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»
Be the first to comment on "ПОЛИМЕРЫ И КОМПОЗИТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ"