Конструкционные пластмассы в строительстве

Конструкционные пластмассы в строительстве применяют в составе элементов несущих и ограждающих строительных конструкций. Основой этих материалов являются синтетические полимерные смолы — продукты промышленности химических органических материалов. К ним относятся стеклопластики, пенопласты, оргстекло, винипласт, воздухои водонепроницаемые ткани и пленки и древесные пластики, синтетические клеи.

Из наиболее прочных стеклопластиков, расчетное сопротивление сжатию и растяжению которых достигает 100 МПа, выполняют основные элементы несущих строительных конструкций. Прозрачные стеклопластики используют в качестве светопрозрачных элементов ограждающих конструкций зданий. Из особо прозрачного оргстекла и прозрачного винипласта изготовляют прозрачные части ограждений, пропускающие все части солнечного спектра. Сверхлегкие пенопласты применяют в средних слоях легких ограждений покрытий и стен. Прочные, тонкие воздухои водонепроницаемые ткани используют в пневматических и тентовых покрытиях. Из полимерных пленок осуществляют временные покрытия закрытого грунта. Древесные пластики могут служить материалом для конструкций, работающих на открытом воздухе.

К положительным свойствам этих материалов относятся: малая плотность, не превышающая 1500 кг/м3; химическая стойкость в некоторых агрессивных средах; они водостойки и не подвергаются гниению. В процессе изготовления им можно придать ряд требуемых свойств и сделать элементы конструкций любой требуемой формы.

Основными недостатками конструкционных пластмасс является их малая жесткость (модуль упругости не превышает 104 МПа) и, следовательно, повышенная деформативность, не позволяющая полностью использовать их прочность. Сгораемость этих материалов ограничивает их применение в основных несущих конструкциях. Малая поверхностная твердость ведет к легкой повреждаемости конструкций. Ползучесть и старение в процессе эксплуатации ведут к повышению прогибов и уменьшению прозрачности ограждающих конструкций.

В состав конструкционных пластмасс входит ряд компонентов.

Синтетические смолы являются основными компонентами пластмасс. Они образуют основную массу материалов, служат связующими аналогично цементному раствору в бетоне и делятся на два основных класса — термопластичные и термореактивные.

Термопластичные смолы (полиметилметакрилат, поливинил-хлорид, полистирол, полиэтилен и др.) после завершения процесса синтеза и превращения в твердую стеклообразную массу способны под действием нагрева размягчаться, переходя в вязко-текучее состояние, а при охлаждении вновь возвращаться к твердому состоянию. Термопластичные смолы используют для изготовления листовых материалов (органическое стекло, винипласт), клеев для их склеивания, пенопластов, пленок.

Термореактивные смолы переходят из вязкотекучего в твердое состояние только один раз — в процессе отверждения. Этот процесс происходит под воздействием отвердителя или при нагреве или под воздействием обоих факторов. После завершения процесса отверждения термореактивный материал не размягчается при последующем нагреве, а лишь незначительно теряет прочность и жесткость. В конструкционных пластмассах строительного назначения применяют следующие термореактивные смолы: фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, мочевинно-формальдегидные. Термореактивные смолы широко применяют для изготовления фанеры, стеклопластиков, пенопластов, клеев, древесных пластиков, различных фасонных деталей.

При формировании полимера применяют и такие материалы, как отвердители, ускорители (вещества, ускоряющие отверждение), катализаторы (вещества, не участвующие в отверждении, но присутствие которых необходимо для протекания процесса отверждения), пластификаторы (вещества, уменьшающие хрупкость готового материала), ингибиторы (вещества, замедляющие процесс отверждения) и др.

С целью улучшения механических и технологических свойств, повышения теплостойкости, снижения стоимости в пластмассовые материалы вводят наполнители неорганического и органического происхождения. Их вводят в виде порошков, волокон, листов (древесная мука, цемент, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлопчатобумажные и стеклянные ткани и т. п.).

Окраска пластмассовых материалов осуществляется путем введения красителей в массу материала. Нужный рисунок и цвет могут быть также получены, если они предварительно нанесены на наружный слой листового наполнителя (бумагу, ткань).

Порообразователи служат добавками для получения газонаполненных материалов — пенопластов.

Наряду с пластмассами в конструкциях широко используют такие неорганические материалы, как алюминий, плакированную (защищенную) сталь, асбестоцемент.

Стеклопластик представляет собой материал, состоящий из двух основных компонентов: синтетического связующего и стеклянного волокна (наполнителя). Сущность изготовления стеклопластика состоит в том, что в неотвержденную смолу вводят стекловолокно, а затем смолу подвергают отверждению. Синтетическое связующее придает монолитность и обеспечивает стабильность формы готового стеклопластика; обеспечивает использование высокой прочности стекловолокна путем равномерного распределения усилий между волокнами и обеспечения их устойчивости, защиту волокон от атмосферных и других внешних воздействий; воспринимает часть усилий, возникающих в эксплуатационных условиях.

В стеклопластиках чаще всего используют термореактивные смолы (полиэфирную, эпоксидную, фенолформальдегидную) с различными модифицирующими добавками, улучшающими технологические и эксплуатационные свойства стеклопластика.

Несущие конструкции из пластмасс. Пневматические конструкции. Высокая прочность некоторых видов пластмасс при относительно низкой плотности, стойкость против атмосферных воздействий — это ценное свойство пластмасс как материала для несущих конструкций. Однако, серьезным препятствием к применению ПМ в несущих конструкциях, является их относительно большая деформативность. Для предотвращения отрицательного влияния деформативности ПМ применяются в основном два приема: — повышение жесткости конструктивных элементов путем более рационального, чем в массивных сечениях распределения материала; -придание конструкциям таких форм, при которых исключаются или сводятся к минимуму напряжения от изгибающих моментов и нежелательные деформации. Первому приему в наибольшей степени отвечают тонкостенные профили (трубчатые, коробчатые, волнистые), второму — пространственные конструкции одинарной или двойной кривизны (своды, купола, оболочки), а также конструкции из объемных блоков (пирамидальных, воронкообразных, саблевидных и др.). Наиболее приемлемыми для несущих конструкций являются пластмассы на основе полиэфирных, эпоксидных и фенольных смол, с наполнением стекловолокном (полиэфирные стеклопластики применяются чаще остальных, так как они наиболее дешевые). В менее ответственных частях конструкций применяется жесткий винипласт и оргстекло. Каждому конструктивному материалу соответствуют свои эффективные формы. Можно выделить два основных вида пластмассовых несущих конструкций: 1) решетчатые конструкции из стеклопластиковых и винипластиковых труб; 2) конструкции из объемных элементов и пространственные конструкции. Решетчатые конструкции. Эти конструкции так же, как и другие несущие конструкции из ПМ, пока еще проходят опытную проверку. Их прочность не вызывает сомнения, жесткость их достигается формой сечения их элементов — чаще всего трубчатой. Ограничение их применения связано с низкой степенью огнестойкости, хрупкостью и старением. Исследования с целью улучшения их свойств продолжаются, проводятся работы по изучению ферм из винипластовых труб. Фермы имеют пролет 6 м и ломаное очертание верхнего пояса. Соединение элементов выполняется сваркой.

В специальных сооружениях нашли применение стеклопластиковые трубы для радиобашен высотой 27−30 м. (США — Колорадо, Флорида). Башня выполнена в виде секций, которые соединены между собой с помощью конических гильз на клею. Вес башни — 640 кг., в 5 раз легче аналогичной стальной башни, стоимость материала в 3 раза выше, значительна экономия на транспорте, монтаже и сооружении. Для изготовления радиобашен используются трубы из стеклопластика диаметром d=51,64,76,89 мм., толщина стенки д=3мм.

Соединяют лотковые элементы между собой болтами через 60 см. и шов заклеивается эластичной лентой. Пирамидальные элементы для сводчатых и купольных покрытий выполняются из стеклопластика, могут быть холодными и полутеплыми, светопрозрачными и глухими.

Пирамидальный элемент.

По контуру основания пирамид крепятся болтами, швы заклеиваются клеящей лентой. Вершины пирамид скреплены металлическими затяжками. Они обеспечивают устойчивость сооружения. При любой комбинации нагрузок (симметричной или нессиметричной) в стенках пирамид возникают растягивающие усилия. Воронкообразные элементы применяются в тех случаях, когда нужно обеспечить независимость отдельных частей конструкций.

Размеры воронки 2,4×2,4 м, высота — 1,5 м, д=3−6 мм; она опирается на стальную трубу h=2,4 м, d=10−15 см, служащую для отвода воды. Форма воронки — гиперболический параболоид, по контуру идет фланец для сбалчивания с соседним элементом. Стыки фланцев вместе с болтами закрываются поливинилхлоридными профилями на клею. Воронкообразные элементы применяют в садовых павильонах (Канада), в школьных зданиях (США), в покрытиях рынков (Франция). Самое крупное сооружение такого вида — выставочный павильон, построенный в Швейцарии, имеет размеры ячейки 18×18 м.

Пневматические конструкции.

Пневматические конструкции являются самыми распространенными пространственными конструкциями из пластмасс. Пневматическими или надувными называют конструкции, несущая способность которых обеспечивается избыточным давлением воздуха или другого газа, заключенного в газонепроницаемую оболочку, выполненную из ткани или пленки. Пневматические конструкции отличаются простотой, легкостью и компактностью в сложенном виде, высокой сборностью и транспортабельностью. Их возведение весьма просто и не требует каких-либо трудоемких вспомогательных приспособлений. Они обладают сейсмостойкостью, а их основание можно возводить на скальных грунтах. Пневматические конструкции подразделяются на: — воздухоопорные (воздухонесущие); - пневмокаркасные; - комбинированные (вантовопневматические и линзообразные). Воздухоопорные конструкции представляют собой закрытую пневмооболочку, под которой внутри помещения создается небольшое избыточное давление воздуха, играющее роль основного несущего элемента конструкции. Это давление устанавливается расчетом в пределах 0,02−0,002 атм. Такое давление обеспечивает необходимую устойчивость сооружения и практически не ощущается находящимися в помещении людьми. Воздухоопорные ПК проектируются, как правило, в виде сферических куполов или цилиндрических сводов пролетом от 12 до 50 м. и более.

Свод со сферическими торцами Торцы сводов в большинстве случаев выполняются так же из пленки или ткани со сферическим очертанием. Для сводов небольших пролетов торцовые части в некоторых случаях делают плоскими из жестких материалов (дерево, металл, пластмасса).

С целью обеспечения герметичности и минимальных потерь избыточного давления через входы необходимо устраивать шлюзы. Избыточное давление внутри помещения создается компрессорами или вентиляторами. Если давление выше допустимого предела, воздух выпускают через предохранительные клапаны. Запуск вентилятора при утечке воздуха может производиться автоматически. Пневмокаркасные конструкции состоят из ряда несущих надувных элементов. Пневмоэлементы представляют собой герметически зарытые баллоны, чаще всего трубчатой формы диаметром до 60−70 см. Пневмокаркасные конструкции применяются в виде пневмобалок, пневмостоек, пневмоарок, пневмокуполов и других конструкций.

Пневмоарка (Ризб=0,5−1,5 атм).

Пневмобалка.

Пневмостойка.

Торец пневмоэлементов надевают на стальной стакан и закрепляют нагелями или хомутами. Наиболее целесообразно для ПК использовать арки кругового очертания. Пролет пневмоарок следует принимать 12−16 м., шаг 2,5−3 м. Проектное положение ПК сохраняется благодаря избыточному давлению воздуха (0,5−1,5 атм.) Внутри помещения с пневмокаркасными конструкциями в отличие от воздухоопорных, сохраняется нормальное давление воздуха. Однако, конструкции этого типа сложнее в изготовлении и требуют установки для нагнетания воздуха под значительно большим давлением. Для этой цели используют обычно компрессоры, а иногда баллоны со сжатым воздухом или газом. Комбинированные конструкции состоят из сборного каркаса (алюминиевого, стального или деревянного) и воздухоопорной ограждающей оболочки.

В обычных условиях внутри помещения поддерживается нормальное давление. Давление повышается при значительных ветровых или снеговых нагрузках. Эти конструкции отличаются повышенной стойкостью, однако их применение целесообразно при перекрытии больших пролетов. Вантово-пневматические конструкции представляют собой сочетание воздухоопорных оболочек с вантовыми системами из стальных или синтетических тросов.

Линзообразные пневматические конструкции состоят из замкнутых висячих оболочек, закрепленных на жестком опорном каркасе.

Пневмоконструкции применяются во временных сооружениях: зерноскладах, складах сыпучих материалов, как опалубка для монтажа постоянных (бетонных) конструкций; для капитальных сооружений — как покрытие цирков, стадионов, летних кинотеатров. Кроме того, ПК применяют для изготовления куполов и складов методом поверхностного нанесения стеклопластика или полиуретана, в результате чего образуется монолитная трехслойная конструкция. Из всех видов ПК наибольшее применение получили воздухоопорные конструкции в виде цилиндрических или сферических оболочек. Материалы, применяемые для ПК. Для возведения пневматических конструкций используют тканевые материалы и пленки. Основные требования к этим материалам: — воздухонепроницаемость; - влагонепроницаемость; - эластичность; - легкость в сочетании с высокой прочностью на разрыв и достаточной долговечностью при эксплуатации в различных климатических условиях. Пленки, как правило, дешевле тканей, но они более деформируемы, менее прочны и недолговечны в эксплуатации. Поэтому пленки применяют для временных сооружений и теплиц. В сооружениях, предназначенных для длительной эксплуатации необходимо применять тканевые материалы. Ткани и пленки бывают однои многослойные, прозрачные и непрозрачные. При необходимости их можно утеплять эластичными синтетическими материалами. Тканевые материалы состоят из основы и пропитки (или покрытия). В качестве основы применяют технический текстиль из природных (лен, хлопок) и синтетических (капрон, нейлон и другие) волокон. Для изготовления пропитки используют эластичные смеси на основе синтетических и каучуковых смол. Пропитки служат для придания тканям воздухонепроницаемости и для защиты их от атмосферных воздействий. Пропитки подвержены старению, то есть со временем они теряют эластичность, в них появляются трещины, изменяется цвет, а у светопроницаемых элементов снижается прозрачность. Пропитку наносят с одной или двух сторон ткани. Двухсторонняя пропитка повышает качество (долговечность) тканей. Ткани — анизотропные материалы, поэтому при расчете тканевых оболочек необходимо учитывать различие в механических характеристиках — по основе (вдоль куска ткани) и по утку (поперек нитям). Расчетное кратковременное сопротивление тканей по основе изменяется в пределах 28,8−64 кгсм, а по утку 18,2−35 кгсм, модуль упругости 90−114 кгсм (прочностные и упругие характеристики относятся к единице ширины вне зависимости от толщин). Для ПК наиболее часто используются воздухонепроницаемые ткани № 29,34,42,60,80, представляющие собой одно-, двухили трехслойную ткань, покрытую слоем резины. Основой для этих тканей является капроновый текстиль. Ткани выпускают в рулонах 0,9 м. Масса 1 м² этих материалов колеблется от 0,45 до 1,8 кг., а толщина от 0,6 до 1,8 мм. Синтетические пленки. Для ПК применяют чаще всего полиэтиленовые, полиамидные, полиэфирные пленки. Пленки могут быть прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными, иметь различный цвет. Под воздействием солнечной радиации пленки «стареют», поэтому срок службы большинства из них — один-два года. Кроме того, пленки обладают повышенной деформативностью. Для повышения механических характеристик их армируют тканевыми сетками из капрона, стекловолокна и других материалов. Для пневматических воздухоопорных СК небольших пролетов, используют армированные пленки марки ПС-40-П, NC-40C, а так же А, АС — синтетические пленки из полиамида, в которые впрессованы капроновые сетки. Армированные пленки выпускают в рулонах шириной 0,85−0,9 м., толщина пленки от 0,45 до 0,71 мм., масса 1 м² от 0,45 до 0,76 кг. Ткани и пленки по длине и ширине соединяют склеиванием или сваркой. При склеивании тканевых материалов рекомендуют швы усиливать нитяной строчкой.

Основы расчета пневматических конструкций. Пневматические конструкции относятся к классу предварительно напряженных СК. Форма и несущая способность их обеспечивается постоянно действующими растягивающими напряжениями в оболочках, возникающими в результате создаваемого внутри давления воздуха. Избыточное давление определяется из условия Ризб? УР, где УР — сумма сил в наиболее невыгодной комбинации (снег, ветер, собственный вес). Методы расчета воздухоопорных и пневмокаркасных конструкций основываются на безмоментной теории оболочек, поскольку тонкие и гибкие ткани не могут сопротивляться изгибающим и сжимающим усилиям. Пневматические конструкции рассчитываются по двум предельным состояниям: 1) по несущей способности (прочность, устойчивость); 2) по деформациям (прогибам, складкообразованию и сохранению положительной кривизны). Расчет по прочности производится для всех типов ПК и заключается в определении максимальных растягивающих напряжений в тканях или пленках при наиболее неблагоприятных сочетаниях расчетных нагрузок. Расчет тканей ведется в двух направлениях — по основе (с расчетными сопротивлениями R0) и по утку (с расчетными сопротивлениями Ry), R0"Ry. При расчете на прочность должно выполняться условие: у0(y) ?R0(y) Расчет на устойчивость необходим при проектировании элементов ПК, которые могут потерять несущую способность раньше разрыва оболочек. Расчет по прогибам производится из условия f?[f] и заключается в определении максимального прогиба от нормативных нагрузок, который должен быть меньше предельного. Допустимые прогибы ПК пока не нормированы и применяются по условиям эксплуатации. Учитывая, что деформация ПК не является признаком их разрушения, значения могут быть приняты значительно большими, чем в обычных конструкциях, лишь бы деформации не мешали нормальной эксплуатации перекрываемого помещения. Нужно отметить, что в настоящее время вопрос о разработке достоверных методов расчета ПК до конца еще не решен. Работы в этом направлении выполняются отечественными и зарубежными учеными.

конструкционный пластмасса термореактивный смола.