Utvikler fasadeplater som både sikrer mot eksplosjoner og isolerer bygget

NTNU jobber nå for å utvikle fasadekledning som tar så mye av kreftene fra en eksplosjon at de innvendige bærende konstruksjonene forblir uskadd. I tillegg kan dette benyttes som varmeisolasjon – dermed øker knapt veggtykkelsen.

Utvikler fasadeplater som både sikrer mot eksplosjoner og isolerer bygget
Kristoffer Aune Brekken i ved testriggen NTNU er alene om. Det er nærmest som et overdimensjonert luftgevær, med 20 meter langt løp. I bakgrunnen resultatet fra tidligere tester. Foto: Joachim Seehusen
Dette er en Ekstra-sak som noen har delt med deg. Abonnere for å få full tilgang til alt innhold.

Målet er å gi byggevareindustrien et forskningsbasert grunnlag som gjør det mulig å utvikle offerkledning, ofte kalt «sacrificial claddings».

En eksplosjon, uavhengig av om den er resultat av et uhell eller et angrep, gir svært høyt trykk, med kort varighet. Hvis fasadekledningen kan ta disse lastene forblir de bærende konstruksjonene uskadd. Bygget blir tryggere, og reparasjonene etter en eksplosjon blir enklere og rimeligere,

Kristoffer Aune Brekken, stipendiat ved NTNU forteller at interessen for å utvikle slik beskyttelse er høy i store deler av verden, og forskere ved en rekke universiteter ser på mulighetene.

– Det unike hos oss er at vi har utstyr til å gjennomføre tester ved hjelp av luftrykk, slikt finnes knapt noe annet sted, sier Brekken.

Les mer om testutstyret lenger ned i artikkelen.

Skum eller bikake

I Norge er den økte interessen for eksplosjonsvern et resultat av angrepet mot regjeringskvartalet i juli 2011. Det er likevel ikke snakk om å bruke nyutviklet fasadekledning på det nye regjeringskvartalet, til det vil utviklingen ta for lang tid.

Les også

Brekken forteller at det er to prinsipper som er aktuelle å bruke. Det ene er et skum, det andre er en bikakestruktur, ofte omtalt som «honeycombstruktur».    

– Vi må benytte en hud og så et aller annet cellulært materiale som inneholder mye luft, sier Brekken.

Forskjellige former for bikaker laget med aluminium har vært testet. De foreløpige testene viser at slike kan presses sammen fra 10 til 1 cm. Et annet alternativ er aluminiumskum. Så langt har det vist seg som en utfordring at luftboblene i aluminiumet er ujevnt fordelt, dermed vil det også ha varierende og uforutsigbar evne til å ta opp laster.

– Det blir opp til industrien å finne måter å produsere dette på med jevn og forutsigbar kvalitet, sier Brekken.

Han har også gjort forsøk med XPS, ekstrudert polystyren. Selv om det kan ta eksplosjonslaster er det lite egnet siden det er svært brannfarlig. Et annet alternativ er EPP, Ekspandert polypropylen, som er en egnet energiabsorbent. Slikt skum er brukt i både støtfangere på biler og i sykkelhjelmer.

– Det er mulig å tilsette flammehemmere i slike skum, slik at bruken i fasadeplater ikke går på bekostning av brannsikkerhet, sier Brekken.

Inspirert av bilindustrien

Forskningen foregår ved Senter for forskningsdrevet innovasjon (SFI CASA). Senteret ledes av professor Magnus Langseth. Han sier at trykket som når de bærende konstruksjonene er en funksjon av eksplosjonstrykket og tid. Ved å ha en fasadekledning som presses sammen øker tiden, og det trykket som virker på de bærende konstruksjonene blir mindre.

– Det er samme prinsippet som brukes i krasjbokser i biler. Mellom støtfanger og resten av karosseriet ligger bokser som tar opp kreftene når man for eksempel kjører inn i en annen bil og man behøver ikke bytte annet enn støtfanger og krasjbokser. Resten av bilen forblir uskadd.

Sammenligningen med løsninger som er vel kjente og som bilindustrien har brukt i mange tiår kan gi grunn til tror at her er det mer utvikling enn forskning. Det avviser både Brekken og Langseth.

Brekken og forskerkollegene skal studere hvordan en slik sandwichkonstruksjon kan se ut, hvilke materialer som egner som ved forskjellige typer last og ikke minst utvikle en matematisk modell som gjøre det mulig for ingeniørene å regne på forskjellige alternativer og så utvikle produkter.

Les også

Langseth skyter inn at hele poenget med SFI-ordningen er at industrien skal ha forskning i bunn når de utvikler nye produkter. De som innoverer og kommer opp med nye produkter basert på erfaring vet ikke hvorfor løsningen virker og kjenner heller ikke svakhetene like godt. I en konkurransesituasjon der industrien skal utvikles og fornye seg må den ha kunnskap.

– Jeg har jobbet mye med industri, Det er ingen i norsk industri som spør etter kvaliteten på det vi gjør, kanskje med noen få unntak som Hydro og Equinor. Internasjonal industri er derimot svært opptatt av om vi leverer forskningsmessig kvalitet, sier Langseth.

 Forsvarsbygg er med

Som partnere i utviklingen er både Forsvarsbygg og University of Cambridge mer. I en e-post skriver seksjonssjef Helge Langberg ved Forsvarsbygg, Nasjonalt kompetansesenter for sikring av bygg, at de stadig må evaluere forskjellige bygningstekniske løsninger.

– Avhengig av detaljeringsnivå er beregningsmodeller og numeriske simuleringer viktig verktøy for å estimere og bedre forstå løsningers strukturelle integritet. Forsvarsbygg er partner i SFI CASA ved NTNU som er et verdensledende miljø for utvikling av slike verktøy. Partnerskapet skaper en unik nærhet til kunnskapen og kompetansen som skapes, og gir Forsvarsbygg dermed et meget godt utgangspunkt for å utvikle de beste løsningene, skriver Langberg.

Overdimensjonert luftgevær

For å lage fasadekledning som kan hindre en terrorist fra å lykkes er denne forskningsbaserte dokumentasjonen helt sentral for Brekken i hans doktorgradsarbeide. Unikt for NTNU er en testrigg universitetet selv har utviklet og bygget. Riggen er nærmest et overdimensjonert og svært kraftig luftgevær.

En kompressor leverer trykkluft, som pumpes inn en driver. I driveren er det tre plasser for plastmembraner, som gir et stort og to mindre kamre i driveren. Trykkforskjellen, Δp, mellom membranene bestemmer når de ryker, og «eksplosjonen» er utløst. Både tykkelsen og antall membraner kan varieres, dermed står et utall forskjellige styrker på trykket til disposisjon. Vanligvis bruker forskerne et sted mellom 5 og 15 bar i driveren.

– Disse drivertrykkene gir et maksimalt reflektert trykk fra cirka 270 til 600 kPa i enden av sjokkrøret. Det er mulig å lage større last dersom man bruker et høyere drivertrykk, opptil 75 bar, med et reflektert makstrykk på cirka 1600 kPa.

Når membranene er revnet går trykkbølgen gjennom et sjokkrør, 20 meter langt. Gradvis endrer røret form fra sirkulært til kvadratisk, 0,3 x 0,3m. I enden er prøven skrudd fast i en kraftig metallramme, og utstyrt med flere trykksensorer. Kammeret inneholder et vindu der et kamera kan plasseres på utsiden. Så er det, inne i kammeret, et rutenett.

– Fordi lysbrytningen endrer seg når trykkbølgen kommer, tettheten bestemmer lysbrytningen så analyser av bildene i ettertid gir viktig informasjon om hvordan «eksplosjonen» har virket, sammen med data fra sensorene, som måler trykk inn og på baksiden av prøven, sier Brekken.

Ofte bruker han et trykk som tilsvarer det som kan kalles en «vanlig» bilbombe.

Videoen viser hvordan polymerskum, dekket av en aluminiumplate, reagerer på trykket ved å komprimeres mye før det igjen ekspanderer lite. Denne prosessen bruker mye av energien fra eksplosjonslasten, og vil kunne sikre at bærende konstruksjoner ikke blir skadd.

Utbyggere, spesielt i tette bystrøk med høye tomtepriser vil gjerne kunne selge så mange kvadratmeter som mulig. I et slikt perspektiv kan prisen for sikring fort bli mye høyere enn prisen for en offerkledning.

– Ja, men offerkledningen er jo i stor grad basert på luft, så den kan godt fungere som isolasjon. Da blir det mindre glassvatt lenger inn, og den totale tykkelsen på veggen øker ikke nødvendigvis veldig mye, svarer Brekken.

Les også

Kommentarer:

Vi har byttet system for artikkelkommentarer. For å opprette brukerkonto, registrerer du deg med BankID.