Несущие и ограждающие конструкции из пластмассы

Особенно высокая механическая прочность пластмасс достигается  при применении волокнистых (стекловолокно, асбест, хлопок, синтетические волокна и др.) и листовых (бумага, древесный шпон, фольга, ткани) наполнителей. Пластмассы на основе таких наполнителей получили название слоистых (пластики). Из волокнистых наполнителей особенно эффективны стеклянные волокна. На их основе с применением разнообразных синтетических полимеров изготавливают пластмассы под общим названием стеклопластики.

Наряду с наполнителями, содержание которых колеблется в самых широких  пределах, в пластмассы при необходимости  вводят пластификаторы, стабилизаторы  и красители.

Пластификаторы вводят в количестве 10—100% массы полимера для увеличения эластичности, улучшения огне- и  морозостойкости, повышения стойкости  к ультрафиолетовым лучам и улучшения  условий переработки. Сущность действия пластификаторов заключается в  проникновении в макромолекулы  полимеров и уменьшении межмолекулярных  сил сцепления. В качестве пластификаторов  наиболее распространены эфиры различных  кислот.

Добавки — стабилизаторы применяют  для замедления процессов старения пластмасс при их эксплуатации и  переработке. В зависимости от природы  старения пластмасс стабилизаторы  делят на две группы — термостабилизаторы и светостабилизаторы.

Пластмассы перерабатывают в строительные изделия разнообразными способами, выбор которых зависит от свойств  компонентов и конструктивных особенностей изделий. Так, изделия на основе термопластичных  полимеров наиболее часто получают литьем под давлением, которое заключается  в периодическом впрыскивании порций расплавленной массы в форму  с помощью литьевых машин. Применяют  также экструзию — выдавливание массы через мундштук шнековых экструзионных машин; вальцевание — формование в зазоре между вращающимися валками; термоформование, прессование и другие способы.

 

3. Общие свойства пластмасс

Средняя плотность пластмасс  колеблется в широком диапазоне  — от 15 до 2200 кг/м3. Наиболее низкую плотность  имеют пористые пластмассы. Существенное влияние на плотность оказывают  наполнители. В среднем пластмассы в 6 раз легче стали и в 2,5 раза легче алюминия. Пластмассы, как  правило, имеют высокую прочность как при сжатии, так и при растяжении и изгибе. Предел прочности при сжатии и растяжении наиболее высокопрочных пластмасс (стеклопластиков, древеснослоистых пластиков и др.) достигает 300 МПа и более.

В отличие от металлов и  ряда других материалов твердость пластмасс  не дает представления об их прочности. Даже для таких наиболее твердых  пластмасс, как текстолиты (наполнитель— хлопчатобумажная ткань), твердость примерно в 10 раз меньше, чем стали. Несмотря на невысокую твердость, пластмассы (особенно эластичные) обладают низкой истираемостью.

Сопротивление пластмасс  ударным воздействиям, определяемое отношением ударной энергии на разрушение к площади поперечного сечения  -образца, достигает высоких значений для плотных пластмасс (50—150 кДж/м2) и может резко снижаться по мере увеличения их пористости.

Многие пластмассы, подвергаемые растяжению, характеризуются значительной деформативностью. Относительное удлинение, т. е. приращение длины материалов в момент разрыва к его первоначальной длине для пленок из полиэтилена, составляет 300, поливинилхлорида — 150, бутилкаучука — 100%.

Характеристикой упругих  свойств материалов служит модуль упругости. Этот параметр для пластмасс значительно  меньше, чем для других строительных материалов. В зависимости от модуля упругости выделяют жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные пластмассы.

Примерами жестких пластмасс, разрушающихся хрупко с незначительным удлинением при разрыве, являются фенолоформальдегидные и глифталевые (полиэфирные) пластмассы; они имеют модуль упругости более 1000 МПа. Мягкие пластмассы (полиэтилен и др.) имеют модуль упругости 20— 100 МПа, для них характерно высокое относительное удлинение. Полужесткие пластмассы (полипропилен и др.) имеют промежуточные значения модуля упругости 400—1000 МПа. Для эластичных пластмасс (резины и близких к ней материалов) модуль упругости не превышает 20 МПа, при нормальной температуре деформации их в основном обратимы.

Невысокие значения модуля упругости пластмасс способствуют постепенному увеличению необратимых  деформаций при постоянной нагрузке — ползучести. Ползучесть пластмасс  можно в значительной мере объяснить  скольжением макромолекул полимерного связующего. Она существенно возрастает даже при незначительном повышении температуры. Для пластмасс на основе пространственных полимеров, молекулы которых «сшиты» поперечными связями, ползучесть значительно меньше. Повышенная ползучесть ограничивает применение пластмасс в несущих конструкциях, работающих тюд большими нагрузками.

Теплопроводность плотных  пластмасс без наполнителя 0,116—0,348 Вт/(м-°С). Для пористых пластмасс она приближается к теплопроводности воздуха и составляет 0,028—0,0348 Вт/(м-°С). .Введение минеральных наполнителей увеличивает теплопроводность пластмасс. Теплозащитные свойства пластмасс открывают возможность их широкого применения в ограждающих конструкциях зданий.

По мере повышения температуры  развивается деструкция, т. е. разрушение полимеров или начинается их плавление. Температура начала плавления большинства  термопластичных полимеров 105—165°  С. Теплостойкость пластмасс, характеризуемая  температурой, при которой наблюдается  предельно возможная деформация, находится обычно в диапазоне 60—180°  С. Минимально допустимая температура  эксплуатации, при которой пластмассы становятся хрупкими, колеблется в  широком диапазоне: от —10° С для винипласта до —270° С для материалов из политетрафторэтилена.

Многие пластмассы являются легковоспламеняемыми и горючими; они горят открытым пламенем как в зоне огня, так и вне ее. К трудновоспламеняемым относятся пластмассы на основе поливинилхлорида, фенолоформальдегидных, карбамидных, крем-нийорганических полимеров. Введение в горючие полимеры специальных добавок — антипиренов также переводит пластмассы в группу трудновоспламеняемых. Не горят и не тлеют под действием огня фторопласты, перхлорвиниловые пластмассы.

Плотные пластмассы водо- и паронепроницаемы. Наименьшим водопоглощением (0,1—0,5%) обладают гидрофобные полимерные материалы (полиэтиленовая и поливинилхлоридная пленки, стеклопластики, винипласт и др.). Содержание в пластмассах большого количества гидрофильного наполнителя, например древесной стружки, резко увеличивает водопоглощение.

 

 

4. Несущие конструкции из пластмасс.

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 пластмасс в несущих конструкциях, является их относительно большая деформативность.

Для предотвращения отрицательного влияния деформативности пластмасс 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 пластмассы, 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.

 
 

Конструкции из объемных элементов  и пространственные  
конструкции из пластмасс:

Такие конструкции используют в качестве покрытия зданий и сооружений различного назначения.

Получили распространение  конструкции из лотковых, пирамидальных, воронкообразных элементов, а также  пневматические конструкции.

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. 
 
 
 
 
5. 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 пневмоконструкции 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  
 
 
Пневмобалка 
 
 
 
Пневмостойка 
 
 
 
Пневмокупол 

6. Конструкционные пластмассы

Из конструкционных пластмасс  наиболее распространены стеклопластики и древеснослоистые пластики.

Стеклопластики применяют для  несущих элементов светопропускающих панелей стен, покрытий типа оболочек, санитарно-технических изделий, конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, и т. д.

В энергетическом строительстве стеклопластики находят применение для изготовления оросителей, обшивки и защиты железобетонных элементов градирен от коррозии. Перспективно применение стеклопластиков для  грунтозащитных стенок набережных, элементов шлюзов, деталей, сороудерживающих решеток, гидротурбин, крепежных элементов и т. д.

Древеснослоистые пластики применяют для изготовления балок, ферм, различных деталей в соединениях клееных конструкций.

Наполнителем стеклопластиков  служит стеклянное волокно в виде нитей, жгутов, холстов и тканей. Стеклянное волокно характеризуется  прочностью при растяжении 300—500 МПа  при диаметре соответственно 50—3 мкм. В качестве связующих применяют фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и кремнийорганические полимеры.

При параллельном расположении волокон  или жгутов изготавливают ориентированные  стеклопластики, к которым относится  стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), обладающий высокой механической прочностью. СВАМ анизотропен, т. е. имеет неодинаковые свойства в различных направлениях. Предел прочности СВАМ при продольном или поперечном растяжении составляет не менее 450 МПа, а при растяжении под углом 45° — почти в 2 раза меньше.