همنوایی چسب و شیشه

نگاهی به کاربردهای شیشه در معماری نوین

صنعت ساختمان‌سازی از جمله اموری است که در دل خود رشته‌های مختلفی را جای داده و از این‌رو رونق یا رکود آن تاثیر زیادی بر شاخص‌های اقتصادی دارد. در گذشته استحکام ساختمان یکه‌تاز شاخص‌های تاثیرگذار بوده ولی رفته‌رفته پارامترهای معماری و زیبایی‌شناختی نیز به مقام‌های بالای ارزش‌گذاری دست یافتند و در این ارتباط شیشه، نقش مهمی در این عرصه داشته است. هرچند انسان‌ها از هزاران سال پیش با شیشه سر و کار داشته‌اند ولی در گذشته نه چندان دور مهم‌ترین کاربرد شیشه برای پنجره‌ها بوده اما از دیگر کاربردهای آن می‌توان، جداسازی غیرفعال بخش‌های مختلف ساختمان نیز اشاره کرد. درحال‌حاضر نیز شیشه به عنوان مصالحی برای نمای ساختمان‌ها درآمده است.

گذشته از بحث‌های موافقان و مخالفان به‌کارگیری شیشه در نمای ساختمان که به بحث درباره ایمنی هنگام زلزله و بازتاب نور می‌پردازند، باید متذکر شد که به نظر می‌رسد این وظیفه سازمان‌های تصویب‌کننده استاندارد و قانون است که پس از بررسی، حدود و ثغور این فعالیت‌ها را مشخص کنند. هرچند درحال‌حاضر نیز جریمه‌هایی برای ساختمان‌های دارای نمای شیشه‌ای تعیین شده است. البته طراحان در کشورهای پیشرفته پا را از این موارد نیز فراتر گذاشته، مثلا از شیشه در ساخت راه‌پله و پل پیاده‌رو و طاق و سایبان‌های زیبا نیز بهره جسته‌اند. هرچند شاید در کشورمان بتوان مواردی از این طراحی‌ها را یافت ولی هنوز این موضوع فراگیر نشده است. یکی از طراحی‌های جدید با مصالح شیشه، ساخت یک اتاقک با کف، سقف و دیوارهای شیشه‌ای در طبقات فوقانی یک برج است که این مقاله ضمن پرداختن به آن، آینده کاربرد شیشه در ساختمان را نیز مدنظر دارد.

اگر واقعا می‌خواهید بدانید که چطور می‌توان به نحو مناسبی از شیشه در سازه ساختمان‌ها 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 جست‌وجو کنید. وقتی به این طبقه رسیدید اندکی به سمت دیوارهای غربی ساختمان بروید، به جایی می‌رسید که نمای خارجی ساختمان اصطلاحا بریده شده و شما می‌توانید با یک گام به پیش نهادن، از نمای ساختمان نیز جلوتر بروید.

در اینجاست که شما خودتان را در یک طبقه شیشه‌ای می‌یابید که به‌صورت معلق در ارتفاع ۴۰۰متری سطح پیاده‌رو قرار گرفته است. حال اگر از این ارتفاع، طاقت نگاه‌کردن به زمین را ندارید، می‌توانید به اطراف یا بالا نگاه کنید، چون دیواره‌ها و سقف این قسمت از ساختمان نیز از جنس شیشه است. در اصل شما درون یک جعبه شیشه‌ای قرار دارید که ابعادی حدود یکی، دو متر دارد و توسط تیرک‌های مهارشده در سقف، آویزان شده است. دیواره‌های شیشه‌ای نیز به تیرک‌های سقف و شیشه کف متصل شده‌اند که این اتصال به کمک پیچ و مهره‌های فولادی انجام گرفته، ولی آنچه را که نباید به فراموشی سپرد، موضوع شیشه است. آیا طراحان می‌توانند پاسخ مناسبی به این سوال مردم عامی بدهند: شما نمی‌توانید با شیشه به این هدف خود برسید، آیا می‌توانید؟

مهندسان، آرشیتکت‌ها و سازندگان معتقدند آنها قادرند به کمک دانشمندان علم مواد و طراحان نرم‌افزار، ساختمان‌هایی با نمای بیرونی مرتفع، سایبان و اتاقک‌ها، پل پیاده‌رو و راه‌پله را از جنس تمام شیشه بسازند. آنها با لایه‌گذاری شیشه و پلیمر قادرند تیرک‌ها و دیگر اجزای محکم و ایمن بسازند و سپس هر اینچ مربع از این ماده را آنالیز کنند تا مطمئن شوند که تنش‌های آن دقیقا در محدوده مجاز است. به عنوان مثال در برج Sears از صفحات شیشه‌ای پنج‌لایه استفاده شده است. البته کارشناسان به‌دنبال آزمودن مواد و روش‌های جدید هستند تا بالاخره روزی بتوانند سازه‌های شیشه‌ای را بدون نیاز به اتصال به فلزات و دیگر مواد سرپا نگه دارند. «جیمز کالاهان» از شرکت طراحی سازه کالاهان مسوول طراحی برترین پروژه شیشه‌ای جهان است که راه‌پله شیشه‌ای را با مشخصات برجسته‌ای برای بعضی از نمایندگی‌ها و فروشگاه‌های شرکت کامپیوتری اپل ساخته است. او می‌گوید: «نهایتا ما تمام تلاش خود را برای ساخت سازه‌های تمام‌شیشه‌ای به کار خواهیم گرفت.»

«در بین تمام این تلاش‌ها یک مطلب محقق شده و آن، این است که شیشه ماده منحصربه‌فردی است.» این مطلب را آقای کویمانس طراح جعبه شیشه‌ای در برج Sears‌ بیان داشته است.

باید توجه داشت قدمت شیشه به هزاران سال می‌رسد و با گذشت این سال‌ها راه‌های زیادی برای ساخت وسایل مختلف شیشه‌ای با کاربردهای متنوع ابداع شده، ولی با این وجود در پروژه‌های ساختمانی منحصرا از شیشه‌های سودا – آهک استفاده می‌شود که قسمت عمده مواد تشکیل‌دهنده آن کربنات سدیم، سنگ آهک و سیلیس است. «هری استیونز»، رییس مرکز تحقیقات شیشه در دانشگاه آلفرد می‌گوید: «سالیان سال است که مواد اصلی تشکیل‌دهنده شیشه سودا – آهک تغییر زیادی نکرده است.» این نوع شیشه کم و بیش شبیه شیشه‌های به‌کار رفته در پنجره ساختمان منازل یا شیشه ظرف مربای موجود در یخچال یا بطری‌های قدیمی فروش‌رفته در مغازه‌های عتیقه‌فروشی است. «کارپنتر» از شرکت طراحی کارپنتر طراحی نماهای شیشه‌ای ساختمان‌ها را برعهده داشته و در دهه ۱۹۷۰ یکی از مشاوران شرکت معروف شیشه‌سازی Corning بوده است. او می‌گوید: «هرچند شیشه یک ماده پایه است ولی ساده نیست و جزو مواد غیرمعمول به شمار می‌رود و شاید به این دلیل باشد که ما واقعا نمی‌دانیم که شیشه چیست.»هرچند بحث‌های طولانی در زمینه مایع یا جامدبودن شیشه صورت پذیرفته ولی امروزه معمولا بیان می‌شود شیشه یک ماده بی‌شکل (آمورف) است (چون جریان یافتن آن با گذشت زمان برخلاف مایعات، بسیار کند است). این ساختار غیرکریستالی به دلیل سردشدن نسبتا سریع به دمایی پایین‌تر از «دمای‌گداز شیشه» است که برای انواع شیشه‌های سودا – آهک حدود ۵۵۰ درجه سانتیگراد است. حال اگر شیشه بیشتر سرد شده و بریده شود، این شیشه دست‌نخورده بسیار محکم است، ولی شبیه یک اتومبیل نو که با گذشت زمان از ارزش آن کم می‌شود، درمورد شیشه نیز بلافاصله پس از ساخت، با گذشت زمان از استحکام آن کاسته می‌شود چون به دلیل تماس با سطوح دیگر و حتی تماس با بخار آب و دی‌اکسیدکربن، ترک‌هایی در آن ایجاد می‌شود. «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 می‌گوید: «اگر شما یک سطح شیشه‌ای تازه‌ساز داشته باشید و نفس خودتان را در این سطح بدمید، شما سرعت کاهش استحکام شیشه را به توان۲ رسانده‌اید.» کارلوپا نتانو استاد علم مواد در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیاست. او معتقد است حتی یک مولکول گاز نیز می‌تواند پیوند سیلیس- اکسیژن را شکسته و یک نقص در آن ایجاد کند. با اینکه شیشه در مقابل متراکم‌سازی بسیار مقاوم است ولی تنش‌های کششی باعث خواهند شد که این شکاف‌ها پیوند به پیوند رشد کند یا باعث شکستن شیشه شوند یا مقاومت آن را کاهش دهند.

البته یکی از روش‌های اجتناب از ایجاد ترک‌های جدید، پوشش‌های محافظ است که می‌تواند 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 می‌توان به مقاومت شیشه در برابر ایجاد ترک یا انتشار آن افزود. در این‌باره دکتر استیونز می‌گوید: «شواهدی در دست است که می‌توان با تغییر ترکیب باعث شد شیشه ذاتا محکم‌تر 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 شیشه‌ای پروژه برج sears بیش از ۴۰هزار دلار هزینه دارد. البته می‌توان فرآیند ساخت را نیز اصلاح کرد تا سطح شیشه هرچه دست نخورده‌تر باقی بماند. برای مستحکم کردن شیشه برای کارهای ساختمانی، غالبا از روش قدیمی بازپخت استفاده می‌شود. در این روش سطح شیشه تحت عملیات متراکم‌سازی قرار می‌گیرد تا رشد ترک‌ها نیازمند نیروی کششی بیشتری باشد.

برای شیشه‌های تخت مرسوم‌ترین روش، بازپخت حرارتی است. «لاکورس» استاد دانشگاه آلفرد معتقد است که در این فرآیند از یک خاصیت منحصر به فرد شیشه استفاده می‌شود و آن خاصیت چیزی نیست جز آنکه هر چه شیشه آرام‌تر سرد شود، متراکم‌تر می‌شود. هنگام سرمایش سریع یک سطح خارجی (معمولا با هوا) تراکم کمتری وجود دارد. او می‌گوید: «درون شیشه هنوز داغ است و سعی می‌کند به صورت یک ساختار متراکم‌تر سرد شود که این باعث تراکم سطح می‌شود.»

هرچند شیشه‌های 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، می‌شکند نسبت به شیشه بازپخت نشده به تعداد قطعات ریزتری تبدیل می‌شود تا با این خطوط ترک بزرگ‌تر، انرژی بیشتری آزاد شود. در این‌باره گولاتی می‌گوید: «هر چه شیشه مستحکم‌تر شده باشد، تکه‌های بیشتری در آن تشکیل می‌شود.» یکی از مثال‌های جالب برای این موضوع به «قطره پرنس روپرت» شهرت دارد که اساسا یک توپ کوچک شیشه‌ای با دنباله‌ای بلند است که از طریق افتادن شیشه ذوب شده درون آب به وجود می‌آید. 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 ساختمان‌سازی، شکستن شیشه به قطعات بسیار کوچک یک مزیت به شمار می‌رود چون احتمال آسیب‌رسانی به افراد را کاهش می‌دهد ولی با این وجود، بازپخت نیز به تنهایی کافی نخواهد بود. یکی از نگرانی‌های اساسی در مورد ساختمان ساخته شده با شیشه آن است که چه هنگام این قطعات شیشه‌ای خواهد شکست و چه رخ خواهد داد که اصطلاحا مهندسان به آن لقب «رفتار پس از شکست» داده‌اند. باید توجه داشت که برخلاف قطعات فولادی و فلزی، شیشه پیش از شکستن تغییر حالت نمی‌دهد تا این تغییر حالت، اعلام خطری برای شکستن باشد. ضمنا هنگام وقوع شکست، حفظ یکپارچگی سازه شیشه‌ای از مهم‌ترین مسایل به شمار می‌رود چون باید ایمنی افرادی که در بالا یا زیر آن قرار دارند، حفظ شود. در اینجاست که بحث لایه‌گذاری (لمینه کردن) مطرح می‌شود. در چنین طرح‌هایی صفحات شیشه (در پروژه برج Sears ضخامت این صفحات یک‌ سانتی‌متر بود) با پلیمر نازکی به هم چسبانده می‌شوند. این لایه‌های نازک میانی اولا باعث افزایش استحکام شده و در ثانی هنگام شکسته شدن یکی از صفحات شیشه‌ای، کل سازه شیشه‌ای را به صورت یکپارچه حفظ کرده و از سقوط قطعات شکسته شده جلوگیری می‌کند. البته لایه‌گذاری باعث می‌شود که ساخت شیشه برای کاربرد در ساختمان بسیار مشکل شود. این از آن جهت است که برش دادن شیشه بازپخت شده باعث شکستن آن می‌شود و به این دلیل ابتدا باید هر صفحه شیشه‌ای به تنهایی پولیش خورده و محل اتصالات روی آن سوراخ شده و سپس شیشه تحت عملیات بازپخت قرار گیرد. ضمنا تولرانس‌های این امور نیز بسیار کم است تا از ایجاد هرگونه تنش مخرب در سازه نهایی اجتناب شود. تعجب نکنید ولی اکثر افرادی که سازه‌های شیشه‌ای برپا می‌سازند 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» می‌گوید: «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 نمی‌شود باعث می‌شود که بتوان قطعاتی را که باید به یکدیگر جوش بخورند را به صورت یک قطعه شیشه‌ای یکپارچه درآورد. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که انبساط شیشه‌های 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 شیشه‌ای نیز کار می‌کنند ولی هزینه تولید شیشه‌هایی با انبساط کم بسیار بیشتر از شیشه‌های سودا-آهک است.

گروه دیگری از مهندسان استفاده از چسب برای اتصال مستقیم به شیشه را آغاز کرده‌اند. «بلاندینی» یکی از مهندسان شرکت طراحی و مهندسی Werner Sobek در شهر اشتوتگارت آلمان است. او از انواع چسب‌ها برای ساخت یک گنبد نازک شیشه‌ای به طول ۹ متر استفاده کرد تا بتواند از تز دکترای خود نیز دفاع کند. او در این‌باره گفته است که «من فکر می‌کنم چسب‌ها نویدبخش‌ترین وسیله برای اتصال به شیشه هستند به علاوه چسب به شیشه امکان می‌دهد که حالت ظرافت و زیباشناختی خود را نیز حفظ کند.» البته نباید از یاد برد که این شرکت از چسب‌ها در بعضی از سازه‌های ساخته شده در دانشگاه شیکاگو و نیز ساختمان‌هایی در دوبی استفاده کرده است. اما مشکل اینجاست که استحکام بلندمدت و قابلیت اطمینان چسب‌ها هنوز به اثبات نرسیده است و اکثر مردمی که با شیشه سر و کار دارند، معتقدند ساخت سازه‌هایی که تماما با چسب به‌هم متصل شده‌اند، به زمان زیادی نیازمند است.

NewYorkTimes, Jul.۲۰۰۹

ترجمه: عبدالله مصطفایی