Несущие конструкции из пластмасс Лекция 16

Достоинства: высокая прочность некоторых видов пластмасс при относительно низкой плотности; стойкость против атмосферных воздействий.

Недостатки: относительно большая деформативность; небольшая долговечность.

Для предотвращения отрицательного влияния деформативности применяются в основном два приема: 1- повышение жесткости конструктивных элементов путем более рационального, чем в массивных сечениях распределения материала; в наибольшей степени этому отвечают тонкостенные профили (трубчатые, коробчатые, волнистые),

2 - придание конструкциям таких форм, при которых исключаются или сводятся к минимуму напряжения от изгибающих моментов и нежелательные деформации. это – пространственные конструкции одинарной или двоякой 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. В менее ответственных частях конструкций применяются жесткий винипласт и оргстекло.

Решетчатые конструкции Жесткость достигается формой сечения элементов – чаще всего трубчатой. Ограничение применения связано с низкой степенью огнестойкости, хрупкостью и старением (низкой долговечностью).

Фермы имеют пролет 6 м и ломаное очертание верхнего пояса. Соединение элементов из винипластовых труб выполняется сваркой.

В специальных сооружениях нашли применение стеклопластиковые трубы. Для изготовления радиобашен используются трубы из стеклопластика диаметром d=51,64,76,89 мм., толщина стенки δ=3мм.

Радиобашня высотой ~30 м выполнена из секций, соединенных между собой с помощью конических гильз на клею. Вес башни (640 кг) в 5 раз легче аналогичной стальной башни, стоимость материала в 3 раза больше, значительна экономия на транспорте и монтаже.

Конструкции из объемных элементов Такие конструкции используют в качестве покрытия зданий и сооружений различного назначения. Получили распространение конструкции из лотковых, пирамидальных, воронкообразных элементов, а также пневматические конструкции.

Толщина лотковых элементов 3-6 мм, жесткость достигается гофрированием поперечников и гнутостью по длине. Лотковые элементы имеют длину 6,8…12,2 м, ширину 67…90 см. Формы поперечных сечений крайне разнообразны. 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.

Структурное сводчатое покрытие из пластмассовых пирамидальных элементов

Складчатое сводчатое покрытие из ромбических элементов

Воронкообразные элементы применяются в тех случаях, когда нужно обеспечить независимость отдельных частей конструкций. Размеры воронки 2,4х2,4 м, высота 1,5 м, δ=3-6 мм. Воронка 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.

Тонкостенные оболочки Трехслойная замкнутая эллиптическая оболочка коттеджа горнолыжников в Домбае (D=8 м).

Пневматические конструкции 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 являются самыми распространенными пространственными конструкциями из пластмасс.

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.

Пневмоконструкции применяются: во временных сооружениях - зерноскладах, складах сыпучих материалов; как опалубка для монтажа бетонных конструкций; для капитальных сооружений – как покрытие цирков, стадионов, летних кинотеатров. для изготовления куполов и складов методом поверхностного нанесения стеклопластика или полиуретана, в результате чего образуется монолитная трехслойная конструкция.

Пневматические конструкции подразделяются на: - воздухоопорные (воздухонесущие); - пневмокаркасные; - комбинированные (вантовопневматические и линзообразные) Из всех видов ПК наибольшее применение получили воздухоопорные конструкции в виде цилиндрических или сферических оболочек.

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. С целью обеспечения герметичности и минимальных потерь избыточного давления через входы необходимо устраивать шлюзы.

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).

Пневмокаркасные конструкции состоят из ряда несущих надувных элементов. Пневмоэлементы представляют собой герметически зарытые баллоны, чаще всего трубчатой формы диаметром до см. Пневмокаркасные конструкции применяются в виде пневмобалок, пневмостоек, пневмоарок, пневмокуполов и других конструкций. Внутри помещения с пневмокаркасными конструкциями в отличие от воздухоопорных, сохраняется нормальное давление воздуха.

Пневмоарка (Ризб=0,5-1,5 атм, пролет м., шаг 2,5-3 м.) Пневмобалка Пневмостойка

Пневмокупол

Павильон Фудзи в г.Осаке

Пневматический плавучий театр в г.Осаке

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, их применение целесообразно при перекрытии больших пролетов.

Вантовопневматические 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.

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: одно- и многослойные, прозрачные и непрозрачные. При необходимости их можно утеплять эластичными синтетическими материалами.

Тканевые материалы Состоят из: основы, пропитки (или покрытия). В качестве основы применяют технический текстиль: из природных волокон - лен, хлопок; синтетических волокон - капрон, нейлон и другие. 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.

Синтетические пленки 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. Пленки обладают повышенной деформативностью - для повышения механических характеристик их армируют тканевыми сетками из капрона, стекловолокна и других материалов.

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. 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 (вдоль куска ткани) и по утку (поперек нитям).

Расчет на устойчивость необходим при проектировании элементов ПК, которые могут потерять несущую способность раньше разрыва оболочек.

Допустимые прогибы ПК в настоящее время 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.