Anvendelse av hydromorfisk ekspanderende materialer i akutt flomvern FREMADSTORMENE Jostein Kvitvang Truls Brubak Dag Coll Mossige Lars Even Schei Øystein Seglem Bekken Sondre Lerum Vigerust October 2014 1
Gruppebeskrivelse Se for deg et team hvor ingen ideer er dumme Takhøyden er stor og ingen forblir stumme Et tverrfaglig team med forskjellige styrker Som varierte fremgangsmåter og strategier dyrker Ideer blir vendt ned og opp Fryktløst brøyter vi vei, der andre sier stopp En leder, en initiativtaker, en perfeksjonist Kan føre laget til pallen med list Mattegeniet, datanerden og vår visjonær Løser problemet med ekstremvær Vi stiller krav og utfordrer hverandre Våre ideer kan være med på å forandre Ved å være fleksible og gå nye veier Kan vår brede kunnskap føre oss til seier. 2
Oppgavens omfang I en ekstrem værsituasjon kan ukontrollerte vannmasser føre til katastrofale ødeleggelser. Vi ønsker å utvikle en løsning som enkelt og effektivt kan håndtere slike situasjoner. Den skal være aktuell for scenarioet som er forespeilet i Trondheim i 2050, såvel som tilsvarende hendelser i andre deler av verden. Løsningen skal håndtere den akutte situasjonen under ekstremværet, og forhindre umiddelbare konsekvenser av vannmassenes herjinger. 3
Konsept Vårt konsept er et flomvern bestående av barrierer som utvider seg i kontakt med vann. Bakgrunn Året er 2050. Orkanen Olav Tryggvason herjer i Trondheim. Noen av de største ødeleggelsene knyttet til ekstremværet skyldes enorme, ukontrollerte vannmengder. Vannet oversvømmer gatene, strømmer inn i bygninger og ødelegger infrastruktur. Oppgaven, kombinert med kunnskaper om Trondheims dreneringsproblem, trigget ønsket om å utvikle tiltak for effektiv, akutt håndtering av vannmasser. Når strømnettet er nede, løsmasser flyter vilt rundt og kommunikasjonsmulighetene er få, er det nødvendig å ha robuste løsninger. Et konsept som baserer seg på enkle prinsipper, uavhengig av elektrisitet, vil være pålitelig og øke sjansene for å lykkes i skadebegrensningen. Funksjon og design Vi har kommet frem til et konsept som utnytter egenskapene til hydromorfisk ekspanderende materialer. Slike materialer vil i kontakt med vann ta opp vannet og utvide seg. Denne egenskapen vil vi anvende for å bygge vannbarrierer som er både kompakte og mobile. Fordelen med å bruke slike materialer i barrierene kan sammenlignes med fordelene ved tørrmat - både vekt og volum reduseres drastisk. Tanken er at barrierene i kontakt med vann vil utvide seg, og få størrelsen, tyngden og formen som trengs for å kontrollere vannmassene. Barrierene vil være modulbaserte, der utgangspunktet for hver modul er en stiv ramme som inneholder virkematerialet. I rammen er det festet en fleksibel membran, sydd etter modulens ønskede form. Membranen slipper vann inn, samtidig som den holder virkematerialet inne. I rammen er det også åpninger dekket med membran, som lar vann sige inn nederst i konstruksjonen. En illustrasjon av en slik modul vises dehydrert i figur 1 og ekspandert i 2. Modulene skal på enkelt vis kunne festes sammen for å skape et sammenhengde flomgjerde. Figur 1: Dehydrert barrieremodul. 4
Modulene skal utformes med fokus på smidighet og lav vekt. Dette vil muliggjøre rask distribusjon av et stort antall barrierer ved akutte flomsituasjoner. Løsningene som finnes i dag bygger på at elementene som hindrer vannet fylles mekanisk med vann eller løsmasser. Dette er langt mer tid- og ressurskrevende enn vår løsning. I vår løsning vil innkommende vann først absoberes av modulens bakre del, og deretter den fremre. Videre vil kapillærtrykket mellom partiklene i virkestoffet føre vann oppover i takt med det stigende vannivået. Barrieren vokser i høyden, som illustrert i denne animasjonen. Permabiliteten til virkestoffet blir lav nok til å hindre strømning av vann i mediet etter at det har nådd metningspunktet. Barrierene får da størrelsen, tyngden og formen de trenger for å stoppe vannmasser. Dette stiller riktignok krav til membranen som benyttes i modulen. Vann må enkelt kunne penetrere membranen, samtidig som membranen må holde virkematerialet på plass. Den må i tillegg være robust og slitesterk, siden dens utside vil bli eksponert for voldsomme krefter. Spesielt utfordrende vil det være å få membranen til å tåle støt fra gjenstander som vann og vind kan dra med seg. Figur 2: Ekspandert barrieremodul. Ved valg av virkematerialer er ekspansjonsevne ved hydrering, absorberende egenskaper og egenvekt avgjørende faktorer. Mange eksisterende materialer innehar de aktuelle egenskapene. Blant annet kan syntetisk fremstilte polymerer absorbere opptil 500 ganger sin egen vekt, og ekspandere til opp mot 60 ganger eget volum. Felles for mange av disse polymerene er dog at de er kostbare å fremstille, og kan utprise modulene fra markeder. Et aktuelt alternativ til syntetisk fremstilte polymerer, er bentonitt. Bentonitt forekommer naturlig, og blir i dag brukt blant annet i oljeindustrien. Ved absorbsjon av vann kan bentonitt ekspandere til opp mot 18 ganger sitt eget volum, og oppnå en vekt på nærmere ti ganger sin dehydrerte vekt. Videre har mettet bentonitt lav permabilitet, som gjør at det egner seg ypperlig som vannbarriere. På grunn av relativt store naturlige forekomster, kan det anskaffes i store kvantum til lav pris. En annen fordel er muligheten for gjenbruk; prosessen er reversibel slik at bentonitten kan hydrere og dehydrere gjentatte ganger. 5
Konseptets potensial Etterhvert som været blir mer ekstremt, vil verden trenge mer effektive og anvendelige løsninger både for håndtering av vannmasser og skadeforebygging ved flom. Konseptet vårt er et mobilt, billig, lettvint og effektivt vern mot flomskader. Alle områder med fast tilstrømming av vann eller muligheter for store regnfall og flom vil være aktuelle for bruk av konseptet. Ved ekstreme værsituasjoner kan hjelpeorganisasjoner benytte dette som mobilt flomvern. Det er allerede et marked for konseptet i dag, og markedet vil trolig øke betraktelig i fremtiden. Som tidligere nevnt, er vår løsning fordelaktig sammenlignet med eksisterende løsninger, da den er plassbesparende og effektiv i bruk. Dette gir et åpenbart konkurransefortrinn i forhold til eventuelle konkurrenter. 6