همنوایی چسب و شیشه

[spow 44197]

نگاهی به کاربردهای شیشه در معماری نوین

 

همنوایی چسب و شیشه

 

 

 

صنعت ساختمان سازی از جمله اموری است که در دل خود رشته های مختلفی را جای داده و از این رو رونق یا رکود آن تاثیر زیادی بر شاخص های اقتصادی دارد. در گذشته استحکام ساختمان یکه تاز شاخص های تاثیرگذار بوده ولی رفته رفته پارامترهای معماری و زیبایی شناختی نیز به مقام های بالای ارزش گذاری دست یافتند و در این ارتباط شیشه، نقش مهمی در این عرصه داشته است. هرچند انسان ها از هزاران سال پیش با شیشه سر و کار داشته اند ولی در گذشته نه چندان دور مهم ترین کاربرد شیشه برای پنجره ها بوده اما از دیگر کاربردهای آن می توان، جداسازی غیرفعال بخش های مختلف ساختمان نیز اشاره کرد. درحال حاضر نیز شیشه به عنوان مصالحی برای نمای ساختمان ها درآمده است.

 

گذشته از بحث های موافقان و مخالفان به کارگیری شیشه در نمای ساختمان که به بحث درباره ایمنی هنگام زلزله و بازتاب نور می پردازند، باید متذکر شد که به نظر می رسد این وظیفه سازمان های تصویب کننده استاندارد و قانون است که پس از بررسی، حدود و ثغور این فعالیت ها را مشخص کنند. هرچند درحال حاضر نیز جریمه هایی برای ساختمان های دارای نمای شیشه ای تعیین شده است. البته طراحان در کشورهای پیشرفته پا را از این موارد نیز فراتر گذاشته، مثلا از شیشه در ساخت راه پله و پل پیاده رو و طاق و سایبان های زیبا نیز بهره جسته اند. هرچند شاید در کشورمان بتوان مواردی از این طراحی ها را یافت ولی هنوز این موضوع فراگیر نشده است. یکی از طراحی های جدید با مصالح شیشه، ساخت یک اتاقک با کف، سقف و دیوارهای شیشه ای در طبقات فوقانی یک برج است که این مقاله ضمن پرداختن به آن، آینده کاربرد شیشه در ساختمان را نیز مدنظر دارد.

 

اگر واقعا می خواهید بدانید که چطور می توان به نحو مناسبی از شیشه در سازه ساختمان ها استفاده کرد، به خیابان ۲۳۳ South Wacker در مرکز شهر شیکاگو سر بزنید و حدود ۴۱۲ متر بالاتر از سطح خیابان و در طبقه ۱۰۳ از برج Sears جست وجو کنید. وقتی به این طبقه رسیدید اندکی به سمت دیوارهای غربی ساختمان بروید، به جایی می رسید که نمای خارجی ساختمان اصطلاحا بریده شده و شما می توانید با یک گام به پیش نهادن، از نمای ساختمان نیز جلوتر بروید.

 

در اینجاست که شما خودتان را در یک طبقه شیشه ای می یابید که به صورت معلق در ارتفاع ۴۰۰متری سطح پیاده رو قرار گرفته است. حال اگر از این ارتفاع، طاقت نگاه کردن به زمین را ندارید، می توانید به اطراف یا بالا نگاه کنید، چون دیواره ها و سقف این قسمت از ساختمان نیز از جنس شیشه است. در اصل شما درون یک جعبه شیشه ای قرار دارید که ابعادی حدود یکی، دو متر دارد و توسط تیرک های مهارشده در سقف، آویزان شده است. دیواره های شیشه ای نیز به تیرک های سقف و شیشه کف متصل شده اند که این اتصال به کمک پیچ و مهره های فولادی انجام گرفته، ولی آنچه را که نباید به فراموشی سپرد، موضوع شیشه است. آیا طراحان می توانند پاسخ مناسبی به این سوال مردم عامی بدهند: شما نمی توانید با شیشه به این هدف خود برسید، آیا می توانید؟

 

مهندسان، آرشیتکت ها و سازندگان معتقدند آنها قادرند به کمک دانشمندان علم مواد و طراحان نرم افزار، ساختمان هایی با نمای بیرونی مرتفع، سایبان و اتاقک ها، پل پیاده رو و راه پله را از جنس تمام شیشه بسازند. آنها با لایه گذاری شیشه و پلیمر قادرند تیرک ها و دیگر اجزای محکم و ایمن بسازند و سپس هر اینچ مربع از این ماده را آنالیز کنند تا مطمئن شوند که تنش های آن دقیقا در محدوده مجاز است. به عنوان مثال در برج Sears از صفحات شیشه ای پنج لایه استفاده شده است. البته کارشناسان به دنبال آزمودن مواد و روش های جدید هستند تا بالاخره روزی بتوانند سازه های شیشه ای را بدون نیاز به اتصال به فلزات و دیگر مواد سرپا نگه دارند. «جیمز کالاهان» از شرکت طراحی سازه کالاهان مسوول طراحی برترین پروژه شیشه ای جهان است که راه پله شیشه ای را با مشخصات برجسته ای برای بعضی از نمایندگی ها و فروشگاه های شرکت کامپیوتری اپل ساخته است. او می گوید: «نهایتا ما تمام تلاش خود را برای ساخت سازه های تمام شیشه ای به کار خواهیم گرفت.»

 

«در بین تمام این تلاش ها یک مطلب محقق شده و آن، این است که شیشه ماده منحصربه فردی است.» این مطلب را آقای کویمانس طراح جعبه شیشه ای در برج Sears بیان داشته است.

 

باید توجه داشت قدمت شیشه به هزاران سال می رسد و با گذشت این سال ها راه های زیادی برای ساخت وسایل مختلف شیشه ای با کاربردهای متنوع ابداع شده، ولی با این وجود در پروژه های ساختمانی منحصرا از شیشه های سودا – آهک استفاده می شود که قسمت عمده مواد تشکیل دهنده آن کربنات سدیم، سنگ آهک و سیلیس است. «هری استیونز»، رییس مرکز تحقیقات شیشه در دانشگاه آلفرد می گوید: «سالیان سال است که مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه سودا – آهک تغییر زیادی نکرده است.» این نوع شیشه کم و بیش شبیه شیشه های به کار رفته در پنجره ساختمان منازل یا شیشه ظرف مربای موجود در یخچال یا بطری های قدیمی فروش رفته در مغازه های عتیقه فروشی است. «کارپنتر» از شرکت طراحی کارپنتر طراحی نماهای شیشه ای ساختمان ها را برعهده داشته و در دهه ۱۹۷۰ یکی از مشاوران شرکت معروف شیشه سازی Corning بوده است. او می گوید: «هرچند شیشه یک ماده پایه است ولی ساده نیست و جزو مواد غیرمعمول به شمار می رود و شاید به این دلیل باشد که ما واقعا نمی دانیم که شیشه چیست.»هرچند بحث های طولانی در زمینه مایع یا جامدبودن شیشه صورت پذیرفته ولی امروزه معمولا بیان می شود شیشه یک ماده بی شکل (آمورف) است (چون جریان یافتن آن با گذشت زمان برخلاف مایعات، بسیار کند است). این ساختار غیرکریستالی به دلیل سردشدن نسبتا سریع به دمایی پایین تر از «دمای گداز شیشه» است که برای انواع شیشه های سودا – آهک حدود ۵۵۰ درجه سانتیگراد است. حال اگر شیشه بیشتر سرد شده و بریده شود، این شیشه دست نخورده بسیار محکم است، ولی شبیه یک اتومبیل نو که با گذشت زمان از ارزش آن کم می شود، درمورد شیشه نیز بلافاصله پس از ساخت، با گذشت زمان از استحکام آن کاسته می شود چون به دلیل تماس با سطوح دیگر و حتی تماس با بخار آب و دی اکسیدکربن، ترک هایی در آن ایجاد می شود. «گولاتی» یک مهندس مکانیک است که در سال ۲۰۰۰ با حدود ۳۳ سال تجربه در شرکت corning ، بازنشسته شد ولی هنوز به عنوان مشاور با این شرکت همکاری دارد و خود را «مرد استحکام» نامیده است. او می گوید: «اگر شما یک سطح شیشه ای تازه ساز داشته باشید و نفس خودتان را در این سطح بدمید، شما سرعت کاهش استحکام شیشه را به توان۲ رسانده اید.» کارلوپا نتانو استاد علم مواد در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیاست. او معتقد است حتی یک مولکول گاز نیز می تواند پیوند سیلیس اکسیژن را شکسته و یک نقص در آن ایجاد کند. با اینکه شیشه در مقابل متراکم سازی بسیار مقاوم است ولی تنش های کششی باعث خواهند شد که این شکاف ها پیوند به پیوند رشد کند یا باعث شکستن شیشه شوند یا مقاومت آن را کاهش دهند.

 

 

[spow 44197]

البته یکی از روش های اجتناب از ایجاد ترک های جدید، پوشش های محافظ است که می تواند بر شفافیت شیشه تاثیر منفی بگذارد. قابل ذکر است که شفافیت یکی از دلایل انتخاب شیشه به عنوان مصالح ساختمانی است. این در حالی است که با تغییر فرمولاسیون و روش ساخت نیز می توان به مقاومت شیشه در برابر ایجاد ترک یا انتشار آن افزود. در این باره دکتر استیونز می گوید: «شواهدی در دست است که می توان با تغییر ترکیب باعث شد شیشه ذاتا محکم تر شود.» هرچند او متذکر شده که این کار ممکن است باعث تغییر دیگر مشخصات شیشه شده یا هزینه تولید را افزایش دهد. مثلا هر اتاقک شیشه ای پروژه برج sears بیش از ۴۰هزار دلار هزینه دارد. البته می توان فرآیند ساخت را نیز اصلاح کرد تا سطح شیشه هرچه دست نخورده تر باقی بماند. برای مستحکم کردن شیشه برای کارهای ساختمانی، غالبا از روش قدیمی بازپخت استفاده می شود. در این روش سطح شیشه تحت عملیات متراکم سازی قرار می گیرد تا رشد ترک ها نیازمند نیروی کششی بیشتری باشد.

 

برای شیشه های تخت مرسوم ترین روش، بازپخت حرارتی است. «لاکورس» استاد دانشگاه آلفرد معتقد است که در این فرآیند از یک خاصیت منحصر به فرد شیشه استفاده می شود و آن خاصیت چیزی نیست جز آنکه هر چه شیشه آرام تر سرد شود، متراکم تر می شود. هنگام سرمایش سریع یک سطح خارجی (معمولا با هوا) تراکم کمتری وجود دارد. او می گوید: «درون شیشه هنوز داغ است و سعی می کند به صورت یک ساختار متراکم تر سرد شود که این باعث تراکم سطح می شود.»

 

هرچند شیشه های بازپخت شده مقاومت بیشتری در مقابل ترک دارند ولی احتمال شکستن آنها نیز وجود دارد. این بدان دلیل است که تراکم سطح باید توسط تنش درونی متوازن شود و زمانی که شیشه بازپخت شده، می شکند نسبت به شیشه بازپخت نشده به تعداد قطعات ریزتری تبدیل می شود تا با این خطوط ترک بزرگ تر، انرژی بیشتری آزاد شود. در این باره گولاتی می گوید: «هر چه شیشه مستحکم تر شده باشد، تکه های بیشتری در آن تشکیل می شود.» یکی از مثال های جالب برای این موضوع به «قطره پرنس روپرت» شهرت دارد که اساسا یک توپ کوچک شیشه ای با دنباله ای بلند است که از طریق افتادن شیشه ذوب شده درون آب به وجود می آید. حال اگر شما روی این قطره با چکش هم بکوبید، خواهید دید که نخواهد شکست ولی اگر دنباله آن را قیچی کنید، مشاهده خواهید کرد که به تعداد زیادی قطعات ریز خواهد شکست تا نیروهای کششی آن آزاد شود. در ساختمان سازی، شکستن شیشه به قطعات بسیار کوچک یک مزیت به شمار می رود چون احتمال آسیب رسانی به افراد را کاهش می دهد ولی با این وجود، بازپخت نیز به تنهایی کافی نخواهد بود. یکی از نگرانی های اساسی در مورد ساختمان ساخته شده با شیشه آن است که چه هنگام این قطعات شیشه ای خواهد شکست و چه رخ خواهد داد که اصطلاحا مهندسان به آن لقب «رفتار پس از شکست» داده اند. باید توجه داشت که برخلاف قطعات فولادی و فلزی، شیشه پیش از شکستن تغییر حالت نمی دهد تا این تغییر حالت، اعلام خطری برای شکستن باشد. ضمنا هنگام وقوع شکست، حفظ یکپارچگی سازه شیشه ای از مهم ترین مسایل به شمار می رود چون باید ایمنی افرادی که در بالا یا زیر آن قرار دارند، حفظ شود. در اینجاست که بحث لایه گذاری (لمینه کردن) مطرح می شود. در چنین طرح هایی صفحات شیشه (در پروژه برج Sears ضخامت این صفحات یک سانتی متر بود) با پلیمر نازکی به هم چسبانده می شوند. این لایه های نازک میانی اولا باعث افزایش استحکام شده و در ثانی هنگام شکسته شدن یکی از صفحات شیشه ای، کل سازه شیشه ای را به صورت یکپارچه حفظ کرده و از سقوط قطعات شکسته شده جلوگیری می کند. البته لایه گذاری باعث می شود که ساخت شیشه برای کاربرد در ساختمان بسیار مشکل شود. این از آن جهت است که برش دادن شیشه بازپخت شده باعث شکستن آن می شود و به این دلیل ابتدا باید هر صفحه شیشه ای به تنهایی پولیش خورده و محل اتصالات روی آن سوراخ شده و سپس شیشه تحت عملیات بازپخت قرار گیرد. ضمنا تولرانس های این امور نیز بسیار کم است تا از ایجاد هرگونه تنش مخرب در سازه نهایی اجتناب شود. تعجب نکنید ولی اکثر افرادی که سازه های شیشه ای برپا می سازند به امید روزی هستند که سازه آنان بتواند بدون قطعات فلزی سر پا ایستاده و اصطلاحا از زحمت این قطعات رهایی یابد. در عین حال طراحان دیگر نیز به فکر هستند تا از دیگر انواع شیشه استفاده کنند. «کارپنتر» می گوید: «در حال حاضر انواع مختلفی از شیشه وجود دارد و پتانسیل عظیمی برای به خدمت گرفتن بعضی از مشخصات آنها در کاربردهای معماری وجود دارد.»به عنوان مثال استفاده از نوعی شیشه که هنگام گرم شدن، زیاد منبسط نمی شود باعث می شود که بتوان قطعاتی را که باید به یکدیگر جوش بخورند را به صورت یک قطعه شیشه ای یکپارچه درآورد. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که انبساط شیشه های معمول سودا آهک بسیار زیاد است و جوش خوردن آنها باعث ایجاد تنش و نهایتا شکست شیشه خواهد شد.

 

البته محققان دانشگاه دلفت روی موضوع جوش دادن قطعات شیشه ای نیز کار می کنند ولی هزینه تولید شیشه هایی با انبساط کم بسیار بیشتر از شیشه های سودا آهک است.

 

گروه دیگری از مهندسان استفاده از چسب برای اتصال مستقیم به شیشه را آغاز کرده اند. «بلاندینی» یکی از مهندسان شرکت طراحی و مهندسی Werner Sobek در شهر اشتوتگارت آلمان است. او از انواع چسب ها برای ساخت یک گنبد نازک شیشه ای به طول ۹ متر استفاده کرد تا بتواند از تز دکترای خود نیز دفاع کند. او در این باره گفته است که «من فکر می کنم چسب ها نویدبخش ترین وسیله برای اتصال به شیشه هستند به علاوه چسب به شیشه امکان می دهد که حالت ظرافت و زیباشناختی خود را نیز حفظ کند.» البته نباید از یاد برد که این شرکت از چسب ها در بعضی از سازه های ساخته شده در دانشگاه شیکاگو و نیز ساختمان هایی در دوبی استفاده کرده است. اما مشکل اینجاست که استحکام بلندمدت و قابلیت اطمینان چسب ها هنوز به اثبات نرسیده است و اکثر مردمی که با شیشه سر و کار دارند، معتقدند ساخت سازه هایی که تماما با چسب به هم متصل شده اند، به زمان زیادی نیازمند است.

 

 

NewYorkTimes, Jul.۲۰۰۹

ترجمه: عبدالله مصطفایی