СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС

Физико-механические Характеристики материалов

Основные положения. Пластмассы обладают особенностью значи­тельно снижать прочность и развивать деформации ползучести под воздействием длительной нагрузки и температуры. Для выявления фи­зико-механических характеристик пластмасс были наряду с обширны­ми экспериментальными исследованиями с успехом использованы тео­ретические работы советских и зарубежных ученых. За последние го­ды важные результаты в изучении физической природы прочности твердых тел достигнуты советскими учеными. Хотя механические свой­ства различных материалов весьма разнообразны, в них обнаружива­ются некоторые общие закономерности, обусловленные общностью строения твердых тел.

Первые в СССР исследования по длительной прочности проведены в институте строительной механики АН УССР, где Ф. П. Белянкиным [8] был предложен и теоретически обоснован метод построения кривой длительного сопротивления по времени путем разрушения серии образ­цов, нагруженных до различной доли кратковременной прочности. Поз­днее было предложено также определять длительную прочность как напряжение, при котором скорость развития пластических деформаций равна нулю. Это условие предполагает наличие у кривой ползучести достаточно явно выраженного линейного участка, по углу наклона ко­торого определяется скорость пластических деформаций при различных напряжениях. Указанный способ нельзя, по-видимому, считать приемле-

131

Мым для материалов, у которых скорость деформаций ползучести — ве­личина переменная и, следовательно, нет участка с постоянной скоро­стью. Вместе с тем, например, для некоторых видов стеклопластиков ос­тается еще не решенным вопрос о наличии пластической составляющей при длительном их деформировании.

В последние годы при определении влияния длительной нагрузки и температуры на прочность различных материалов, в том числе и пласт­масс, признание получил метод, разработанный в Институте техниче­ской физики АН СССР С. Н. Журковым и его сотрудниками [43], кото­рые установили прямую зависимость логарифма долговечности (т. е. временного действия нагрузки до разрушения образца) от напряжения при постоянной температуре и обратную зависимость этого логарифма от абсолютной температуры при постоянном напряжении.

Зависимости эти предполагают, что при достаточно большом вре­мени действия нагрузки (при прочих равных условиях) прочность ма­териала стремится к нулю. Таким образом, по своему физическому смыслу метод Института технической физики исходит из отсутствия ус­тановившейся длительной прочности тел. Для инженерных целей эта теория, учитывая логарифмический характер зависимостей, дает воз­можность рассчитывать заданную долговечность материала как функ­цию напряжений и температур. Как показывают эксперименты, опреде­ленная согласно этой теории долговечность материалов в определенных границах напряжений оказывается достаточной для удовлетворения эксплуатационных требований, предъявляемых к строительным кон­струкциям.

В развитие работ С. М. Журкова [43] в ЦНИИСК был разработан [44] метод «суммарной» прямой, позволяющей путем проведения серии испытаний при различных температурах и скоростях нагружения пост­роить универсальный график, по которому длительная прочность мо­жет быть определена с учетом двух параметров — времени действия напряжения и температуры материала.

В работах американских исследователей последних лет делаются попытки интерполировать результаты механических испытаний разных материалов, в том числе и пластмасс, используя различные параметри­ческие уравнения. Эти уравнения, выведенные для металлов, в ряде случаев определяют длительную прочность пластмасс.

При изучении в ЦНИИСК длительной прочности пластмасс были использованы главным образом методы Института строительной меха­ники АН УССР и Института технической физики АН СССР. Проведен­ные в ЦНИИСК исследования показали, что зачастую решающим фак­тором, определяющим применение различных пластмасс в строительных конструкциях, становится их высокая деформативность, в значительной степени развивающаяся во времени.

Таким образом, вопросы деформирования различных пластмасс под воздействием длительных нагрузок приобретают решающее значе­ние, превалируя в некоторых случаях над их прочностью. В связи с этим возрастает значение различных теорий деформирования, в частности наследственных теорий ползучести, простейшая из которых — линейная наследственная теория ползучести, основанная на интегральных урав­нениях Больцмана — Вольтерра. Значительный интерес представляет также общая нелинейная теория наследственной ползучести, предложен­ная советскими исследователями.

Однако для того чтобы достоверно аппроксимировать эксперимен­тальные кривые, для решения уравнений теории ползучести необходи­мо задаться граничными условиями, выбранными в зависимости откон - кретных задач, а также иметь достаточное количество эксперименталь­ных данных для определения констант исследуемого материала.

В ЦНИИСК ведутся работы в этом направлении, в результате да­ны решения уравнений деформируемых сред, удобных для описания поведения конкретных видов пластмасс в процессе длительного загру - жения.

В настоящее время существуют многообразные виды пластмасс, перспективные для применения в строительных конструкциях. Экспери­менты показали, что эти материалы значительно различаются по физи­ко-механическим свойствам и, в частности, имеют различные законо­мерности развития деформаций ползучести. Для учета подобного раз­личия необходим дифференцированный подход в применении общих теорий ползучести и частных функций в уравнениях ползучести. Наря­ду с этим весьма важен вопрос о структуре деформаций ползучести, прежде всего разделение пластических и упруго-вязких компонентов.

Исследования различных конструктивных пластмасс (пенопластов, стеклопластиков и др.) показали, что развитие деформаций ползучести на достаточно большом отрезке времени (до 10—15 тыс. ч) в зависимо­сти от вида материала может быть описано либо линейным, либо степен­ным законами в зависимости от напряжения, а также различными не­линейными формами в зависимости от времени.

В настоящее время длительная прочность и ползучесть изучаются чаще всего раздельно, без взаимосвязи. Это вызывает значительные трудности при теоретических обобщениях и затрудняет построение об­щей теории поведения пластмасс в силовом поле. ^В настоящее время делаются попытки комплексного решения в теоретическом плане этих двух важных проблем.

Успехи теоретических разработок в исследовании новых материа­лов, как пластмассы, определяются наличием достаточного количества необходимых экспериментальных данных, являющихся, во-первых, кри­терием оценки и выбора соответствующих законов деформирования и, во-вторых, единственным источником получения параметров ползуче­сти и длительной прочности, характерных для данных материалов. В связи с этим особое значение приобретает тесная взаимосвязь между теоретическими и экспериментальными исследованиями конструктивных пластмасс и проведение экспериментов по унифицированным методам, обеспечивающим получение всех необходимых данных для конкретиза­ции соответствующих уравнений параметров материала. Поскольку многие конструктивные пластмассы являются гетерогенными и дисперс­ными системами, при проведении теоретических изысканий следует учитывать особенности и взаимное влияние составляющих фаз. Подоб­ным же образом надо учитывать особенности, связанные с различными видами и степенями анизотропии, характерной для многих видов кон­структивных пластмасс.

На основе всесторонних исследований пластмасс различных видов с использованием указанных теоретических положений были установ­лены основные механические й физические их характеристики, приве­денные ниже.

Ввиду того, что подробное обоснование этих характеристик имеется в литературе [111, 112, 37 и др.], мы ограничились ниже пояснениями к таблицам физико-механических характеристик и освещением некото­рых особенностей этих характеристик, специфичных для пластмасс.

При определении влияния температурно-влажностных факторов и агрессивных сред на физико-механические свойства пластмасс мы встречались с значительными трудностями. Дело в том, что для пласт­масс не могла быть использована методика, обычно применяемая при исследовании влияния совместного длительного воздействия нагрузки и различных факторов (влаги, агрессивных сред и т. д.), по которой изучалось раздельное действие каждого из этих факторов, а затем по­лученные понижающие коэффициенты перемножались. Проведенные в ЦНИИСК испытания [112] показали, что подобный метод дает ошиб­ку в сторону понижения прочности. Так, при одновременном действии на стеклопластики длительной нагрузки (до. 100 000 ч—417 суток) и агрессивной среды (однопроцентный раствор едкого натра) понижаю­щий коэффициент, определенный непосредственно из длительных испы­таний в агрессивной среде, ниже вычисленного коэффициента (получен­ного перемножением двух отдельных коэффициентов, учитывающих влияние фактора времени на предел прочности сухих образцов и агрес­сивных сред на предел прочности увлажненных образцов) в 2—3 раза.

Не дали положительных результатов и исследования по разработ­ке методов испытаний на ускоренное старение, имитирующее длитель­ное воздействие атмосферных условий. Хотя путем подбора режимов можно сравнительно быстро получить значительное снижение механи­ческих свойств пластмасс, установить достаточно точную корреляцию между результатами естественных и ускоренных испытаний на старение не удалось. Эта задача не решена и за рубежом.

Влияние указанных факторов определялось из испытаний образ­цов, подверженных одновременно воздействию длительных нагрузок и температурно-влажностных или агрессивных сред. Для упрощения методику расчета формально оставили прежней [см. например, форму­лу (3.8)].

Расчетные характеристики материалов. В табл. 8 приведены основ­ные механические характеристики материалов для расчета трехслой­ных конструкций, защищенных от увлажнения, нагрева и агрессивных воздействий: нормативные сопротивления Rli (графы 3, 5, 7, 9 табли­цы), расчетные сопротивления R (графы 4, 6, 8, 10), коэффициенты од­нородности (графа И) и длительного сопротивления — &дл (гра­фа 12). Соответствующие данные тканей и пленок для ПСК, а также характеристики клеев (зависящие в значительной степени от вида скле­иваемых материалов) приведены в отдельных таблицах.

Нормативные сопротивления RH представляют собой предел прочности при статических кратковременных испытаниях малых образ­цов. Они устанавливались на основании технических условий на соот­ветствующие материалы, а при отсутствии таких условий — путем ва­риационной обработки результатов испытаний лабораторных образцов по формуле

• Rn = M — ao, (3.1)

Где М— среднее арифметическое значение предела прочности;

О — среднее квадратичное отклонение;

А—коэффициент, принимаемый равным от 1 до 1,5 в зависимости от вида материала.

Для алюминия в соответствии с СНиП II-A. 10-62 за нормативное сопротивление принималась меньшая из величин:

А) 0,7 авр, где сгвр—наименьшее значение временного сопротивле­ния разрыву, установленное государственными стандартами или техни­ческими условиями;

Б) условный предел текучести, соответствующий напряжению при относительном остаточном удлинении 0,2%.

Коэффициент однородности £одн (табл. 8, графа 11) определялся путем статистической обработки результатов большого числа кратко­временных испытаний образцов данного материала, в том числе полу­ченных из заводских лабораторий по формуле

= (3.2)

М

Где М и а имеют прежнее значение.

Эти данные получены из испытаний при нормальных температурно - влажностных условиях в лабораторных помещениях. Между тем в про­цессе эксплуатации конструкции могут подвергаться различным темпе - ратурно-влажностным воздействиям. Можно было предположить, что эти воздействия отражаются не только на абсолютных значениях ме­ханических свойств материалов (которые учитываются посредством введения в расчетные сопротивления коэффициентов условий работы), но могут отразиться и на показателях однородности их прочностных свойств. ,

Для проверки этого предположения были проведены исследования, имеющие целью выявить влияние предварительных воздействий раз­личных температурно-влажностных факторов и их колебаний на пока­затели однородности прочностных свойств полиэфирных и фенольных стеклопластиков при растяжении. Результаты показали, что изменение йоди относительно невелико и, например, для стеклопластиков колеб­лется в пределах 7—20%. Таким образом, величина &од„, полученная из испытаний в нормальных температурно-влажностных условиях, мо­жет с достаточной точностью применяться при практических расчетах.

Путем умножения величин нормативных сопротивлений RH на ко­эффициент однородности &одн можно получить кратковременное рас­четное сопротивление

(3.3)

»

Величина расчетного сопротивления R (графы 4, 6, 8, 10) опреде­лена по формуле

Я = = (8.4)

Где kAл учитывает длительное воздействие нагрузки при нормальных температурно-влажностных условиях.

Величина &дл (графа 12) определена на основании обширных ис­пытаний в лабораторных условиях образцов различных материалов под длительной нагрузкой [111, 112 и др.]. Эти результаты были проверены и скорректированы при длительных испытаниях образцов более крупных размеров (глава 6). Для алюминия, как и вообще для металлов, &дл принят равным 1. Величина длительного предела прочности, т. е. дли­тельного нормативного сопротивления материалов /?дл, может быть оп­ределена по формуле

4 ЯдЛ = Ян£дл. (3.5)

Расчетные физические характеристики (модули продольной упру­гости и сдвига, коэффициенты Пуассона и др.) материалов и клеевых соединений при расчете конструкций, защищенных от увлажнения, на­грева и агрессивных воздействий на одновременное воздействие посто­янной и временной нагрузок, приведены в табл. 9 и 16 для ряда ма­териалов, в первую очередь пластмассовых. Наряду с основными рас­четными данными приводится также ряд данных, характеризующих

Механические характеристики материалов в кГ/см2 *

Деляются путем умножения этих характеристик, полученных из табл. 8—11 и 15—16, на соответствующие коэффициенты условия работ.

Например, расчетные сопротивления определяются по формулам:

TOC o "1-3" h z Я? = Rmt; (3.6)

ЯГ= Rmw; (3.7)

Rtw^Rmwmt; (3.8)

Rf = Rmh (3.9)

Где Rt и Mt—расчетные сопротивления и коэффициенты условия ра­боты материалов, эксплуатируемых при повышенных температурах (см. табл. 12 и 17);

Rw и mw—расчетные сопротивления и коэффициенты условия ра­боты материалов, эксплуатируемых при повышенной влажности (см. табл. 13);

Rtw— расчетные сопротивления материалов, эксплуатируемых при повышенных температурах и влажности; и rrif — расчетные сопротивления и коэффициенты условия ра­боты материалов, эксплуатируемых в атмосферных ус­ловиях (см. табл. 14).

Расчет конструкций на сочетания, включающие только постоянные нагрузки (например, собственный вес конструкций, вес установленного на конструкцию стационарного оборудования, внутреннее давление воз­духа в оболочках пневматических конструкций) и временные длитель­ные нагрузки, действующие от нескольких суток до нескольких месяцев (например, снег, сезонные колебания температуры), ведется по дли­тельным расчетным сопротивлениям (R) и длительным модулям упру­гости (Е, G).

Расчет конструкций на сочетания, включающие только кратковре­менные нагрузки и воздействия с расчетными периодами действия до 1 суток (например, ветровые[26], среднесуточные температуры, суточные колебания температуры наружного воздуха, тепловое воздействие сол­нечной радиации, вес людей, инструмента и материалов для монтаж­ных и специальных работ), ведется по кратковременным расчетным соп­ротивлениям (RK) и кратковременным модулям упругости (£к, GK).

Случай расчета конструкции на сочетания, включающие длительно действующие (постоянные или временные) и кратковременные нагруз­ки, был рассмотрен А. М. Ивановым [45], который получил следующее выражение для суммарного расчетного напряжения R':

R — + Одл = RK — <7дл ' (зл°)

ДЛ

Где сгк и (Удл — соответственно напряжения от кратковременной и дли­тельной нагрузок в момент ее приложения (до развития деформации ползучести);

RK и &дл имеют прежние значения.

Введя обозначение а = - Щ-, после простейших преобразований по - лучим

Я' =------ ^---------- =--------- *------ . (3.100

_________ I — а + а£дл 1 — а + а£дл

Стеклопластик полиэфирный на руб­леном волокне листовой, плоский и волнистый: при сжатии и растяжении. .

При изгибе....................................

Стеклопластик КАСТ-В, СВАМ, АГ-4

Стекло органическое........................

Винипласт листовой...........................

Пластики древеснослоистые, марки:

ДСП-Б...........................................

ДСП-В...........................................

Фанера бакелизированная марок ФБС и ФБСВ толщиной 7 мм и бо­лее

Фанера клеевая березовая марки

ФСФ сорта В/ВВ.................................

Полистирольные пенопласты марок ПСБ-1, ПСБ-т, ПСБ-с, ПСБ-ст,

ПС-1, ПС-4...........................................

Поливинилхлоридный пенопласт мар­ки ПХВ и ПВ-1

Фенольный пенопласт марок ФРП-1, ФЛ-1

Примечания: 1. Коэффициент условия работы материалов в конструкциях... находящихся при T=20° С, принимается равным 1.

2. При промежуточных температурах коэффициент условия работы материала опре­деляется интерполяцией.

3. Эксплуатация винипласта при температуре ниже —10° С не рекомендуется вслед­ствие повышения хрупкости материала.

4. В скобках указаны коэффициенты условия работ стеклопластика при изгибе.

Аналогичное выражение для определения суммарного расчетного модуля упругости Е' при одновременном действии длительных и крат­ковременных нагрузок имеет вид

------ (ЗЛ1>

1—а+ а ВЕК

Из анализа формул (3.10) и (3.11) видно, что при действии только крат­ковременных нагрузок (а = 1) величины R'=RK и Е' = ЕК, а при отсут­ствии кратковременных нагрузок (а=0) —R' = R и Е' = Е.

В рекомендациях ЦНИИСК [113] для упрощения расчетов принято, что в случае, если напряжения от кратковременной нагрузки акр не пре­вышают 50% от суммарных напряжений, расчет ведется по длитель­ным расчетным характеристикам (R, Е); если же напряжения от крат­ковременной нагрузки превышают 50% от суммарных напряжений, для расчета принимаются величины R и Е, увеличенные на 30%, т. е.

Rf = 1,3R; Е'= 1,3Е. (3.12)

Стеклопластики СВАМ, АГ-4, КАСТ-В.....................

Стеклопластик полиэфирный листовой, плоский,

Волнистый..................................................................

Стекло органическое...................................................

Винипласт листовой.....................................................

Фанера бакелизированная марок ФБС и ФБСВ толщиной 7 мм и более:

Для расчетных сопротивлений..............................

» модулей упругости............................................

Фанера клееная березовая, марки ФСФ, сорта В/ВВ:

При растяжении и изгибе........................................

» сжатии.................................................................

Древесноволокнистые плиты:

Сверхтвердые.........................................................

Твердые....................................................................

Древесностружечные плиты........................................

Сотопласты на основе крафт-бумаги и изоляцион­но-пропиточной бумаги:

Для расчетных сопротивлений.............................

» модулей упругости............................................

Асбестоцемент................................................................

Примечания: 1. Приведенные для КАСТ-В коэффициенты условия работы даны для материалов толщиной 2—7 мм.

2. В случаях применения материала КАСТ-В толщиной от 1 до 2 мм приведенные коэффициенты умножаются на 0,8, а при толщинах, меньших 1 мм, умножаются на 0,6.

3. Приведенные в таблице коэффициенты условия работы включают влияние перио­дического увлажнения и нагрева стеклопластиков в процессе эксплуатации в атмосфер­ных условиях.

Величина коэффициента 1,3 получена из следующих соображений: принимая в формулах (З. КУ) и (3,11) а =0,5, получим:

^—— (3.10") и Е' = ———. (3.1 Г)

1 + &ДЛ! . Е

* Для соединений алюминия с пенопластом на эпоксидных клеях и асбестоцемента с асбестоцементом на клее ДТ-1 температурные коэффициенты условия работы при сдвиге и равномерном отрыве принимаются по склеиваемым материалам. ** Для 60° С.

Фанера), имеющих высокие величины /гдл = (0,57—0,64), величины 2

---- имеют значения немного меньше 1,3 (1,22—1,27).

1 + лдл

Коэффициенты условий работы (тх) фенольных и полиэфирных стеклопластиков при их длительном выдерживании в ненапряженном

Коэффициенты условий работы /пх

Предполагаемое время эксплуатации, до

Условия воздействия

1 года

В растворе едкого натра. . В растворе серной кислоты. В растворе азотной кислоты 0,23 0,18 0,17 0,31 0,24 0,25 0,28 0,24 0,22

Состоянии в однопроцентных растворах едкого натра, серной и азотной кислот приведены в табл. 18.

Коэффициенты условий работы для фенольных стеклопластиков КАСТ-В, длительное время находящихся под воздействием однопро­центных растворов агрессивных сред в напряженном состоянии, приве­дены в табл. 19.