداری مداوم از آنها، بلکه مصالح مصرف شده در ساخت آنها نیز در گرمایش زمین مؤثر است. سازه‌های خرپایی – آن آرایش‌های متقاطع بازوهای قطری بکار رفته در سازه‌های مدرن، از برج‌های آنتن‌دار گرفته تا تیرهای تکیه‌گاهی ساختمان‌های بزرگ، معمولاً از جنس فولاد یا چوب یا هر دوی آنها هستند. اما تحقیقات کمّی محدودی درباره نحوه انتخاب مصالح مناسب برای کاهش سهم این سازه‌ها در گرمایش زمین انجام شده است.
«کربن نهفته» در مصالح ساختمانی شامل سوخت بکار رفته در تولید مصالح (برای استخراج معدن و ذوب فولاد یا قطع درختان و تهیه چوب) و حمل مصالح به محل است. این کربن شامل تجهیزات بکار رفته در خود ساخت‌وساز نیز می‌شود.
اکنون، محققین در ام‌آی‌تی آنالیز دقیقی انجام داده‌اند و ابزارهای محاسباتی ساخته‌اند که به معماران و مهندسین امکان می‌دهد تا سازه‌های خرپایی را به نحوی طراحی کنند که بتوانند ضمن حفظ کلیه خواص موردنیاز برای کاربری موردنظر بنا، کربن نهفته در آنها را نیز به حداقل برسانند. در حالیکه، چوب بطور کلی کربن بسیار کمتری دارد، استفاده از فولاد در مکان‌هایی که خواصش می‌تواند بیشترین فایده را داشته باشد ممکن است به نتیجه بهینه‌ای منتج شود.

شرح آنالیز در مقاله‌ای از دانشجوی فارغ‌التحصیل، ارنست چینگ، و استادیار دانشگاه ام‌آی‌تی در رشته مهندسی عمران و محیط زیست، جوزفین کارستنسن، در ژورنال «انجینرینگ استارکچرز» در ۲۳ نوامبر ۲۰۲۱ به چاپ رسید.
کارستنسن در این باره می‌گوید: «سازه‌ها سهم قابل ملاحظه‌ای در انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند که به‌نوعی در چند دهه گذشته با بی‌توجهی مواجه شده است.» اما در سالهای اخیر، طراحان ساختمان «در حال تمرکز مجدد روی چگونگی نه فقط کاهش انرژی عملیاتی ناشی از بهره‌برداری از ساختمان، بلکه انتشار کربن قابل توجه خود سازه‌ها هستند.» این بحثی بود که آنالیز جدید به آن ورود کرد.
دو راهکار اصلی برای کاهش انتشار کربن سازه‌های خرپایی از دیدگاه کارستنسن «جایگزینی مصالح یا تغییر سازه‌ها است.» با این حال، به‌طرز شگفت‌آوری، تحقیقات محدودی بر روی ابزارهایی انجام گرفته است که به طراحان کمک می‌کنند تا استراتژی‌های کاهش انتشار کربن را برای یک موقعیت خاص بیابند.
سیستم جدید از تکنیکی موسوم به بهینه‌سازی توپولوژی بهره می‌گیرد، که ورود پارامترهای اولیه مانند مقدار باری که تحمل خواهد شد و ابعاد سازه را لحاظ می‌کند، و می‌توان از آن برای تولید طرح‌هایی بهره گرفت که براساس خصوصیات مختلفی نظیر وزن، هزینه، یا در این مورد، تأثیر بر گرمایش زمین طراحی شده‌اند.

چوب تحت نیروهای فشاری بسیار خوب عمل می‌کند، اما تحت کشش (یا نیرویی که تمایل به جداسازی اجزای سازه دارد) به خوبی فولاد عمل نمی‌کند. کارستنسن می‌گوید، بطور کلی، چوب از نظر میزان کربن نهفته بسیار بهتر از فولاد است، به همین دلیل، «به‌خصوص اگر سازه‌ای داشته باشید که هیچ کششی ندارد، استفاده از چوب برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای بهتر است». در عوض، وزن سازه نسبت به زمانی که با فولاد ساخته می‌شود بیشتر خواهد شد.»
ابزاری که این محققین ساخته‌اند، که مبنای پایان‌نامه کارشناسی ارشد چینگ بود، در مراحل مختلف از جمله فاز طرح‌ریزی اولیه سازه یا درادامه در مراحل نهایی طراحی قابل استفاده است.
به‌عنوان یک تمرین، این تیم تحقیقاتی پروپوزالی برای بازمهندسی چند خرپا با استفاده از این ابزارهای بهینه‌سازی تهیه کرد، و نشان داد که کاهش قابل توجه انتشار گازهای گلخانه‌ای نهفته بدون هیچ کاهش عملکردی امکانپذیر است. هرچند این محققین نشان دادند که حداقل می‌توان ۱۰ درصد میزان انتشار را کاهش داد، به گفته کاریستنسن، این برآوردها «کاملاً دقیق نیستند» و احتمالاً میزان کاهش انتشار در عمل ممکن است دو تا سه برابر باشد.
او در این باره افزود: «صحبت از انتخاب هوشمندتر مصالح برای خصوصیات یک کاربری خاص است.» اغلب در ساختمان‌های فعلی، «در جاهایی که فشار اعمال می‌شود و استفاده از چوب منطقی است، از چوب استفاده می‌کنید، و سپس در موارد تحت کشش، که استفاده از فولاد منطقی است، اعضای فولادی بسیار باریکی خواهید داشت. در محصولات طراحی‌مان نیز همین مسئله را شاهد هستیم، بلکه شاید حتی به‌طور واضح‌تری این اتفاق مشاهده شود.» «این ابزارها واقعاً برای مصارف تجاری آماده نیستند، زیرا هنوز رابط کاربری را اضافه نکرده‌اند.»
کارستنسن روند استفاده روبه‌رشد چوب در سازه‌های بزرگ را پیش‌بینی می‌کند، که پتانسیل قابل توجهی در کاهش انتشار کربن جهان دارد. او اضافه می‌کند که «در صنعت ساختمان سازه‌های چوبی حجیم طرفداران زیادی دارد، و هیچ کذبی در این باره وجود ندارد. بنابراین، امید داریم که این روآوری به سازه‌های چوبی در کسب‌وکار ساختمان نیز ورود کند و عملاً سهم بسیار محسوس صنعت ساختمان را در انتشار گازهای گلخانه‌ای تا حدی کاهش دهد.»
 

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .