ГлавнаяТканям придают воздухонепроницаемость, нанося с обеих сторон (реже — с одной) полимерное покрытие, в функцию которого входит также защита волокон ткани от климатических факторов и механических воздействий.
Помимо двух основных требований есть ряд дополнительных: прочность при раздире, стойкость против воздействий среды (солнечной радиации, окисления, увлажнения, плесени, химической агрессии, мороза, нагрева) и против механических повреждений (истирания, проколов), негорючесть (самозатухание), светопроницаемость, окрашиваемость в массе в различные цвета, умеренная стоимость, удобство стыковки полотнищ, массовость производства и др. Некоторые из этих требований в зависимости от назначения сооружения могут приобретать значение основных. Требования разнообразные и подчас несовместимые. Трудно, например, в одном материале рецептурно совместить требования огне- и морозостойкости. Поэтому материалов, полностью удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, нет, и вряд ли они могут быть.
Основным материалом современных мягких оболочек служат ткани из синтетического волокна с полимерным защитным покрытием. Чаще всего используются волокна полиамидные и полиэфирные, реже — поли-акрилнитрильные, поливинилспиртовые, полипропиленовые.
Начинают применять стеклянное волокно, ведется изучение возможности использования сверхпрочного угольного и полиамидного (СВМ, кевлар) волокна.
Полиэфирное волокно по сравнению с полиамидным отличается более высокой стойкостью к воздействиям окружающей среды, повышенным модулем упругости, однако уступает в прочности и стоит дороже. Оба вида волокон сгораемы.
Стекловолокно характеризуется высокой прочностью и стойкостью к воздействиям окружающей среды, светопроницаемостью, огнестойкостью. В то же время оно плохо сопротивляется истиранию, перегибам; шитые швы получаются слабыми.
Из волокон прядут нити, физико-механическими показателями которых служат: разрывная длина L, км, характеризующая их удельную прочность, и метрический номер (длина в метрах нити массой 1 г), характеризующий ее тонкость. За рубежом используют другую единицу, денье — масса, г, 10 000 ярдов или текс — масса, г, 1000 м нити.
Для силовой основы материала чаще всего используют ткань полотняного переплетения из нитей низких номеров (8—20) и малой крутки. Разновидность ее — рогожка — отличается расположением не одной, а двух и более нитей в ряд, что повышает сопротивление ткани раздиру. В процессе ткачества нити основы и утка, переплетаясь между собой, перестают быть прямыми (рис. 3.1,а). Это служит причиной повышенной деформативности ткани в соответствующих направлениях из-за выпрямления нитей при растяжении.
Удачной попыткой противоборствовать этому явлению можно считать создание в ГДР ткани «малимо» (рис. 3.1, б). Здесь нити обоих направлений не переплетаются, а оставаясь всегда прямыми, соединяются между собой третьим слоем тонких нитей. При этом удлинения ткани существенно сокращаются. Например, если при усилии 10 кН/м удлинения полотна вдоль основы и утка составляют соответственно 6 и 12,5%, то для «малимо» эти показатели равны 3 и 2%. Недостатком «малимо» является повышенная полимероемкость в связи с появлением третьего слоя нитей и уменьшение толщины защитного слоя над выступающими соединительными нитями.
Чтобы получить более прочные материалы, ткани дублируют, т. е. делают их двухслойными. При параллельном дублировании, когда направления нитей соединяемых слоев совпадают, прочность материала на разрыв возрастает не вдвое, а в 1,5—1,75 раза. Диагональное дублирование преследует главным образом цель повышения сопротивления раздиру. Разрывная прочность увеличивается менее заметно, чем при параллельном дублировании, особенно при одноосном растяжении. Дублированные и многослойные ткани применяют для очень крупных или ответственных сооружений, например для мягких плотин.
Защитное покрытие наносится на текстильную основу (ткань) либо в пастообразном состоянии специальными машинами (каландрами, шпредингами), либо в виде пленки (дублирование). Покрытие, наносимое на ткань, не повышает ее разрывную прочность. Сопротивление же раздиру даже падает, причем тем заметнее, чем жестче материал покрытия. Объясняется это тем, что нити, положение которых зафиксировано покрытием, рвутся поодиночке. Снижение прочности при раздире проявляется сильнее у материалов, жесткость покрытия которых повысилась в результате старения или низкой температуры.
Многие из требований к материалам, перечисленных выше, относятся прежде всего к покрытиям, которым приходится отражать агрессию внешней среды и поверхностные механические воздействия; от них также зависит и такой первостепенный технологический показатель, как возможность сварки или склейки полотнищ между собой.
Классическим покрытием с времен расцвета воздухоплавания считаются каучуки. Большинство оболочек отечественного производства до сих пор изготовляют из тканей, покрытых синтетическими каучуками: бутиловым (БК), натрий-бутадиеновым (СКБ), полихлоро-преновым (наирит, неопрен), полиизобутиленовым (ПИБ), этинен-пропиленовым (СКЭПТ), бутадиен-нитрильным (CKH), хлорсульфированным полиэтиленом (ХСПЭ) и др. (табл. 3.1). В настоящее время каучуковые покрытия уступают место покрытиям из пластмасс. За рубежом они почти полностью вытеснены как материал для воздухоопорных оболочек и встречаются лишь в пневмостержневых и пневмопанельных конструкциях. Наибольшее распространение получил пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ), которому соответствующим подбором компонентов приданы свойства прочности и светопогодостойкости. Он недорог, светопроницаем и хорошо сваривается. Жесткость при низких температурах уменьшают введением пластификаторов.
Хлорсульфированный полиэтилен (хайпалон) отличается высокой стойкостью к кислотам, окислению, озону, теплу, истиранию, солнечной радиации. Он долговечен и недорог. Морозостойкость его слабая, и он не сваривается.
Полихлоропреновые каучуки по прочности и погодостойкости сходны с хайпалоном. Имеют лучшую износоустойчивость и адгезию к текстильной основе. Недороги, не свариваются.
Фторсодержащие полимеры, например политетрафторэтилен (ПТФЭ), — фирменное наименование «тефлон» — в отечественной практике не встречаются. Их отличают высокие механические показатели и устойчивость ко всем видам порчи, особенно при высоких температурах. Они светопроницаемы и грязеотталкивающи. Очень дороги, поэтому за рубежом применяются только для уникальных сооружений, например покрытий стадионов.
Физико-механические характеристики материалов оболочек средних размеров (пролетом до 30—35 м), серийно изготовляемых более чем 20 фирмами 13 зарубежных стран, следующие.
Силовая основа — ткань из полиамидного или полиэфирного волокна, реже поливинилспиртового. Нити 840 денье (метрический номер около 9,5). Покрытие в подавляющем большинстве случаев ПВХ, изредка хайпалон; наружное покрытие обычно вдвое толще внутреннего. Прочность колеблется в довольно широких пределах: по основе — на разрыв 40—12 кН/м и на раздир 200—450 кН; по утку, как правило, на 10—20% ниже; реже — такая же, как по основе; как исключение— выше на 5—10%. Относительное удлинение при разрыве 25—30%. Толщина материала в среднем 0,5—0,8 мм, масса 600—800 г/м2, из которых на долю текстильной основы приходится 25—30%- Обычная (68% общей продукции) ширина полотнищ 190 см и менее, реже (26%) встречается ширина 190—240 см, совсем редко (3%) ширина достигает или превосходит 340 см. Окраска покрытия в массе — любого цвета, включая белый и черный. Противопожарные характеристики: самозатухающие, огнестойкие, невозгораемые, несгораемые — обеспечиваются введением в композиционный состав покрытия антипиренов: сурьмы, триоксида и фосфорных солей.
Армированные пленки (табл. 3.2) обычно делают трехслойными со средним, армирующим слоем в виде тканой или нетканой сетки из тонких пластмассовых жилок (типа капроновой лески) или нитей (крученых или ровницы). Слои пленки соединяют между собой (дублируют) тепловым способом, если они термопластичные, либо склеивают.
Значительно уступая по прочности материалам с тканевой силовой основой, армированные пленки встречаются лишь в оболочках сравнительно малых пролетов.
Отличаясь высокой светопроницаемостью, армированные пленки являются идеальным материалом для теплиц и оранжерей.
Однородные пленки, в отличие от армированных и тем более — от тканей с покрытиями, не являются продуктом сложного технологического процесса, включающего получение волокна, прядение, ткачество, нанесение защитного покрытия. Однородная пленка — первичный и окончательный продукт химического производства, не нуждающийся в дополнительных процессах, и в этом ее главное достоинство. Тем не менее современным пленкам присущи недостатки, сильно ограничивающие возможности их использования для пневматических конструкций: высокая деформативность, недостаточная прочность, недолговечность. Полотнища высокопрочных пленок, например полиэтилентерефталатных, трудно стыковать: будучи термореактивными, они не свариваются, а клеевые швы холодного отверждения не обеспечивают равнопрочности с основным материалом. Полиэтиленовые пленки, наоборот, хорошо свариваются, однако малая прочность и высокая деформативность позволяют использовать их лишь в сочетании с усиливающей сеткой, набрасываемой на пленочную оболочку. Такие пленки успешно применяют в парниковом хозяйстве, а малая их долговечность (не более одного сезона) компенсируется дешевизной.
Чтобы повысить прочность или придать особые свойства, пленки иногда дублируют и даже делают многослойными. Можно сослаться на пример пневмолинз покрытия Площади фестивалей на ЭКСПО-70. Верхняя оболочка линз была шестислойной (сверху вниз); погодозащитная 200 мк, теплоотражающая 200 мк, силовая в три слоя по 250 мк, воздухонепроницаемая 50 мк), нижняя — пятислойная (без отражающего слоя).
Один из наиболее существенных недостатков современных материалов мягких оболочек — недолговечность. Им свойственны старение, ползучесть, усталость. Если раннее старение объясняется в первую очередь воздействием климатических факторов, то ползучесть и усталость — следствие действия нагрузок. Старение, ползучесть и усталость — функции времени. Раздельное или совместное их действие проявляется в том, что к определенному сроку службы материал оболочки перестает быть достаточно прочным, наступает предельное состояние конструкции.
Старение материала вызывается совместным действием света, тепла, влаги, озона. Наиболее существенное проявление старения — падение прочности при разрыве и раздире. Повышение жесткости покрытия проявляется в его растрескивании.
Для полимерных материалов оболочки наиболее губительна ультрафиолетовая зона спектра дневного света. Срок их службы определяется получаемой дозой ультрафиолетовой радиации (УФР), которая зависит как от времени года, так и от географической широты. Несмотря на некоторую разницу в чувствительности к УФР различных волокон текстильной основы оболочки (в порядке светостойкости: полиакрилнитрильные, по-ливинилспиртовые, полиэфирные, полиамидные, полипропиленовые), разрушительное его действие тем заметнее, чем тоньше или светлее материал защитного покрытия.
При необходимости повышения светопроницаемости материала оболочки приходится считаться с неизбежным следствием этого — потерей прочности за сравнительно короткое время. В.П. Шпаков установил, что потеря прочности светонепроницаемого материала 51-019 в оболочках, смонтированных во Львове и Липецке, составляла 4—8% за 1,5 года эксплуатации. За это же время светопроницаемые участки оболочки, так называемые световые полосы, из ткани того же артикула полностью разрушились. Поэтому для световых полос в оболочках необходимо использовать более прочную текстильную основу.
Интересны данные о динамике падения прочности материалов оболочек, находившихся в эксплуатации. Американская фирма «Сид-Эйр» (найлон+ ПВХ) приводит следующие данные:
Потеря прочности за десять лет эксплуатации, по данным фирмы «Клейер» (ФРГ), составляет 30%. Другая западногерманская фирма, «Штромайер» после 9-летней эксплуатации испытала материал с текстильной основой из тревиры, покрытой ПВХ. При светопроницаемости 40 и 50% потеря прочности составила соответственно 30 и 40%.
Влияние толщины покрытия (черный неопрен) на прочность найлоновой ткани, экспонированной в течение трех лет. показано на рис. 3.2,а. Если черный цвет заменить зеленовато-коричневым, прочность упадет заметнее (рис, 3.2, б). Результаты испытаний прочности образцов материала (найлон со светло-серым покрытием ПВХ) из эксплуатируемой оболочки, проведенных авторами книги, показаны на рис. 3.3.
Факт постепенного понижения прочности оболочки в результате действия факторов светопогоды и нагрузки находит отражение в гарантийных сроках ее службы, установленных некоторыми нашими предприятиями в пять лет, или так называемыми ожидаемыми сроками эксплуатации оболочек зарубежных фирм (табл. 3.3). К сожалению, эти данные не имеют достаточного обоснования. В частности, совершенно неясна прочностная характеристика материала к концу срока гарантии. Вероятно, в это время материал еще достаточно прочен, однако запас прочности уже ниже нормы. Если считать, что по истечении гарантийного срока прочность материала сохранит половину своего начального значения, то ее убывающую величину в любое время можно приближенно оценить коэффициентом деградации по формуле
Ползучесть — явление медленной текучести материала под действием длительных нагрузок — свойственна синтетическому волокну текстильной основы оболочек как упруговязкому телу. Его напряженное состояние является функцией не только нагрузки, но и времени. Можно считать, что уменьшение прочности материала с капроновой основой в результате ползучести при длительном приложении нагрузки характеризуется коэффициентом длительной прочности kдл, который следует логарифмическому закону вида
А.Д. Топпинг рекомендует для материалов с найлоновой основой принимать A = 0,72, В = 0,055, с хлопчатобумажной — А = 0,54, B = 0,092.
Вычисленная по формуле (3.2) прочность на 1825-й день (5 лет) составляет 45% начальной.
Предполагают, что и деформации материала также следуют логарифмическому закону
Японские исследования винилонового материала KV=45,000 дают следующие значения а и b:
Отмечено, что ползучесть увеличивается с повышением температуры.
Вычисленное по формуле (3.3) относительное удлинение материала, испытывающего напряжение 40 кН/м, составит на 100-й час (4 суток) 13%, а на 10 000-й час (400 суток) — 15,2 %.
Усталость как явление, связанное с многократным повышением и понижением растягивающих напряжений, для материалов мягких оболочек исследована слабо. Есть данные о двух-трехкратном сокращении удлинений при разрыве три 100—1000-кратной цикличности загружения, о росте секущего модуля упругости, затухающем уже после 10 циклов. Отмечено, что с повышением числа циклов нагружения разрывная прочность материала падает по логарифмическому закону, но не очень интенсивно.
Расчетные сопротивления материалов оболочек существенно ниже величин разрывной прочности, полученных при кратковременных испытаниях. Это снижение обусловливается как неоднородностью материала, так и падением прочности со временем в результате ползучести и старения материала.
Нормативным сопротивлением считается величина браковочного минимума прочности, которая обычно 'принимается равной
Расчетное сопротивление получают путем деления нормативного сопротивления на коэффициент безопасности по материалу, равный в нашем случае 1/kдл*kст.
Инструкцией CH 497-77 приняты следующие величины коэффициентов (исходя из пятилетнего срока службы оболочки): kодн=0,8/0,7 (основа/уток); kдл = 0,7; kст = 0,5. Коэффициент безопасности по материалу в этом случае составит k = 1/0,7*0,5=2,86.
Для сравнения с нормативами расчетной практики за рубежом, где понятием «общий коэффициент запаса» широко пользуются, найдем kзап = 1/kодн*kдл*kст = 1/(0,8...0,7)*0,7*0,5=3,5...4.
Соответствующие данные зарубежных норм таковы: ФРГ — 5, США и Великобритания — 4, Япония — 2,5—3,3.
Анализ физико-механических данных лучших отечественных и зарубежных материалов позволяет сформулировать основные требования, которым должны удовлетворять применяемые или вновь создаваемые материалы оболочек воздухоопорных сооружений.
1. Силовая основа. Однослойная ткань из синтетического (или неорганического) волокна полотняного переплетения («рогожка») из нитей низких номеров (8—20) и малой крутки. Ширина рулона не менее 150 см, желательно 200 см.
2. Покрытие. Двухстороннее с распределением полимера в 60—65% на лицевую сторону и 35—40% на внутреннюю. Адгезия к ткани не менее 15—25 Н/см. Окрашиваемость в массе в любые цвета.
3. Прочность. Рекомендуется иметь материалы трех групп прочности — легкие, средние, тяжелые:
4. Срок эксплуатации в условиях средних широт (выше 45°) — не менее 7 лет (до потери прочности 50%) в перспективе 10—15 лет.
5. Светопроницаемость (интегральная) — 0—20%. По особому заказу — до 40% с соответствующим снижением срока эксплуатации.
6. Морозостойкость. Возможность эксплуатации оболочки при -50°С, монтажа при -30°С без признаков повреждения покрытия или силовой основы.
7. Теплостойкость. Потеря прочности по сравнению с прочностью при 20°С: при нагреве до 60°С не более 5%, при нагреве до 80°С не более 10%. Отсутствие при нагреве до 80°С признаков размягчения покрытия (липкость, текучесть, сморщивание).
8. Огнестойкость. Материал трудно сгораемый и самозатухающий, т. е. воспламеняется и тлеет только при наличии источника огня; после его удаления горение и тление прекращаются.
9. Стойкость к химическим реагентам (сильным кислотам и сильным щелочам, жирам и маслам, органическим растворителям) — очень хорошая или хорошая, в зависимости от функции сооружения.
10. Возможность сварки полотнищ, а также ремонта при положительных температурах без применения специальных режимов или приспособлений (термообработка, высокое давление и др.).