СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС

Светопрозрачные и другие конструкции из стеклопластика

В зарубежном строительстве из всех типов стеклопластика основ­ное применение нашел светопрозрачный стеклопластик, который с успе­хом используется в промышленных зданиях в виде листовых элементов волнистого профиля (как правило, в сочетании с волнистыми листами из асбестоцемента или металла), плоских панелей, куполов, простран­ственных конструкций.

Светопрозрачные ограждающие конструкции служат заменой трудо­емким и малоэкономичным оконным блокам и фонарям верхнего света промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий.

Светопрозрачные ограждения нашли широкое применение в сте­нах и кровле, а также в элементах вспомогательных сооружений: наве­сах, киосках, ограждениях парков и мостов, балконов, лестничных маршей и др.

В холодных ограждениях промышленных зданий волнистые листы из стеклопластика сочетаются с волнистыми листами из асбестоцемен­та, алюминия и стали. Это дает возможность наиболее рационально использовать стеклопластик, применяя его в виде отдельных включений в кровлю и стены в количествах, диктуемых светотехническими сооб­ражениями (20—30% общей площади), а также соображениями огне­стойкости. К прогонам и фахверку листы стеклопластика крепятся теми же крепежными деталями, что и листы из других материалов.

В последнее время в связи со снижением цен на стеклопластики и получением самозатухающего материала светопрозрачный стеклопла­стик начали применять в виде больших или сплошных площадей в ограждающих конструкциях промышленных и общественных зданий.

Типоразмеры волнистых листов охватывают все (или почти все) возможные комбинации с профильными листами из других материалов: асбестоцемента, плакированной стали, волнистой стали, алюминия и др. Так, например, английская фирма «Алан Блун» выпускает до 50 типо­размеров стеклопластика, включая профили, принятые в США и Ев­ропе. Примерно так же велик ассортимент профильных листов из ви­нипласта (фирма «Мэрли») и оргстекла (фирма «Ай-Си-Ай).

Одновременно со свегопрозрачными листами потребителям пред - лагают и комплектно поставляемые детали их крепления.

Наряду со светопрозрачными стеклопластиками в последние годы в ряде стран все большее распространение получает также жесткий светопрозрачный винипласт в основном в виде волнистых листов. Хотя этот материал больше, чем стеклопластик, чувствителен к температур­ным колебаниям, обладает меньшим модулем упругости и, по ряду данных, менее долговечен, он тем не менее имеет определенные перспек­тивы в связи с широкой сырьевой базой и определенными технологиче­скими преимуществами.

Купола из стеклопластика и оргстекла нашли широкое распростра­нение за рубежом в связи с высокими светотехническими характеристи­ками, небольшим весом, относительной простотой изготовления (осо­бенно куполов из оргстекла) и др. Они выпускаются сферической или пирамидальной формы круглого, квадратного или прямоугольного очертания в плане. В США и Западной Европе применяются преиму­щественно однослойные купола, в странах же с более холодным клима­том (Швеция, Финляндия и др.) — двухслойные с воздушной про­слойкой и специальным приспособлением для отвода конденсата, сделанным в виде небольшого желоба по периметру опорной части купола.

Область применения светопрозрачных куполов — промышленные и общественные здания. Массовым выпуском их заняты десятки фирм во Франции, Англии, США, Швеции, Финляндии и других странах. Купо­ла из стеклопластика обычно выпускаются размером от 600 до 5500 мм, А из оргстекла от 400 до 2800 мм. Есть примеры применения куполов (составных) значительно больших размеров (до 10 м и более).

Имеются также примеры применения куполов из армированного винипласта (см. главу 2).

Светопрозрачные стеклопластики, которые еще совсем недавно применялись только в виде волнистых листов, сейчас начинают широко использоваться и для изготовления крупногабаритных конструкций, в особенности стеновых и кровельных панелей стандартных размеров, способных конкурировать с подобными конструкциями из традицион­ных материалов. Лишь одна американская фирма «Колуолл», выпуска­ющая трехслойные светопрозрачные панели длиной до б м, применила их в нескольких тысячах зданий.

Особый интерес представляют разработанные принципиально но­вые светопрозрачные панели капиллярной структуры[7], обладающие по­вышенной теплоизоляционной способностью при высокой светопрозрач- ности. Эти панели представляют собой сердечник из термопласта с ка­пиллярными каналами (капилляропласта), оклеенный с двух сторон плоскими листами из стеклопластика или оргстекла. Сердечник пред­ставляет собой по существу светопрозрачный сотопласт с ячейками не­больших размеров (0,1—0,2 мм). Он содержит 90% твердого вещества и 10% воздуха и изготовляется в основном из полистирола, реже — оргстекла. Возможно также применение полокарбоната — термопласта повышенной огнестойкости. Основным преимуществом этой свегопро­зрачной конструкции является высокое термическое сопротивление, что дает существенную экономию на отоплении и препятствует образованию конденсата даже при высокой влажности воздуха. Должно быть также отмечено повышенное сопротивление ее сосредоточенным, в том числе ударным нагрузкам.

Стандартные размеры панелей капиллярной структуры —3X1 м, но они могут изготовляться длиной до 10 м и шириной до 2 м. На рис. 1.14 показаны общий вид и детали промышленного здания, где в каче­стве световых ограждений кровли и стен применены панели капилляр­ной структуры размером 4,2X1 м. Панели укладываются по длинным сторонам на V-образные прокладки и стыкуются сверху при помощи металлических накладок на мастике.

В СССР стеклопластик нашел в строительных конструкциях весь­ма ограниченное применение (для отдельных опытных сооружений) в связи с недостаточным его качеством и ограниченным ассортиментом

(см. главу 3). В основном выпускаются волнистые листы с небольшой высотой волны (до 54 мм), которые применяются преимущественно в виде холодных ограждений для построек «малых форм» — киосков, навесов, легких навесов.

Между тем, как показали технико-экономические исследования [111], наибольший эффект может дать применение стеклопластика в промышленном строительстве в качестве светопрозрачных ограждений стен и кровли. При этом исключаются дорогие и трудоемкие фонарные надстройки. Эффективно также применение светопрозрачных огражде­ний в общественном строительстве.

Ограждения, выполненные сплошь из светопрозрачных конструк­ций, рекомендуются для временных общественных и вспомогательных зданий и сооружений, в которых применение светопрозрачных ограж­дений из пластмасс продиктовано повышенными светотехническими или эстетическими требованиями (например, выставочные, спортивные зда­ния и сооружения). Для других зданий и сооружений общая площадь световых проемов, заполняемых светопрозрачными конструкциями, оп­ределяется светотехническим расчетом.

ЦНИИПромзданий совместно с ЦНИИСК, Харьковским Пром- стройниипроектом и ВНИИ стеклопластиков и стекловолокна разрабо­тал ряд эффективных конструкций для промышленного строитель­ства[8]. Простейшей конструкцией являются светопрозрачные листы, укладываемые по каркасу в сочетании с волнистыми листами из непро­
зрачных материалов (асбестоцемента, стали или алюминия). Предпо­чтительно использовать стеклопластик с поперечной волной в рулонах, что исключает необходимость стыка листов по ширине. При продольной волне целесообразно использовать листы увеличенной длины (на два пролета) для сокращения числа стыков над опорами.

Уклоны покрытий в случае комбинации волнистых листов из свето­прозрачных материалов с волнистыми листами из асбестоцемента, алю­миния или стали следует назначать в соответствии с требованиями,

Предъявляемыми к покрытиям из несветопрозрачных волнистых листов. При устройстве покрытий сплошь из светопрозрачных волнистых лгстов уклоны должны быть не менее 10% в случае стыкования листов по длине ската, 5% в случае отсутствия стыков.

Длина нахлестки светопрозрачных волнистых листов в направле­нии ската покрытия (рис. 1.15) должна быть 20 см при уклонах от 10 до 25% и 15 см при уклонах более 25%. В стеновых ограждениях дли­на нахлестки должна быть 10 см.

Серьезное внимание при применении таких решений необходимо обращать на устройство креплений листов к каркасу, которые во мно­гом определяют долговечность конструкций. Крепление волнистых лис­тов к прогонам осуществляется болтами (к стальным и железобетон­ным прогонам) или шурупами (к деревянным прогонам), установлен­ными по гребням волн (рис. 1.15). Болты и шурупы должны быть оцинкованы или кадмированы.

Для листов с размерами волн 200/54, 167/50, 115/28 и 125/35 креп­ления ставятся на каждой второй волне, для листов с размерами волн 90/30 и 78/18 — на каждой третьей волне. Все крайние гребни волн каж­дого волнистого листа должны быть закреплены.

Диаметр болтов и шурупов принимают по расчету, но не менее 6 мм. Диаметр отверстия под болты и шурупы должен быть на 1—2 мм Больше диаметра крепежного болта (шурупа). Металлические шайбы под болты (шурупы) должны быть изогнуты по кривизне волны и снаб­жены эластичными герметизирующими подкладками. Диаметр шайбы принимается по расчету. В местах крепления волнистых листов уста­навливают деревянные или металлические подкладки, препятствующие оседанию волны на опоре.

Стык поперек направления ската может осуществляться болтовы­ми или клеевыми соединениями. При болтовых соединениях длина на­хлестки волнистых листов берется не менее длины одной волны; шаг болтов 30 см. Стыки волнистых листов на болтах следует герметизиро­вать ленточными прокладками (например, из эластичного пенополиуре­тана, пропитанного полиизобутиленом) или мастиками. При клеевом соединении длину нахлестки принимают по расчету, а протяженность одного стыка не более 3 м.

В соответствии с принятыми в СССР установками на капитальное строительство основное внимание в исследованиях уделено крупнораз­мерным панелям. Одна из таких конструкций состоит из металличес­кого обрамления, работающего на пролет 6 м, и опертых на него вол­нистых листов, работающих на пролет 1,2—2,4 м [4 и 112].

Предпочтителен вариант с заполнением двойными листами, как от­носительно более экономичный. Панели такой конструкции размером 4,5X2,4 м были установлены в опытном павильоне, сооруженном в Москве.

Достоинством описанной панели с металлической рамой является простота изготовления и использование материалов, выпускаемых в на­стоящее время промышленностью. Однако более экономичными и пер­спективными являются трехслойные панели с обшивками из плоских листов, обладающие повышенной жесткостью, лучшими теплотех­ническими свойствами и требующие минимального расхода ме­талла.

Небольшой вес таких конструкций позволяет применять элементы значительных размеров, однако их пролет, так же как и волнистых листов, ограничивается предельно допустимыми прогибами и некоторы­ми затруднениями технологического порядка (необходимость крупнога­баритного прессового оборудования, стыковки листов и т. д.).

В зависимости от технологии изготовления стеклопластиковые па­нели могут быть клееными или цельноформованными. Клееные панели изготовляют путем соединения на клею плоских обшивок с элементом среднего слоя: ребрами из стеклопластика, металла или антисептиро - ванной древесины [4 и 112]. Для их изготовления могут быть широко использованы стандартные стеклопластиковые материалы, производи­мые непрерывным методом: плоский и волнистые листы, а также раз­личные профильные элементы. Клееные конструкции позволяют в зави­симости от потребности сравнительно широко варьировать высоту и шаг элементов среднего слоя. Их основным недостатком, однако, явля­ется большее по сравнению с цельноформованными панелями число технологических операций, что делает более сложным их изготовление, а также менее надежное, чем в цельноформованных панелях, соедине­ние обшивок с ребрами.

Цельноформованные панели получаются непосредственно из ис­ходных компонентов — стекловолокна и связующего, из которых фор­муется коробчатый элемент путем намотки волокна на оправки прямо­угольной формы (рис. 1.16). Такие элементы еще до отверждения свя­зующего спрессовываются в панель путем создания бокового и вертикального давления. Ширина этих панелей определяется длиной коробчатых элементов и применительно к модулю промышленных зда­ний принимается равной 3 м.

Рис. 1.16. Светопрозрачные цельноформованные панели из стеклопластиков

А — схема изготовления: 1 — намот­ка стеклопластикового наполнителя на оправки; 2 — боковое сжатие; 3—вертикальное давление; 4—го­товая панель после извлечения оп­равок; б—общий вид фрагмента панели

Применение для цельноформованных панелей непрерывного, а не рубленого стекловолокна позволяет получить в панелях материал с по­вышенными значениями модуля упругости и прочности. Важнейшим преимуществом цельноформованных панелей является также односта - дийность процесса и повышенная надежность соединения тонких ребер среднего слоя с обшивками.

В настоящее время еще трудно отдать предпочтение той или иной технологической схеме изготовления светопрозрачных стеклопластико - вых конструкций. Это можно будет сделать лишь после того, как будет налажено их производство и получены данные по эксплуатации различ­ных видов светопрозрачных конструкций.

Средний слой клееных панелей может устраиваться в различных вариантах. Панели с волнистым средним слоем сравнительно просты в изготовлении и имеют хорошие светотехнические свойства. Однако высота таких панелей ограничивается максимальными размерами волны

(50—54 мм), в связи с чем А) 250^250г250 такие панели имеют огра­

Ниченную жесткость. Бо­лее приемлемые в этом отношении являются па­нели с ребристым сред­ним слоем.

При подборе разме­ров поперечного сечения светопрозрачных ребри­стых панелей особое мес­то занимает вопрос о ши­рине и высоте ребер и ча­стоте их размещения. Применение тонких, невы­соких и редко расставлен­ных ребер обеспечивает большее светопропуска - ние панели (см. ниже), но вместе с тем приводит к снижению ее несущей спо­собности и жесткости. При назначении шага ре­бер следует также учиты­вать несущую способ­ность обшивки в услови­ях ее работы на местную нагрузку и пролет, рав­ный расстоянию между ребрами.

Пролет трехслойных панелей благодаря их значительно большей жесткости, чем у волни­стых листов, может быть доведен для плит кровли до 3 м, а для панелей стен — до 6 м.

Трехслойные клееные панели со средним слоем из деревянных ребер при­менены, например, для служебных помещений Киевского отделения ВНИИНСМ.

Особый интерес представляет использование трехслойных панелей для устройства зенитных фонарей в кровле промышленных и общест­венных зданий. Разработка и исследование светопрозрачных конструк­ций для промышленного строительства проводились в ЦНИИПромзда - ний совместно с ЦНИИСК[9]. На основе комплексных исследований раз­
работай ряд интересных решений зенитных фонарей из стеклопластика и оргстекла, а также осуществлены опытные объекты.

Зенитные фонари из стеклопластика могут решаться в виде купо­лов или панельной конструкции (рис. 1.17). В свою очередь последние могут быть клееными или цельноформованными, плоскими или криво­линейными. В связи с пониженной несущей способностью стеклопласти­ка опирание панелей производится по длинным сторонам на соседние глухие панели, которые для этой цели должны быть усилены. Возмож­но также устройство специальных опорных ребер.

M

Поскольку сечение панели, как правило, определяется расчетом ее по прогибам, в части конструкций использована возможность умень­шения прогибов путем соответствующего крепления панели на опорах. В зависимости от конструкции такого крепления и жесткости самой па­нели прогиб панели может быть уменьшен как за счет развития опор­ного момента, так и появления «цепных» усилий, способствующих раз­витию в панели дополнительных растягивающих напряжений. В послед­нем случае необходимо предусмотреть конструктивные меры, которые исключали бы возможность сближения опорных кромок панели (на­пример, путем крепления панели к специальной раме или к соседним жестким конструкциям).

Значительное уменьшение прогибов может быть достигнуто также путем придания панели пространственной формы. Криволинейная па­нель сводчатого типа лучше, чем плоская, работает на статические на­грузки, а ее очертание способствует лучшему удалению грязи и воды с наружной поверхности. Конструкция этой панели аналогична приня­той для светопрозрачного покрытия бассейна в г. Пушкино (см. ниже).

Зенитные фонари в виде куполов обычно прямоугольного очерта­ния устраиваются, как правило, двойными, учитывая наши сравнитель­но суровые климатические условия. Они могут устанавливаться отдель-

4 А. Б. Губенко

Ными куполами или быть сблокированными на плите покрытия. Пока в СССР практическое применение нашли лишь купола из органическо­го стекла в связи с отсутствием стеклопластика нужного качества и размеров.

В покрытии московского Дворца пионеров (рис. 1.18) над залом лектория установлено с шагом около 1,5 м 100 сферических куполов диаметром 60 см. Этими куполами освещается площадь около 300 м2. Конструкция куполов возвышается над кровлей, что обеспечивает их лучшую очистку и сброс дождевой воды.

В этом же здании над зимним садом применена другая конструк­ция, которая состоит из треугольных пакетов, склеенных из двух плос­ких листов органического стекла, уложенных по стальному каркасу сферического очертания. Диаметр купола, образованного пространст­венным каркасом, около 3 м. Пакеты из органического стекла уплотня­ли в каркасе пористой резиной и герметизировали мастикой У 30-м. Теплый воздух, который скапливается в подкупольном пространстве, препятствует образованию конденсата на внутренней поверхности купола.

Наблюдения за куполами из органического стекла московского Дворца пионеров показали, что бесшовные светопрозрачные конструк­ции имеют неоспоримые преимущества перед сборными. Объясняется это тем, что эксплуатация сферического купола, состоящего из тре­угольных пакетов, более затруднительна, чем бесшовных куполов ма­лого диаметра. Плоская поверхность стеклопакетов, частое расположе­ние элементов каркаса и герметизирующая мастика затрудняют сток воды и сдувание пыли, а в зимнее время способствуют образованию снежных заносов. Эти факторы значительно снижают светопропуска - ние конструкций и приводят к нарушению герметизации между эле­ментами.

Светотехнические испытания этих покрытий дали хорошие резуль­таты. Было установлено, что освещенность от естественного света гори­зонтальной площади на уровне пола зала лектория почти такая же, как при искусственном освещении. Освещение является практически рав­номерным (колебание 2—2,5%). Определение влияния снегового по­крова показало, что при толщине последнего 1—2 см освещенность по­мещения падает на 20%. При плюсовых температурах выпавший снег подтаивает.

Зенитные купола из оргстекла нашли также применение при стро­ительстве ряда промышленных зданий: Полтавского завода алмазных инструментов (рис. 1.19), Смоленского завода по переработке пластмасс, лабораторного корпуса Ногинского научного центра АН СССР и др. Конструкции куполов в указанных объектах аналогичны. Размеры купо­лов по длине 1100 мм, по ширине 650—800 мм. Купола двухслойные, опорные стаканы имеют наклонные грани.

Стержневые и другие несущие конструкции из стеклопластика при­меняются сравнительно редко, в связи с его недостаточно высокими ме­ханическими свойствами (особенно малой жесткостью). Область приме­нения этих конструкций носит специфический характер, связанный в основном с особыми условиями эксплуатации, как, например, при тре­бовании повышенной коррозионной стойкости, радиопрозрачности, высо­кой транспортабельности и др.

Сравнительно большой эффект дает применение стеклопластиковых конструкций, подверженных воздействию различных агрессивных веществ, которые быстро разрушают обычные материалы. В 1960 г. на изготовление коррозиестойких стеклопластиковых конструкций только
в США было израсходовано около 7,5 млн. долл. (общая стоимость свето­прозрачных стеклопластиков, произведенных в 1959 г. в США, составля­ет примерно 40 млн. долл.). Интерес к коррозиестойким стеклопласти - ковым конструкциям объясняется, по данным фирм, в первую очередь их хорошими экономическими эксплуатационными показателями. Их вес

А)

Рис. 1.19. Купола из ор­ганического стекла на кровле Полтавского за­вода алмазных инстру­ментов

А — общий вид; б — конст­рукция опорного узла: 1 — купол; 2 — желоб для сбора конденсата; 3 — моро­зостойкая губчатая резина;

4 — деревянная рама;

5 — прижимная металличе­ская кляммера; 6 —фартук из оцинкованной стали; 7 — гидроизоляционный ко­вер; 8 — уплотненная шла­ковата; 9 — металлический опорный стакан; 10—плит­ный утеплитель; 11 — ас­фальтовая стяжка; 12—от­сыпка из гранулированного

Шлака

Намного меньше стальных или деревянных конструкций, они значительно долговечнее последних, легко возводятся, ремонтируются и очищаются, могут быть изготовлены на основе самозатухающих смол, а светопро­зрачные емкости не нуждаются в водомерных стеклах. Так, серийная ем­кость для агрессивных сред высотой 6 м и диаметром 3 м весит около 680 кг, в то время как подобная стальная емкость весит около 4,5 т. Вес вытяжной трубы диаметром 3 м и высотой 14,3 му предназначенной для металлургического производства, составляет 77—Vio веса стальной тру­бы при одинаковой несущей способности; хотя стеклопластиковая тру­ба в изготовлении обошлась в 1,5 раза дороже, она экономичнее сталь­
ной, поскольку, по данным зарубежных фирм, срок службы таких соору­жений, изготовленных из стали, исчисляется неделями, из нержавеющей стали — месяцами, подобные же сооружения из стеклопластика эксплуа­тируются без повреждения годами. Так, труба высотой 60 ж и диаметром 1,5 м эксплуатируется седьмой год. Ранее же установленная труба из не­ржавеющей стали прослужила всего 8 меся­цев, а ее изготовление и установка обош­лись только в два раза дешевле. Таким об­разом, стоимость трубы из стеклопластика окупилась уже через 16 месяцев.

Примером долговечности в условиях аг­рессивной среды являются также емкости из стеклопластика. Такая емкость диаметром и высотой 3 ж, предназначенная для различ­ных кислот (в том числе серной), с темпера­турой около 80° С эксплуатируется без ре­монта 10 лет, прослужив в 6 раз больше, чем соответствующая металлическая; лишь одни ремонтные расходы на последнюю за пятилетний период равны стоимости емко­сти из стеклопластика.

В Англии, ФРГ и США широкое распро­странение также нашли емкости в виде складов и резервуаров для воды значитель­ной высоты (рис. 1.20).

Наряду с указанными крупногабарит­ными изделиями в ряде стран (США, Анг­лия) в серийном порядке из стеклопласти­ков изготовляются трубы, секции воздуховодов и другие подобные эле­менты, предназначенные для эксплуатации в условиях агрессивных сред.