ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ БЛАГОУСТРОЙСТВЕ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

Полный текст

В последнее время использование конструкций из композитных материалов набирает популярность и доказывает свою целесообразность. Сфера применения композитных материалов стала настолько обширной, что трудно представить отрасль, где бы они не применялись. Использование их позволяет открывать новые возможности при проектировании различных элементов или конструкций. На сегодняшний день использование композитных материалов на российском рынке относительно мало по сравнению с другими странами, доля изделий из композитных материалов российского производства составляет всего лишь 0,3-0,5% от мирового рынка подобных изделий [1]. В связи с этим на уровне правительства была разработана концепция по внедрению композитных материалов, президентом РФ утверждено постановление от 30 октября 2013 года № 972 «Правила предоставления субсидий из федерального бюджета на поддержку развития производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них в рамках реализации российскими организациями комплексных инновационных проектов по созданию высокотехнологичной продукции». Авторы статьи сотрудничали с передовой компанией «МЭКОНС», занимающейся производством конструкций из композитных материалов, которая предоставила место для прохождения студенческой практики, предложила принять участие в исследовании о внедрении конструкций из композита. Компания «МЭКОНС» имеет большой опыт в производстве мостового перильного ограждения из композитных материалов, которое все чаще применяется вместо металлического перильного ограждения. При тщательном исследовании композитных материалов было замечено, что их можно использовать и при изготовлении ограждающих конструкций, которые в настоящее время состоят, в основном, из металла. Традиционные металлические ограждения уступают композитным по эксплуатационным характеристикам и имеют меньший ресурс. Идея разработать газонные ограждающие конструкции (рис. 1) из композитных материалов на сегодняшний момент является простой и экономически эффективной. Композиционный материал (композит, композитный материал) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и др.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений, и агрессивной химической среды. Рис. 1. Газонные ограждения Основная цель применения композитных газонных ограждений - это уменьшение эксплуатационных затрат, которое достигается за счет свойств композитного материала (таблица) и обеспечивает значительную экономическую выгоду относительно традиционных решений. При конструировании ограждения были учтены все требования, предъявляемые к ограждающим конструкциям, также были составлены графики и таблицы экономической эффективности композитных газонных ограждений по сравнению с металлическими. Таблица Сравнительные характеристики строительных материалов [Comparative characteristics of building materials] Характеристика Стеклопластик ПВХ Дерево, сосна Алюминиевые сплавы Сталь Плотность, кг/см 3 (т/м 3 ) 1,6-2,0 1,3-1,43 0,52 2,7 7,7-7,9 Модуль упругости, ГПа 17-32 2,0-2,8 11 70-71 210 Предел прочности при сжатие, МПа 170-227 4-7 83 100 200-226 Разрушающее напряжение при изгибе, МПа 200-400 80-110 71,8 275 400 Коэффициент теплопроводности, Вт/К·м 0,3-0,58 0,13-1,63 0,29 150-221 17,5-58 Коррозийная стойкость Отличная Отличная Хорошая Средняя Плохая Основные преимущества композитного газонного ограждения. - Прочность. Наиболее высокое соотношение прочности и собственного веса (по сравнению с металлами, деревом и бетоном), оптимизация конструкций и сокращение их материалоемкости. - Коррозионная стойкость. Устойчивость к химическим агрессивным средам, включая соленую морскую воду. Ограждения не подвержены коррозии и гниению, как металл и дерево. - Легкость. На 80% легче чем конструкционная сталь и на 30% чем алюминий. - Разнообразие решений. Возможность производства композитных элементов различной формы и цветов позволяет создавать высокоэстетичные конструкции. - Электромагнитная проницаемость. Не препятствуют распространению электромагнитных полей и радиочастотных волн. - Диэлектрик. Низкая электропроводность и теплопроводность. - Цветоустойчивость. Цветовой пигмент добавляется при изготовлении профиля, прокрашивая весь объем профиля, что исключает повторную окраску в течение срока эксплуатации. - Долговечность. Увеличение эксплуатационных показателей и устойчивость к средам обеспечивает длительный срок службы. - Безопасность. Простота монтажа и легкость самих конструкций позволяет свести к нулю вероятность несчастных случаев при строительстве. - Бесполезность для охотников за металлом. Не может быть сдан на металлолом, что дает дополнительную гарантию целости конструкции на протяжении всего срока эксплуатации. В работе был выполнен расчет двух пролетной рамы (рис. 2), из прямоугольных труб сечением 50×50 мм. В программе ANSYS, была построена трехмерная модель и приложена сосредоточенная нагрузка. В этом случае рассматривается одновременное действие горизонтальной и вертикальной нагрузок. Данное загружение моделирует опирание человека на перила. F v = F h = 1270 H, при этом суммарная нагрузка F = F r / sin 45° = 1796 H (см. рис. 2), нагрузка прикладывалась на край поручня в районе крайней стойки и в середине поручня крайней секции. Окончание таблицы Рис. 2. Расчетная модель При расчете конструкции на действие сосредоточенной нагрузки, было рассмотрено три варианта нагружения (рис. 3): над средней стойкой, между стойками и над крайней стойкой. Рис. 3. Расчетная модель с приложенной сосредоточенной нагрузкой в программе ANSYS: а - приложения сосредоточенной нагрузки над средней стойкой; б - приложения сосредоточенной нагрузки между стойками; в - приложения сосредоточенной нагрузки над крайней стойкой) По результатам расчета было получено: - максимальное растягивающие напряжения над средней стойкой 89,7 МПа, сжимающие 101 МПа; - максимальное растягивающие напряжения над промежуточной стойкой 89,8 МПа, сжимающие 94,6 МПа; - максимальное растягивающие напряжения над крайней стойкой 153 МПа, сжимающие 163 МПа. Также при расчете на заданные нагрузки, был загружен равномерно-распределенной нагрузкой (рис. 4, а) по всей длине верхний поручень конструкции, найдены максимальные напряжения, возникающие в конструкции (рис. 4, б). Рассматривалось загружение равномерно распределенной нагрузкой, приложенной под углом 45°, и получили g = g r / sin 45° = 1,98 кН/м, нагрузка прикладывалась по всей длине поручня. Рис. 4. Расчетная модель (а) и изополя напряжений (б) от равномерно-распределенной нагрузки в программе ANSYS В результате проведенные расчеты показали, что максимальное напряжение возникает в конструкции от действия нагрузки, распределенной по длине верхнего ригеля. Сжимающие усилия в данном случае составили 205 МПа, при пределе прочности (см. таблицу) вдоль волокон 227 МПа. Данная конструкция соответствует требованиям по прочности. Сравнивая композитные газонные ограждения с металлическими, видим, что металлические газонные ограждения (рис. 5) имеют ряд недостатков по сравнению с композитными. Например, устаревшие газонные ограждения: - ржавеют; - требуют вложений; - создают неудобства; - портят одежду; - ухудшают облик города. Рис. 5. Металлические газонные ограждения Стеклопластик долговечен, не подвержен коррозии, цветоустойчив, что его несомненный плюс при эксплуатации. Важно было знать окупаемость композитного ограждения по сравнению с металлическим, в связи с этим были сделаны расчеты по приведенной (накопленной) стоимости на три (рис. 6) и десять (рис. 7) лет эксплуатации. Рис. 6. Приведенная (накопления) стоимость 1 м за 3 года эксплуатации Рис. 7. Приведенная (накопления) стоимость 1 м за 10 лет эксплуатации Выводы. Приведенное сравнение стоимости композитных ограждений по сравнению с металлическими показывает, что с увеличением срока эксплуатации применение композитных газонных ограждений обходится намного дешевле. По результатам исследования было обосновано, почему целесообразно заменить металлические ограждения на композитные. Основным фактором служит маржинальность продукта во время эксплуатации, которая достигается благодаря долговечности материала - производители стеклопластикового профиля предоставляют гарантию на материал на срок до 50 лет.

Об авторах

Тимур Соибназарович Имомназаров

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: timur-imomnazarov@mail.ru

магистрант департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: конструкции из композитных материалов, расчет и проектирование конструкций с применением анизотропных материалов

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Евгения Михайловна Тупикова

Российский университет дружбы народов

Email: emelian-off@yandex.ru

ассистент департамента «Архитектуры и строительства» инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: теория оболочек и численные методы

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы