Материалы мягких оболочек

Наиболее употребительными материалами мягких оболочек являются ткани с покрытиями (импрегнированные ткани) и армированные пленки (рис. 2.15.2). Реже используются однородные пленки и тонкие металлические листы.

Основные требования, предъявляемые к материалам мягких оболочек: прочность при растяжении, водо- и воздухопроницаемость. Дополнительные: прочность при раздире (т. е. при дальнейшем растяжении после появления местных разрывов или порезов), долговечность, стойкость против воздействий среды (солнечной радиации, окисления, плесени, химической агрессии, мороза, нагрева) и против механических повреждений (истирания, проколов). Специальные: огнестойкость, свето- и радиопроницаемость. Технологические: массовость производства, окрашиваемость покрытия в массе в различные цвета, удобство стыковки полотнищ (шитья, сварки, склеивания).

Некоторые уточнения требований к материалам:

1) светопроницаемость тканей — 0...20%(в особых случаях до 50 %), армированных пленок — 40...90 %;

2) морозостойкость: возможность эксплуатации оболочки при — 50 °C, монтажа (без признаков повреждения покрытия или силовой основы) при —30 °C;

3) теплостойкость: потеря прочности при нагреве до 60 °C не более 5 %, до 80 °C — не более 10 %;

4) огнестойкость: трудносгораемость и самозатухание (воспламенение и тление только при контакте с открытым пламенем, после его удаления горение и тление прекращаются);

5) стойкость к химическим реагентам: очень хорошая или хорошая в зависимости от функции сооружения;

6) свариваемость: возможна при термопластичном покрытии (например, ПВХ) и при адгезии (связи покрытия с силовой основой) не менее 25 Н/см.

Ткани с покрытием состоят из силовой основы — ткани из натурального, синтетического или минерального волокна — и полимерного покрытия. Силовой основой чаще всего служат ткани из синтетических волокон: полиамидного (капрон, нейлон, перлон, дедерон) или полиэфирного (лавсан, дакрон, тревира, диолен, терилен), реже — полиакрилонитрильного (нитрон), поливинилспиртового (винол), полипропиленового (кевлар). Для особо долговечных сооружений (со сроком службы 25...30 лет) используют стойкие против УФ-излучения минеральные волокна — стеклянные.

Полимерное покрытие, наносимое на силовую основу в виде пасты (каландрование, шпредингование) или привариваемой пленки (дублирование), придает ткани водо- и воздухонепроницаемость, защищает синтетическое волокно от УФ-излучения и от механических повреждений. В качестве покрытия чаще всего используется пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ), которому соответствующим подбором компонентов приданы свойства прочности и светопогодостойкости. Реже покрытием служат синтетические каучуки. В зарубежной практике для уникальных, долговечных сооружений больших пролетов (например, крытых стадионов) используют в качестве покрытия стеклотканевой силовой основы политетрафторэтилен (тефлон).

Связь между напряжениями и удлинениями специфична для каждого вида материала мягких оболочек и отличается нелинейностью (рис. 2.15.3, а). Для расчетов рекомендуется принимать значения касательного модуля упругости E для участка кривой о—e в пределах не ниже границы предварительного натяжения и не выше расчетного сопротивления (~ 10...25 кН/м). Более полную картину деформаций ткани в двухосном напряженном состоянии, характерном для мягких оболочек, дают графики так называемых нормальных характеристик (рис. 2.15.3, б).

При назначении величины расчетного сопротивления следует учитывать изменения физико-механических свойств материала в результате реологических процессов — старения, ползучести и усталости.

Старение вызывается совместным действием тепла, влаги, озона и ультрафиолетовой зоны спектра дневного света. Старение тем интенсивнее, чем выше светопроницаемость покрытия ткани. По зарубежным (ФРГ) данным ожидаемые сроки службы материала (тревира + ПВХ) составляют: при светонепроницаемых покрытиях 15 лет, при светопроницаемости 8...6 и 50 % соответственно 10 и 5 лет.

Ползучесть — медленное нарастание деформаций под действием длительных нагрузок — выражается в потере прочности, оцениваемой коэффициентом длительного сопротивления kдл. Процесс снижения прочности подчиняется логарифмическому закону вида

где Rт — прочность на T-й день; R — кратковременная прочность; а и b — эмпирические коэффициенты, зависящие от вида тканевой основы покрытия.

Предполагается, что нарастание деформаций также следует логарифмическому закону.

Усталость как явление, связанное с многократным повышением и понижением растягивающих усилий в материалах мягких оболочек, исследовано недостаточно. Надежных и тем более нормированных данных для его количественной оценки нет.

Согласно расчетное сопротивление R материала оболочек определяется по формуле

где Rn — нормативное сопротивление (прочность при одноосном растяжении полоски материала шириной 5 см); kодн — коэффициент однородности, равный 0,8 по основе материала и 0,7 по утку; kдл — коэффициент длительной прочности, равный 0,7; kст — коэффициент старения, равный 0,5.

Прочностные характеристики тканей с покрытием приведены в табл. 2.15.2.

Отношение 1/(kдлkст) соответствует понятию «коэффициент надежности по материалу». Следует иметь в виду, что при нагреве до 70 °C (температура на поверхности оболочки в летние дни) прочность материала (капрон+ПВХ) падает до 85%/90% (основа/уток) прочности при комнатной температуре.

Материалом пневмоарок высокого давления служат герметизированные цельнотканевые рукава. Украинский научно-последовательский институт по переработке искусственных и синтетических волокон разработал технологию изготовления полых тканей — длинномерных рукавов диаметрами 200...900 мм с внутренним герметичным слоем — резиновой камерой или покрытием. Рукавные ткани с использованием капроновых нитей в 2, 3, 4 и 6 сложений обладают высокой разрывной прочностью (3...3,5 кН/см по основе и утку), гибкостью и стойкостью к внешним воздействиям.

Тонкие металлические листы из нержавеющей стали или алюминиевых сплавов, как материалы для мягких оболочек, обладают следующими достоинствами: высокой прочностью, долговечностью, водо- и воздухонепроницаемостью; их недостатки: отсутствие «мягкости» в предэксплуатационных процессах — изготовлении, транспортировании, монтаже (сгибание стального листа при радиусе, меньшем 350-кратной его толщины, приводит к пластическим деформациям), трудности соединения (сварки) тонких листов. Использование металла возможно только в виде ансамбля развертывающихся полотнищ, которые либо соединяются между собой в проектном положении (после подъема), либо снабжены эластичными соединениями, не оказывающими сопротивления мембранным усилиям (случай одноосного напряженного состояния).