Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

наформовочноймашине.Витогеполучаласьполнаямеханизация всегопроцесса.Единственное,чтоограниченовописанномспособе,этоневозможностьсозданияпространственногоармирующего каркаса,т.к.тканаяметаллическаясетканеявляетсяподатливой. Поэтому данный способ, хоть и является аддитивным производ- ством,нонеможетбытьнапрямуюотнесенк3D-печати,поскольку в нем формируются плоские покрытия.

Если продолжить развивать указанное направление, то следует обратить внимание на разработку печатающего устройства, способного формировать текстильный армирующий каркас непосредственно в зоне печати с одновременной укладкой бетона. В печатающую головку может быть внедрен узел текстильной арматуры.Общийвидучасткапоизготовлениютрехмернойпечатной конструкции показан на рис. 4.5. При формировании профиля армирующего каркаса размеры и форма печатной конструкции определяются заданными размерами конструкции. Печатающая

Рис. 4.5. Схема участка 3D-печати бетона: 1 – стойки;

2 – направляющие; 3 – печатающая головка; 4 – экструдер; 5 – рулон армирующей сетки; 6 – печатаемая конструкция; 7 – фундамент

61

головка включает держатель для бобины, бобину и экструдер, перемещается с помощью направляющих (2), подъем головки для формированияпоследующегослояосуществляетсянастойках(1). Рулонармирующейсетки(5)устанавливаетсянаподвижныйвалик узларазмоткивпечатающейголовке(3).Размоткаосуществляется путемнатяжениясеткивспециальномустройствеспоследующим его движением через головку формообразования с укладчиком готового профиля. Управление шлангами и бобиной ведется с помощью автоматической системы управления.

Послезаправкисеткивголовкуобразуетсяармирующийкаркас, которыйзакрепляетсявначальнойточкепечатаемойконструкции. Важно отметить, что тянущее устройство при этом отсутствует. Необходимое для поддержания формы армирующего каркаса натяжение обеспечивается за счет движения головки формообразователя.Впроцессепечатибетонподаетсявэкструдер(4)черезтру- бы-питатели,расположенныевверхнейчастиустановки.Система монтируетсянанаправляющихпрофиляхметаллическогокаркаса, позволяющегоперемещатьпечатающееустройствострубами-пи- тателями как по горизонтали (по периметру армирующего каркаса), так и по вертикали (при печати последующих рядов). Печать конструкции(6)производитсянапредварительноподготовленном фундаменте (7).

На рис. 4.6 показан прототип 3D-печатной ТАБ-конструкции. Печать осуществлялась в ручном режиме. 3D-печать текстилем можно сравнить с процессом пультрузии, но с дополнительной автоматизацией.Тоестьнавыходемыполучаемготовыйпрофиль поперечного сечения, пропитанный связующим. В нашем случае это быстротвердеющая бетонная смесь.

Образование армирующего каркаса происходит следующим образом.Сначалаармирующаясеткафиксируетсявначалеучастка печати бетонной конструкции с помощью металлической скобы, имеющейтакойжепрофиль.Бетоннаясмесьпоступаетизбункера через трубы-питатели на экспериментальном стенде без использования насосного оборудования и напрямую попадает в образующийся каркас. Имеющийся бортик в армирующем каркасе

62

Рис. 4.6. Прототип 3D-печатной ТАБ-конструкции

будетограничиватьвыпадениебетоннойсмесинаружу.Количество армирующейсеткиврулонедолжносоответствоватькакминимум кратностипроходовпечатающейголовки.Времянасменукатушки будет оптимальным для схватывания слоя. Большее количество армирующей сетки в рулоне также может быть весьма полезным, но здесь основным ограничением является масса рулона с сеткой. Слишком тяжелая катушка будет требовать специальных механизированных устройств.

5. ТЕНТОВЫЕ И ВОЗДУХООПОРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Воздухоопорные и тентовые сооружения находят все более широкое использование из-за возможности накрытия больших площадейибыстротывозведения[38–41].Такиесооруженияпред- ставляют собой мягкие оболочечные конструкции.

Посути,онимогутвыступатьопределеннойзаменойкапитальным сооружениям. Размеры и форма таких конструкций могут бытьвесьмаразнообразны.Площадьпокрытияможетсоставлять от нескольких десятков метров до нескольких десятков тысяч квадратных метров. С каждым годом число вновь возводимых конструкций неуклонно растет. При этом реализуются самые разнообразные архитектурные решения, которые сложно или невозможновоплотитьприпомощидругихстроительныхматериалов.Донедавнеговремениширокоеиспользованиетекстильных

63

полотенвстроительныхконструкцияхбылосущественноограничено долговечностью материалов, из которых они изготавливаются. Основная причина этого заключалась в преждевременном старении полимерных материалов. С появлением новых видов технического текстиля, например полотен с покрытием, на сегодняшний день эта задача успешно решается.

Воздухоопорные конструкции представляют собой сооружения,опирающиесянавоздухзасчетизбыточногодавлениявнутри (рис. 5.1, а). Оболочка такого сооружения может быть как однослойной, так и многослойной. Такая конструкция подвергается действию постоянной растягивающей нагрузки.

Тентовыеконструкцииустанавливаютсянаметаллическомкаркасе или закрепляются предварительным натяжением с помощью тросов(рис.5.1,б).Впоследнемслучаеконструкцияостаетсявдеформированномсостоянии.Такиеперекрытиянедаютзначительных нагрузок на несущие элементы конструкций.

Области применения конструкций:

–спортивные объекты (бассейны, теннисные корты, баскетбольные и футбольные площадки и т. д.);

–местадляотдыхаиразвлечений(павильоны,аквапарки,игровые площадки и т. д.);

–промышленные объекты (хранение промышленного оборудования, производственные помещения, склады и т. д.);

–объектыэкологическогоназначения(закрытыестроительные помещения, хранилища сыпучих материалов, угля и т. п.).

По сроку службы конструкции подразделяются:

–на сезонные (кафе, выставочные павильоны и т. п.);

–временные (на период строительства или временного хранения);

–постоянные (до 20 лет службы).

По площади конструкции подразделяются:

–на малые (до 300 м2);

–средние (от 300 до 5 000 м2);

–большие (от 5 000 до 20 000 м2);

–сверхбольшие (от 20 000 м2).

64

а)

б)

Рис. 5.1. Воздухоопорная (а) и тентовая (б) конструкции

Установка конструкции осуществляется за счет:

–балочного бетонного основания;

–анкеров;

–песчаного или водного балласта;

–бетонных блоков.

Оболочка изготавливается, как правило, из плотной полиэфирной ткани полотняного переплетения шириной до 5 м. Для эксплуатациивнутрипомещенийиспользуютсятехническиеткани без покрытий, в случае внешней оболочки – технические ткани содно-илидвухстороннимполивинилхлоридным(ПВХ),полите- трафторэтиленовым(ПТФЭ),полиуретановымилисиликоновым покрытием[42,43].Тканьизготавливаетсяизвысокопрочныхнитей, чтобы противостоять нагрузкам, а дополнительное полимерноепокрытиеобеспечиваетвоздухонепроницаемостьизащищает армирующую структуру от негативных природных воздействий. Имеютсяпримерыиспользованиядругихматериалов.Так,например,«Куполтысячелетия»вЛондонеизготовленизармированной непрерывным стекловолокном ПТФЭ мембраной, закрепленной на 12 мачтах с площадью покрытия 8 гектаров [44]. Также могут применяться пленочные покрытия из полиэтилена, тефлона и фторопласта. Однако доминирующей комбинацией является полиэфирная ткань и ПВХ покрытие.

Помеханическимхарактеристикамконструкцииподразделяются на пять типов. Тип 1: 3000 Н/5 см (60 кН/м); тип 2: 4000 Н/5 см

(80 кН/м); тип 3: 5500 Н/5 см (110 кН/м); тип 4: 7000 Н/5 см (140 кН/м); тип 5: 9000 Н/5 см (180 кН/м).

Подобные конструкции должны быть спроектированы таким образом, чтобы была возможность обеспечить долговременную непрерывную эксплуатацию. Данные конструкции должны быть устойчивы к воздействию следующих факторов:

–механических (стойкость к механическим повреждениям – проколам, порезам и т. п.);

–погодных (снеговые и ветровые нагрузки, устойчивость

культрафиолетовым лучам, перепадам температур, влажности);

–биологических (гниение).

66

Воздухоопорные и тентовые конструкции часто эксплуатируются в странах с жарким климатом. Высокая температура оказывает негативное воздействие на деформационные свойства материалапокрытия.Приповышениитемпературыполимерные материалы имеют тенденцию удлиняться, что негативно сказывается на предварительном натяжении и может привести к образованию провисших участков. Слабыми местами являются швы и места технологических присоединений, например клапана, кольца, входные шлюзы для пропуска людей и грузов. Кроме того, в некоторых конструкциях предусмотрено определенное светопропусканиедляэкономиизатратнавнутреннееосвещение. Это также может снижать устойчивость к механическим нагрузкам, т. к. в этом случае приходится изыскивать возможности по подбору материала с необходимыми свойствами.

Функционированиевоздухоопорныхитентовыхконструкций осуществляется за счет предварительного напряжения мягких оболочек. По сравнению с традиционными зданиями и сооружениями эксплуатация воздухоопорных конструкций требует постоянного поддержания нужного давления, а в тентовых по- крытиях–натяжения.Какрезультат,материалытакихконструк- ций будут подвержены растяжению. Значительное снижение сопротивлениярастяжениюстечениемвремениможетпривести к потере устойчивости таких сооружений. Наряду с кажущейся простотойэксплуатацииподобныхсооруженийприсутствуетряд нежелательныхсвойств,приводящихкухудшениюхарактеристик материалов конструкций с течением времени. В воздухоопорных конструкциях это ползучесть, а в тентовых – релаксация напряжений.Перечисленныефакторымогутсущественноограничиватьсрокслужбывоздухоопорныхитентовыхконструкций в сравнении с другими конструкциями, что затрудняет их более широкое внедрение.

СП 384.1325800.2018 «Конструкции строительные тентовые. Правилапроектирования»определяетосновныетребованиякпроектированию тентовых конструкций.

67

6. СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

6.1.Классификация

Внастоящее время геосинтетические материалы, такие как геотекстиль, георешетки, геосетки и др., находят новые области применения, и не только в дорожной отрасли. Геосинетические материалы активно находят новые применения в зданиях и сооружениях, например в эксплуатируемых кровлях. По сути, геосинтетические материалы являются одними из самых прорывных технологических решений в строительстве во второй половине XXвекаибудутудерживатьэтоположениеещемногиедесятилетия. Можно с уверенностью сказать, что геосинтетические материалы представляютособыйкласссовременныхстроительныхконструкционных материалов. Они имеют множество преимуществ: более тонкиеилегкие,быстраяустановка,увеличеннаядолговечностьконструкции,отсутствиекоррозии,экономичность,экологичность[2].

Внастоящеевремяподпонятие«геосинтетическиематериалы» попадает огромное множество материалов. Термин «геосинтетика» состоит из двух частей: «гео» – от греческого «земля/почва», и «синтетика» – созданный человеком материал. Поэтому можно сказать, что это достаточно обобщенный термин, охватывающий всематериалы,однимизкомпонентовкоторыхявляетсясинтетическийилиприродныйполимер.Материалыизготавливаютсяввиде листа, полосы или трехмерной структуры, которые используются вконтактесгрунтом,камнемилидругимиматериаламипристроительстве геотехнических или гражданских сооружений.

Исходным сырьем для геосинтетических материалов являются как натуральные природные полимеры (сизаль, джут, кокосовые волокна),такисинтетическиеполимеры.Сырьемдляизготовления последнихявляютсянефтепродукты.Крометого,неорганическиеволокнатакжемогутиспользоватьсядляизготовлениягеосинтетиков.

Классифицировать геосинтетические материалы можно в зависимости:

– от выполняемой функции (усиление, разделение и т. д.);

68

–типа материала (полотно, решетка и т. д.);

–технологии изготовления (текстильное производство, экструзия);

–строения (плоский, пространственный).

Наибольшеераспространениеполучиликлассификацииповиду материала, поскольку они более четко разделяют функцию и область применения того или иного материала.

В общем случае геосинтетические материалы в зависимости от типа структуры можно разделить:

–на геотекстиль;

–георешетки;

–геосетки;

–геоматы;

–геосинтетические барьеры;

–геоячейки;

–геокомпозиты.

Каждый из перечисленных типов геосинтетиков находит свою функциюиобластьприменения.Существуютследующиеосновные функции:

–армирование;

–разделение;

–фильтрация;

–защита;

–дренирование;

–барьер;

–борьба с эрозией.

Областиприменениягеосинтетическихматериаловвесьмаразнообразны и включают в себя:

–дороги;

–насыпи;

–фундаменты;

–железные дороги;

–полигоны захоронения отходов;

–подземные сооружения

–дамбы и др.

69

6.2. Основные типы геосинтетических материалов

Согласноклассификации,приведеннойранее,делениегеосинтетических материалов производится по его типу.

Геотекстиль представляет собой плоский проницаемый материал, изготовленный по текстильной технологии и используемый вконтактесгрунтомилидругимиматериаламивгеотехническоми гражданскомстроительстве.Геотекстильпроизводитсяпооднойиз трех текстильных технологий и может быть тканым (а), нетканым (б) и вязаным (в), как показано на рис. 6.1. В целом геотекстиль занимаетоднуиздоминирующихпозицийвобъемепроизводимых геосинтетических материалов.

Геотекстиль производится как из натуральных волокон, так и синтетических.Засчетизменениясоставляющихэлементов(нитей, ровингов) можно производить полотна с широким диапазоном механических характеристик, а при изменении плотности можно варьировать размер внутренней ячейки и обеспечивать желаемые характеристикипопроницаемости.Механическиехарактеристики геотекстиляразличаютсявзависимостиоттипаиимеютдиапазон значений, представленный в табл. 6.1.

Рис. 6.1. Геотекстильные полотна

70