Na konci září 2006 byl oficiálně
spuštěn mezinárodní kolaborativní
projekt Polytect. Jedná
se o výzkumně-vývojový projekt
pro podporu malého a středního
podnikání, který je částečně financován
z rozpočtu EU v rámci programu
FP6. Podílí se na něm téměř
30 partnerských organizací nejen
z EU, ale též z Norska, Izraele
a Indie. Na projektu nespolupracují
pouze soukromé subjekty ze
zmíněných zemí, ale i výzkumné
ústavy a univerzity.
Cílem projektu je vývoj a testování
nových multifunkčních technických
textilií a jejich následné uvedení na
trh. Aplikace těchto textilií se předpokládá
ve stavebnictví a při zemních
pracích, při snižování přírodních
rizik, které mají vliv na funkčnost
a stabilitu nových nebo stávajících
staveb. Multifunkčnost textilií (na
rozdíl od běžně používaných typů)
v tomto případě nezahrnuje pouze
výztužnou, příp. odvodňovací funkci,
ale i aktivní monitorování technického
stavu staveb pomocí senzorů
zapletených do textilií.
Do byla projektu přizvána (jako
jediný český partner) firma Safibra.
Participuje na něm jako expert
v oblasti optických vláknových technologiích,
optických senzorů a měření.
Podílí se na vývoji monitorovacích
prostředků v podobě optických
vláknových senzorů zabudovaných
v textilii.
Optické vláknové senzory jsou
moderní a rychle se rozvíjející obor,
který nachází široké uplatnění v řadě
průmyslových i výzkumných aplikací.
Vláknových senzorů je dnes
navržena již celá řada. Jednotlivé
typy se liší technickou konstrukcí,
způsobem instalace i využitím. Senzory
jsou dnes navrhovány rovněž
pro měření široké škály fyzikálních
i chemických veličin. Velká pozornost
se soustřeďuje také na propojování
senzorů (i neoptických) s oděvními
textiliemi.
Co však dosud nebylo příliš prozkoumáno,
je propojení senzorů
s technickými textiliemi, využívanými
pro průmyslové aplikace.
Senzory, které jsou plánovány pro
zapletení v textilu, mají sloužit
nejen pro měření vybraných fyzikálních
a chemických veličin
v různých místech textilie. Soubor
změřených veličin musí zároveň
posloužit jako podklad pro posouzení
celkového „zdravotního“ stavu
staveb, které budou tuto textilii
používat.
Byly vytipo vány 3 typy
vláknových senzorů
pro měření fyzikálních veličin
relativní prodloužení, absolutní prodloužení/
posun, vibrace a teplota:
Brillouine OTDR (Optical Time
Domain Reflectometer) senzor, POF
(Plastic Optical Fiber) OTDR senzor
a FBG (Fiber Bragg Grating) senzor.
Brillouine OTDR senzor je tzv.
distribuovaný senzor. Dokáže měřit
mechanické prodloužení vlákna
(a tím pádem i textilie) a jeho teplotu
po celé jeho délce, s prostorovým
rozlišením v řádu metrů. Výhodou této
zvolené technologie je její obrovský
dosah > 10 km, tj. délka, kterou
lze takto najednou měřit/monitorovat.
Nevýhodou je naopak relativně dlouhý
čas jednoho měření > 10min, což
ho diskvalifikuje kupř. pro měření
vibrací. Rovněž prostorové rozlišení
v řádu metrů neumožňuje nasazení
pro stavby menšího rozsahu. Typickými
příklady využití jsou proto větší
stavby: mosty, tunely, důlní díla, náspy,
vodní hráze.
POF OTDR senzor ze skupiny
distribuovaných senzorů se používá
především pro měření relativního
prodloužení. Jiný typ optického vlákna
využívající polymerní materiály,
zároveň s novým algoritmem pro
zpracování naměřených dat, přináší
zlepšení prostorového rozlišení
měření až na několik centimetrů.
Další důležitou výhodou senzoru,
danou užitím polymerního materiálu
pro optické vlákno, je jeho robustnost
a tedy menší náchylnost k poškození
nebo přerušení podél instalovaného
vlákna. Nevýhodou je však malý
dosah měření (maximálně okolo
100 m) a také delší čas měření (> 10
min). Typické plánované nasazení je
pro zděné pozemní stavby menšího
rozsahu.
FBG senzor patří do skupiny tzv.
quasi-distribuovaných/bodových
senzorů, což znamená, že měření
probíhá pouze v určených bodech
podél vlákna. Jedná se o skleněné
vlákno běžně používané v oblasti
telekomunikací. Je však laserovým
zářením záměrně modifikováno
tak, aby vznikly požadované měřící
body. Výhodou této technologie
je (kromě možného vysokého prostorového
rozlišení, které může být
až 1 cm) především vysoká rychlost
měření v řádu desítek až stovek Hz.
To umožňuje měřit frekvenci/amplitudu
vibrací staveb. Je tedy schopna
zaznamenávat i seismickou aktivitu
a její dopad na technický stav budov.
Další předností této technologie je
velmi vysoká citlivost měření: je s to
detekovat mechanické prodloužení
o 0,001 mm na vláknu o délce 1 m.
Typické nasazení této technologie se
plánuje pro zděné budovy.
Aktivní pří stup Čechů
Vývoj FBG senzoru, měřicího přístroje,
metodiky měření a instalace
je nejvýznamnější aktivitou firmy
Safibra v rámci citovaného projektu.
Díky jejím bohatým zkušenostem
v oblasti polovodičových světelných
zdrojů, spektroskopie a vláknové
optiky se do současné doby podařilo
vyvinout a odzkoušet jak FBG senzor
vhodný pro integraci do textilie,
tak FBG měřící přistroj s vysokou
rychlostí a přesností měření. Úspěšné
testování vyvinutých prototypů
probíhalo průběžně od laboratorních
vzorků na malém výseku zdiva, přes
zdi reálných rozměrů, až po test malé
přízemní budovy postavené na vibračním
stole. V současnosti je připravován
další test této technologie na
dvoupatrové budově.
Kromě senzorů fyzikálních veličin
jsou do textilií integrovány rovněž
chemické senzory pro detekci vlhkosti,
přítomnosti uhlovodíků a měření
teploty. Textilie s chemickými senzory
najdou uplatnění na skládkách
komunálního, anebo nebezpečného
odpadu.
Efektivní apl ikace v p raxi
Popsané senzory jsou následně
zapleteny do speciálních technických
textilií. V rámci projektu jich byla
vyvinuta celá škála, kupř. speciální
dvou- a víceosé textilie, pletené textilie,
3D textilie lanového typu aj. Každý
druh speciálně pro jiný typ stavební
aplikace. Jednou z nejvýznamnějších
(zvláště pokud jde o objem
využívaného materiálu) je oblast
geotextilií. Zde se textilie využívá
pro zesílení a stabilizaci zemních staveb,
včetně náspů silnic, železničních
tratí, letištních ploch, sypaných hrází
a přírodních svahů. Předpokládá se
nasazení textilií především mřížkového
a lanového typu, s integrovaným
Brillouine senzorem. Odpadá velký
tlak na vysoké prostorové rozlišení
a rychlost měření. Předpokládá se
zpevnění, příp. odvodnění/vysušení
staveb, a současně detekce porušení
jejich integrity. Typickými příklady
přírodních rizik, která mohou být buď
výrazně eliminována, nebo alespoň
včas odhalena, jsou sesuvy půdy vlivem
silných dešťů a podemletí náspů
a dopravních cest vodními toky.
Další významnou aplikací je dodatečné
vybavení staveb dopravní infrastruktury,
včetně mostů, podpěrných
pilířů a tunelů. I v tomto případě je
nejvhodnější opět textilie s Brillouine
senzorem, protože rozměry takových
staveb bývají značné. Sleduje
se zpevnění staveb a online monitorování
jejich technického stavu, který
může být porušen jak vlivem povětrnostních
podmínek, tak vlivem vysoké
dopravní zátěže.
V případě zděných staveb je situace
poněkud odlišná. Obytné objekty
bývají většinou menšího rozsahu
než geostavby. V tomto případě se
konvenční metody zpevňování většinou
omezovaly na betonové pláště
vyztužené ocelovými nebo polymerními
tyčemi. Tento typ výztuže
však přinášel výrazné zvýšení
hmotnosti a tím i zvýšení celkového
namáhání stavby. Zároveň vzrostlo
riziko koroze ocelových prvků.
Místo těžkých a nákladných způsobů
zpevňování je možné implementovat
textilní materiály do nosných
součástí budov. Toho lze dosáhnout
jak formou textilní matrice přichycené
na zdivo maltou, stavebními
lepidly, nebo použitím polymerních
desek vyztužených textilními vlákny.
Takto zpevněné budovy mají
výrazně nižší hmotnost a vykazují
lepší odolnost při namáhání (a to
i ve smyku).
Zásadně zlepšují stabilitu a bezpečnost
budov, a to i seizmicky aktivních
oblastech. Přidáme-li k tomu ještě
v textilu integrované FBG nebo POF
senzory, může být vznik a velikost
prasklin ve zdivu, příp. celkové porušení
statiky budovy a jeho rozsah,
odhalen se zpožděním maximálně
několika sekund. To může poskytnout
čas pro adekvátní akci, kupř.
pro evakuaci osob z budovy. Výhoda
rychlosti měření FBG senzoru je
extrémně důležitá právě v oblastech
s vysokou seizmickou aktivitou, kdy
může být rychle a s velkou přesností
detekována frekvence i amplituda
seizmického záchvěvu a následně
vyhlášen alarm. Budovy, které také
díky textilním výztužím po silném
zemětřesení úplně nezkolabují,
mohou být v některých případech
opraveny - opět za použití textilií.
Projekt Pol ytect spěje ke
konci
Jeho řešení přineslo řadu důležitých
výsledků. Mezi nimi i takových, jež
nebyly ani v přípravné, ani v počáteční
fázi projektu předpokládány. Spokojeni
jsou nejen samotní partneři, ale
i Evropská komise (finanční sponzor
a hodnotitel). K dispozici je už také
informační video (http://www.euronews.
net/2009/07/01/high-tech-textiles-
for-a-material-world). /fa/
