Стекловолоконный композит

• Данный процесс обеспечивает максимальное разнообразие дизайна профилей.
• По заказу в композит можно заложить определенные характеристики прочности (к примеру: огнестойкости, различные физико -механические свойства, электрические и т.д. ).
• Цвет однороден по всему перекрестному разделу профиля, во многих случаях это устраняет потребность в дополнительной покраске, но профили из стеклокомпозита легко окрашиваются благодаря отличной адгезии.
• Посредством процесса пултрузии возможно  производить как простые так и сложные профили. Это упрощает постпроизводственную сборку компонентов. Использование данных профилей повышает качество готовых изделий и структур.

• Серия P1 - Полиэфирная основа;
• Серия M1 - Полиэфирная основа с повышенными огнестойкими свойствами.

Физико-механические свойства

Стекловолоконный композит, изготовленный методом пултрузии, производится на основе тканных и не тканных стекловолоконных материалов (наполнителей) и различных смол (связующих). Пултрузия даёт возможность проектировать компоненты изделия с определенными характеристиками и широким диапазоном структурных свойств в конечном изделии.

Типичные структурные изделия содержат от 45 % до 75 % наполнителя. Этот тип композита широко используется в пултрузионной промышленности  и обладает стандартными механическими свойствами, которые при необходимости могут изменяться. Пределы прочности, например, могут измениться от 40 MPa до 1000 MPa, в зависимости от наполнителей, ориентации волокна и выбора смолы.

Первичный используемый тип - E-стекло (табл. 1.1). Другие наполнители являются более дорогостоящими, в связи с чем в строительстве используются реже.

Табл. 1-1 Типовые свойства волокна

Свойства смол

На определение используемого типа смолы влияют различные факторы, например такие как, коррозийность окружающей среды, температурное влияние, необходимость  в огнестойкости.

Полиэфиры - первичные смолы, используемые в пултрузии. Доступен широкий диапазон полиэфиров с различными характеристиками. Свойства и потребность в этих различных смолах определяются конечным продуктом (табл.1.2).

Огнестойкие полиэстеры также доступны. Огнестойкость может изменяться путем смешивания различных  смол. Некоторые из доступных результатов спецификации воспламеняемости и испытаний представлены далее в таблице 1.5. Для наивысшей огнестойкости применяются фенольная или другие специальные смолы.

Табл. 1-2 Типовые свойства смол (стандарт LVS EN ISO 527)

Физико-механические свойства профилей

Табл. 1-3   Прямоугольные трубы, квадратные трубы, круглые трубы, швеллеры, уголки (метрическая версия)

Табл. 1-4 Двутавр и широкополочная балка (метрическая версия)

Табл. 1-5

Примечание: относится к материалу профилей таблиц 1 - 3 и 1 - 4

Типичные электрические свойства профилей всех сечений

Табл. 1-6
 

Влияние температуры на механические характеристики профилей

Повышенная температура по разному влияет на механические характеристики компонентов композитного материала.

Чистая полиэфирная смола Pultrex® 1500 Series Polyester resin подвержена влиянию повышенной температуры. Согласно техническим данным компании Creative Pultrusions, Inc, USA не рекомендуется применение чистой смолы Pultrex® 1500 Series при температуре 51 °С она теряет 30% прочности и 10% жесткости. Имеется более термостойкая смола Pultrex® 1625 Series Flame Retandant Vinyl Ester Resin теряющая только 20% прочности и практически не теряющая жесткость при этой температуре.

Температура (до 50°С) практически не влияет на прочностные и жесткостные характеристики армирующих стекловолокон и стекломата, составляющих примерно 70% объемного содержания материала пултрузионного полиэфирного стеклопластикового профиля. Поэтому влияние рабочей температуры в диапазоне до 50°С на механические характеристики композитного профиля будет, несомненно, существенно меньше, чем на чистую полиэфирную смолу.

Количественная оценка этого влияния зависит от типа напряженного состояния профиля (изгиб, растяжение, сжатие, кручение или комбинированная нагрузка), величины действующих нагрузок, геометрических размеров профиля и длительности работы при повышенной температуре. Наиболее чувствительным представляется работа профиля на изгиб, при котором вклад полимерного связующего в работу композита наибольший. Нормы европейского кода проектирования композитов рекомендуют использовать коэффиенты фактора безопастности 1,3 и 3,2 для учета кратковременного и длительного влияния повышенной температуры (см. главу 2, таблицу нагрузок).

Влияние длительной постоянной нагрузки

Ползучесть - увеличение деформации армированного стекловолоконного композитного материала при длительной и постоянной нагрузке. Стекловолоконному композитному материалу присуще вязко-упругое поведение.

На основании исследовательских данных на ползучесть стекловолоконного композитного материала полученного методом пултрузии коэффициент уменьшения продольного модуля упругости Е_х при длительной постоянной нагрузке определяется по электрической формуле:

Таблицы нагрузок для изогнутых балок и соединений

Деформация балки - пултрузионная балка разрабатывается с учетом  приложенной силы  и деформации.

Прогиб волокно-армированных балок определяется изгибающим и сдвиговым напряжением. Влияние сдвиговых напряжений на прогиб балки сказывается при отношении длины балки к прогибу L/Δ  < 20. При коротких пролетах сдвиговые напряжения состовляют существенную часть фактических деформаций, в связи с чем, проектировщику необходимо учитывать величину сдвиговых напряжений.

Профиль балки из стекловолоконного композитного материала структурно неоднороден и обладает различными свойствами в перегородке и полочках, в этой связи рекомендуется проводить испытания несущей способности и контроль качества полного сечения профиля.

Методика и примеры расчетов допустимых равномерных нагрузок были рассчитаны на основе физических свойств, полученных из испытаний полных сечений. Таблицы 2,3 и 2,4 расчетных нагрузок основывается на схеме простого операния балки и равномерно распределенной нагрузке.

Режимы деформирования

Статические расчеты композитной конструкции включают оценку поведения конструкции в рамках некоторого количества деформирования. Эти режимы деформирования определяются исходя из официальных правил или строительных требований, основанных на применении конструкции.

Предельное напряжение

Предельное напряжение используют, чтобы исключить разрушение, обусловленное перегрузкой или потерей устойчивости посредством задания парциальных коэффициентов нагрузок и прочностей.

Фактор безопасности

Допустимые напряжения, представленные в таблицах допустимых равномерных нагрузок, основываются на предельном сжимающем напряжении, силе изгиба и силе сдвига с учетом фактора безопасности. Для местной потери устойчивости при продольном изгибе и изгибных напряжений фактор безопасности принимается 2.5, и при напряжениях сдвига фактор  безопасности равен 3.  Для расчета допустимых напряжений изгиба и напряжений сдвига используют следующие формулы:

V= τ _v(A_w);       где τ _v = допустимое напряжение на сдвиг = 31/3 = 10,3 MPa       

M= σ _b(W_x);     где σ _b = допустимое напряжение на изгиб = 227.6/2.5  = 91.0 MPa 

Таблицы нагрузок сжатых элементов

Цель данной главы - предоставить проектировщикам необходимую информацию при конструировании колонн из стекловолоконного композита.

Тестировались колонны различной длины. При проведении испытаний колонна находилась в вертикальном положении с шарнирной фиксацией концов,  учитывался соответствующий коэффициент эффективной длины (K).

Осевая нагрузка  и поперечное смещение центра колонны представлены в схематичной форме. Сжатие колонны производилась вдоль продольной оси, с измерением осевого отклонения и смещения поперечного центра. Тестированием была определена предельная осевая сжимающая  нагрузка.

Исследовательская работа, описанная в данной главе, представляет собой тщательное изучение поведения стекловолоконных колонн при использовании их в качестве опорных элементов конструкций в гражданском строительстве.

Были исследованы шесть различных по своей конфигурации профилей:

Профильные трубы наружным диаметром 34 mm, диаметром впадин 32 mm, внутренним диаметром 25 mm. Квадратные трубы толщиной 3.17 mm и 6.35 mm, различных размеров от 38.1 mm до 101.6 mm. Круглые трубы толщиной 3.17 mm и 6.35 mm, с диаметром 38.1 mm и 50.8 mm.Широкополочные балки с толщиной полочек и перегородки равной 6.35 mm и 9.35 mm. Размеры от 101.6 mm до 254 mm. Двутавры толщина полочек и перегородки 3.17 mm и 9.35 mm, размеры 101.6 mm x 50.8 mm и  23.2 mm x101.6 mm. Угловые секции толщиной 3.17 mm, 9.35 mm и 12.7 mm, размеры 76.2 mm x 76.2mm, 101.6 mm x 101.6 mm и 152.4 mm x 152.4 mm.

Задачи исследования заключались в предоставлении данных:

1. по нагрузкам колонн шести конфигураций с учетом длины колонны и фактора эффективной длины (К);
2. по допустимым сжимающим напряжениям;
3. по допустимым осевым сжимающим нагрузкам.

Программа тестирования колонн из стекловолоконного композита

      

Клеевые соединения

По возможности, клеи желательно сочетать с любыми другими способами соединений.

Существует множество различных формул для связующих веществ. С стекловолоконным композитом в основном используются: 

1. Эпоксидные
2. Акриловые
3. Полиэфирные.

Приемущества использования клея

• Более равномерно распределяет нагрузку
• Гладкая поверхность
• Снижает вес
• Соединяет разнородные материалы (металлы, бетон)
• Обеспечивает герметичность соединения
• Сглаживает различное температурное распространение

Четыре основных напряжения, действующих на соединение:

Расщепление и отслоение это особенные случаи растягивающего напряжения, включающие большие углы напряжения на соединение. Соединения при прямом сдвиге и растяжении прочнее и более надежны, чем при расщеплении и отслоении.

Симметрия нагрузки на соединение должна быть на высоком уровне. ( Данная аксиома правдива для любых материалов и соединений, например, таких как болтовые и сварочные.)

Подготовка поверхности 

1. Снять ламинированную поверхностную пленку (наждачная бумага, легкая пескоструйка).
2. Удалить пыль.
3. Протереть поверхность растворителем (сольвент, уайтспирт или толуол в рекомендуемых производителем соотношениях).

Склеивание (следуйте рекомендациям производителя клея).

"Рекомендуемые типы клеевых соединений" 

Механические соединения

Винт

Используется для соединения стекловолоконных профилей с металлом.

Болт и гайка

Используется для соединения профилей друг с другом. Желательно применять шайбы с целью распределения нагрузки.

Суперштифт и гайки

Стекловолоконный стержень с резьбой и гайками. Используется в высококоррозийной среде.

Болты и отверстия с резьбой

Стягивающий винт

Может использоваться при соединении профилей с деревом. Необходимо использовать шайбы для распределения нагрузки. Не рекомендуется использовать для соединения стекловолокна со стекловолокном.

Трубчатая заклёпка

Используется с металлической подкладкой или шайбой. Необходим доступ с двух сторон профиля.

Сплошная заклёпка

Глухая [односторонняя] заклёпка

Односторонняя сборка. Стекловолокно с металлом, рекомендуется использовать шайбу.

Нейлоновая заклёпка

Т-заклёпка (Aluminum)

Стекловолокно со стекловолокном. Хорошее распределение нагрузки.

DRIVE заклёпка (Aluminum)

Стекловолокно с металлом. Односторонний демонтаж.

DRIVE заклёпка (Nylon)

Карабин и разводной шплинт (Metal)

Карабин и шпилька (Nylon)

Глухая резьбовая вставка

Накладывает металлическую резьбу на профиль.

Механическая обработка изделий из стекловолоконного композита

Все операции механической обработки (точение, сверление, фрезерование, резка) вполне приемлемы при изготовлении изделий из стеклокомпозита. Также может использоваться для получения отверстий холодная штамповка.

Для резки погонажных профилей применяются стационарные и мобильные циркульные пилы применяемые для обработки алюминия или древесины, или же ручные электроинструменты. В целях получения качественного среза используются скоростные дисковые пилы с алмазным напылением. Окружная скорость дисковой пилы должна быть не ниже 3000 м/мин.

Обработка отверстий производится свёрлами с алмазным или с эльборовым (нитритборовым) напылением на настольно-сверлильных станках, а также и ручным электроинструментом. Окружная скорость инструмента от 45 до 150 м/мин., подача от 0,05 до 0,10 мм/об.

Точение, фрезерование, нарезка резьбы могут производиться на станках со скоростью резанья в интервале от 180 до 300 м/мин. В качестве инструмента используются резцы, оснащённые алмазными, эльборовыми или корундовыми вставками. При индивидуальном производстве применяются резцы, фрезы и свёрла, оснащённые твёрдым сплавом, а также из быстрорежущей стали.

Шлифование и зачистка поверхности производится на спецстанках или ручным электроинструментом абразивной лентой на бумажной или тканной основе зернистостью 40-100 и абразивным корундовым кругом.

При всех видах механической обработки охлаждение инструмента и удаление стружки производится сжатым воздухом.

Химическая устойчивость стекловолоконного композита

Стекловолоконный композитный материал является стойким и неактивным материалом как в обычных, так и в агриссивных средах (растворы солей, кислоты, щелочи, органические вещества).

Испытания на химическую стойкость показали, что при воздействии разбавленных и концентрированных кислот, щелочей, нефтепродуктов, органических растворителей, а также в атмосфере агрессивных газов материал сохраняет все свои свойства и структуру.

Результаты испытаний приведены в таблице:

Высокопрочные настилы из стекловолоконного композита

Свойства и применение

Настил из стекловолоконного композита это высокопрочная решетка, собранная из стекловолоконных профилей, полученным методом пультрузии. Изделие спроектировано и имеет конфигурацию аналогичную металлическим (стальным, алюминиевым и т.п.) решеткам, благодаря чему может беспрепятственно их заменить. Благодаря своим уникальным свойствам, настил из стекловолоконного композита может быть идеально использован в агрессивных средах, где для металла существует риск возникновения коррозии. Также следует отметить вес материала.

Такой вид настилов распространен во всем мире и является стандартизованным изделием. Но настилы, т.е. решетки, по договоренности с заказчиками, могут быть спроектированы по назначению, спецификации и использованию проекта.

Преимущества настилов из стекловолоконного композита:

• легкий вес, что позволяет сэкономить на перевозках груза, а также монтажные работы осуществляются гораздо проще и быстрее;
• уникальная конструкция скрещенных стержней позволяет легко разрезать панели настила и разнообразить ее расположение.

Основные свойства стекловолоконного композита:

• коррозийная устойчивость;
• прочная структура;
• высокопрочность от ударов и износа;
• легкий вес;
• простой монтаж;
• дешевое обслуживание в эксплуатации;
• низкая электропроводимость;
• прочность от повреждений и поломок;
• эстетичный и привлекательный вид;
• при минусовой температуре не скользит и не леденеет;
• трудно сгибаемый материал;
• низкая терплопроводность.

Настилы из стекловолоконного композита могут быть использованы в различных областях:

• промышленная;
• в зонах порта и морского побережья;
• горная промышленность;
• транспорт и транспортировка;
• химическая;
• в сфере электроэнергии;
• коммуникации;
• в предприятиях общественного питания;
• водные и сточные системы;
• сельское хозяйство;
• железная дорога.

Результаты тестирования указывают на то, что небольшие размеры деформации (∆ мм) характеризуют настилы из стекловолоконного композита как стабильное и качественное изделие.

Оставшийся пластический недостаток деформации после снятия нагрузки указывает на то, что в диапазоне данной нагрузки появляется только эластичное напряжение.

Во время испытания с нагрузкой, не были констатированы повреждения на целостности соединения элементов конструкции и структуре материала.