Urbanizarea accelerata si deficitul de spatii verzi asociat fenomenului respecitv, in combinatie cu provocarile generate de schimbarile climatice, duc la o serie de probleme la nivelul oraselor, referitoare la limitarea biodiversitatii, stresul termic, poluarea crescuta a aerului etc., toate acestea justificand preocuparile actuale ale autoritatilor in materie de sanatate si protectie a mediului. In incercarea de redresare ecologica a spatiului citadin, solutia acoperisurilor si fatadelor „verzi” a devenit tot mai frecvent utilizata. S-a constatat ca aceste sisteme contribuie la reducerea temperaturilor anvelopantei, asigura capturarea agentilor de poluare cu transmitere aeriana, incurajeaza biodiversitatea si ajuta la diminuarea amprentei de carbon. Totusi, acoperisurile si fatadele verzi implica niste costuri suplimentare legate atat de constructie, cat si de intretinere, concomitent impunand cerinte structurale mai mari asupra cladirilor pe care sunt atasate. Biofilme dezvoltate pe substraturi din betoane speciale
Recent, a fost propusa o noua tipologie de anvelopare a asa-numitelor cladiri „verzi”, bazata pe principiul „bioreceptivitatii”. Termenul respectiv a fost deja integrat in jargonul arhitectural si desemneaza caracteristica unui material de a fi colonizat de unul sau mai multe grupuri de organisme vii, fara a suferi neaparat vreo deteriorare din punct de vedere biologic. Astfel, daca pe o parte a anvelopantei unei cladiri s-ar aplica un material cu o bioreceptivitate ridicata, in acest caz s-ar obtine o suprafata verde. Materialul biologic dezvoltat pe aria respectiva este cunoscut sub numele de biofilm si este format din bacterii, alge, ciuperci, licheni si muschi. Aceste structuri vii pot supravietui in aproape toate mediile naturale, cu conditia ca substratul pe care cresc sa fie cel potrivit. In mod asemanator fatadelor verzi clasice, biofilmele influenteaza temperatura suprafetei cladirii, au capacitatea de a consuma o serie de poluanti aerieni si pot „sechestra” carbonul prin precipitare cu carbonat de calciu (biomineralizare). Fatadele bio-receptive nu necesita sisteme tehnice suplimentare pentru functionare si nici mentenanta, oferind oportunitatea crearii de anvelope verzi la costuri reduse si cu energie incorporata. Principala provocare in crearea fatadelor de beton bioreceptiv consta in reteta materialului utilizat. Conform studiilor realizate, este necesar ca pH-ul substratului sa fie sub 10, acesta sa prezinte o rugozitate suficienta pentru a proteja biofilmul de influentele mediului inconjurator si sa aiba o mare capacitate de absorbtie a apei si de retinere a nutrientilor, in special a fosforului. Cercetarile au dus la dezvoltarea unui amestec de beton cu proprietati optime de bioreceptivitate. Acesta este realizat pe baza unei combinatii ce include ciment de zgura pentru scaderea pH-ului betonului, argila expandata zdrobita (CEC) si ciment cu un factor de apa (WCF) sporit, la care se adauga cenusa de oase pentru cresterea continutului de fosfor. Scopul final este reprezentat de dezvoltarea unui prototip de panou de fatada din beton bioreceptiv, cu proprietatea de a directiona locul in care are loc cresterea biologica. Acesta se poate realiza prin combinarea betonului bioreceptiv cu unul clasic in cadrul aceluiasi panou, fabricat printr-un proces de turnare in doua etape. Rezultatele actuale arata ca este posibila dezvoltarea unui biofilm pe panoul respectiv intr-un interval de aproximativ doua saptamani, iar in conditii optime de mediu, cresterea biologica ar putea fi directionata. In prezent, singura problema este legata de perenitate, ceea ce sugereaza ca sunt necesare eforturi suplimentare pentru a asigura functionalitatea completa a sistemului.
Materiale inteligente cu schimbare de forma, pentru constructii mai eficiente
In ultimul deceniu, a existat un interes sporit in domeniul proiectarii pe baza materialelor inteligente, care schimba forma. Capacitatea de a dezvolta structuri receptive, capabile sa se adapteze la diferite conditii climatice constituie, fara indoiala, o perspectiva atragatoare. La momentul actual, cele mai utilizate solutii din categoria mentionata anterior sunt aliajele cu memorie de forma (SMA - Shape Memory Alloys) si biocompozitele pe baza de lemn. Alte materiale care au proprietatea de a-si modifica forma si care se preteaza utilizarii in domeniul constructiilor sunt, in ordinea popularitatii lor, termo-bimetalele, polimerii electroactivi, bimetalele compozite, polimerii cu memorie de forma si hidrogelurile. Aplicatiile lor sunt complexe si includ solutii pentru fatade, actuatori, structuri cu proprietati receptoare, dispozitive de amplificare geometrica etc. Acestea pot fi fabricate fie sub forma unor sisteme cu doua straturi, fie prin tehnologii de printare (prelucrare aditiva sau additive manufacturing AM – 3D printing). Scopul final este acela de crestere a eficientei si performantei materialelor de constructii astfel create. In domeniul materialelor functionale avansate, se remarca o serie de aspecte legate de sensibilitatea lor la diversi stimuli externi. Astfel de produse inteligente functioneaza ca senzori sau actuatori, ce raspund in mod controlat la un impuls si revin la starea initiala dupa ce factorul perturbator a fost eliminat. Principalul avantaj este acela ca adauga functionalitate cladirilor, deschizand un cadru conceptual si practic, care ii ajuta pe arhitecti sa proiecteze sisteme cu adevarat ecologice. De exemplu, este vorba despre cladiri care se adapteaza dinamic la conditiile meteorologice in schimbare, economisind energie si imbunatatind confortul interior. In plus, materialele inteligente pot contribui semnificativ la eficientizarea energetica a constructiilor. Concret, materialele dielectrice si piezoelectrice asigura o relatie patratica sau liniara intre proprietatile electrice si mecanice (deformare), in vreme ce solutiile inteligente hidrofile permit o legatura directa intre proprietatile chimice si cele mecanice. In prezent, cercetarile se concentreaza pe identificarea celor mai potrivite materiale care schimba forma pentru integrarea lor in diferitele elemente constructive din structura anvelopantelor (care se preteaza cel mai bine la astfel de abordari, datorita rolului lor de interfata intre mediul interior si cel exterior).
Forme geometrice speciale pentru cresterea eficientei energetice
Tehnologia de prelucrare aditiva – AM (cunoscuta de experti sub numele de printare tridimensionala sau 3D Printing), asigura conditiile ca libertatea geometrica sa poate fi utilizata la maximum pentru a integra cerintele functionale in componentele constructive realizate dintr-un singur material. Unul dintre obiectivele curente este acela de fabricatie aditiva a blocurilor usoare din beton, cu potential ridicat in ceea ce priveste performanta termica, care este obtinut prin forma geometrica speciala. Cercetarile actuale urmaresc verificarea ipotezei conform careia caracteristicile de termoizolare ale blocurilor din structura unui perete pot fi imbunatatite prin crearea de structuri celulare inchise si prin adaptarea proprietatilor geometrice. In acest scop, a fost creat un instrument de proiectare a formelor peretilor cu celule inchise, ce respecta constrangerile de fabricatie legate de extrudarea betonului usor si ia in considerare exigentele in materie de performanta termica si structurala. Acesta, prin simularea transferului de caldura, are capacitatea de a analiza caracteristicile de transfer al caldurii prin formele speciale ale zidariei. Aplicatiile CAD le-au permis arhitectilor si inginerilor sa dezvolte un limbaj formal de o complexitate geometrica fara precedent, capabil sa urmareasca toate detaliile. Metodele AM aplicate in constructii, cum ar fi 3DCP (printarea blocurilor de beton), constau in depunerea strat cu strat a betonului proaspat, modeland structura fara ajutorul unui cofraj si adaugand material doar in locurile prestabilite. Data fiind amprenta mare de carbon a sectorului constructiilor, respectiva tehnologie suscita tot mai mult atentia, datorita capacitatii sale sporite de redefinire a strategiilor de proiectare si de producere a unor structuri eficiente din punctul de vedere al consumului de materiale, datorita optimizarii structurale si personalizarii geometrice. Desi cercetarile au avansat mult in ultimul timp, pentru realizarea unor cladiri complet functionale folosind tehnologia AM este necesar ca specialistii in design si executie sa ia in considerare tot mai mult caracteristicile de performanta climatica. In prezent, constructiile realizate folosind tehnologia 3DCP sunt intr-un stadiu incipient in ceea ce priveste integrarea aspectelor de confort si asigurarea unui climat interior adecvat, in comparatie cu majoritatea alternativelor realizate prin metodele traditionale de fabricatie. Totusi, se depun eforturi sustinute pentru dezvoltarea tehnologiei respective, pe langa adaugarea de materiale de izolatie la structura elementelor fiind studiate si alte posibilitati de modificare a compozitia materialului de baza (betonului), in vederea imbunatatirii caracteristicilor intrinseci de termoizolare si a scaderii greutatii sale totale. De exemplu, au fost create de cavitati de aer regulate in beton, in conditiile in care rezistenta materialului si proprietatile reologice s-au mentinut constante. O alta propunere curenta este cea a utilizarii agregatelor usoare in amestecul de beton.
