Struktury bioniczne: od łodygi do wieżowca Understand article

Tłumaczenie: Anna Pancerz. Zarówno źdźbło trawy, jak i wysoka wieża muszą być wytrzymałe na siły, które im zagrażają i chcą zrównać je z ziemią. Czy istnieją jakieś zasady projektowania, dzięki którym możemy osiągnąć taką wytrzymałość?

Co łączy Wieżę Eiffla i łodygę zboża? Na pewno nie rozmiar. Natomiast gdy spojrzymy z bliska na ich wewnętrzną strukturę – mają ze sobą wiele wspólnego. Słynna budowla Gustawa Eiffla, która rozpoczęła nowy wiek wykorzystania żelaza przy budowie obiektów, odniosła sukces, ponieważ architekt zdołał zaprojektować strukturę, która była jednocześnie silna i lekka. Podobnie jak wieża, źdźbło pszenicy musi pozostać niewzruszone na wiatr i pogodę przy minimalnym wykorzystaniu dostępnych materiałów. Rozwiązanie projektowe w obu przypadkach jest takie samo: podstawowa konstrukcja jest wydrążona i rurkowata, a nie masywna, utrzymuje najwięcej mocy, a nie ciężaru.

Nie tylko źdźbła zboża sugerują sprytne i naturalne rozwiązanie problemu inżynieryjnego. Istnieje odrębna dziedzina badań technicznych – bionika w architekturze.

Czym jest bionika w architekturze?

Bionika w architekturze jest częścią nauki o bionice. Jej główną funkcją jest identyfikowanie konstrukcji i procesów w systemach biologicznych, które mogą mieć zastosowanie w inżynierii. Celem do jakiego się dąży jest zmniejszenie zużytego materiału i energii, stosując bardziej ekologiczne założenia projektowe – zgodnie z ambicjami XXI w.

W tym dziale nauki, lekkie konstrukcje w przyrodzie stają się inspiracją dla rozwiązań technicznych. Tak jak Wieża Eiffla była zaprojektowana używając zasady pustych rurek (która ma również zastosowanie w niektórych kościach człowieka), struktury zaobserwowane w przyrodzie mogą stanowić model dla rozwoju nowych materiałów i projektów budowlanych.

Trawa: siła dzięki kontrukcji

Trawy (Wiechlinowate) mogą stanowić inspirację dla bionicznych konstrukcji – ich wysokie, cienkie źdźbła łączą w sobie dużą wytrzymałość na wygięcia i złamania przy użyciu minimalnej ilości materiału. 

Przekrój poprzeczny źdźbła zboża (Triticum spp.) pod mikroskopem ujawnia przyczynę siły mechanicznej tego przedstawiciela traw. (Speck & Speck, 2006). Warstwa zewnętrzna twardej i zdrewniałej tkanki – twardzica, wzmacniana jest od zewnątrz naciskiem innych tkanek takich jak tkanka przewodząca i miękisz (ryc. 1). Cała struktura tworzy cylinder, w którym najtwardsza warstwa znajduje się na zewnątrz.

To nie koniec tajemnicy siły tej rośliny: za zewnętrzną ścianą łodygi znajduje się kompozytowy materiał włókienny. Zdrewniałe włókna są osadzone w miększej tkance wewnętrznej i tworzą materiał, którego struktura może być porównana do żelbetu – materiału kompozytowego wykonanego z betonowej matrycy z elementami żelaznego wzmocnienia.

Jednakże, takie połączenie różnych materiałów zwiększa ryzyko rozerwania źdźbła przez czynniki zewnętrzne takie jak silny wiatr, ponieważ podczas wygięcia źdźbła może dojść do oderwania jednej warstwy od drugiej. Właśnie dlatego wewnętrzna ściana źdźbła skonstruowana jest w formie gradientu, w którym elementy o różnych właściwościach takich jak rozmiar komórki, grubość ściany komórkowej, stopniowo się zmieniają, by płynnie się połączyć, stwarzając bardziej stabilny materiał kompozytowy (ryc.1).

Bambus – budowla z trawy

Oczywiście, przedstawicielem rodziny traw, który najszybciej przychodzi na myśl jako pożyteczna konstrukcja, jest bambus. W Azji, ze względu na świetne właściwości mechaniczne, często używany jest jako materiał budowlanych lub rusztowanie, nawet przy budowie wysokich obiektów.

Bambus (podrodzina Bambusowe) jest trawą o wyjątkowym rozmiarze, niektóre gatunki takie jak Bambusa oldhamii (Dendrocalamus giganteus) może osiągnąć wysokość do 30 m, przybierając nawet 1 m wysokości dziennie. Jednakże, ich struktura jest podobna do wielu innych roślin: mają korzenie, łodygę, liście i kwiaty.

Podobnie jak inne rośliny trawiaste, bambus ma pustą, cylindryczną łodygę, z węzłami na całej jej długości. Węzły, które dzielą łodygę na segmenty, posiadają zgrubiałe ściany, które zachodzą na wnętrze łodyg, co umacnia całą strukturę i zapobiega przez złamaniem pod wpływem siły napływającej z boku. Jeśli łodyga miałaby kształt całkowicie pustej rurki, każda boczna siła najpierw zmieniłaby jej kształt na owalny, a później całkiem by ją spłaszczyła. Następnie płaska część mogłaby się zgiąć i zgnieść. Węzły wspomagają łodygę przeciw naciskowi przyłożonej siły (Mattheck, 2004; Speck & Speck, 2006).

Bioniczna wieża w Szanghaju

Jednym z futurystycznych projektów, które niebywale czerpią inspirację z przyrody jest projekt Wieży Bionicznej w Szanghaju w Chinach. Jeśli ta wizjonerska konstrukcji zostanie zbudowana byłaby zdecydowanie najwyższym budynkiem na świecie – o wysokości 1228 m i liczyłaby około 300 pięter. Projekt ma na celu odwzorowanie struktur obserwowanych w przyrodzie, nie tylko w samej wieży, ale również w jej fundamentach. Obszerna sieć miejsc zakotwiczenia, które mają imitować korzenie drzewa, zastąpiłaby tradycyjne fundamenty i miałaby na celu zapewnienie lepszej ochrony przed trzęsieniami ziemi i siłami poprzecznymi silnych wiatrów.

Według architekta Eloy’a Celata, rekordowa wysokość budynku odnosi się do przyrody w jeszcze jeden sposób: zapewniając przestrzeń życiową dla ponad 100 tysięcy osób na powierzchni bazowej 166 m x 133 m takie wieże mogłyby zmniejszyć powierzchnię potrzebną do zaakomodowania wzrastającej liczby populacji, potencjalnie pozwalając na ochronę większego obszaru przyrody.

Konstrukcje bioniczne w klasie

Przygotowaliśmy kilka ćwiczeń na temat konstrukcji bionicznych do wykonania w czasie lekcji, odpowiednich dla dzieci z końcowych klas szkoły podstawowej do młodzieży z pierwszych klas szkół ponadgimnazjalnych. Takie eksperymenty pomogą uczniom samodzielnie odkryć zasady projektowe omawiane w tym artykule. Karty pracy i instrukcje dla nauczycieli mogą być pobrane z sekcji materiałów dodatkowych^w1.

W pierwszym ćwiczeniu (Test stabilności bambusa I drewna), uczniowie mają za zadanie porównać siłę i twardość drewna litego i bambusa. Na kawałki podanych materiałów należy kłaść coraz cięższe ciężarki i mierzyć ich odgięcie. Uczniowie dojdą do wniosku, że fragment pustego bambusa odgina się mniej niż stabilne drewno.

W drugim ćwiczeniu uczniowie badają dlaczego bambus jest taki mocny i wytrzymały w oparciu o przekrój wzdłużny listewki bambusa, który pokazuje węzły i międzywęźla. Później badają to jak węzły wzmacniają całą łodygę używając pasków papierów przyklejonych do środka kartonowego rulonu.

Te proste pokazy mogą zostać uzupełnione dalszym rozeznaniem i dyskusją na temat konstrukcji bionicznych, które mogą dotyczyć futurystycznych wieży lub innych bionicznych budowli.