CC BY
8
M Инженерный вестник Дона, №5 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2023/8501
Применимость методов изготовления стеклопластика при строительстве
горизонтальных емкостей
112 2 С.В. Шашкин , Т.А. Мацеевич , В.А. Антошин , А.Ю. Албагачиев
1 Московский государственный строительный университет 2Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук,
Москва
Аннотация: Для очистки сточных вод используются горизонтальные емкости из стеклопластика. Однако, при проектировании изделий требуется определить способ изготовления емкости: методом непрерывной намотки или спирально-перекрестной. Основной проблемой выбора метода изготовления состоит в определении устойчивости конструкции к вертикальным нагрузкам от грунтового массива. В статье проводятся обследования построенных сооружений из стеклопластика, рассмотрены испытания по исследованию прочностных характеристик материала, для подтверждения полученных данных, выполняется комплексный расчет в программном комплексе Midas GTS NX. По результатам обследований и расчетов доказана невозможность применения стеклопластиковых емкостей, изготовленных методом спирально-перекрестной намотки. Результатом исследования стала положительная оценка применимости метода непрерывной намотки для изготовления горизонтальных емкостей в широком диапазоне глубины залегания.
Ключевые слова: Горизонтальные емкости из стеклопластика, метод непрерывной намотки, метод спирально-перекрестной намотки.
Для очистки стоков используются горизонтальные емкости - очистные сооружения. По данным ГУП Мосводосток, в ведении предприятия находится 230 очистных сооружений поверхностного стока. Ранее емкостное оборудование изготавливали из железобетона, доступного материала, позволяющего достаточно быстро возводить необходимое сооружение. Однако срок службы составлял до 50 лет из-за нарушения защитного слоя бетона, согласно Постановлению Правительства Москвы от 21 сентября 2016 г. № 574-ПП «Об утверждении схем водоснабжения и водоотведения города Москвы на период до 2025 года» (с изменениями и дополнениями). Приложение 2. Схема водоотведения г. Москвы на период до 2025 года. Схемы водоснабжения и водоотведения города Москвы до 2025 года Том II. Схема водоотведения на период до 2025 года. и, как следствие, возникновение фильтрационных процессов в несущих конструкциях здания,
согласно ИТС 10-2015 Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов. На замену устаревшим технологиям пришли стеклопластикные емкости, срок службы которых составляет более 50 лет [1,2]. Данный материал не взаимодействует с водой, что положительно влияет на применимость в конструкциях, контактирующих с водой. Стеклопластик менее жесткий, чем железобетон и применимость данных конструкций усложняется по мере заглубления строительства [3-5].
Целью данной работы являлось изучение поведения горизонтальных емкостей, изготовленных с помощью различных технологий: спирально-перекрестной намоткой и методом непрерывной намотки. В результате исследования будет оценена возможность применимости различных методов изготовления в данном типе конструкций.
В качестве объекта исследования выбраны стеклопластиковые емкости, изготовленные двумя разными методами:
- Спирально-перекрестной намоткой (далее - Метод 1);
- Непрерывной намоткой (далее - Метод 2).
Проведены натурные обследования деформаций построенных стеклопластиковых емкостей, взяты образцы материалов.
Основные характеристики исследуемых емкостей представлены в Таблице 1. Номерам 1 и 2 соответствуют изделия, выполненные Методом 1, 3 и 4 Методом 2 соответственно.
Для определения прочностных свойств материала были отобраны образцы для испытаний. Они представляют собой отрезки емкостей прямоугольной формы, торцы которых были перпендикулярными оси трубы [6-7]. Количество образцов одного наименования - 3 шт. Геометрические характеристики образцов представлены в Таблице 2.
Таблица № 1
Характеристики исследуемых стеклопластиковых емкостей
Номер конструкции Номинальный диаметр, мм Толщина стенки, мм Глубина заложения (от верха емкости), м
1 3000 18±0,5 1,5
2 3000 18±0,5 2,0
3 3000 55,1±0,5 2,0
4 3000 55,1±0,5 4,0
Таблица №2
Геометрические характеристики испытываемых образцов
Номер конструкции Длина образца, мм Толщина образца, мм
249±0,5 18,58
1 250±0,5 16,82
250±0,5 18,01
249±0,5 18,11
2 248±0,5 17,33
250±0,5 18,04
250±0,5 55,04
3 250±0,5 55,05
251±0,5 55,02
249±0,5 55,15
4 249±0,5 55,08
250±0,5 55,03
Испытания выполнялись на испытательном стенде СК-2800, производства YLE GmbH, Германия на базе Завода Композитных материалов
ООО «НТТ-Пересвет». Испытания проводились, согласно ГОСТ Р 549252012, ГОСТ Р 55072-2021 Емкости из реактопластов, армированные стекловолокном. Технические условия, ГОСТ Р 54925-2012 Трубы и детали трубопроводов из реактопластов, армированных стекловолокном. Методы определения начального окружного предела прочности при растяжении [810].
С целью подтверждения полученных натурных данных были выполнены расчеты методом конечных элементов в апробированном программном комплексе Midas GTS NX. Данный программный комплекс позволил произвести комплексный расчет работы грунта и сооружения [11].
Основные данные в расчетной модели:
- Грунт задан моделью Мора-Кулона, основанной на параметрах грунта, приведенных в Таблице 3;
Таблица №3
Физико-механические характеристики грунта
Наименование E, МПа М У, кН/м3 е. С, кПа Р, град
Песок 21200 0.3 19,5 0.67 0 30
- Моделирование производилось с учетом стадийности возведения конструкции, учтены все нагрузки, согласно действующим строительным нормам.
Расчет проводился методом конечных элементов. Грунт представлен объемными элементами, стеклопластиковый корпус - оболочечными [12-14]. На Рисунке 1 представлена конечно-элементная модель грунтового массива и емкости.
Рис.1 Конечно-элементная модель грунтового массива и стеклопластиковая емкость
Результаты испытаний представлены в Таблице 4. Были определены основные для стеклопластикового материала прочностные характеристики в окружном направлении, так как оно является основным при данном характере нагружений. Кольцевая жесткость была приведена к среднему значению.
Таблица № 4
Прочностные характеристики образцов.
Номер Предел Модуль упругости, Кольцевая
конструкции прочности, МПа МПа жесткость, Па
1 2 3 4
40.12 22437
1 41,52 19850 2750
41,32 20222
40,97 19769
2 45,44 20056 2750
41.24 19985
1 2 3 4
71,01 19613
3 71,03 19603 10000
70,89 19634
72,06 19498
4 71,24 19501 10000
71.34 19571
На рисунках 2 и 3 представлены фотографии разрушения конструкций №1 и №2, выполненных из стеклопластика, изготовленному по методу 1.
Деформации, полученные емкостями, отражены в Таблице 5. Деформации в таблице отражены в % от среднего диаметра емкости.
Таблица № 5
Деформации емкостей, изготовленных из стеклопластика методом 1.
Номер конструкции Деформации %
1 6,8
2 7,3
Рис. 2 Разрушение боковой стенки с последующим выходом грунта
Рис. 3 Разрушение боковой стенки емкости с последующим выходом грунта, расслоение корпуса
Результаты расчета, выполненного в программном комплексе Midas GTS NX, представлены на Рисунке 4 для конструкции 1.
Рис. 4 Максимальные вертикальные перемещения, возникающие в стеклопластиковом корпусе, м.
Максимальные вертикальные относительные перемещения составляют 251,4 мм, что составляет 8,4% от общего диаметра емкости. Данное значение превышает предельное значение равное 6% согласно ТУ 22.21.21-00499675234-2019 (взамен ТУ 2296-004-99675234-2014) Трубы, соединительные элементы и детали трубопроводов для канализации, водоотведения и дренажа из реактопластов, армированных стекловолокном, изготовленные по технологии «НТТ». Технические условия. Дата введения 01.07.2019 г.
На рисунках 5-6 представлены конструкции №3 и №4, соответственно, изготовленные методом 2.
Максимальные вертикальные относительные перемещения составляют 251,4 мм, что составляет 8,4% от общего диаметра емкости. Данное значение превышает предельное значение, равное 6%.
На рисунках 5-6 представлены конструкции №3 и №4, соответственно, изготовленные методом 2.
Рис. 5 Обследование стеклопластиковой емкости, выполненной методом непрерывной намотки
Рис. 6 Обследование стеклопластиковой емкости, выполненной методом непрерывной намотки
Деформации, полученные емкостями, отражены в Таблице 6. Деформации в таблице отражены в % от среднего диаметра емкости.
Таблица №6
Деформации емкостей, изготовленных из стеклопластика методом 2
Номер конструкции Деформации %
3 2,1
4 3,4
Результаты расчета, выполненного в программном комплексе Midas GTS NX, представлены на Рисунке 7 продемонстрированы для конструкции 4.
Максимальные вертикальные относительные перемещения составляют 86 мм, что составляет 2,9% от общего диаметра емкости. Данное значение не превышает предельное значение равное 6% согласно ТУ 22.21.21-004-99675234-2019 (взамен ТУ 2296-004-99675234-2014) Трубы,
соединительные элементы и детали трубопроводов для канализации, водоотведения и дренажа из реактопластов, армированных стекловолокном, изготовленные по технологии «НТТ». Технические условия. Дата введения 01.07.2019 г.
Рис. 7 Максимальные напряжения, возникающие в стеклопластиковом корпусе, м.
Незначительное отклонение полученных расчетных и натурных деформаций обуславливается выбранной математической моделью грунтового основания.
Разрушение конструкций 1 и 2 происходит из-за потери прочности, как следствие, из-за возрастающих деформаций происходит отслоение боковой стенки емкости и заполнение внутреннего пространства конструкции грунтом. Конечно-элементная модель подтверждает данный вывод.
Характер разрушения говорит о том, что горизонтальным емкостям, изготовленных методом 1, недостаточно кольцевой жесткости. Увеличение толщины стенки, для увеличения кольцевой жесткости в данном методе экономически нецелесообразно. В той же степени нецелесообразно уменьшать глубину залегания емкостей [15].
По результатам натурных исследований и расчетах, выполненных методом конечных элементов, можно заключить, что кольцевая жесткость, которая достигается при изготовлении стеклопластиковой емкости методом непрерывной намотки, достаточна для противодействия возникающим вертикальным нагрузкам от грунта засыпки с учетом запаса прочности на 50 лет эксплуатации.
Литература
1. Юченко Л.В., Вайнберг М.В., Чураев А.А., Использование стеклопластиковых труб в сельскохозяйственном водоснабжении // Экология и водное хозяйство. - 2019. - №3. - C. 35-39.
2. Li Hong (Ed.) Fiberglass Science and Technology: Chemistry, Characterization, Processing, Modeling, Application, and Sustainability. -Springer, 2021. 555 p.
3. Melnikov D.A., Ivanov S.V., Antoshin V.A. Glass-composite pipes and products from them: a given combination of operational and technological properties // Best available technologies for water supply and sanitation. - 2020. -No. 6. - pp. 22-23
4. Bjorklund, I. Plastic pipes, their characteristics, and applications. - M.: NPG, 2000. - 116 p.
5. Lopatina A.A., Sazonova S.A. Analysis of pipe laying technologies // Bulletin of PNRPU. Construction and architecture T. 7. 2016.- No. 1.- pp. 93-111
6. Туктарова, Ю. ATTSHIELD C 105 - современное решение для производства стеклопластика // Композитный мир. - 2018. - № 5(80). - С. 4447.
7. Антошин В.А., Мельников Д.А., Иванов С.В., Албагачиев А.Ю. Определение долговременных прочностных свойств стеклопластикных труб для расчета срока эксплуатации. // В сборнике: Фундаментальные
исследования и инновационные технологии в машиностроении. Научные труды VII Международной научной конференции. - 2021. - С. 31-33.
8. Шершак П.В. Особенности национальной стандартизации методов испытаний полимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ. -2019. - №2 (74). - С. 57-68.
9. Мельников Д.А., Ильичев А.В., Вавилова М.И. Сравнение стандартов для проведения механических испытаний стеклопластиков на сжатие// Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн., 2017. №3. Ст. 6. URL: viam-works.ru (дата обращения 28.03.2021).
10. Шамбина С.Л. Анизотропные композитные материалы и особенности расчета конструкций из них // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2005.- №1. - С. 21-27.
11. Воронцов Г.В., Евтушенко С.И. Математическая модель стеклопластиковых изделий, получаемых методом продольно-поперечной намотки // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2009. - №3. - С. 33-41.
12. Воронцов Г. В. Определение остаточных напряжений в оболочках, получаемых методом намотки из композитных материалов // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. -2006. - №2. - С. 101-110.
13. Сухомлинов Л.Г., Шиврин М.В. Численное моделирование локально нагруженных через шпангоуты трехслойных композитных цилиндрических оболочек // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2021. - №3. - С. 22-28.
14. Рогожникова Е.Н., Аношкин А.Н., Бульбович Р.В. Расчет НДС и оценка прочности сегментированной цилиндрической оболочки из композиционных материалов с металлическими вкладышами // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2022. - №1. - С. 88-94.
15. Холодников Ю.В. Новые способы изготовления полимерных композитов // Sciences of Europe. - 2016. - №1-1. - С. 47-54.
References
1. Yuchenko L.V., Vaynberg M.V., Churayev A.A., Ekologiya i vodnoye khozyaystvo. 2019. №3. p. 35-39.
2. Li Khun (red.) Nauka i tekhnologiya steklovolokna: khimiya, kharakteristika, obrabotka, modelirovaniye, primeneniye i ustoychivost' [Fiberglass Science and Technology: Chemistry, Characterization, Processing, Modeling, Application, and Sustainability.]. Springer, 2021. p.555.
3. Mel'nikov D.A., Ivanov S.V., Antoshin V.A. Nailuchshiye dostupnyye tekhnologii vodosnabzheniya i vodootvedeniya. 2020. No. 6. pp. 22-23.
4. B'orklund I. Plastikovyye truby, ikh kharakteristiki i primeneniye [Plastic pipes, their characteristics, and applications]. NPG, 2000. p. 116.
5. Lopatina A.A., Sazonova S.A. Construction and architecture T. 7. 2016. No. 1. pp. 93-111.
6. Tuktarova, YU.Tuktarova Kompozitnyy mir. 2018. № 5(80). pз. 44-47.
7. Antoshin V.A., Mel'nikov D.A., Ivanov S.V., Albagachiyev A.YU. Nauchnyye trudy VII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii. 2021. pp. 31-33.
8. Shershak P.V. Trudy VIAM. 2019. №2 (74). pp. 57-68.
9. Mel'nikov D.A., Il'ichev A.V., Vavilova M.I. Trudy VIAM: elektron. nauch.-tekhnich. zhurn., 2017. №3. URL: viam-works.ru (date assessed 28.03.2021).
10. Shambina S.L. Stroitel'naya mekhanika inzhenernykh konstruktsiy i sooruzheniy. 2005. №1. pp. 21-27.
11. Vorontsov G.V., Yevtushenko S.I. Seriya: Tekhnicheskiye nauki. 2009. №3. pp. 33-41.
12. Vorontsov G. V. Tekhnicheskiye nauki. 2006. №2. pp. 101-110.
М Инженерный вестник Дона, №5 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2023/8501
13. Sukhomlinov Shivrin M.V. Vestnik PNIPU. Mekhanika. 2021. №3. pp. 22-28.
14. Rogozhnikova ТБ.М, Anoshkin A.N., Bul'bovich R.V. Vestnik РМРи. Mekhanika. 2022. №1. pp. 88-94.
15. Kholodnikov YU.V. Sciences of Еигоре. 2016. №1-1. pp. 47-54.
