CC BY
73
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 691.33
Д. Г. Имайкин, Р. А. Ибрагимов
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА СРОК СЛУЖБЫ ТЕНТОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: тентовые материалы, исследование, факторы, срок службы.
В статье рассмотрены и получены зависимости остаточной прочности материала после различных видов физических воздействий. Рассмотрены факторы, влияющие на долговечность тентовых строительных материалов, виды креплений тентового материала к каркасу, на основе чего собрана лабораторная модель для определения усилий в узле тентового материала.
Keywords: Awning materials, study, factors, life time.
The article describes and dependences of the residual strength of the material after various vie-ing physical effects. The factors affecting the durability of tent Build-ing materials, fastenings tent material to the frame, on the basis of what is collected Laboratorial model to determine the efforts node flap material.
Введение
Тентовые строительные материалы прочно вошли в состав строительных конструкционных материалов. Они за счет своей мобильности, легкости и универсальности широко используются там, где традиционные материалы использовать либо невозможно, либо крайне нерентабельно. Это мобильные здания для МЧС, обороны, спортивные сооружения, склады и многие другие. Основным преимуществом таких сооружений является скорость и простота их возведения или развертывания, а также их демонтажа и перемещения на другое место.
Главным недостатком сооружений из тентовых материалов является их легкая повреждаемость и сравнительно небольшой срок службы. Это вызвано двумя основными факторами: 1) недостатками технологии хранения, перевозки и применения тентовых материалов, 2) воздействием эксплуатационных факторов (в первую очередь - климатических), вызывающих сравнительно быстрое «старение» материала тентового ограждения и неспособность выполнять ограждающие функции [1].
Первый фактор вызван в основном психологическими причинами - традиционным отношением к строительным материалам, как к чему-то массивному, очень прочному, которому не страшны небольшие перегрузки, небрежность в обращении. Способом преодоления данного отношения является создание технических норм и регламентов использования и хранения данных материалов.
Второй фактор обусловлен недостаточной изученностью механизмов выхода из строя применяемых материалов под воздействием эксплуатационных факторов, а следовательно, и недостатками в строении этих материалов, видах и составах исходных компонентов применяемых при изготовлении тентовых материалов, технологии их изготовления. В этом случае также проявляется психологический фактор - отношение к тентовым ограждениям такое же, как к каменным или бетонным конструкциям. Однако такой подход принципиально неверен,
так как механические, теплоограждающие и прочие свойства тентовых материалов зависят от совершенно других параметров [2].
Тентовые материалы в большинстве своём представляют ткани или сетки из достаточно прочных нитей или волокон, которые защищены полимерными пленками, выполняющими изоляционную и декоративную функцию. Ткань или сетка выполняет роль несущего каркаса, воспринимающего механические растягивающие усилия от собственного веса, силы предварительного натяжения и преимущественно ветровых нагрузок. Нагрузку от собственного веса можно считать постоянной, нагрузку от предварительного натяжения - постоянной или длительно действующей (в зависимости от способа и средств её приложения), а от ветра - кратковременной [3]. Как и для других конструкционных материалов, величина и сочетание данных нагрузок приводит к двум видам повреждения материала: 1)разрыв или разрушение материала при достижении предельной прочности; 2) релаксация, вытяжка, провисание, потеря формы и ухудшение внешнего вида, что для некоторых тентовых сооружений является главным достоинством. Для тканей и пленок, применяемых в тентовых материалах, в результате опыта эксплуатации был выявлен сравнительно новый механизм их повреждения - трение и механический износ нитей и волокон при плотном их прижатии друг к другу и приложении к ним циклически изменяющихся растягивающих нагрузок. Перпендикулярно расположенные нити как бы «перепиливают» друг друга. Такое воздействие характерно для интенсивных ветровых нагрузок [4].
Кроме того, на ткани и сетки, изготовленные в большинстве своём из полимерных материалов (капрона, лавсана и других) большое воздействие оказывает температура. При повышенных температурах нити становятся менее прочными и более «деформа-тивными» от воздействия постоянных или длительных нагрузок. При кратковременных (ветровых, монтажных и пр.) нагрузках более неблагоприятно
воздействие пониженных, в основном отрицательных, температур, так как полимерные нити становятся более жестким, иногда хрупкими, и также более подверженными механическому износу. Воздействие влаги для тентовых материалов при условии целостности полимерного защитного покрытия считается несущественным [5].
Полимерное покрытие выполняет роль защиты ткани от атмосферных воздействий, декоративные и эстетические функции, а также защищает сооружение от ветра, солнца, дождя, температуры и других неблагоприятных факторов. Защитные свойства полимерных покрытий тентовых материалов зависят от их состава, технологии изготовления или нанесения, а также интенсивности воздействия эксплуатационных факторов. Особенностью эксплуатационных факторов для покрытий тентовых материалов является то, что тканевая основа активно влияет на напряженное состояние поверхностного слоя, вызывая дополнительные растягивающие усилия.
Опыт длительной эксплуатации тентовых материалов показал, что разрыв тентового материала в первую очередь происходит над местами пересечения уточной и основной нитями. Очевидно, это вызвано тем, что в местах интенсивного изгиба полимерного покрытия - над продольной нитью возникают дополнительные растягивающие усилия, что приводит в этих местах к образованию трещин, обнажающих ткань, и открывающих доступ к ним УФ радиации и влаги, многократно ускоряющих процесс «старения» [6].
Опыт эксплуатации тентовых материалов показывает, что выход из строя тентовых материалов в подавляющем большинстве случаев происходит в местах их прикрепления к несущим конструкциям или каркасу. Следовательно, интенсивность воздействия на материал в этих местах выше, а также появляются новые виды воздействий, отсутствующие в «пролетах». Основные виды конструкций «узлов» (мест сопряжения тентовых материалов с несущим каркасом) представлены на рис. 1.
Исследование основных конструкций узловых соединений показало, что материал тентовых сооружения в них подвергается воздействию дополнительных факторов: 1) концентрация растягивающих усилий на сравнительно небольших участках поверхности; 2) наличие дополнительных изгибающих усилий в местах контакта с элементами закрепления. Очевидно, что воздействие этих дополнительных факторов дает увеличение интенсивности воздействия. Следовательно, изучение влияния эксплуатационных факторов в местах крепления тентового материала к каркасу является наиболее важной задачей для повышения долговечности этих материалов. Результатом этих исследований должно быть создание методики и оборудования для испытания воздействия эксплуатационных факторов на вновь создаваемые материалы и, в конечном итоге, увеличения срока службы этих материалов.
Проведение испытаний различных материалов в условиях воздействия на них реальных климатических и эксплуатационных факторов требует значительных затрат времени, и поэтому более удобно
использовать «ускоренные» испытания на «старение» [7]. Для этого метода необходимо тщательно изучить и воспроизвести условия эксплуатации в лабораторном оборудовании в строго регламентированных «дозах», а также установить предельные значения этих факторов.
Рис. 1 - Виды креплений тентового материала к каркасу: 1 - тентовый материал; 2 - мягкая подкладка; 3 - несущий элемент каркаса
Схема воздействия основных механических нагрузок на тентовые ограждения представлена на рис. 2. При воздействии ветра происходит удлинение материала в «пролете», а также его изгиб в месте контакта с каркасом или узлом крепления.
изменение угла изгиба материала
ветер
Рис. 2 - Схема механических нагрузок на тентовое ограждение
Изгиб материала вызывает возникновение в нем изгибающих напряжений, которые суммируются с растягивающими усилиями. Схематично это показано на рис.3. Очевидно, что растягивающие усилия в верхнем слое материала в зоне изгиба (сечение А-А) выше, чем в зоне только растягивающих усилий (сечение Б-Б).
Также одним из важных факторов является непостоянство величины растягивающей нагрузки от
ветра, что приводит к явлению «усталостного» разрушения.
каркас
Рис. 3 - Схема нагружения тентового материала в «узле» в реальных условиях эксплуатации
Все вышесказанное позволяет сделать вывод, что зона соприкосновения тентового материала с каркасом испытывает значительно большую «дозу» факторов износа и «старения материала, чем в пролете.
Рис. 4 - Схема узла нагружения тентового материала в «узле»: 1 - испытуемый тентовый материал; 2 - нижний неподвижный зажим; 3 - верхний зажим, который может принудительно поворачиваться на определенный угол, создавая тем самым совместное воздействие растягивающей и изгибающей нагрузки; 4 - тяга нижнего захвата; 5 - гайка, вращением которой мы можем создавать начальное растягивающее усилие (имитирующее нагрузку от собственного веса и предна-пряжения материала); 6 - опора; 7 - сменная накладка, имеющая определенный радиус места контакта материала и каркаса
Для моделирования в лабораторных условиях совместного воздействия всех вышеперечисленных факторов эксплуатации предлагается создание установки циклического воздействия механических нагрузок и атмосферных воздействий. Воспроизведение в лабораторных условиях вышеуказанного сочетания нагрузок базируется на принципе «маятникового механизма», в котором зажим для тентового материала, имитирующий место контакта тентового материала с каркасом, совершает гармонические колебания при повороте вокруг оси с определенным эксцентриситетом. Величина растягивающего усилия зависит от расстояния между верхним и нижним захватом и от угла поворота верхнего зажима, что отражено на схеме рис.4 б.
Эта установка позволяет испытывать образцы материала при различных видах сочетаний нагрузок, причем интенсивность различных видов воздействий для разных образцов может варьироваться в достаточно широких пределах.
Выводы
Полученные зависимости остаточной прочности материала после различных видов воздействий позволят сделать достаточно адекватный прогноз для различных видов применяемых компонентов и технологий при создании новых материалов для тентовых сооружений.
Таким образом, в лабораторных условиях можно воспроизводить определенное механическое воздействие, характеризующееся следующими параметрами: 1) величина предварительного напряжения -минимальная постоянная нагрузка; 2) величина эксцентриситета в верхнем зажиме позволяет варьировать циклическую нагрузку в широких пределах; 3) радиус закругления вставки верхнего зажима позволяет создавать различные по значению изгибающие усилия в тентовом материале.
Также место изгиба материала тентового ограждения, как правило, более интенсивному УФ облучению, чем в пролете, так как в «пролете» облучение происходит под определенным углом, а зона изгиба чаще находится в зоне перпендикулярного направления лучей.
Литература
1. Еремеев П.Г. Тентовые мембраны для ограждающих конструкций покрытий над трибунами стадионов. Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 4. С. 33-36.
2. Ишанова В.И., Удлер Е.М. Возможности формообразования тентовых материалов. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013.№ 4 (26). С. 107-112.
3. Трофимов А.В., Пономарев С.В., Кузнецова Е.С. Исследование пороков тентового материала с применением инструментов качества. Качество. Инновации. Образование. 2006. № 6. С. 26-32.
4. Скопенко В.А. тентовая архитектура: «индустриальные» возможности. Академический вестник УралНИИ-проект РААСН. 2010. № 3. С. 54-59.
5. Сулейманов А.М. Механизмы старения и разрушения материалов мягких оболочек в условиях эксплуатации. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 2 (14). С. 278-285.
6. Еремин К.И., Матвеюшкин С .А., Арутюнян Г.А. Анализ повреждаемости и обрушаемости блоков покрытий промышленных зданий. Наука и безопасность. 2015. № 1 (14). С. 36-49.
7. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Новые комплексные добавки на основе эфиров поликарбоксилатов. Строительные материалы. 2012. № 3-4. С. 34.
© Д. Г. Имайкин - канд. техн. наук, доц. каф. технология, организация и механизация строительства КГАСУ, imaykindg@mail.ru; Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, rusmag007@yandex.ru.
© D. G. Imaikin - Ph.D., associate professor, Kazan State University of Architecture and Engineering, imaykindg@mail.ru; R. A. Ibragimov - Ph.D., associate professor, Kazan State University of Architecture and Engineering, rusmag007@yandex.ru.
