Применение пластмасс в качестве ограждающих и несущих конструкций

ФГАОУ ВПО  «Северо-Восточный федеральный 

университет имени М.К. Аммосова»

Инженерно-технический  институт

Кафедра ТДО  и ДК

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Конструкции из дерева и пластмассы»

на тему: «Применение пластмасс для несущих и ограждающих конструкций»

 

 

Выполнил: ст. гр. ПГС 09-2

Иванов  В.В.

Проверил:  Чахов Д. К. 

 

 

 

 

 

 

г. Якутск 2013 г.

Содержание

 

Введение………………………………………………………….…..…..3

1. Состав пластмасс……………………………………………………..4
2. Свойства пластмасс…………………………………………….…….5
3. Технология пластмасс………………………………………………..6
4. Несущие и ограждающие конструкции из пластмасс……………..8
5. Заключение…………………………………………………………..19
6. Список использованной литературы………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

 

Слово «пластичность» произошло от греческого слова plastikos, что означает «годный для лепки, податливый». Многие столетия единственным пластичным, широко применяемый для лепки материалов была глина. Однако теперь, когда говорят о пластических массах (пластмассах), подразумевают только материалы, созданные на основе полимеров.

Немногим более ста лет назад братья Хайэтт в Нью-Джерси (США) в поисках прочной, но рыхлой массы для типографических валиков создали хорошо формующийся материал из низконитрованной бумаги и камфоры. Так появилось на свет первое искусственное полимерное вещество, получившее название «целлулоид». В настоящее время в нашем распоряжении имеется широкая палитра настолько разных синтетических веществ, что сами специалисты вряд ли могут охватить все ее многообразие. А для не специалистов пластмассы – это наиболее характерный продукт современной химии. Хотя целлулоид быстро нашел большой спрос, вскоре ему пришлось постесниться. Началась «эра» искусственных органических материалов, которые стали называть пластмассами, собственно, только второй половине ХХ века. В 1900 году мировое производство пластмасс составило всего около 20 тыс. тонн. А уже в середине столетия их ежегодный выпуск достигал примерно 1.5 млн. тонн. В 1960 годы производство пластмасс сделало гигантский скачок: в 1970 году было выпущено уже 38 млн. тонн этих искусственных материалов. Начиная с 1950 года производство пластмасс удваивалось каждые 5 лет.

Если в ХIX веке пластмассы заменяли лишь дорогие и редкие материалы – слоновую кость, янтарь, перламутр, то вначале нашего века их стали использовать вместо дерева, металла , фарфора. Сейчас пластмассы нельзя назвать «заменителями». Многие современные пластмассыф превосходят по своим свойствам большинство материалов. Многие из них имеют столь ценные качества, что у них нет аналогов в природе. Производство пластмасс развивается быстрее, чем производство металлов.

 

 

 

 

 

2. Состав пластмасс.

Широкое распространение пластмасс — одна из отличительных черт нашего времени. Фактически все натуральные волокна, смолы и материалы уже имеют сейчас свои искусственные заменители. Создано множество других веществ с такими свойствами, которые не встречаются в природе. И это, по-видимому, только начало грандиозного переворота, равного по своему значению великим материальным революциям прошлого — освоению бронзы и железа.

Как правило, пластмасса — это сложное органическое соединение, включающее в себя несколько компонентов. Важнейшим из них, задающим основные свойства материала, является искусственная смола. Производство любой пластмассы начинается с приготовления этой смолы. Вообще, смолы занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими веществами. С одной стороны, они имеют многие качества твердых тел, но им также в большой степени свойственна текучесть, то есть способность легко менять свою форму. По своему внутреннему строению смолы также занимают обособленное положение: у них нет жесткой кристаллической решетки, как у большинства твердых тел; они не имеют определенной точки плавления и при нагревании постепенно размягчаются, превращаясь в вязкую жидкость. Подобно каучуку, к которому они очень близки по своим свойствам, смолы относятся к полимерам, то есть их молекулы состоят из огромного числа одинаковых (часто очень простых по своему строению) звеньев.

Искусственные (синтетические) смолы могут быть получены как результат химической реакции двух типов: реакции конденсации и реакции полимеризации. Во время реакции конденсации при взаимодействии двух или более веществ образуется новое вещество и при этом еще выделяются побочные продукты (вода, аммиак и другие). Фенольные смолы, например, получаются из фенола и формальдегида: две молекулы фенола связываются между собой как бы мостиком метиленовой группой, содержащейся в формальдегиде, при этом выделяется вода. Потом эти, уже двойные, молекулы связываются между собой. В конце концов получается большая молекула линейного или трехмерного строения. При реакции полимеризации во взаимодействие вступают молекулы одного и того же вещества. Соединяясь между собой, они образуют новое вещество — полимер без выделения побочных продуктов. Как уже отмечалось в главе о каучуке, к реакции полимеризации способны все органические вещества, имеющие в своей молекуле атомы углерода с двойной или тройной связью.

Смола связывает, или, как иногда говорят, цементирует, все составные части пластмассы, придает ей пластичность и другие ценные качества — твердость, водостойкость, механические и электроизоляционные свойства. Помимо смолы во многих типах пластмасс важное место (50-70% массы) занимают так называемые наполнители, которые могут быть как органическими, так и минеральными веществами. Среди органических наполнителей наиболее важным считается целлюлоза (применяемая в виде бумаги, ткани или линтера — хлопковых отчесов; их пропитывают раствором смолы, затем сушат и прессуют). К неорганическим наполнителям относятся слюда, шифер, тальк, асбест, стеклянная ткань и графит. Как правило, наполнители значительно дешевле смолы, а введение их при правильном подборе — почти не ухудшает свойств пластмасс. Иногда введение удачно подобранного наполнителя даже улучшает качество пластмассы. Его можно улучшить также с помощью специальных добавок и пластификаторов. Первые, взятые даже в небольшом количестве, придают пластмассам новые свойства (например, добавка металла делает из диэлектрика проводящую пластмассу). А пластификаторы, образуя со смолой раствор, смягчают ее и сообщают ей дополнительную пластичность.

 

3. Свойства пластмасс.

Для пластмасс характерны следующие  свойства:

• низкая плотность (обычно 1,0 – 1,8 г/см³, в некоторых случаях до 0,02 – 0,04 г/см³);
• высокая коррозионная стойкость. Пластмассы не подвержены электрохимической коррозии, на них не действуют слабые кислоты и щелочи. Есть пластмассы, стойкие к действию концентрированных кислот и щелочей. Большинство пластмасс безвредны в санитарном отношении;
• высокие диэлектрические свойства;
• хорошая окрашиваемость в любые цвета. Некоторые пластмассы могут быть изготовлены прозрачными, не уступающими по своим оптическим свойствам стеклам;
• механические свойства широкого диапазона. В зависимости от природы выбранных полимеров и наполнителей пластмассы могут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Ряд пластиков по своей механической прочности превосходит чугун и бронзу. При одной и той же массе пластмассовая конструкция может по прочности соответствовать стальной;
• антифрикционные свойства. Пластмассы могут служить полноценными заменителями антифрикционных сплавов (оловянистых бронз, баббитов и др.). Например, полиамидные подшипники скольжения длительное время могут работать без смазки;
• высокие теплоизоляционные свойства. Все пластмассы, как правило, плохо проводят теплоту, а теплопроводность таких теплоизоляторов, как пено- и поропласты, почти в 10 раз меньше, чем у обычных пластмасс;
• высокие адгезионные свойства;
• хорошие технологические свойства. Изделия из пластмасс изготовляют способами безотходной технологии (без снятия стружки) – литьем, прессованием, формованием с применением невысоких давлений или в вакууме.

Недостатком большинства  пластмасс является их невысокая теплостойкость (до 100 – 120°С). В настоящее время верхний температурный предел для некоторых видов поднялся до 300 – 400^оС. Пластмассы могут работать при умеренно низких температурах (до –70°С), а в отдельных случаях – при криогенных температурах. Недостатками пластмасс также являются их низкая твердость, склонность к старению, ползучесть, нестойкость к большим статическим и динамическим нагрузкам. Однако положительные свойства значительно превосходят их недостатки, что обусловливает высокие темпы роста ежегодного производства пластмасс.

 

 

4. Технология изготовления  пластмасс

Изделия из пластмассы имеют явные преимущества – кроме того, что они очень удобны в применении, они так же гигиеничные, экологичные и достаточно бюджетные.

Современная продукция, которую выпускают специализированные предприятия, отличается высоким качеством пластмассы, благодаря использованию передовых методов управления и, технология производства пластмасс, занимает в них достаточно весомое место. Строгий контроль на всех этапах за выпускаемой продукцией, позволяет позиционировать товар самого высокого качества.

Кроме того, что здесь используют сырье самого высокого качества - задействованы  и наиболее передовые линии, и  высокопроизводительное специальное оборудование. Технологи постоянно ведут подбор состава сырья и руководствуются необходимыми методами изготовления пластмассы.

Современное производство пластмассовых  изделий можно осуществлять при  помощи разных методов, среди которых, предлагается:

• вакуумное формование, при котором изделия производят, используя листовые материалы, задействовав в технологии перепады в давлении воздуха;
• выдув, посредством, которого - разогретую пластмассу, подают в раскрытую форму, которая затем плотно закрывается. После чего - в нее подается воздух (сжатый) для раздува пластика по стенкам формы;
• литье, представляющее высокотехнологичный процесс, в результате которого, сырье, преобразуясь в жидкое состояние, заливается в специальные пресс-формы, где и происходит формирование изделия. Такую технологию выпуска изделий применяют при изготовлении не только популярной пластиковой посуды, а и канцтоваров или других изделий, востребованных в быту;
• экструзия, при которой, размягченный предварительно пластик - продавливают сквозь отверстия инструмента, который формует изделие.

 

О технологии изготовления пластмассовых  изделий литьем реактопластов

Используют так же разработанную  технологию получения пластмасс  из реактопластов изделий, что абсолютно идентично, по свойствам изделиям, которые были изготовлены обычными методами.

Это дает возможность значительно  снижать затраты и сокращать  сроки в выпуске продукции, что  весьма актуально для мелкосерийных  многономенклатурных производств.

Схему этого технологического процесса, можно представить в виде:

• изготовление первой детали – образца, используя механообработку или 3D-прототипирование;
• разработка и выпуск формы (силиконовой);
• литье, с использованием метода реактопласта.

Первая отливка при этом способе, может быть осуществлена - в течение  пяти дней.

 

5. Несущие и ограждающие конструкции из пластмасс.

Высокая прочность некоторых  видов пластмасс при относительно низкой плотности, стойкость против атмосферных воздействий – это  ценное свойство пластмасс как материала  для несущих конструкций. Однако, серьезным препятствием к применению ПМ в несущих конструкциях, является их относительно большая деформативность.

Для предотвращения отрицательного влияния деформативности ПМ применяются в основном два приема:

-повышение жесткости  конструктивных элементов путем  более рационального, чем в  массивных сечениях распределения  материала;

-придание конструкциям  таких форм, при которых исключаются  или сводятся к минимуму напряжения  от изгибающих моментов и нежелательные  деформации.

Первому приему в наибольшей степени отвечают тонкостенные профили (трубчатые, коробчатые, волнистые), второму  – пространственные конструкции  одинарной или двойной кривизны (своды, купола, оболочки), а также  конструкции из объемных блоков (пирамидальных, воронкообразных, саблевидных и  др.).

Наиболее приемлемыми  для несущих конструкций являются пластмассы на основе полиэфирных, эпоксидных и фенольных смол, с наполнением  стекловолокном (полиэфирные стеклопластики применяются чаще остальных, так  как они наиболее дешевые).

В менее ответственных  частях конструкций применяется  жесткий винипласт и оргстекло.

Каждому конструктивному  материалу соответствуют свои эффективные  формы. Можно выделить два основных вида пластмассовых несущих конструкций:

1) решетчатые конструкции  из стеклопластиковых и винипластиковых труб;

2) конструкции из объемных  элементов и пространственные  конструкции.

 

Решетчатые конструкции.

Эти конструкции так  же, как и другие несущие конструкции  из ПМ, пока еще проходят опытную  проверку. Их прочность не вызывает сомнения, жесткость их достигается  формой сечения их элементов –  чаще всего трубчатой. Ограничение  их применения связано с низкой степенью огнестойкости, хрупкостью и старением.

Исследования с целью  улучшения их свойств продолжаются, проводятся работы по изучению ферм из винипластовых труб. Фермы имеют пролет 6 м и ломаное очертание верхнего пояса. Соединение элементов выполняется сваркой.

В специальных сооружениях  нашли применение стеклопластиковые  трубы для радиобашен высотой 27-30 м. (США – Колорадо, Флорида). Башня выполнена в виде секций, которые соединены между собой с помощью конических гильз на клею. Вес башни – 640 кг., в 5 раз легче аналогичной стальной башни, стоимость материала в 3 раза выше, значительна экономия на транспорте, монтаже и сооружении.

Для изготовления радиобашен используются трубы из стеклопластика диаметром d=51,64,76,89 мм., толщина стенки δ=3мм.

 

Конструкции из объемных элементов  и пространственные конструкции  из пластмасс.

Такие конструкции используют в качестве покрытия зданий и сооружений различного назначения.

Получили распространение  конструкции из лотковых, пирамидальных, воронкообразных элементов, а также  пневматические конструкции.

Лотковые  элементы опробированы в опыте строительства США, Франции, Словакии. Толщина лотковых элементов 3-6 мм., жесткость достигается гофрированием поперечников и гнутостью по длине. Лотковые элементы имеют длину l= 6,8-12,2 м., а ширину b=67-90 см. Формы поперечных сечений крайне разнообразны.

Соединяют лотковые элементы между собой болтами через 60 см. и шов заклеивается эластичной лентой.

Пирамидальные элементы для  сводчатых и купольных покрытий выполняются из стеклопластика, могут  быть холодными и полутеплыми, светопрозрачными и глухими.

 

 

 

 

Пирамидальный элемент

По контуру основания  пирамид крепятся болтами, швы заклеиваются клеящей лентой. Вершины пирамид  скреплены металлическими затяжками. Они обеспечивают устойчивость сооружения.

При любой комбинации нагрузок (симметричной или нессиметричной) в стенках пирамид возникают растягивающие усилия.

Воронкообразные элементы применяются в тех случаях, когда  нужно обеспечить независимость  отдельных частей конструкций.

Размеры воронки 2,4х2,4 м, высота – 1,5 м, δ=3-6 мм; она опирается на стальную трубу h=2,4 м, d=10-15 см, служащую для отвода воды. Форма воронки – гиперболический параболоид, по контуру идет фланец для сбалчивания с соседним элементом. Стыки фланцев вместе с болтами закрываются поливинилхлоридными профилями на клею.

Воронкообразные элементы применяют в садовых павильонах ( Канада), в школьных зданиях (США), в покрытиях рынков (Франция). Самое крупное сооружение такого вида – выставочный павильон, построенный в Швейцарии, имеет размеры ячейки 18х18 м.

 

Пневматические конструкции.

Пневматические конструкции  являются самыми распространенными  пространственными конструкциями  из пластмасс.

Пневматическими или надувными называют конструкции, несущая способность которых обеспечивается избыточным давлением воздуха или другого газа, заключенного в газонепроницаемую оболочку, выполненную из ткани или пленки.

Пневматические конструкции  отличаются простотой, легкостью и  компактностью в сложенном виде, высокой сборностью и транспортабельностью. Их возведение весьма просто и не требует  каких-либо трудоемких вспомогательных  приспособлений. Они обладают сейсмостойкостью, а их основание можно возводить  на скальных грунтах.

Пневматические конструкции  подразделяются на:

- воздухоопорные (воздухонесущие);

- пневмокаркасные;

- комбинированные (вантовопневматические и линзообразные).

Воздухоопорные конструкции представляют собой закрытую пневмооболочку, под которой внутри помещения создается небольшое избыточное давление воздуха, играющее роль основного несущего элемента конструкции. Это давление устанавливается расчетом в пределах 0,02-0,002 атм. Такое давление обеспечивает необходимую устойчивость сооружения и практически не ощущается находящимися в помещении людьми.

Воздухоопорные ПК проектируются, как правило, в виде сферических куполов или цилиндрических сводов пролетом от 12 до 50 м. и более.

Свод  со сферическими торцами

Торцы сводов в большинстве  случаев выполняются так же из пленки или ткани со сферическим  очертанием. Для сводов небольших  пролетов торцовые части в некоторых  случаях делают плоскими из жестких  материалов (дерево, металл, пластмасса).

С целью обеспечения  герметичности и минимальных  потерь избыточного давления через  входы необходимо устраивать шлюзы.

Избыточное давление внутри помещения создается компрессорами  или вентиляторами. Если давление выше допустимого предела, воздух выпускают  через предохранительные клапаны. Запуск вентилятора при утечке воздуха  может производиться автоматически.

 

Пневмокаркасные конструкции состоят из ряда несущих надувных элементов. Пневмоэлементы представляют собой герметически зарытые баллоны, чаще всего трубчатой формы диаметром до 60-70 см.

Пневмокаркасные конструкции  применяются в виде пневмобалок, пневмостоек, пневмоарок, пневмокуполов и других конструкций.

Пневмоарка (Ризб=0,5-1,5 атм) 

 

Пневмобалка  

 

Пневмостойка  

 

Пневмокупол

Опоры пневмоарок шарнирные. Торец пневмоэлементов надевают на стальной стакан и закрепляют нагелями или хомутами. Наиболее целесообразно для ПК использовать арки кругового очертания. Пролет пневмоарок следует принимать 12-16 м., шаг 2,5-3 м. Проектное положение ПК сохраняется благодаря избыточному давлению воздуха (0,5-1,5 атм.)

Внутри помещения с  пневмокаркасными конструкциями в  отличие от воздухоопорных, сохраняется нормальное давление воздуха. Однако, конструкции этого типа сложнее в изготовлении и требуют установки для нагнетания воздуха под значительно большим давлением. Для этой цели используют обычно компрессоры, а иногда баллоны со сжатым воздухом или газом.

Комбинированные конструкции состоят из сборного каркаса (алюминиевого, стального или деревянного) и воздухоопорной ограждающей оболочки.

В обычных условиях внутри помещения поддерживается нормальное давление. Давление повышается при  значительных ветровых или снеговых нагрузках. Эти конструкции отличаются повышенной стойкостью, однако их применение целесообразно при перекрытии больших  пролетов.

Вантовопневматические конструкции представляют собой сочетание воздухоопорных оболочек с вантовыми системами из стальных или синтетических тросов.

 

Линзообразные пневматические конструкции состоят из замкнутых висячих оболочек, закрепленных на жестком опорном каркасе.

Пневмоконструкции применяются во временных сооружениях: зерноскладах, складах сыпучих материалов, как опалубка для монтажа постоянных (бетонных) конструкций; для капитальных сооружений – как покрытие цирков, стадионов, летних кинотеатров. Кроме того, ПК применяют для изготовления куполов и складов методом поверхностного нанесения стеклопластика или полиуретана, в результате чего образуется монолитная трехслойная конструкция.

Из всех видов ПК наибольшее применение получили воздухоопорные конструкции в виде цилиндрических или сферических оболочек.

 

Материалы, применяемые для ПК.

Для возведения пневматических конструкций используют тканевые материалы  и пленки.

Основные требования к  этим материалам:

- воздухонепроницаемость;

- влагонепроницаемость;

- эластичность;

- легкость в сочетании  с высокой прочностью на разрыв  и достаточной долговечностью  при эксплуатации в различных  климатических условиях.

Пленки, как правило, дешевле  тканей, но они более деформируемы, менее прочны и недолговечны в  эксплуатации. Поэтому пленки применяют  для временных сооружений и теплиц.

В сооружениях, предназначенных  для длительной эксплуатации необходимо применять тканевые материалы.

Ткани и пленки бывают одно- и многослойные, прозрачные и непрозрачные. При необходимости их можно утеплять эластичными синтетическими материалами.

Тканевые  материалы состоят из основы и пропитки (или покрытия). В качестве основы применяю технический текстиль из природных (лен, хлопок) и синтетических (капрон, нейлон и другие) волокон. Для изготовления пропитки используют эластичные смеси на основе синтетических и каучуковых смол.

Пропитки служат для  придания тканям воздухонепроницаемости и для защиты их от атмосферных  воздействий. Пропитки подвержены старению, то есть со временем они теряют эластичность, в них появляются трещины, изменяется цвет, а у светопроницаемых элементов  снижается прозрачность. Пропитку наносят  с одной или двух сторон ткани. Двухсторонняя пропитка повышает качество (долговечность) тканей.

Ткани – анизотропные материалы, поэтому при расчете тканевых оболочек необходимо учитывать различие в механических характеристиках  – по основе (вдоль куска ткани) и по утку (поперек нитям).

Расчетное кратковременное  сопротивление тканей по основе изменяется в пределах 28,8-64 кг\см, а по утку 18,2-35 кг\см, модуль упругости 90-114 кг\см (прочностные и упругие характеристики относятся к единице ширины вне зависимости от толщин).

Для ПК наиболее часто используются воздухонепроницаемые ткани №29,34,42,60,80, представляющие собой одно-, двух- или  трехслойную ткань, покрытую слоем  резины. Основой для этих тканей является капроновый текстиль. Ткани  выпускают в рулонах 0,9 м. Масса 1м² этих материалов колеблется от 0,45 до 1,8 кг., а толщина от 0,6 до 1,8 мм.

Синтетические пленки. Для ПК применяют чаще всего полиэтиленовые, полиамидные, полиэфирные пленки. Пленки могут быть прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными, иметь различный цвет. Под воздействием солнечной радиации пленки «стареют», поэтому срок службы большинства из них – один-два года. Кроме того, пленки обладают повышенной деформативностью. Для повышения механических характеристик их армируют тканевыми сетками из капрона, стекловолокна и других материалов.

Для пневматических воздухоопорных СК небольших пролетов, используют армированные пленки марки ПС-40-П, NC-40C, а так же А, АС – синтетические пленки из полиамида, в которые впрессованы капроновые сетки.

Армированные пленки выпускают  в рулонах шириной 0,85-0,9 м., толщина  пленки от 0,45 до 0,71 мм., масса 1м² от 0,45 до 0,76 кг. Ткани и пленки по длине и ширине соединяют склеиванием или сваркой. При склеивании тканевых материалов рекомендуют швы усиливать нитяной строчкой.

Расчетное кратковременное сопротивление  растяжению пленок колеблется от 7,5 до 31,2 кг\см ( )по основе, а по утку  , модуль упругости  .

 

 

 

Основы расчета пневматических конструкций.

Пневматические конструкции  относятся к классу предварительно напряженных СК. Форма и несущая способность их обеспечивается постоянно действующими растягивающими напряжениями в оболочках, возникающими в результате создаваемого внутри давления воздуха.

Избыточное давление определяется из условия

Р_изб≤ΣР,

где ΣР – сумма сил в наиболее невыгодной комбинации (снег, ветер, собственный вес).

Методы расчета воздухоопорных и пневмокаркасных конструкций основываются на безмоментной теории оболочек, поскольку тонкие и гибкие ткани не могут сопротивляться изгибающим и сжимающим усилиям.

Пневматические конструкции  рассчитываются по двум предельным состояниям:

1) по несущей способности  (прочность, устойчивость);

2) по деформациям (прогибам, складкообразованию и сохранению  положительной кривизны).

Расчет по прочности  производится для всех типов ПК и  заключается в определении максимальных растягивающих напряжений в тканях или пленках при наиболее неблагоприятных  сочетаниях расчетных нагрузок.

Расчет тканей ведется в двух направлениях – по основе (с расчетными сопротивлениями R₀) и по утку (с расчетными сопротивлениями R_y), R₀»R_y.

При расчете на прочность  должно выполняться условие:

σ_0(y) ≤R_0(y)

Расчет на устойчивость необходим при проектировании элементов  ПК, которые могут потерять несущую  способность раньше разрыва оболочек.

Расчет по прогибам производится из условия

f≤[f]

и заключается в определении  максимального прогиба от нормативных  нагрузок, который должен быть меньше предельного.

Допустимые прогибы ПК пока не нормированы и применяются  по условиям эксплуатации.