pametni materijali i tehnologije u arhitekturi

7/16/2019 Pametni Materijali i Tehnologije u Arhitekturi

http://slidepdf.com/reader/full/pametni-materijali-i-tehnologije-u-arhitekturi 1/18

Pametni materijali i tehnologije u arhitekturi – seminarski rad

KAZALO

1. UVOD 2

2. ŠTO SU PAMETNI MATERIJALI? 3

2.1. High-performance materijali 3

3. TIPOVI PAMETNIH MATERIJALA 4

4. PRVI TIP PAMETNIH MATERIJALA 6

4.1. Kromatski materijali 7

4.2. Rheološki materijali 10

4.3. Provodljivi i poluprovodljivi polimeri 11

4.4. Materijali promijenjivog stanja 12

4.5. Oblikopamtedi materijali 13

4.6. Pametni materijali promijenjive adhezivnosti 14

5. DRUGI TIP PAMETNIH MATERIJALA 15

4.1. Fotoelektrični materijali 16

4.1. Termoelektrični materijali 17

4.1. Piezoelektrični materijali 17

6. POPIS LITERATURE 18




2

1. UVOD

Kroz povijest arhitetkture razvoj materijala oražava tren pronalaska i upotrebe čvršdih,

izržljivijih, finijih, ugonijih i jenostavno boljih materijala koji zamjenjuju svoje prethonike na

temelju superiornosti unutar oređene kategorije svojstava. Proizvonjom sve više novih i

kvalitetnijih rješenja građevinska inustrija je polako ošla o točke gje činjenica a je neki materijalsuperiornijih karakterisitika u jenom polju više nije ovoljna a bi se isti koristio umjesto ved

uvaženog materijala. Promjena korištenog materijala može onijeti više problema nego što novi

materijal otklanja zbog raznih kontradikcija u svojstvima ili tehnologiji primjene.

Novonastali problemi vrlo vjerojatno leže u kompliciranosti sustava koji poržava korištenje

samo oređene vrste materijala u oređenoj ulozi. Pojenostavljenjem samog sustava mnogo bi se

postiglo u proširenju asortimana uporabljivih materijala i tehnologija, što pokazuje novi tren

uporabe takozvanih „pametnih materijala“. Ova vrsta materijala omogudava pojenostavljenje

sustava u građevinama o golih osnova, gdje se napredni programirani sustavi senzora i

elektromotora zamijenjuju raznim substancama koje je mnogo lakše razumjeti, usklaiti i na krajukrajeva i ugraiti u novi ili postojedi sustav.

No, čak i ko pametnih materijala postoje ograničenja. Gje konvencionalni materijali

briljiraju u odnosu na ove nove tehnologije je vrlo jednostavno – dostupnost. Pametni materijali

trenutno su u vrlo ranoj fazi primjene te se kao takvi prozvode u vrlo malim količinama, često izvan

osega vedine projekata.




3

2. ŠTO SU PAMETNI MATERIJALI?

Pametni materijali - nazvani tako najviše iz marketinških razloga, obili su svoje ime

zahvaljujudi svojoj sposobnosti a pojenostave razne procese unutar građevina, vozila, uređaja i

sličnog u onosu na razne vede i skuplje sustave. Tako primjerice, elektroaktivni polimer koji se koristi

kao zaštita o sunca netreba oatan elektromotor koji ga pomiče po pročelju, ved se sam sabija i širiovisno o naponu koji struji kroz njega, za što je ovoljna neznatna infrastruktura u onosu na

konvencionalni primjer.

Da bi neki materijal klasificirali kao pametan, potrebno je a zaovolji slijeede uvjete:

- Promjena unutarnjih svojstava – ili – Promjena tipa poražajne energije

- Jednostavnost u odnosu na konvencionalni pristup

- Reverzibilnost

- Diskretna veličina

Također, požejno je ali ne i uvjetovano a pametni materijal pokazuje ove karakteristike:

- Trenutačnost

- Samoaktiviranje

- Predvidljivost/Programibilnost

- Lokaliziranost

- Reverzibilnost

Međutim, potrebno je prvo uočiti jasnu razliku između pametnih materijala i materijala kojima bi

se zbog njihovih iznimnih oabranih karakteristika prioale konotacije „pametnih“, ok oni to nisu.

Te materijale tržište poznaje po imenom „High performance“ materijiali.

2.1. HIGH PERFORMANCE MATERIJALI

High performance materijale karakteriziraju svojstva koja su iznimno tražena na tržištu, kao

što su npr. iznimna čvrstoda, fleksibilnost, vooupojnost, selektivna reflektivnost i mnoge druge.

Međutim, ti materijali ne spaaju u pametne materijale unatoč svojoj naprenosti u tehnološkom

pogleu jer ne posjeuju mogudnosti promjene unutarnjeg sastava/svojstava niti mogudnosti

preobrazbe jedne vrste energije u drugu. Zbog tih karakteristika, oni nisu programibilni, interaktivni

niti reverzibilni, što međutim ne znači a nisu izuzetno upotrijebljivi.

Primjeri uključuju:

- Ugljična vlakna

- Grafenske ploče

- Reflektivne folije

- Aerogel

- Kapilarne izolacije

- Hiperhidrofobni

premazi

- Hiperhidrofilne

tkanine

- Reciklirani materijali

- Biorazgradivi

materijali

- Biomaterijali

- Hibridni materijali

- Kompozitni

materijali

- Nanomaterijali




4

3. TIPOVI PAMETNIH MATERIJALA

Najjednostavnija podjela pametnih materijala postiže se proučavanjem potrebnog ulaznog

poražaja koji specifični materijal potiče na jelovanje. Ovisno o poražaju, materijali se koriste u

različite svrhe u različitime elementima. Najčešdi materijali grupirani prema poražajima su slijeedi:

Naziv kategorije Ulazni podražaj

Fotostriktivni Svjetlost

Termostriktivni Promjena temperature

Piezoelektrični Mehanička eformacija

Elektroaktivni Razlika električnog potencijala (Napon)

Magnetostriktivni Djelovanje magnetskog polja

Kemostriktivni Kemijska koncentracija

Prilog 3.1. – Kategorije pametnih materijala po poražaju

Suvremeni trenovi ukazuju na rastudi interes za termostriktivne, piezoelektrične,

elektroaktivne i kemostriktivne materijale u arhitekturi , što je rezultat njihove ostupnosti,

dugotrajne stabilnosti i ostalih empirijskih faktora. Daljni razvoj i eksperimentalna primjena

fotostriktivnih i magnetostriktivnih materijala mogao bi uzrokovati i njihov proboj na tržište u

buudnosti.

Untaoč ovoj jenostavnoj kategorizaciji, ostaje nerješeno pitanje aktivnosti/pasivnosti

samog materijala nakon zaprimitka poražaja, te je potrebno podijeliti ih u dvije skupine. Podijela se

onosi na mogudnost promjene unutarnjih svojstava materijala onosno na mogudnost pretvorbe

forme energije primjenjene u ulaznom poražaju. Takva karakterizacija omogudava pojelu u va

tipa materijala - prvi i drugi tip.




5

Prilog 3.2. – Pametni materijali po svojstvu i sustavu primjene




6

4. PRVI TIP PAMETNIH MATERIJALA

Prvu skupinu odnosno prvi tip pametnog materijala karakterizira promjena unutarnjih

svojstava materijala prilikom ogovarajudeg vanjskog poražaja. Pritom po ta unutarnja svojstva

uključujemo termička (provodljivost topline, toplinski kapacitet, toplinske deformacije,itd.), optička

(boja, translucentnost, reflektivnost, refraktivnost, itd.) , električka (provodljivost, naboj,apsorpcijska svojstva, itd.), kemijska (pH, agregatno stanje, itd.), magnetna (naboj) i mehanička

(volumen, tekstura, čvrstoda, it.). Promjenom unutarnjih svojstava ti materijali omoguduju razne

promjene u svojoj okolini koje rezultiraju u obavljanju oređenog raa koji bi u nekom

konvencialnom slučaju iziskivao vedi napor ili resurse za istu količinu obavljenog raa.

Banalan primjer ovih karakteristika je naslonjač Jurgena Mayera koji pomodu

termokromatskog materijala „pamti“ položaj prethonog korisnika tako što mijenja boju uslije

toplinskog poražaja. Učinak je reverzibilan, te nakon oređenog vremena materijal vrati izvornu

boju, što koresponira vradanju temperature materijala na programiranu vrijenost. Efekt je iznimno

atraktivan te omogudava povedanu interaktivnost s namještajem.

Prilog 4.1. – Termokromatski naslonjač Jurgena Mayera




7

4.1. KROMATSKI MATERIJALI

Unutar prvog tipa pametnih materijala, možemo napraviti istinkciju između najčešde

korištenih. Prethono naveeni primjer naslonjača spaa u vedu obitelj kromatskih pametnih

materijala kojima je zajenička karakteristika a pri oređenom vanjskom poražaju mijenjaju svoje

unutarnje svojstvo apsorpcije svjetlosti u oređenoj valnoj uljini, što ljusko oko registrira kaopromjenu boje. Materijali se razlikuju u vrsti izvornog poražaja koji uzrokuje promjenu boje. Po tim

karakteristikama možemo njih poijeliti na slijeede:

Naziv kategorije Podražaj Rezultat

Termokromatski Promjena temperature

Promjena bojeFotokromatski Svjetlost/UV zračenje

Mehanokromatski Mehanička eformacija

Kemokromatski Kemijska koncentracijaElektrokromatski Razlika električnog potencijala (Napon)

Prilog 4.2. – Kategorije kromatskih materijala

Proizvoi na temelju kromatskih materijala pojavljuju se najčešde u obliku boja, pigmenata ili

rjeđe ploča. Njihova upotreba u arhitekturi primarno je limitirana cijenom i ostupnošdu, makar

tehnologija postoji ved ulje vrijeme. Vedina proizvođača kromatske materijale prodaje pod

laboratorijsku opremu ili zanimljivije varijante kudanskih potrepština kao što su šalice koje promijene

bo ju ka u njih ulijemo vrelu tekudinu.

Fotokromatski materijali

Kromatski materijali koji mijenjaju boju pod

utjecajem svijetlosti nisu ospjeli u široku uporabu

primarno zbog nestabilnosti pod utjecajem klimatskih

uvijeta, temperaturnih promjena i vrlo visoke cijene.

Sastoje se od soli srebra i raznih organskih

komponenata te olaze najčešde u obliku pigmenta,

stakla i polimera.

Upotreba je zasa ograničena na

interieurske instalacije kao što su tapete, tekstili i

premazi, s rastudim potencijalom za širu primjenu.

Proizvođači: James Robinson co., Frauenhofer institut

Prilog 4.3. – Fotokromatska disperzivna boja –

Interactive institute: Power Studio (Eskilstuna,

Šveska)




8

Termokromatski materijali

Najčešdi oblik u kojem olazi ova vrsta materijala je pigment, staklo i polimeri. Karakteristika

materijala je a mijenja boju kao rezultat poražaja toplinom. Na tržištu postoje mnoge varijante u

onosu na aktivni raspon temperature. Najčešde komponente su njim metalni oksidi i iode zajedno s

kolesteričnim tekudim kristalima (cholesteric liqui crystal) ili leuco bojama.

Primjena ovih materijala najčešde je estetske ili indikatorske naravi. Primjeri uključuju

oavanje pigmenata u glet masu te električno zagrijavanje žicama kako bi se stvorio digitalni sat,

ugranja keramičkih pločica koje simuliraju termometar u bazenu, te čisto estetski zahvati koji

posebnim oblogama primaju toplinu iz stopala korisnika te obilježavaju njihovo kretanje.

Proizvođači: Alsa company, Frauenhofer institut

Prilog 4.4. – Termokromatska glet masa – Tate gallery (London, UK)




9

Elektrokromatski/elektrotropski materijali

Ova vrsta materijala posjeduje sposobnost promjene boje ili transparencije kad ga stavimo

po poražaj električne naravi. Proizvoe se kao staklene plohe s isperziranim polimerskim tekudim

kristalima (Polymer-dispersed liquid crystals, PDLC), lebedim česticama (Suspended particle devices,

SPD) ili metalnim oksiima. Izbor tehnologije ovisi o tome želimo li promjenu translucencije ili boje.

Najrašireniju primjenu u arhitekturi ovi materijali mogu pronadi ko pregranih staklenih

stijena koje je potrebno izvesti kao prilagodivu vizualnu barijeru ili kod vanjskog ostakljenja za koje je

potrebna prilagoljivost propusnosti sunčevog zračenja.

Proizvođači: PRIVA-LITE, Gesimat, SGG, TMSM, E INK

Prilog 4.5. – Elektrokromatsko ostakljenje s volframovim oksidom (Gesimat)

Prilog 4.6. – Elektrotropsko stakljenje s lebedim česticama (PRIVA-LITE)




10

4.2. RHEOLOŠKI MATERIJALI

Karakteristike rheoloških materijala su mogudnost promjene viskoznosti onosno čvrstode pri

poražaju električnom energijom – elektrorheološki materijali, ili pri djelovanju magnetskog polja ili

sile – magnetorheološki materijali. Primjena tih materijala između ostalog moguda je ko raznih

stabilizatora ili umirivača vibracija koji koriste tehnologiju sličnu hirauličkim sklopova. Naime, prioređenom opteredenju ili vibracijama, mogude je promijeniti viskoznost ili čvrstodu materijala koji

zamijenjuje ulje u hirauličnom sklopu na način a se promjena ovija u sklau s ferkvencijom

vibracije, njihanja ili udarca – te pritom ublažiti jelovanje istih. Kad prestane djelovanje ulaznog

poražaja, materijal se vrati u početno stanje, što omogudava neograničeno ponovno korištenje.

Glavnu primjenu rheološki materijali pronalaze u amortrizerima kvalitetnijih automobila, a

podinju se primjenjivati ko viših zgraa u svrhu stabliziacije.

Proizvođači: LORD, Fludicon

Prilog 4.7. – Elektrorheološki stabilizator konstrukcije – Miraikan (Tokyo)




11

4.3. PROVODLJIVI I POLUPROVODLJIVI POLIMERI

Oređeni polimeri omoguduju preraspojelu iona unutar strukture materijala čime se

omogudava selektivna provoljivost električne energije. Materijali poznati unutar kategorije

fotokonduktora omogudavaju prolaz električne struje kroz materijal nakon zaprimitka poražaja u

obliku svjetlosti , pružajudi razne mogudnosti automatike koji se primarno koriste u strojarskiminstalacijama zajedno s fotorezistorima (prekiaju tok električne struje pri poražaju) i

pyrokondruktorima (otvaraju tok električne struje pri razlici u temperaturi).

Arhitektonski najinteresantniji materijali kao što su npr. polyanilin i polypyrrol, poznatiji kao

elektro-aktivni polimeri, omogudavaju kretanje elemenata sabijanjem/rastezanjem bez upotrebe

elektromotora ili drugih nespretnih infrastrukturnih elemenata. Pritom zapravo ne dolazi do znatne

potrošnje električne energije, ved samo o njenog prolaska kroz sustav. Najčešdi oblici proizvoa su

vlakna (medicinska primjena), folije i razne opruge.

Ograničenje koje se javlja da bi se element pokretao je potreban naboj koji ponekadpremašuje stanarnih 220 V. Zato je potrebno elemente imenzionirati kako isti nebi premašili.

Primjene su mogude u pregranim elementima ili elementima za zaštitu o sunca.

Proizvođači: Zaštita o sunca – u razvoju (ETH Zürich), EMPA, EAMEX

Prilog 4.8. – Eksperimentalna EAP „harmo“ zaštita o sunca




12

4.4. MATERIJALI PROMIJENJIVOG STANJA

Materijali koji mogu mijenjati agregatno stanje (Phase change materials, PCM) zbog

oređenih vanjski poražaja pri prelasku u rugo stanje pritom otpuštaju ili apsorbiraju oređenu

količinu toplinske energije. Ta karakteristika može biti vrlo korisna u pogleu uštee energije za

grijanje ili hlađenje unutarnjih prostora kada je to potrebno – npr. sakupljanjem topline tokom dana,čime se postiže hlađenje prostora, te otpuštanjem te topline ok vanjska temperatura pane ispo

poželjne sobne. Također, upotreba primjerenih proizvoa omogudava lakšim konstrukcijama vedu

temperaturnu stabilnost koja se inače mora postidi povedanom ebljinom.

PCM materijali se najčešde proizvoe kao kompoziti parafina i soli hirata. Bitna

karakteristika je minimalna promjena volumena i neograničena reverzibilnost. Takvi materijali mogu

u obliku malih kapsula ugraiti ispo grijanih poova, čime također reguliraju i pospremaju višak

energije koji je proizveen. Potrebne tolerancije mogude je programirati oabirom vrste materijala i

regulacijom pritiska unutar samih kapsula. Materijale je mogude obiti u formi nasipa, kapsula, i

ploča za ugranju na ziove i u prozore.

Proizvođači: Rubitherm, Profitherm, DASF, DÖRKEN, GLASSX

Prilog 4.9. – PCM sustav spremanja topline




13

4.5. OBLIKOPAMTEĆI MATERIJALI

Pametni materijali koji pamte oblik (Shape memory alloys) funkcioniraju način a prilikom

promjene temperature u programirani raspon mijenjaju oblik u prethodno definirani. Raspon

temperature definira se samom legurom, pa se za medicinsku uporabu koristi temperatura tijela, dok

se za građevinsku koristi neka ruga. Sam oblik koji želimo a legura poprimi na oređenojtemperaturi efinira se tako a se tijelo zagrije na programiranu temperaturu te eformira u željeni

položaj. Ka se tijelo ohlai, ono se eformira u stanje koje olakšava manipulaciju ili pakiranje. Kad

tijelo ponovo dosegne programiranu temperaturu, ono se deformira u stanje kojem je bilo zadnji put

kad je bilo na toj temperaturi.

Najčešde se proizvoe o legura nikl-titanija (NITINOL, NiTi) koji posjeuju najsnažniji shape

memory efekt te bakar-cink-aluminija (CuZnAl). Rijeđe se izvode o legura željezo-platina (FePt) i

zlato-kamij (AuC). Koriste se ved oređeno vrijeme za izrau raznih vrsta opruga, šipki, punih

profila, limova, kuka, medicinskih steznika, itd. Primjena u arhitekturi je trenutno još u razvojnoj fazi,

no isprobane metoe iz automobilske inustrije mogle bi se nadi vrlo brzo u konstruktivnimrešetkama manjih raspona, otvaračima/zatvaračima elemenata osjetljivim na temperaturu te raznim

tekstilima za interieur.

Primjer uporabe u interieuru/exterieuru je zaštita o poglea koja funkcionira različito o

dobu dana – po nodi pane temperatura pa se zastor spusti, ok se po anu igne temperatura pa se

materijal vrada u efinirani položaj:

Prilog 4.10. – SMA tekstil za zaštitu o poglea – Yvonne Chan Vili (Velika Britanija)




14

4.6. PAMETNI MATERIJALI PROMIJENJIVE ADHEZIVNOSTI

Karakteristike ahezivnih pametnih materijala su promijenjivosti u privlačnim svojstvima

materijala za razne vrste substanci, što rezultira u pojačanoj apsorpciji ili aheziji uželjenom trenutku.

Ova svojstva se postižu kroz više Van er Waltovih veza, statički elektricitet, kemijske i mehaničke

veze među česticama. Pojela se vrši na fotoahezivne (svojstva se mijenjaju svjetlosnimporažajem), termoahezivne (temperaturnim poražajem), elektroahezivne (električnim

poražajem), hiroahezivne (poražaj prisustvom tekudine) te bioahezivne (poražaj prisustvom

bioloških komponenti – bakterije).

Najznačajniji materijal ove kategorije je titanijev oksi (TiO2) koji primjenu nalazi u raznim

samočistedim premazima, polimerima, obložnim pločama i staklima. Efekt samočišdenja ovija se

oksiacijom organskih komponenti po utjecajem UV zračenja, čime one prelaze u CO2.

Proizvođači: Steinzeug, Pilkington, Taiyo

Prilog 4.11. – Zgraa sa samočistedom TiO2 fasadom – Albert Wimmer, AN_Architetcts (Beč, Austria)




15

5. DRUGI TIP PAMETNI MATERIJALA

Drugi tip pametnih materijala karakterizira mogudnost pretvorbe vrste energije. Poražajna

energija se u kontaktu s materijalom pretvara u rugi oblik i time na oređeni način jeluje. Ovaj tip

pametnih materijala najčešde se koristi kao vrsta senzora u nekom sustavu zbog svoje iznimne

jednostavnosti u odnosu na starije sustave – pri poražaju generiraju električnu struju koja sustavušalje signal, na temelju kojeg isti jeluje. O senzorskih materijala ističu se fotovoltni (svjetlosni

poražaj stvara električnu struju), termoelektrični (razlika u temperaturi stvara električnu struju) i

piezoelektrični (mehaničko jelovanje stvara električnu struju). Fotovoltni se dakako koriste i za

proizvonju električne energije u povedanoj mjeri.

Osim materijala koji poražajima stvaraju struju, postoje i luminescentni materijali raznih

vrsta koji pretvaraju svjetlosnu, električnu, kemijsku, biološku, toplinsku ili mehaničku energiju te

zračenje u svjetlosnu energiju. Oni su generalno ekorativnih karakteristika jer energiju pretvaraju

jedino u svjetlost. Daljnjim razvojem postoji vjerojatnost a de postidi vedu efikasnost i

upotrijebljivost nego osaašnji sustavi rasvjete. Ubrajaju fotoluminescentne, fosforescentne ,flourescentne, elektroluminescentne , LED i OLED materijale i sustave.

Prilog 5.1. – Arhitektonska instalacija od papira i flourescentne tinte – Ruth Handschin (Berlin,

Njemačka)




16

5.1. FOTOELEKTRIČNI MATERIJALI

Pametni materijali s mogudnostima generiranja električne energija kao ogovor na svjetlosni

poražaj koriste se ved ugo u obliku silcijevih solarnih delija, no suvremeniji materijali u oblikubojanih solarnih ćelija (premazi koji generiraju električnu energiju), solarnih folija (vrlo tanki i

fleksibilni) te organske solarne ćelije polaku preuzimaju primat na tržištu.

Elektrogenerirajudi premazi pokazuju najvedi potencijal za primjenu u arhitekturi, no njihova

kompozitna narav zasa ograničava njihovo nanošenje na tvornički postupak. Također ograničavajuda

je njihova efikasnost (oko 5%, ok silicijeve delije osežu 12%) koja limitira njihovu korisnost, no

procjenjena ugotrajna stabilnost nakon oatnog razvoja trebala bi premašiti osaašnje sustave.

Glavna kvaliteta ovakvih ploča je njihova ekorativnost jer olaze u boji, te prozirnost koja

omogudava ugranju u ostakljenja.

Proizvođači: DYESOL, Frauenhofer institut

Prilog 5.2. – DYESOL bojana fotoelektrična ploča – premaz između va sloja stakla




17

5.2. TERMOELEKTRIČNI MATERIJALI

Ova vrsta pametnih materijala primarno se koristi kao jednostavni senzor za temperaturnu

promjenu u termometrima jer s velikom preciznošdu osijeda i najmanje promjene, što omogudava

optimizaciju raa sustava. Proizvoe se vedinom o metalnih oksia koji imaju karakteristike

poluvoiča. Trenutno su u razvoju te se njihova upotreba očekuje u srenje alekoj buudnosti.

Proizvođači: HI-Z, SAM, Micropelt, SCTB NORD, FerroTec

5.3. PIEZOELEKTRIČNI MATERIJALI

Karakteristike ovih materijala su a po utjecajem mehaničke sile generiraju električnu

struju. Izrađuju se vedinom iz inorganskih kompozitnih keramika ili organskih polimera (PVDF, PE, PP),uz mnoge ostale materijale koji bi se za isto u buudnosti mogli koristiti. Primjena u arhitekturi

moguda je o običnih senzora kretanjau obliku folija , generatora struje za prekiače pa o etektora

oštečenja i progiba u konstrukciji. Njihova primjena je još uvijek ograničena zbog rane faze razvoja.

Proizvođači: PI Ceramic, Mirow, Emfit




18

6. POPIS LITERATURE

1. www.jmayerh.de

2. archidose.blogspot.com

3. www.rubitherm.de

4. Michelle Addington, Daniel Schodek: Smart materials and technologies (for the architecture and

design professions),

Architectural press/ Elsevier, Oxford, 2005

5. Alex Ritter: Smart materials (in architecture, interior architecture and design),

birkhaüser, Berlin, 2007

pametni materijali i tehnologije u arhitekturi

Documents