PAPIER W ARCHITEKTURZE

Czy papier lub szerzej materiały pochodzenia celulozowego odegrają kolejną rolę w rozwoju cywilizacji, lecz w nowej odsłonie – jako materiał budowlany? Zapewne nie zastąpią tradycyjnych materiałów, ale mogą stać się ich dopełnieniem.

Pojęcie zrównoważonego rozwoju zakłada, że najważniejszymi wyzwaniami globalnej polityki są: poprawa jakości życia mieszkańców kuli ziemskiej (zwłaszcza państw rozwijających się) i zachowanie naturalnych zasobów w procesie rosnącego globalnie przyrostu naturalnego. Przyszłe pokolenia powinny móc cieszyć się nie mniejszym dostępem do technologii i zasobów Ziemi niż pokolenia żyjące obecnie [12]. Zrównoważony rozwój zakłada więc nie tylko ochronę środowiska naturalnego, ale także próbę wyrównania globalnych szans na godne życie. To wyzwanie dwudziestego pierwszego wieku opiera się o zbalansowane wykorzystanie dostępnych technologii, strategii, innowacji i polityki [1]. Przemysł budowlany, który jest kołem zamachowym wielu gospodarek, przynosi znaczne obciążenia środowiska naturalnego, w tym wysokie zużycie energii do produkcji i transportu wyrobów budowlanych, budowy, utrzymania i rozbiórki budynków; generowanie odpadów budowlanych; emisję gazów cieplarnianych; zanieczyszczenie i degradację środowiska naturalnego oraz wykorzystanie nieodnawialnych źródeł energii i surowców kopalnianych. Sektor ten jest odpowiedzialny globalnie za 1/3 emisji gazów cieplarnianych, wykorzystania 1/3 energii i zużycie 1/4 wydobywanych surowców z litosfery [2]. Międzynarodowe organizacje i rządy starają się zrównoważyć rozwój i politykę regionalną, wpływając na sposób gospodarowania odpadami, wykorzystywania odnawialnych źródeł energii oraz materiałów, które mogą po okresie użytkowania zostać przetworzone, zastosowane ponownie lub ulepszone (ang. upcycle). Dyrektywa UE z 2008 roku zakłada, że do 2020 roku 70% odpadów budowlanych będzie poddawane przetworzeniu [3].

(Nie) zrównoważony tryb życia

W tym samym czasie styl życia, zwłaszcza mieszkańców państw rozwiniętych, staJe się coraz mniej zrównoważony. Ekonomiczne i polityczne relacje organizacji, rządów oraz korporacji w skali globalnej spowodowane znacznym upowszechnieniem komunikacji i transportu wpłynęły m.in. na wzrost migracji. Zjawisko nowoczesnego nomadyzmu związane z mobilnością rozwojową, pracowniczą, podróżniczą, ale także poszukiwaniem dobrobytu i bezpieczeństwa wskazują wzrostowe tendencje migra68,5 mln [5]. W 2015 roku katastrofy naturalne, takie jak huragany, powodzie, tsunami itp., dotknęły ponad 100 milionów ludzi [6].

W poszukiwaniu rozwiązań

Powyższe zjawiska skłaniają projektantów i producentów do poszukiwania rozwiązań, które charakteryzują się mobilnością, modułowością, niskimi kosztami produkcji, prefabrykacją i dostępnością surowców. Coraz większy nacisk kładziony jest na minimalizację zużycia energii wbudowanej, eksploatacyjnej i służącej do przetworzenia lub utylizacji wyrobów budowlanych. Materiały, które mogą zostać wytworzone z odnawialnych zasobów, a po okresie ich użytkowania poddane recyklingowi lub ponownie użyte, stają się wyznacznikiem nowych kierunków rozwoju sektora budowlanego i innych gałęzi przemysłu. Jednym z materiałów spełniających powyższe kryteria jest papier i jego pochodne.

Papier

Papier jest materiałem znanym ludzkości od 105 r. n.e. Od XIX wieku wyrabiany jest głównie z włókien drzewnych. Papier ma strukturę sieciową, a jego głównym składnikiem jest celuloza. Celuloza jest najczęściej występującym naturalnym polimerem na kuli ziemskiej, jej zasoby są traktowane jako niewyczerpywalne [7]. Zdolność do tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy włóknami celulozy jest zasadniczym zjawiskiem wpływającym na właściwości mechaniczne papieru, a także na metody jego produkcji oraz recyklingu. Materiał można poddać recyklingowi do 5 razy. We współczesnych metodach produkcji papieru włókna celulozowe są układane w kierunku pracy maszyny papierniczej (MD= 70–80%), w poprzek (CD= 15–20%) i w innych kierunkach, wpływając na anizotropowe właściwości materiału. Wytrzymałość na ściskanie papieru w kierunku MD wynosi 5–10 MPa (dla porównania wytrzymałość na ściskanie drewna iglastego C-14 to 16 MPa [8], [9]). Przy czym produkty wykonane z papieru (np. tuleje papierowe) charakteryzują się większą wytrzymałością. Niecji w UE [4]. W latach 2010–2015 poziom migracji, czyli ilość osób, które emigrowały z lub imigrowały do państw członkowskich EU, wzrosła o 50% (z 5,1 mln do 7,5 mln) [13]. Idee przedstawiane w latach 60. i 70. przez japońskich Metabolistów czy brytyjski ARCHIGRAM zaczynają mieć materialne uzasadnienie. Symboliczne mieszkanie w Paryżu i pracowanie w Londynie staje się rzeczywistością. Oba miasta są oddalone od siebie o 2 h 19’, które można pokonać koleją za 39€ [14]. Superszybkie pociągi Hyperloop będą mogły pokonać wspomnianą trasę w ok. 20 minut [15]. Rok 2015 przyniósł nową falę migracji związaną z działaniami wojennymi na Bliskim Wschodzie i w Afryce oraz problemami mieszkaniowymi i bytowymi Globalnego Południa. Liczba osób zmuszonych do opuszczenia swoich domów wyniosła w roku 2017 korzystnym z punktu widzenia mechaniki budowli zjawiskiem jest pełzanie materiału. Aby zapobiec zmianom geometrii pod wpływem stale przyłożonej siły, sugerowane jest obciążenie konstrukcji wykonanej z komponentów pochodzenia papierowego 1/3 obciążeń maksymalnych. Papier charakteryzuje się małą odpornością na wilgoć i wodę. Jako materiał hydrofilowy wchłania z otoczenia wilgoć, która z kolei powoduje rozluźnienie, a w konsekwencji rozpad wiązań między włóknami celulozy. Optymalna wilgotność papieru to 5–7%. Powyżej 14% wilgotności materiału traci on prawie połowę swojej wytrzymałości [10]. Na palność materiału wpływ ma zarówno jego gęstość (która jest dwukrotnie większa od gęstości drewna), jak i grubość (gramatura). Podczas testów przeciwogniowych przeprowadzonych przez Buro Happold wykazano, że tektura lita zachowuje się podobnie do gęstego drewna [11]. Potraktowana płomieniem zwęgla się, tworząc warstwę ochronną. Aby zapobiec degradacji materiału pod wpływem warunków naturalnych, mikroorganizmów czy ognia, stosowane są środki zabezpieczające. Papier może zostać zaimpregnowany przeciwwilgociowo oraz przeciwogniowo w masie (podczas produkcji) poprzez natrysk, malowanie, zanurzenie, specjalne rękawy, okładzinę lub zaklejenie materiałem zabezpieczającym. Należy jednak pamiętać, że rodzaj zastosowanego impregnatu ma wpływ na zdolność do ponownego przetworzenia materiału.Materiał charakteryzuje się niskim współczynnikiem przenikalności cieplnej. Symulacja komputerowa wskazała, że ściana o grubości 20 cm zbudowana z paneli o strukturze plastra miodu i tektury litej posiada współczynnik przenikalności cieplnej U = 0,22 W/(m2K). Posiada również dobre właściwości akustyczne.

Produkty papierowe w architekturze

Papier i tektura są podstawowym materiałem dla wielu wyrobów papierniczych. Najczęściej stosowane wyroby, które wykorzystywane są w architekturze jako elementy konstrukcyjne bądź przegrody, to: tuleje i kształtowniki papierowe, tektura falista oraz płyty o strukturze plastra miodu. Tuleje papierowe to produkt rozpowszechniony w architekturze za sprawą arch. Shigeru Bana. Jego eksperymenty sięgające połowy lat 80. rozpoczęły nową erę architektury papierowej. Tuleje są produkowane metodą spiralną (tzw. metodą nieskończoną) lub równoległą. Kolejne pasy papieru nawijane są na trzpień i sklejane ze sobą. Ze względu na wykorzystanie tulei do transportu nawiniętych na nie materiałów (tekstyliów, folii, papieru) ich produkcja jest bardzo precyzyjna. Nadają się do zastosowania jako konstrukcyjne elementy prętowe (słupy, belki, elementy kratownic i kratownic przestrzennych). Wykazują najlepsze właściwości na zginanie i ściskanie osiowe. Kształtowniki tekturowe (kątowniki, ceowniki) wykonane są z równolegle ułożonych pasów papieru, które są formowane i zaklejane warstwowo w maszynie. Ich główne kierunki geometryczne pokrywają się z kierunkami papieru (MD i CD). Mogą zostać zastosowane jako elementy prętowe w konstrukcjach budowlanych. Tektura falista jest produktem składającym się z warstwy wierzchniej oraz fali. Na rynku występują różne rodzaje tektur falistych. Standardowo produkowane są tektury 2-, 3-, 5- i 7-warstwowe. Charakteryzują się dużą wytrzymałością na ściskanie w kierunku równoległym do fal oraz małą wytrzymałością w kierunku poprzecznym, a także niewielką wytrzymałością na zginanie. Aby wzmocnić konstrukcję wykonaną z tektury falistej, jej kolejne warstwy skleja się pod kątem 90°. Tektura falista wykorzystywana jest w konstrukcjach jako budulec przegród, a także element konstrukcyjny przenoszący obciążenia zgodnie z kierunkami fal. Płyty o strukturze plastra miodu składają się z trzech warstw: zewnętrznych warstw pokryciowych oraz wypełnienia w postaci struktury heksagonalnej. Płyty te nadają się do przenoszenia obciążeń prostopadłych do powierzchni. Stosowane są jako elementy przegród.

Potencjał architektury papierowej

Papier jest materiałem, który z pozoru nie wydaje się odpowiedni do zastosowania w budownictwie. Słaba odporność na wilgoć i wodę, znikoma ilość produktów papierniczych w regulacjach i przepisach budowlanych – wzmacnia jeszcze to wrażenie. Jednak rozwój przemysłu papierniczego w kierunku papierów opakowaniowych (mocnych) i specjalnych (odpornych) sprawia, że wzbudza on coraz większe zainteresowanie wśród architektów, inżynierów i naukowców. Zaawansowane metody produkcji, recyklingu i polepszania właściwości materiału wskazują na możliwe poszerzenie zastosowania papieru w architekturze. Rosnąca dynamika społeczeństw i częstotliwość zmiany miejsca zamieszkania (z powodów ekonomicznych, osobistych czy w wyniku poczucia zagrożenia) wpływa na coraz większe zapotrzebowanie na nową generację materiałów oraz systemów produkcji i budowy niedrogich mieszkań, które po stosunkowo
krótkim okresie użytkowania mogą zostać poddane recyklingowi. Zarówno nomadyczność mieszkańców bogatej Północy, jak i niedobór mieszkań Globalnego Południa wymaga nowego spojrzenia na architekturę mieszkaniową. Czy papier lub szerzej materiały pochodzenia celulozowego odegrają kolejną rolę w rozwoju cywilizacji, lecz w nowej odsłonie – jako materiał budowlany? Zapewne nie zastąpią tradycyjnych materiałów, ale mogą stać się ich dopełnieniem.

___________________________________________________

O autorze: W grudniu ubiegłego roku Jerzy Łątka obronił pracę doktorską pt: Paper in architecture. Research by design engineering and prototyping na Uniwersytecie Technicznym w Delft w Holandii. Swoje badania i projekty prowadził zarówno na Politechnice Wrocławskiej, TU Delft, jak i na Uniwersytecie Sztuki i Designu w Kioto pod opieką arch. Shigeru Bana.

Abstract. Paper in architecture. Contemporary challenges of global politics and economy concern mainly the equalization of humans life and rationalization in the management of Earth resources. Increasing globalization, the development of information technology and transport influence the dynamics of the societies. Growing migration opens new directions of the development of housing architecture in the scope of economy, structure and ecology. Implementation of low-cost, recycled and recyclable building materials is one of the most important contemporary areas for researchers and designers. The article describes the social context which indicates the growing need for new type of materials and structural systems. One of such a materials is paper. Four products of paper industry: paper tubes, cardboard sections (L- and U-shapes), corrugated cardboard and honeycomb panels are depicted as a building elements of existing architectural structures. Both the properties of paper and its connotation do not indicate its potential in the building industry. However, the directions of the paper industry development are signs that paper can play a surprising role in our civilization. Key words: paper, cardboard, architecture, sustainable development, migration