18 Июль 2016

 

А.М. СУЛЕЙМАНОВ, канд. техн. наук, Казанский государственный архитектурно-строительный университет

 

С момента широкого внедрения и бурного развития мягких оболочек пневматических и тентовых сооружений прошло более 50 лет. С тех пор значительно расширилась область применения мягких оболочек как строительных сооружений, накопился опыт эксплуатации, получила развитие теория расчета и формообразования, сформулированы требования и разработаны новые эффективные материалы ограждений. В настоящее время остаются малоизученными вопросы долговечности и прогнозирования срока службы этих материалов. Напряженно-деформированное состояние является условием существования мягких оболочек в ограждающих конструкциях и их расчет производится по главным растягивающим нагрузкам. Однако изучение большого числа аварий мягких оболочек показывает [1], что места разрыва материалов ограждений во многих типах сооружений, находившихся в эксплуатации, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий, выявленных в результате расчета.

 

Цель исследований — выявление механизма старения и разрушения материалов мягких оболочек под воздействием эксплуатационных факторов.

 

Для обеспечения сопоставимости и строгой регламентации условий испытания исследования проводили по лабораторным режимам на специально разработанных установках [2, 3], где моделировали основные факторы, приводящие к старению материалов в сооружениях, такие как УФ-радиация, температура, влага, жидкие химически активные среды, механическая нагрузка. В лабораторных режимах энергетические значения климатических факторов были приведены к условному году [4]. При проведении испытаний напряженнодеформированное состояние материалов охватывало весь реальный диапазон механических нагрузок в сооружениях — от одноосного по одному ортогональному направлению, через различные степени двухосности, до одноосного по другому ортогональному направлению материала. Соотношения растягивающих нагрузок при испытаниях на старение, их векторы и уровни приведены в табл. 1.

 

Степень двухосности (а) — соотношение нагрузок по ортогональным направлениям.

 

Параллельно образцы испытывали в натурных условиях на стендах крышной станции под воздействием естественных климатических факторов в том же диапазоне соотношений и уровней механических нагрузок. В процессе старения регистрировали деформации образцов и остаточную прочность по ортогональным направлениям.

 

Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 1—3 и в табл. 2. На рис. 1а показано падение прочности материала при воздействии только температуры и механических нагрузок. При таком старении снижение прочности материала тем интенсивнее, чем больше нагрузка в данном направлении. При этом максимальное падение прочности происходит при увеличении степени двухосности. Простое объяснение такой закономерности можно найти из соотношений, приведенных в [5]:

P0(2) = P0(1)· n0 ·cosγ0; (1)

Py(2) = Py(1)·ny·cosγy, (2)

где P0(2), Py (2) — прочность материала по ортогональным направлениям (по основе и утку соответственно) при двухосном напряженном состоянии; P0(1), Py (1) — то же при одноосном напряженном состоянии; n0, ny — плотность нитей на единицу ширины по основе и утку материала; cosy0, cosγy — угол искривления нитей основы и утка в плоскости материала (табл. 2.1).

 

Из формул 1 и 2 следует, что в двухосно нагруженном материале напряжение в армирующих нитях всегда больше нагрузки, прикладываемой в данном направлении. Таким образом, при одинаковом уровне нагрузки с увеличением степени двухосности возрастает искривление армирующих нитей, а вместе с тем и напряжение в них. В итоге максимальное понижение прочности в обоих направлениях материала под воздействием температуры и механических нагрузок при старении приходится на соотношение нагрузок а = 2:2, то есть на область максимальных напряжений в нитях.

 

При дополнительном воздействии климатических факторов (в основном УФ-облучения) механизм старения и разрушения материала резко изменяется. Максимальное падение прочности (рис 1б) смещается на соотношения а = 1:2 и а = 2:1 соответственно по основе и утку материала. При соотношении а = 1:2 материал старится при нагрузке 5% по основе и 10% по утку от разрушающей нагрузки, а падение прочности по этим направлениям — 35 и 20% соответственно. В направлении, где старение образцов проводили без нагрузки, например при соотношении а = 0:2 основа, а при соотношении а = 2:0 уток не нагружены, падение прочности происходит на 10 и 20% соответственно. Такое на первый взгляд парадоксальное явление нашло объяснение после исследования микрофотографий исходных и «состаренных» материалов, представленных на рис. 1 и 2. Материалы мягких оболочек представляют собой композиты (табл. 2.1) пленочного покрытия (матрицы) из эластомеров или термопластов с тканой армирующей основой из высокопрочных синтетических нитей. Эластичная матрица служит для фиксации и защиты армирующей основы от действия атмосферных факторов и придания мягким оболочкам герметичности.

 

Таблица 1

 

Рис. 1. Падение прочности материалов мягких оболочек при воздействии эксплуатационных факторов в зависимости от соотношения нагрузок при старении: а — действие температуры и механических нагрузок; б — действие температуры, механических нагрузок и климатических факторов, в основном УФ-облучения для материала симметричной структуры; в — то же для материала несимметричной структуры

 

Таблица 2

 

Анализ результатов показал, что механизм старения и разрушения материалов мягких оболочек в напряженном состоянии под действием климатических факторов при двухосном растяжении композита происходит в результате кинематического взаимодействия ортогональных нитей тканой структуры с выпрямлением более нагруженных и искривлением менее нагруженных нитей (табл. 2.2). Искривленные нити создают локальные зоны перенапряжений в пленочном покрытии, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости старения матрицы в этих зонах с образованием сквозных трещин (табл. 2.3, 4). В результате обнажаются искривленные нити армирующей основы и открывается доступ к ним УФ-радиации, что, в свою очередь, приводит к резкому увеличению скорости старения материала в менее нагруженном направлении. Данный механизм старения и разрушения материалов мягких оболочек подтверждают результаты экспериментов в натурных условиях (табл. 2.5, 6).

 

 sm_11_05-92  sm_11_05-93
Рис. 2. Ползучесть материалов ограждений мягких оболочек при воздействии эксплуатационных факторов в зависимости от соотношения нагрузок

 

На рис. 2 и 3 приведены графики ползучести и падения прочности материалов ограждений мягких оболочек под воздействием эксплуатационных факторов. Ползучесть определяли при нагружении с помощью датчиков во времени по формуле:

sm_11_05-3

где ε — относительное удлинение (ползучесть); l — длина образца после деформации; l0 — исходная длина.

 

Падение прочности определяли в % от исходной прочности материала при разрыве при растяжении на разрывной машине.

 

При сопоставлении зависимости деформации материалов для различных соотношений нагрузок при старении (рис. 2), с зависимостью падения прочности при тех же соотношениях нагрузок (рис. 1в и 3), наблюдается отрицательная корреляция между величиной деформации и остаточной прочностью в данном направлении. Долговечность материала в данном направлении тем ниже, чем выше деформации при эксплуатации в ортогональном направлении. Причем если исходная искривленность армирующих нитей по ортогональным направлениям имеет одинаковый угол наклона, то есть Y0Yy, то поверхности ползучести и падения прочности по ортогональным направлениям (рис. 2а и 3) симметричны относительно друг друга. У материалов с несимметричной исходной структурой армирующих нитей при воздействии эксплуатационных нагрузок появляются значительные (более 15%) деформации в направлении утка (большей исходной искривленности нитей), и соответственно в значительном диапазоне соотношения нагрузок (рис. 2б) в ортогональном направлении появляются отрицательные деформации — в направлении основы материал сжимается. Соответственно отличается и скорость старения материала по ортогональным направлениям. В направлении основы, где армирующие нити изначально были практически прямыми, при воздействии эксплуатационных нагрузок происходит их искривление, что приводит к появлению над ними локальных зон перенапряжений в матрице композита и к разрушению материала по вышеуказанному механизму. Падение прочности материала в этом направлении (рис. 1в) в диапазоне соотношения нагрузок от а = 0:2 до а = 2:2 находится практически на одном уровне. Это говорит о том, что сквозные трещины в матрице композита в этом диапазоне соотношения нагрузок образовались примерно в одно время.

 

Выявленный в результате экспериментальных исследований механизм климатического старения и разрушения композиционных материалов данного типа в напряженном состоянии позволяет сделать следующие выводы и рекомендации по монтажу и эксплуатации мягких оболочек.

 

Результаты экспериментальных исследований подтвердили и объяснили ранее приведенные в [1] данные о том, что места разрывов материалов в мягких оболочках, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий. Таким образом, возникает противоречие: оболочки разрушаются в тех местах, которые не считаются критическими. Поэтому в теории мягких оболочек расчетный аппарат создается для таких ситуаций, которые для оболочек не являются критическими. Задача расчета прочности мягких оболочек в настоящее время ставится конструкторами неточно или неполно, так как из нее выпадает весьма существенный аспект — действие климатических факторов, что приводит к сложным изменениям свойств материалов во времени.

 

 а)sm_11_05-94
Соотношение нагрузок при старении
 б)sm_11_05-95

Рис. 3. Падение прочности материалов ограждений мягких оболочек с симметричной структурой при воздействии эксплуатационных факторов: а — по основе; б — по утку

 

К сожалению, не все отечественные изготовители материалов мягких оболочек комплектуют свои технологические линии устройствами, обеспечивающими сохранение геометрических размеров по ширине при каландровании, то есть исключающими «каландровый эффект». При нанесении полимерной матрицы на тканую армирующую основу на каландрах или шпрединг-машинах происходит выпрямление нитей основы и искривление нитей утка, затем фиксация их в таком положении. В результате формируется композит с анизотропией физико-механических свойств, что создает дополнительные трудности при раскрое и формообразовании мягких оболочек.

 

Учитывая специфику эксплуатационных свойств материалов мягких оболочек, конструкторам и специалистам по монтажу и обслуживанию такого рода строительных сооружений можно рекомендовать:

  • для симметричных структур армирующей основы материалов (Yo ~ Yy) при монтаже и эксплуатации мягких оболочек необходимо добиваться равных нагрузок по ортогональным направлениям материала. При таком соотношении нагрузок (рис. 1б) скорость старения материала минимальна и равна по ортогональным направлениям;
  • при использовании материалов с несимметричной структурой оболочку необходимо рассчитывать так, чтобы максимальные нагрузки совпадали по направлению с меньшим искривлением армирующих нитей, что обеспечит снижение напряжений в полимерной матрице композита и тем самым приведет к увеличению долговечности материала.

 

Список литературы

  1. Ермолов В.В., Берд У.У., Бубнер Э. и др. Прошлое, настоящее и будущее пневматических строительных конструкций // Пневматические строительные конструкции. / Под ред. В.В. Ермолова. М.:Стройиздат. 1983. 439 с.
  2. Сулейманов А.М., Куприянов В.Н. Установка и методы оценки работоспособности тентовых материалов в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов // Работоспособность строительных материалов в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов. Межвузовский сборник. Казань: КХТИ им. С.М. Кирова. 1981. С. 40-43.
  3. Куприянов В.Н., Шелихов Н.С., Камалова З.А., Сулейманов А.М. Стенды и методы для оценки долговечности тканепленочных материалов // Труды Седьмой Дальневосточной конференции по мягким оболочкам. ДВВИМУ. Владивосток. 1983. С. 60—62.
  4. Сулейманов А.М. Исследования эксплуатационных свойств композиционных материалов для мягких оболочек // Материалы докладов Академических чтений РААСН. Ч. II. Белгород, 2005. С. 150—162.
  5. Гогешвили А.А. Геометрическая структура ткани и ее влияние на прочность и деформативность // Сообщение ДВВИМУ. Вып. 25. Владивосток. 1973. С. 52—59.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»