Применение ячеистых конструкций из полимерных композиционных материалов в строительстве

Предлагаемые конструкции из поли­мерных композитных материалов (ПКМ) предназначены, в частности, для исполь­зования в составе комплексов техниче­ских средств оснащения инфраструктуры гражданских аэропортов и аэродромов.

Ячеистые конструкции. Что это?

Рост интереса к  применению ПКМ в  различных конструкциях и  сооружениях обусловлен их основными преимуществами: легкость, коррозионная стойкость, долговечность, высокая прочность и жесткость.

Современное производство изделий из  ПКМ основано на  технологии многократного воспроизведения одних и тех же форм и  элементов, что, безусловно, снижает себестоимость, но  отрицательно сказывается на  разнообразии конструктивных и архитектурных решений.

Предлагаемый нами подход основан на создании многообразных объемных конструкций, изготавливаемых из  плоских элементов, которые в свою очередь, производятся из стандартного листового полимерного материала заводского изготовления.

Такой подход позволил разработать строительные конструкции так называемой ячеистой структуры, напоминающие сетчатые конструкции, но  имеющие ряд важных преимуществ. Ячеистая структура формируется из  вставленных в  пазы друг друга пересекающихся плоских элементов, изготовленных из армированного пластика: стеклопластика, углепластика, базальтопластика или гибридных материалов [Рис.  1]. Поверхности созданной ячеистой структуры могут быть закрыты с  одной или двух сторон листовым пластиком для обеспечения большей степени интегрирования всей конструкции. Таким образом, обеспечивается повышение прочности, жесткости, замыкается объем ячеек для размещения, например, инженерных сетей. Закрепление элементов кон­струкции в единое целое осуществляется на основе клеевых соединений. Объеди­нение монтажных единиц (карт) между собой выполняется на основе болтовых полимерных соединений.

Преимущества ячеистых конструкций из ПКМ заключаются в следующем:

—высокая несущая способность и жесткость при небольшой собственной массе конструкции; эффект проверен экспериментально испытанием моделей, подтвержден расчетами, основанными на методе конечных элементов;

—высокая прочность при воздействии различных нагрузок: статических, дина­мических, циклических, сейсмических, ударных;

—стойкость и долговечность кон­струкций в различных климатических зонах в диапазоне температур от минус 60 до плюс 50 °C;

—деформирование ячеистых кон­струкций линейно упругое, после дости­жения максимальных нагрузок отсут­ствует хрупкое разрушение и может продолжаться восприятие нагрузки в диа­пазоне 70–80% от расчетных показателей;

—заполнение ячеек теплоизоляцион­ными материалами позволяет их исполь­зовать как несущими конструкциями, так и ограждающими;

—в образованных ячейках могут раз­мещаться элементы инженерных сетей (освещения, систем безопасности и т. п.), теплоизоляция, крепления навесного спе­циального оборудования;

—возможность создания различных архитектурных форм практически без ограничений;

—сборка крупных конструкций может проводиться непосредственно на месте строительства; создание легких сборно-разборных конструкций обеспечивает сни­жение затрат на транспортировку, монтаж (отсутствует необходимость в тяжелых грузоподъемных механизмах) и сокра­щение трудоемкости выполняемых работ;

—нанесение на поверхность поли­мерных ячеистых конструкций специ­альных защитных покрытий обеспечивает: долговечность при воздействии агрес­сивных факторов окружающей среды; устойчивость к воздействию химических реагентов; огнестойкость; морозостой­кость и пр.

Результаты испытаний элементов кон­струкции показали их высокую прочность и жесткость [Рис. 2].

Оптимальным материалом для изго­товления ячеистых конструкций с точки зрения соотношения цена/прочность является стеклопластик. Для повы­шения несущей способности могут исполь­зоваться гибридные пластики с различным содержанием стеклянных, базальтовых и углеродных волокон.

Физико-механические характеристики стеклопластика приведены в таблице 1.

Примеры конструктивных решений

Радиопрозрачные ограждения. Метал­лические и железобетонные элементы сооружений аэропортовой инфраструк­туры негативно влияют на работу курсоглиссадной системы взлета/посадки, что создает угрозу безопасности полетов. Конструкции из ПКМ обладают радиопроз­рачностью и могут использоваться при сооружении периметрового ограждения аэропортовых комплексов.

В случае аварийного столкновения воз­душного судна, ограждение фрагментарно разрушается, не нанеся урон воздушному судну, что соответствует международным требованиям ИКАО.

В порядке эксперимента в некоторых аэропортах была применена полимерная сетка зарубежного производства. Опыт применения указанных сеток не одно­значен: если в условиях мягкого климата они проявляют себя надежно, то в усло­виях районов Крайнего Севера, Заполярья и в условиях больших снеговых и ветровых нагрузок применение таких сеток себя не оправдало. Кроме того, цена импортных полимерных сеток непомерно высока.

На основе ячеистых конструкций раз­работан вариант ограждения в большей степени соответствующий различным условиям эксплуатации. Ограждение состоит из опорных стоек и пролетов ячеистой конструкции из ПКМ, которые крепятся в грунте с помощью винтовых свай, изго­товленных также из ПКМ. Данная иннова­ционная технология является разработкой российских ученых и специалистов. Сваи представляют собой пластиковую трубу с отформованной винтовой поверхностью. Длина сваи и форма винтовой части зависит от характеристик грунта. Важной особен­ностью применения таких свай является значительное снижение трудоемкости уста­новки, отсутствие земляных и бетонных работ. Кроме того, при устройстве такого ограждения в условиях вечной мерзлоты пластиковая опора не будет служить источ­ником размораживания грунта. Труба может заполняться вынутым при бурении грунтом, в том числе в смеси с цементом. На оголовок сваи крепится трубчатый элемент с фланцем, к которому присо­единяется встречный аналогичный элемент опоры. Во фланцах предусмотрены отвер­стия для установки пластиковых болтовых элементов. Количество и диаметр болтов подбираются таким образом, чтобы болты разрушались с приложением расчетной нагрузки (в случае контакта воздушного судна с ограждением) [Рис. 3]. Это обеспе­чивает фрагментарное разрушение ограж­дения без повреждения воздушного судна.

Усиление и укрепление грунтов. С помощью ячеистых конструкций можно эффективно проводить объемное усиление грунтовых массивов, в частности в зонах возможного аварийного выката воздуш­ного судна за пределы бетонного покрытия взлетно-посадочной полосы (рис. 4). Яче­истая конструкция (без горизонтальных листов облицовки) погружается в грунт с помощью площадных вибраторов. Осо­бенностью такой ячеистой конструкции является пирамидальная форма ячеек, которые работают совместно с грунтом. При приложении нагрузки от шасси само­лета давление воспринимается ребрами ячеистой конструкции и при вдавливании грунт испытывает трехосное сжатие благо­даря наклонным стенкам ячеек, что приводит к увеличению модуля деформации армированного таким образом грунтового массива. При этом ограничений по направ­лению действия сосредоточенных больших нагрузок от шасси воздушных судов нет. В зависимости от вида грунтов (песок, суглинок и т. д.) конструкция и размер ячеек могут меняться.

Армирование ледовых массивов, в т. ч. Взлетно-посадочных полос, дорог, пере­прав и т. п. Ячеистые конструкции из ПКМ могут также эффективно использоваться для армирования ледовых массивов при устройстве временных вертолетных пло­щадок и организации проезда тяжелого транспорта. Конструктивное решение и схема работы такие же, как и для уси­ления и укрепления грунтов и заключа­ются в применении ячеистых конструкций в виде набора готовых настилов, соеди­ненных между собой и закрепленных (в случае создания переправ) на берегах тросами. Конструкции опускаются в воду (или заливаются водой) до обра­зования льда. Невертикальное располо­жение ребер настилов при  изгибающей нагрузке приводит к созданию распора в каждой ячейке и передаче его на соседние ячейки. Тем самым повышается общая жесткость и прочность. При необходи­мости повышения несущей способности по образованному армированному льду укладывается следующий ряд (по высоте настила) ячеистых конструкций, который заливается водой, тем самым увели­чивая толщину армированного ледяного покрова. После окончания зимнего сезона и таяния льда конструкции разбираются, легко транспортируются и хранятся в ком­пактном виде до следующего сезона. Такие конструкции могут быть использованы многократно.

Иные возможности

Спектр архитектурных и конструк­тивных решений применения ячеистых конструкций весьма велик. В качестве при­меров разработаны решения конструкций водопропускных труб, арочных пере­крытий, пространственных конструкций полусферической и арочной формы и т. д. [Рис. 5, 6,7].

Большой практический интерес от спе­циалистов по устройству линий связи, освещения и электропередач проявлен к конструкциям опор из легких ячеистых конструкций из ПКМ, в том числе для мачт-ретрансляторов, особенно в условиях их возведения в труднодоступной мест­ности.

Многие конструкции для временных сооружений (производственных, офисных, складских, емкостей и резервуаров для хранения сыпучих и жидких сред) инфра­структуры строительных объектов различ­ного назначения могут проектироваться в сборно-разборном виде. Преимуществом таких решений является возможность их сборки непосредственно на площадке строи­тельства. Это значительно сокращает затраты на логистику, потребность в основных стро­ительных материалах (песок, щебень, арма­тура, др.) Для сборки и монтажа таких кон­струкции не требуется тяжелая строительная техника. Особенно это важно для труднодо­ступных регионов России.

Ячеистые конструкции из ПКМ могут быть эффективно применены для повы­шения сейсмостойкости при строительстве и реконструкции сооружений различного назначения, что позволяет обеспечить без­опасность людей и защиту оборудования от серьезных повреждений в критических ситуациях.

А. П. Белоглазов,

директор ООО «НИАГАРА»,

А. Б. Обидин,

к-т био. наук, советник Генерального

директора ФГУП «Администрация

гражданских аэропортов

(аэродромов),

В. Л. Чернявский,

Лауреат премии Совета Министров

СССР, ООО «НИАГАРА»