КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к объемным конструктивным элементам, таким как панели, балки и т.п., которые могут использоваться в строительстве, машиностроении, транспортной технике и других отраслях в качестве несущих (силовых) элементов.
Уже известны конструкционные элементы, выполняемые из железобетона, в которых служащий в качестве основы бетон армирован стальной арматурой [1]. Благодаря большим силам сцепления между бетоном и стальной арматурой и почти одинаковым температурным деформациям конструкционные элементы из железобетона работают как на сжатие, так и на расстояние, однако они имеют большую массу и ограниченный срок эксплуатации, т.к. подвержены разрушению при воздействии условий внешней среды.
Известны также многослойные панели, содержащие по крайней мере два внешних слоя из металла и/или бетона и по крайней мере один внутренний слой из легкого вспененного материала, например пенополимера, армированные металлическими стержнями [2]. Наличие промежуточных слоев из пеноматериала позволяет снизить массу конструкционного элемента, практически не снижая его несущей способности, однако только частично.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является известный конструкционный элемент из композиционных материалов, содержащий основу
из пенополимерного материала, армированную каркасом, выполненным в виде стержневой системы [3].
Этот известный конструкционный элемент, представляющий собой слоистую панель, содержащую центральный слой из пенополимерного материала с расположенным в нем армирующим каркасом, выполненным в виде образованной из металлических стержней подкосной решетки. Панель применяется в качестве плиты покрытия или стенового ограждения и характеризуется хорошими теплоизоляционными свойствами, несущей способностью и жесткостью, однако имеет большую массу из-за использования металлической арматуры.
Технический результат, который может быть достигнут при использовании полезной модели, заключается в снижении массы конструкционного элемента при обеспечении его высокой несущей способности и жесткости.
Для достижения указанного результата в конструкционном элементе из композиционных материалов, содержащем основу из полимерного материала с расположенным в ней армирующим каркасом, выполненным в виде стержневой системы, предлагается выполнить стержни армирующего каркаса из полимерного материала в качестве основы, армированного высокопрочными продольными волокнами.
В качестве основы конструкционного элемента может использоваться по крайней мере один полимер и/или пенополимер, выбранный из группы, включающей эпоксидные смолы, полиуретан, полипропилен, полистирол, полиэтилен.
Стержни армирующего каркаса могут быть выполнены из однородного в основе конструкционного элемента полимера, используемого в качестве связующего, а в качестве армирующих волокон могут использоваться стекло- и/или базальтовые волокна.
Армирующий каркас может быть выполнен в виде рамы, стержни которой по крайней мере в некоторых ее узлах неподвижно соединены между собой, или в виде фермы, все узлы которой выполнены шарнирными.
Стержни армирующего каркаса для лучшего сцепления с основой могут быть выполнены с развитой, например, винтовой, внешней поверхностью, а для снижения массы и экономии материала они могут быть выполнены трубчатыми.
Наружная поверхность конструкционного элемента по крайней мере частично может быть выполнена с покрытием, жесткость которого выше жесткости основы.
Конструкционный элемент может также быть выполнен в виде панели с верхним и нижним покрытием, связанным с армирующей стержневой системой.
Возможное исполнение полезной модели представлено на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 показано продольное сечение конструкционного элемента, выполненного в виде панели.
На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
На фиг.3 - вид сбоку на конструкционный элемент, выполненный в виде балки.
На фиг.4 - сечение В-В.
На фиг.5 - представлен стержень армирующего каркаса.
Конструкционный элемент из композиционных материалов содержит основу 1 из полимерного или пенополимерного материала и армирующего каркаса 2, выполненного из соединенных между собой стержней 3.
Стержни 3 могут быть соединены между собой неподвижно, образуя раму (фиг.1, 2), или шарнирно, образуя ферму (фиг.3, 4), и выполнены из полимерного материала в качестве основы, однородного полимеру в основе 1 и армированы высокопрочными продольными волокнами 4, например стекло- или базальтовыми волокнами.
Для лучшего, надежного соединения с основой 1 из пенополимерного материала наружная поверхность 5 стержней 3 может быть выполнена в процессе их формования развитой, например, винтовой. Это может быть достигнуто, в частности, при формовании стержней 3 методом пултрузии путем намотки на наружную поверхность 5 в неотвержденном состоянии жгута 6 по винтовой линии из тех же волокон, что и волокна 4. Стержни 3 могут быть выполнены трубчатыми с каналами 7, закрытыми в торцах пробками 8, обеспечивающими соединение стержней 3 в узлах армирующего каркаса 2.
В качестве основы 1 конструкционного элемента могут использоваться различные полимеры и/или пенополимеры, такие как, например, эпоксидные смолы, полистирол, полиуретан в зависимости от назначения конструкционного элемента и характера действующих нагрузок.
Для несущих панелей (фиг.1) или балок (фиг.3, 4) в качестве основы 1 может использоваться, например, пенополиуретан различной степени плотности
(и пористости), армированный каркасом 2 из стержней 3, выполненных из полиуретана, армированного стекловолокнами 4.
В зависимости от назначения конструкционного элемента и условий его использования по крайней мере часть его наружной поверхности может быть выполнена с покрытием 9 из того же материала, что основа 1, например, из пенополиуретана более высокой плотности и жесткости. При выполнении конструкционного элемента в виде панели он может иметь, по крайней мере, наружные листы покрытия 10, связанные с армирующим каркасом 2 (фиг.1).
При производстве конструкционного элемента сначала формируется армирующий каркас 2 из стержней 3 путем их жесткого или шарнирного соединения в узлах выбранной стержневой системы, а затем осуществляется формование основы 1 на каркасе 2 одним из известных методов, например, прессованием.
Заявляемый конструкционный элемент обладает минимальной массой при заданных габаритных размерах и несущей способности, при этом он имеет высокую несущую способность, поскольку усиленная основой 1 классическая стержневая система в виде каркаса 2 способна воспринимать большие нагрузки, растягивающие и снимающие стержни 3, при этом стержни 3 могут работать в условиях гораздо больших сжимающих и изгибающих усилий без потери устойчивости.
Источники информации:
[1] Энциклопедический словарь: «Политехнический», М., изд. «Большая Российская энциклопедия», 2000, стр.169.
[2] US, №3555131, кл. 264-467, 1971.
[3] SU, №699136, Е04С 2/22,1977 г.(прототип).
[4] РСТ, №WO 99/49150, Е04С 3/28, 1999 г.
[5] RU, №2009037, В29С 55/30, 1992 г.
[6] RU, №2196680, В29С 70/24, 2001 г.