Страница компании Инновационные Конструкции в Twitter
Страница компании Инновационные Конструкции в Facebook
Страница компании Инновационные Конструкции в Instagram
(495) 532 56 55

Структура архитектурных тканевых материалов

По структуре материалы могут быть однослойными и многослойными. Многослойные материалы получают дублированием слоев однослойных материалов.

Материалы состоят из силовой основы, выполненной из технических тканей или сеток и заполнителя на основе эластомеров или термопластов.

В структуре материала техническая ткань или сетка выполняет функции арматуры, обеспечивающей прочность материала по направлениям. Дублирование слоев материала используется для увеличения прочности или изменения характера анизотропии материала.

Прочность материала в одном направлении можно обеспечить созданием силовой основы со специальными свойствами, например, применением двухосновных тканей или использованием для тканей высокопрочных материалов.

В качестве заполнителя и одновременно в качестве защитного покрытия обеспечивающего длительную эксплуатацию материала в сооружении (изделии) используются пленочные покрытия. Требования к длительной эксплуатации полимерного покрытия и защитных слоев лака или пленочного материала зависят от вида сооружения.

Если сооружение используется в строительных (архитектурных) целях, то срок службы полимерного покрытия и защитных слоев должен определяться исходя из требований надежности и долговечности сооружения.

Если сооружение используется, например, в качестве гидротехнического изделия (дамбы), то срок службы полимерных материалов определяется временем уплотнения до водонепроницаемого состояния грунта, заполняющего внутренний объем изделия. В обоих случаях эффективность использования тканевых материалов зависит от прочности, надежности силовой основы и сроков ее долговечности после выхода из строя полимерного покрытия.

Для любых видов применения полимерных композиций срок службы силового слоя материала (определяемого несущей способностью тканевых композиций независимо от технологий изготовления) должен превосходить срок службы полимерных покрытий материала.

Выбор полимерной композиции зависит от назначения изделия, условий его применения и расчетной надежности материала.

В зависимости от назначения материала используются односторонние или двухсторонние пленочные покрытия. Совместная работа силовой основы и заполнителя обеспечивается сцеплением заполнителя с основой.

Силовые основы в материалах применяются в виде:

  • - технических тканей;
  • - нетканых материалов;
  • - сетки.

Тканевые материалы обычно изготавливаются на ткацком оборудовании. Не тканые материалы, как правило, изготавливаются из сеток с ортогональными направлениями нитей.

В тканевых материалах различают два ортотропных направления, - основу и уток.

Переплетение нитей в технических тканях обычно применяется полотняным или в виде рогожки, имеются и другие виды переплетений нитей силовой основы. Последнее переплетение в виде рогожки отличается от полотняного наличием двух комплексных нитей в направлении основы или двух нитей в направлении утка.

По количеству нитей, входящих в основу или уток различают одно и двухосновные ткани. При использовании полиосновных или полиуточных тканей соответственно на количество дополнительных комплексных нитей одной прочности увеличивается прочность и снижается деформативность ткани. Многослойные материалы используются в тех случаях, когда свойства однослойной композиции не могут удовлетворить требованиям прочности или деформативности, предъявляемым к конструкции.

Нетканые материалы изготавливаются из ортотропных слоев нитей без переплетения. В качестве нетканых материалов могут использоваться нити со связками в узлах перекрещивания более тонкими нитями или со связями в узлах переплетения с помощью специальных составов с образованием микропластика. В некоторых случаях часть функций силовой основы могут исполнять армированные пленочные покрытия.

Тканые материалы изготавливаются из комплексных нитей одной или двух типов нитей одной линейной плотности и из одного вида материала ниток.

Нетканые материалы допускают использование ниток различной прочности и из различных материалов.

В качестве структурного заполнителя ячеек сеток и тканевых материалов используются смолы на основе фторполимеров, винилов, поливинилхлоридов, полиуретанов.

  • Композиции на основе фторполимеров (Kevlar, Teflon) применяются в материалах, которые используются для создания стационарных сооружений со сроком службы более 30лет.
  • Для материалов со сроком службы более 20 лет используются ткани на основе волокон из полиароматических структур (tedlar, armos, svm).
  • Тканевые материалы и сетчатые структуры, изготовленные из волокон на основе стекловолокна (FG), керамических вискеров и карбидов кремния используются для создания материалов со сроком службы 15 лет.
  • Ткани на основе волокон полиэстера, углеродоволокнистых композиций используются для создания материалов со сроком службы до 12 лет.
  • Ткани на основе полиамидов и полиимидов используются для создания материалов со сроком службы до 5 лет.

По аналогии с железобетонными конструкциями технические ткани или сетки выполняют функции арматуры, а полимерная матрица выполняет функции бетонной смеси, предназначенной для защиты от повреждений силовых структур материала. Выбор материала для силовой структуры определяется назначением сооружения или изделия и характеристиками нагрузок.

Требование многократной складываемости сооружений и минимизации транспортного объема, по сравнению с проектным объемом приводит к необходимости использования весьма гибких материалов. Требование совместного восприятия силовых воздействий и воздействий, удерживающих внутреннюю среду, приводит к необходимости применения армированных материалов с различными свойствами для покрывающих и несущих слоев.

Покрывающие слои, как правило, выполняются из полимерных материалов, имеющих упруго пластические свойства. Как правило, для изготовления тканевых материалов и их покрытия используются линейные полимеры. Между полимерными покрытиями и силовым слоем должны быть обеспечены условия совместности деформаций. Эти условия обеспечиваются адгезией и сдвиговыми свойствами материала покрытия. Абсолютная гибкость силового слоя обеспечивается за счет структуры материала в этом слое в виде комплексных нитей и соответствующего направлению нитей, усилиям в сооружении.

Порядок изготовления технической ткани:

  • - элементарное волокно;
  • - филаментная нить;
  • - кордная нить;
  • - комплексная нить или жгут.

Как правило, прочность технических тканей и линейная плотность зависят от количества комплексных нитей, приходящихся на 1см ширины ткани.

Для изготовления комплексных нитей используются искусственные волокна на основе полиамидов и полиэстера, но могут использоваться и стекловолокно, волокна из расплавов кремния (вискеры) и базальта, углеродоподобные материалы и определенные виды металлов.

При создании материала используются последовательно крученые изделия из филаментных, кордных и комплексных нитей. Эти виды нитей изготавливаются кручением сначала элементарных волокон, затем по мере укрупнения соответствующих композиций из нитей. Кручение придает нитям требуемый рельеф для обеспечения анкеровки нити в полимерном слое (адгезию).

Рассмотрим наиболее распространенный вид силовой основы, используемый для изготовления материалов текстильной архитектуры. Рассмотрим материал второй группы прочности, изготавливаемый из волокон на основе полиэстера. Для обеспечения заданной прочности материала до 200 кг/(полоса 5см) используются волокна полиэстера линейной плотностью 1100 dtex.

Характеристики различных видов материалов при фиксированной массе (масса комплексной нити для PES) приводятся в таблице 1.

Характеристики материала для нити PA PES FG CA Al Сталь Сплавы высокопрочные и SiOC
Модуль Юнга, ГПа 1,2 3,5 60 345 87,5 210 450-650
Плотность, г/см3 1,14 1,42 2,6 1,7 2,87 7,87 До 7,87
Номинальная линейная плотность, dtex 1100 1100 - - - - -
Диаметр элементарной нити, мкм 14 14 14 14 14 14 14
Срок службы в незащищенном полимером состоянии (без лаковых покрытий), лет 2 4 8 12 18 20 25
Срок службы с покрытием PVC+AFC, лет 4,5 6,9 12 16 20 24 28
Срок службы с покрытием PVC+PVDF, лет 6 9,6 15 18 23 28 >30
Срок службы с покрытием PVF, лет - 12,4 18,5 21 25 32 >50

Обозначения:

  • РА – полиамид (капрон);
  • PES – полиэстер (лавсан);
  • FG – стекловолокно;
  • СА – углеродоволокнистые материалы;
  • Al – алюминиевые волокна;
  • SiOC – кремне органические соединения;
  • Kevlar – волокна из ароматических углеводородов (АРМОС, РУСАР в России; Kevlar в США);
  • Basalt – базальтовые волокна.

Если следовать существующим правилам производства силовой основы из комплексной нити при одинаковом количестве элементарных волокон, количестве нитей на участке длины в 1см (для примера принято 13 нитей на 1 см), то получим следующие диаграммы прочности по видам использования материалов - Рис.1.

Рис.1. Диаграмма прочности силовой основы в направлении основы в зависимости от вида материалов при фиксированной массе и количеству волокон комплексной нити.

Из диаграмм видно, что использование металлических и углеродных волокон, несмотря на увеличенную массовую плотность материалов, будет способствовать получению разреженной технической ткани, увеличению прочности ткани при одновременном снижении массы материала. Следовательно, можно будет получать покрытые материалы со стабильными свойствами с увеличенным содержанием полимерных композиций. Из этих условий возрастает величина адгезии полимерного покрытия и, следовательно, прочность и надежность сварных конструкционных и технологических соединений. Увеличение адгезионных характеристик в свою очередь приводит к росту прочности и надежности изделий из тканевых покрытых материалов и упрощению технологических процессов сварки соединений.

Рассмотрим на Рис.2, стекловолокна (FG) и волокна из ароматических углеводородов (Кевлар, Армос, Русар, СВМ).

Рис.2. Диаграмма прочности силовой основы в направлении основы в зависимости от вида материалов при фиксированной массе и количеству волокон комплексной нити.

С переходом на волокна из металлических материалов и углерода имеется возможность изменить количество волокон в комплексной нити и изменить количество нитей на участке 1 см при одновременном увеличении прочности материала.

Таким образом, можно получить разреженную структуру ткани (просвечивающее переплетение) и получить безусадочный материал для силовой основы.

Условный размер (диаметр) комплексных нитей, из которых изготавливается ткань и материал, филаментарные коэффициенты и число кручений определяют (по аналогии с железобетоном) минимальный размер защитного слоя для полимерного покрытия материала и величину заделки нитей ткани в полимерном покрытии и взаимодействии с адгезионным слоем.

Рис.3. Структура материала тканевого покрытого: верхние два рисунка до нагружения, нижние два рисунка при действии нагрузки в направлении основы и утка (плоское напряженное состояние).

Элементарные нити на основе химических волокон относятся к разупрочняющим в процессе нагружения материалам. Элементарные нити на основе естественных волокон относятся к упрочняющимся в процессе нагружения материалам. Отсюда возникают разные механизмы образования усталости и различные требования к длительной прочности материалов, а, следовательно, и к надежности материалов.

Исследования материалов на трещинообразование в плоском напряженном состоянии во времени выполняется методами механики сплошной среды (МСС) или экспериментально на линейных, плоских или объемных образцах материала в сочетании естественной экспозиции и искусственного старения материала в нагруженном состоянии, включая действие циклических нагрузок.

Исследования материалов, поставляемых для изготовления сооружений и изделий, показали, что основную защитную функцию, обеспечивающую долговечность материала в напряженном состоянии, выполняют лицевой и изнаночный основные слои покрытия материала. Эти слои в первую очередь отвечают за трещиностойкость материала.

Зная механизм воздействия на основные слои покрытия материала и методы расчеты изменения толщины основных слоев можно создавать материалы с заданным сроком службы.

Известно, что сталь обладает значительной долговечностью, если исключить влияние коррозии.

Поэтому толщина полимерного покрытия выбирается из условий:

  • - обеспечения коррозионной стойкости технической ткани в составе композиции;
  • - обеспечения прочности сварных соединений через полимерный материал или создания способов сварки "стальной ткани" в полимерной композиции.

В реальном изделии материалы работают на циклические нагрузки. Данные о циклической прочности материала, величине и характере усталостных напряжений и пределе выносливости необходимы, чтобы оценить долговечность конструкции изделия из тканевого материала. Вопросы циклической прочности в основном определяются по результатам экспериментальных исследований, если известен закон образования механизма усталости и если известны нагрузки и воздействия на инженерные тканевые системы.

Наши клиенты
  • title
  • title
  • title
  • title
  • title
  • title
  • title
  • title
  • title
  • title
Статьи и полезная информация

Здесь Вы найдете краткую техническую информацию о каркасно-тентовых сооружениях, мембранных и тентовых тканях и др. Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, если у Вас возникнут более конкретные вопросы.

Тел./Факс: +7 (495) 532 56 55
E-mail: info@iconstr.ru

©2008-2016, г.Москва, ООО "Инновационные Конструкции" - Быстровозводимые здания Адрес: г. Москва, ул.Клары Цеткин, д.31