Co kdyby se beton v důsledku enormních tlaků nehroutil, ale jen by řízeně praskal – a stával se tím vlastně silnější? Zní to podivně, ale tenhle mechanismus postupného zpevňování je blízký i lidským kostem. Ve stavitelství by mohl proměnit způsob, jakým budovy odolávají například zemětřesením.
Beton je téměř univerzální stavivo, jeden z nejčastěji aplikovaných materiálů na celém světě. Ročně se ho po celém světě vyrobí a zužitkuje nějakých 14 miliard kubíků. Proč? Protože je skvělý. Na místo stavby jej dostanete v polotekutém stavu; je snadno tvarovatelný a zpracovatelný do požadovaného tvaru. Když řádně ztvrdne, podobá se svými vlastnostmi kameni. Je nehořlavý, odolá vodě, vítr s ním nehne. Takže stavby a konstrukce z něj vyrobené mají vysokou stabilitu a odolnost.
K té vysoké odolnosti betonu se ale ještě hodí dodat, že platí jen, dokud se něco ošklivě nepokazí. Například? Když přijde na silné výbuchy, zemětřesení nebo jinou formu extrémní zátěže, dochází u betonu k tomu, co se dá eufemicky nazvat „náhlé selhání“. Beton prostě snese opravdu hodně, ale když zátěž na něj vyvíjená fyzicky přesáhne limity materiálu, odporoučí se do zapomnění i tohle zázračné stavivo. Drží tak dlouho, dokud to jde – a pak už nedrží nic.
Často s opravdu drastickými následky, které pak silně komplikují nějakou tu už probíhající katastrofu.
)
)
Vydrží až do katastrofy
Ilustrovat to můžeme na příkladu přírodní katastrofy, silného zemětřesení, které se samozřejmě pojí s nebývalou destrukcí. A to poslední, co si tak při zemětřesení přát je, aby se v důsledku tlaků, posunů, pnutí a otřesů ještě provalila betonová hráz přehrady; popadaly dálniční nadjezdy a mosty; sesunulo se metro; došlo k přervání vodovodních a elektrických kolektorů, zhroutila se elektrárna nebo se sesypaly jiné páteřní složky záchranné struktury města. Jen proto, že v důsledku té katastrofy stavební beton „náhle selhal“.
Dá se na tom ale něco změnit? Povaha betonu, pokud jde o jeho odolnost proti extrémům, se už asi nezmění a vyšší už asi nebude. Co se ale může změnit je forma. Upořádání, v jakém s betonem pracujeme. Není to nějaký nahodilý postřeh, ale ústřední myšlenka studie, kterou v odborném časopise Advanced Materials prezentovali vědci z Princetonské univerzity. V krátkosti, přišli s klasickým betonem na cementové bázi, který je ovšem několikanásobně pevnější, než klasický beton.
)
Jak je něco takového možné? Předvedli, jak taková betonově-cementová pasta - vytvarovaná do duté trubicovité architektury - může vytvořit stavební bloky až 5,6x odolnější proti praskání nebo „náhlému selhání“. Ve srovnání se standardním betonem. Není to tedy přímo o nějaké zázračné úpravě složení betonu, ale o jeho tvarování. Beton v podání inženýrů nezískává na pružnosti nějakou tajnou přísadou, ale díky svému řekněme dutému tvaru.
Kde jsme už něco takového viděli?
Nebo přesněji řečeno - kde už něco takového viděl Shashank Gupta, doktorand katedry pokročilých stavebních Princetonské univerzity a spoluautor studie? Zdroj své inspirace on a jeho kolegové neskrývají. Ostatně, každý ji u sebe zpravidla máme hned ve dvou exemplářích. V podobě holenních kostí v nohou.
Přesněji řečeno, to, co stálo za projektem toho strukturně zodolněného betonu, byl vnější plášť kortikální kosti. Která je, z konstruktérského hlediska, nesmírně chytře navržená. V té její vnější vrstvě jsou totiž v organické matrici zavěšeny četné eliptické trubicovité části (říká se jim osteony), které jsou pak obklopeny poměrně slabými rozhraními. Těm se mimochodem říká „cementové linie“.
K čemu jsou dobré? Kdykoli na kost působí napětí, tyto cementové linie poskytují to, je odborníky nazýváno „mikrostrukturálně výhodnou cestu pro trhliny“. Čímž vyvolávají vychýlení trhlin v rovině osteonů, v důsledku té interakce s cementových linií s trhlinami.
Nedá se to říct nějak jinak, lidskými slovy? Dá.
)
Ten „obal“ na povrchu holenní kosti se postará o to, že kost se - alespoň ne hned – nezlomí. Místo toho tu destruktivní sílu rozvede po povrchu, systémem těch jakoby dutých a prasknutí dělaných prostor. Tohle konstrukční řešení stavby vnějšího obalu lidské kosti vypadá, jako by kost sama předjímala, že se třeba jednou bude možná pod tlakem lámat – a vznikající trhlinu sama preventivně vede tak, aby způsobila co nejmenší škodu a zachovala hybnost kosti. A aby to hnutí vyvolané trhlinou kost spíše pružně zpevňovalo.
Teď jen, jako to převést z měřítek lidského těla do stavebního systému.
Geometrický systém dutin
Nad tím bádal Shashank Gupta a jeho kolega, Réza Moini, poměrně dlouho. „Primárně by se totiž dalo čekat, že beton vyložený dutými trubkami bude mnohem méně odolný.“ Odpověď, ono řešení, ale neležela ve vkládání nějaké výplně, jako spíš v její absenci. S využitím geometrie, velikosti, tvaru a orientace proluk a mezer mohli výzkumníci lépe podpořit a doslova naprogramovat interakci mezi trhlinami. „Zlepšili jsme tak vlastnosti betonu, aniž bychom museli obětovat jeho jiné vlastnosti,“ říkají inženýři.
Přesnost a rozplánování těch geometrických konstrukcí byla samozřejmě dost komplikovanou záležitostí. Jenže když už se jednou přišlo na to, jak správně je skládat – aby se žádoucím způsobem inicioval mechanismus postupného zpevňování - šlo to už snadno. Když se trhliny takto upraveným betonem rozšíří, jejich destruktivní energie se v každém kroku rozptýlí a zmenší se tím rozsah celkového poškození.
)
„Jedinečnost tohoto postupného přístupu spočívá v tom, že každé rozšíření trhliny je strukturně kontrolováno, což zabraňuje onomu náhlému katastrofickému selhání,“ říká Gupta. V praxi to vypadá tak, že namísto aby beton držel a po překonání limity se najednou zhroutil, odolává postupnému poškozování tím, že se „hroutí a praská“ více systematicky. A díky tomu je mnohem odolnější. Přesněji řečeno, 5,6x odolnější.
Inženýři z Princetonské univerzity předpokládají, že v rukou drží něco, co by se dalo velmi široce aplikovat na úrovni konstrukčních materiálů zpevňujících budovy. Něco, co by mohlo pomoci navrhovat mosty a hráze, které se při zemětřesení sice budou poškozovat, ale nedojde k jejich fatálnímu zhroucení.
Zdroj: WeForum.org, engineering.pricneton.edu, interestingengineering.com, SpaceDaily.com
