Конструкционные пластмассы для строительства легких конструкций
|
В случае применения пластмасс в качестве конструкционного материала можно использовать многие их достоинства, такие, как высокое соотношение между прочностью и массой, хорошая коррозиестойкость, возможность получать формы с высокой прочностью и жесткостью, используя кривые поверхности. В то же время пластмассы обладают рядом отрицательных свойств, весьма отличных от отрицательных свойств обычных конструкционных материалов. Показатели прочности и упругости пластмасс составляют около 1/10—1/100 значений соответствующих показателей стали. Соответственно и конструирование пластмассовых элементов отличается от конструирования металлических. Два наиболее важных свойства отличают пластмассы от металлов: - ползучесть (возрастающая во времени деформация под нагрузкой); - анизотропия, зависящая от процесса формования (литье в постоянную форму или под давлением, экструзия, вакуум-формование и др.), в результате которой прочностные характеристики различны в разных направлениях действия усилий. Волокнистые материалы проявляют анизотропию в зависимости от направления волокон. Для повышения прочностных характеристик пластмассы армируются стекловолокном или другими волокнами. Статическая усталость пластмасс под нагрузкой представляет собой сложное явление. Прочностные характеристики изменяются в зависимости от температуры даже в пределах диапазона обычных для эксплуатации температур. Из-за ползучести модуль упругости зависит от степени и продолжительности загружения. Отношение σ/ε называется эффективным модулем упругости, оно уменьшается в различной степени для различных пластмасс в течение периода загружения. Такое же влияние оказывает и повышение температуры. Значения модулей упругости пластмасс при сжатии и растяжении необязательно равны; их значения много ниже, чем у металлов. Поскольку пластмассы частично гибкие, а частично похожи на вязкие жидкости, их расчет следует основывать на вязкоупругой модели и применять методы, соответствующие практическим требованиям. В основном достаточно, если расчет основывается на ситуации, ожидаемой в конце расчетного срока службы, хотя более точный расчет возможен при применении дифференциального уравнения вязкоупругой модели. В этом случае упругий компонент представляется в виде пружины, а вязкий — в виде ударопоглощающего элемента. Несмотря на то что деформации пластмасс не абсолютно пропорциональны напряжениям даже при незначительных нагрузках, диаграмма σ-ε на начальном участке приближается к прямой линии, и для приближенного расчета допустимо применять закон Гука. Для точного расчета вместо закона Гука следует пользоваться нелинейной зависимостью и учитывать ползучесть. Для расчетов разработаны различные методы (Максвелла, Кельвина-Войта, Бурже и др.), но они включают сложные вычисления и редко применяются для практических целей. Поэтому на основе результатов экспериментов были созданы полуэмпирические зависимости (исследователями Ворли-Боллером, Теокарис-Милонасом, Пао-Марином, Кнаппе). В первоначальной стадии, сразу после приложения нагрузки, влияние ползучести не может быть выражено простой зависимостью, однако затем его можно выразить следующим образом:  Зависимость σ = М/К может быть применена для определения напряжения на поверхности сечения элемента, подверженного изгибу, только при приведении момента сопротивления сечения к виду, который для прямоугольного сечения со сторонами b и h может быть выражен следующим образом:  Кривые, приведенные на рис. 117—119, могут быть использованы при проектировании в тех случаях, когда элементы имеют сложные поперечные сечения и подвержены действию постоянных нагрузок. Эти кривые выражают зависимость между напряжениями, деформациями и продолжительностью загружения.  Обычно используются два метода отображения этой зависимости: - переменными являются продолжительность загружения и напряжение, постоянной — относительная деформация; - переменными являются продолжительность загружения и относительная деформация, постоянной — напряжение. Оба метода дают серии кривых. Если максимальное напряжение определено одним из обычных методов и известна продолжительность действия нагрузки, кривые позволяют легко определить ожидаемую относительную деформацию. Этот способ всегда приводит к завышению размеров конструкции. Строительные конструкции, воспринимающие постоянные нагрузки, обычно проектируются в расчете на максимальную продолжительность их действия. В то же время период 100 000 ч, охватываемый этими кривыми, соответствует всего лишь 11,4 года. Борьба с ползучестью стимулировала исследовательские работы по созданию пластмасс, позволяющих малую ползучесть в течение даже длительного периода действия нагрузки. В этом отношении особенно хорошими свойствами обладают пластмассы, армированные стекловолокном, которые проявляют значительно меньшие относительные деформации, чем неармированные материалы, и эти деформации возрастают с течением времени гораздо медленнее. Модуль Юнга армированных стекловолокном пластмасс в 8—10 раз выше, чем неармированных, что позволяет производить материалы с прочностью, близкой к прочности стали или алюминия. Армирующие волокна из специальных материалов, однако, весьма дороги, поэтому они могут применяться в основном для особых целей (например, в ракетной технике). В строительстве в настоящее время пока еще используются пластмассы, армированные главным образом стекловолокном.  Прочность стеклопластиков, измеряемая в определенном направлении, зависит от ориентации волокон. У стеклопластиков, армированных параллельными волокнами в одном направлении, прочность при растяжении в направлении волокон во много раз превышает прочность при растяжении в направлении поперек волокон. В этом отношении предпочтительнее армирование неориентированными или ориентированными в двух направлениях волокнами, хотя при этом прочность при растяжении не столь велика, как прочность в направлении строго ориентированных волокон. С точки зрения прочности выбор ориентации армирующих волокон представляет важную задачу. Растягивающие напряжения в армированных стеклянными волокнами синтетических смолах воспринимаются главным образом самими волокнами. При сжатии смола играет более важную роль, обеспечивая за счет связывания несущую способность волокон. Поэтому из-за меньшей связанности внешних волокон прочность стеклопластика при сжатии снижается при уменьшении толщины элемента. Вопросы прочности анизотропных пластмасс значительно упрощаются, если рассматривать их упругие свойства в трех взаимно перпендикулярных плоскостях симметрии. Такое тело считается ортотропным, и рассмотрение напряженно-деформированного состояния на основе ортотропной модели упрощается, хотя получение точных решений все же представляет сложную задачу. Существуют доступные формулы, полученные на основе результатов исследований в последние 10-20 лет, посредством которых конструкции из стеклопластика относительно легко могут быть рассчитаны. Проблема сварки пластмасс при изготовлении строительных конструкций все еще не получила удовлетворительного разрешения. Перспективы ее разрешения в настоящее время ограничены тем, что синтетические смолы, доступные для применения в строительстве, вообще не поддаются сварке. |
