ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Войтова Жанна Миколаївна

УДК 624.014:620.193

ДОВГОВІЧНІСТЬ КОМБІНОВАНИХ ОГОРОДЖУЮЧИХ КОНСТРУКЦІЙ З

ВИКОРИСТАННЯМ СКЛОПЛАСТІВ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ І

МЕТАЛОПЛАСТІВ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Металеві конструкції” Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
КОРОЛЬОВ Володимир Петрович,

Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач науково-виробничої випробувальної лабораторії “Антикор-Дон”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Стоянов Володимир Васильович

Одеська державна академія будівництва і архітектури, зав. кафедрою “Металеві, дерев’яні та пластмасові конструкції”;

кандидат технічних наук, доцент

Чернишев Юрій Петрович

Донецький ПромбудНДІпроект, зав. відділом „Хімія бетону та довговічність будівельних конструкцій”

Провідна установа: | Харківська державна академія міського господарства, кафедра “Будівельні конструкції”, Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться “12” травня 2005 року о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 при Донбаській національній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донбаської національной академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий “ 5 ” квітня 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема забезпечення надійності будівельних конструкцій на сучасному етапі пов'язана з удосконалюванням принципів формоутворення, що включають використання матеріалів із заданими властивостями, серед яких найбільше поширення одержують композиційні матеріали. За останнє десятиліття в будівельній індустрії намітилася тенденція розширення галузі застосування комбінованих огороджуючих конструкцій з листовими пластиками, які прийшли на заміну традиційного оргскла і полістиролу. Використання стільникового полікарбонату, полівінілхлоридних профілів, металопластів у практиці проектування огороджуючих конструкцій забезпечує можливість розробки конструктивних рішень з урахуванням функціонального призначення об'єктів при встановлених показниках зниження металоємності, підвищення надійності і довговічності, збільшення ресурсу роботи в екстремальних умовах.

Аналіз данних споживання основних конструкційних матеріалів в Україні свідчить про те, що в 2001-2003р.р. обсяги використання металів у будівництві склали 55-60%, а продукція синтетичних полімерів 15-20%. Економічна ситуація, пов'язана зі збільшенням вартості металопроката в середньому на 20-30%, вимагає реалізації ефективних заходів, пов'язаних із захистом існуючого металофонду від корозійного руйнування і створює сприятливі умови для розширення використання конструкційних полімерних матеріалів. Законодавчою базою для удосконалювання конструктивних рішень комбінованих огороджуючих конструкцій, обґрунтування застосування склопластів, полімерних матеріалів і металопластів у будівництві є Указ Президента України “Про заходи щодо підвищення якості вітчизняної продукції”, Постанова Кабінета Міністрів України “Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд і інженерних мереж” (№409 від 05.05.1997 р.) і державної науково-технічної Програми „Ресурс” (№1331 від 08.10.2004р.).

Разом з цим необхідно удосконалювання нормативно-методичного забезпечення для оцінки показників довговічності, пов'язаних зі зміною структури і властивостей полімерних матеріалів під дією кліматологічних впливів, механічних навантажень і корозійно-активних середовищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного та прикладного характера відповідають пріоритетному напрямку розвитку науки та техніки в Україні на період до 2006 року „Нові речовини та матеріали” (Указ №2623-III від 11 липня 2001 року) та були виконані в межах державної науково-технічної програми №04.05 „Підвищення надійності та довговічності машин та конструкцій” (розділ 04.05.01 „Протикорозійний захист металофонду України”) (замовник – Міністерство освіти і науки України, 1996-2000р.р.), а також у рамках кафедральної держбюджетної теми К-2-10-01 “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко-математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд” (держ. рег. №0101U004769) і держбюджетної теми Д-2-1-03 “Розробка програми щодо надійності конструктивних систем для попередження й усунення аварійних ситуацій та техногенних ризиків”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне і експериментальне обґрунтування методики розрахунку довговічності комбінованих огороджувальних конструкцій на основі моделювання напружено-деформованого стану (НДС) склопластів, полімерних матеріалів і металопластів у корозійному середовищі.

Для досягнення поставленої автором мети вирішені наступні задачі:

- Встановлення методологічних принципів розрахунку огороджуючих конструкцій на основі прискорених і стендових випробувань на кліматичне старіння;

- Експериментальна оцінка зміни експлуатаційної несучої здібності конструкційних пластмас в умовах корозійних впливів при короткочасних випробуваннях монотонно зростаючою деформацією і тривалим режимом навантаження;

- Експериментальні дослідження огороджуючих конструкцій для обгрунтування коефіцієнту надійності протикорозійного захисту армованих поліестерових покриттів та металопластів;

- Розробка конструктивних рішень, що забезпечують гарантовану довговічність комбінованих огороджуючих конструкцій, з урахуванням ступеня агресивності режиму експлуатації.

Об'єкти досліджень – комбіновані огороджуючи конструкції з використанням склопластиків, полімерів і металопластів в умовах впливу агресивного середовища і технологічних впливів з гарантованими показниками довговічності.

Предметом дослідження є обгрунтування засобів та методів первинного та вторинного захисту комбінованих огороджуючих конструкцій на основі ознак граничних станів.

Методи досліджень засновані на статистичному аналізі дефектів і пошкоджень, розрахунково-експериментальних даних фізико-хімічного моделювання корозійно-механічного руйнування, розрахункових моделях і розрахункових ситуаціях, розгляді причин і наслідків ознак граничних станів.

Наукова новизна отриманих результатів:

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

- Оцінка показників довговічності склопластів, полімерних матеріалів і металопластів на корозійні впливи відповідно до вимог першої редакції ДБН “Захист від корозії в будівництві. Діагностика корозійного стану та продовження нормативного ресурсу металевих конструкцій”;

- Розрахунково-експериментальні методики для порівняльної оцінки термінів служби полімерних матеріалів в умовах світло-, термостаріння при впливах агресивних середовищ;

- Діаграма “напруга-деформація” роботи металопластів, що відображує вплив поверхневих дефектів і пошкоджень при впливі агресивного середовища;

- Технологія ремонтно-відбудовчих робіт з використанням „ТехноПласт Рулон”, що дозволяє збільшити експлуатаційну несучу спроможність огороджуючих конструкцій на 10-15% без додаткових витрат, пов’язаних з підсиленням конструктивних елементів.

Впровадження результатів роботи:

-

-

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача:

- На основі розрахункової оцінки показників гарантованої довговічності розроблені конструктивні рішення просторового блоку покриття, що включає світлопрозорі панелі зі стільникового полікарбонату;

- Обгрунтовані розрахункові залежності для визначення термінів служби склопластів, полімерних матеріалів і металопластів за ознаками граничних станів з урахуванням корозійних впливів за вимогами першої редакції ДБН “Захист від корозії в будівництві. Діагностика корозійного стану та продовження нормативного ресурсу металевих конструкцій”;

- Отримано експериментальні дані випробувань зразків для побудови діаграм “напруження-деформація” (?-е) ?оботи металопласту (сталь з поліестеровим покриттям);

- Виконано техніко-економічне обґрунтування ефективності застосування технології “ТехноПласт” для ремонтно-відбудовчих робіт об'єктів ВАТ “Ясинівський КХЗ”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися: на V-й Українській науково-технічній конференції “Застосування пластмас у будівництві і міському господарстві”, м.Харків, 2000р.; науково – технічних конференціях ДонНАБА 1998-2003р.р.; на міжнародній науково – технічній конференції “Будівництво, реконструкція і відновлення будинків і споруджень міського господарства”, м.Харків, 2002р.; на міжнародній науково – практичній конференції-виставці “Донбас-Ресурс-2003. Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будинків, споруд і інженерних мереж” м.Донецьк, 2003р.; на Міжнародній науково-практичній конференції „Водопостачання, водовідведення та охорона водних ресурсів”, м.Макіївка, 2005р.

Публікації. Основні положення дисертації знайшли своє відображення в 10 друкованих працях і одному авторському посвідченні, з яких 1 стаття в науковому журналі, 7 статей у збірниках і 2 статті у матеріалах та тезах конференцій; в тому числі 2 роботи опубліковані без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, основних результатів і висновків, списку використаних джерел зі 160 найменувань, чотирьох додатків. Робота викладена на 185 сторінках, у тому числі 140 сторінок основного тексту, 17 сторінок списку використаних джерел, 17 повних сторінок з рисунками і таблицями, 33 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи, представлена її загальна характеристика.

Перший розділ присвячений аналізу вимог до комбінованих огороджуючих конструкцій з використанням полімерів при проектуванні, виготовленні й обґрунтуванню необхідності створення нормативної бази з розрахунку конструкційних пластиків, металопластів і склопластів при експлуатації в умовах агресивних впливів. Огороджуючі конструкції піддані навантаженням і впливам, що викликають утрату захисно-декоративних властивостей і зниження експлуатаційної несучої здатності конструктивних елементів з використанням склопластів, полімерних матеріалів і металопластів.

Відсутність регламентних методів оцінки довговічності викликає труднощі при виборі матеріалів, конструктивних рішень з урахуванням характеру та інтенсивності корозійних впливів.

Структура побудови роботи та основних етапів дослідження наведена на рис.1.

Механізми руйнування полімерних матеріалів та питання розрахункової оцінки міцності при впливі різних факторів сформульовані в наукових працях Г.М.Бартенєва, В.Є.Гулля, О.О. Камінського, В.М. Кулезнева, П.М. Огібалова, М.М.Павлова, Г.М.Савицького, Г.В. Філатова, Ю.П. Чернишева та ін. Основні положення проектування і принципи розрахунку огороджуючих конструкцій із застосуванням пластмас сформульовані в роботах В.І. Гриня, І.М.Гриня, А.Б. Губенка, К.Є. Джан-Темірова, М.М. Жербіна, М.С. Золотова, Г.М. Зубарєва, Г.Г. Карлсена, І.М. Лебедіча, В.П.Пустовойтова, Ю.В. Сліцкоухова, В.В. Стоянова, Ф.Ф. Тамплона, Л.М. Шутенка та ін.

Аналіз тенденцій удосконалення формоутворення огороджуючих конструкцій дозволив відокремити у якості об’єктів досліджень чотири основні групи конструкційних пластмас, що містять металопласти, полівінілхлоридні та полікарбонатні профілі, волоконно-армовані поліестери.

Постановка і формулювання задач, зв'язаних з розвитком методів розрахунку і проектування комбінованих огороджуючих конструкцій з застосуванням полімерів, склопластів і металопластів при експлуатації в даній роботі, виконувалися на підставі теоретичних підходів до питань нормування зовнішніх впливів при оцінці довговічності, викладених у наукових працях В.М. Гордєєва, Є.В. Горохова, Б.Г. Демчіни, Є.А. Єгорова, Є.М. Єрмака, Р.І. Кінаша, В.П. Корольова, Л.М. Лобанова, В.П. Мущанова, А.Я. Недосекі, І.Г. Овчіннікова, А.В. Перельмутера, В.А. Пермякова, С.Ф. Пічугіна, В.І. Похмурського, М.В. Савицького, А.В. Сильвестрова, О.І. Стеклова, О.В. Шимановського, В.М. Шимановського та ін.

Рис.1. Структура побудови роботи і основних етапів дослідження

Методологічною основою для обґрунтування довговічності конструкційних пластиків при впливах агресивних середовищ є системний аналіз експлуатаційних характеристик конструкцій, що включає розрахунково-експериментальну оцінку коефіцієнта надійності первинного (zk) і вторинного (zn) захисту при аналізі ознак граничних станів (рис.2).

Рис.2. Блок-схема оцінки розрахункових показників гарантованої довговічності комбінованих обгороджуючих конструкцій

Діючі норми СТ СЭВ 5060-85 “Надежность строительных конструкций и оснований. Конструкции пластмассовые. Основные положения по расчету” установлюють вимоги вибору видів і марок пластмас у залежності від режиму експлуатації, розрахункового терміну служби, технології виготовлення і монтажу конструкції. Облік зміни фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів повинен відбуватися з урахуванням складу та інтенсивності впливів корозійних середовищ.

У розділі сформульован комплексний підхід, що забезпечує можливість розрахункової оцінки показників довговічності комбінованих огороджуючих конструкцій з використанням склопластів, полімерних матеріалів і металопластів. Характер і інтенсивність корозійних впливів установлювалися по вимогах проекту ДБН “Захист від корозії в будівництві. Діагностика корозійного стану та продовження нормативного ресурсу металевих конструкцій”.

Для обґрунтування розрахункових залежностей, що установлюють вплив факторів навколишнього середовища на зміну показників довговічності комбінованих огороджуючих конструкцій, розроблена програма прискорених і стендових випробувань сучасних конструкційних матеріалів. Аналіз конструктивних і технологічних рішень, зв'язаних з використанням конструкційних силових пластмас, дозволив визначити основні елементи комбінованих конструкцій, що включають полівінілхлоридні профілі (ПВХ), стільникові полікарбонати, склонаповнені поліестери і металопласти.

В другому розділі розглянуті питання моделювання фізико-хімічних впливів на конструктивні елементи комбінованих огороджуючих конструкцій (рис.3), де: Аk – реакція опору поверхневому руйнуванню однорідного конструктивного

Рис.3. Розрахункова схема характеристичних параметрів впливів режиму експлуатації огороджуючих конструкцій “Навантаження-Конструкція-Середовище” |

елемента г/м2рік; А(L,G,S,T,R) – характеристичні параметри впливів, що викликають процеси старіння і корозійного руйнування матеріалів, рідкі (L),газоподібні (G), тверді (S), температурні (Т), УФ-випромінювання (R), г/м2рік; F1, F2 – силові фактори, що враховують напружено-деформований стан елемента; 1 – поверхня, що піддається впливам; 2 – полімерне покриття.

Вплив агресивних середовищ оцінювалося характеристичним значенням річних корозійних витрат Аn, г/м2рік ,умовно приведених до незахищеної поверхні стали С235. Розрахункове значення річних корозійних витрат Аk установлювалося по формулі (1):

Аk=гqгmkгfkAn; | (1)

де: гq – коефіцієнт тривалості агресивних впливів; гmk – коефіцієнт надійності по матеріалу при оцінці ступеня агресивності впливів; гfk – коефіцієнт надійності по впливам корозійних середовищ.

Розроблена методика визначення нормативних і розрахункових характеристик гарантованої довговічності заснована на обліку екстремальних значень найбільш невигідних сполучень агресивних впливів при проведенні прискорених випробовувань на кліматичне старіння.

Розрахункові залежності для обґрунтування гарантованої довговічності з урахуванням вимог граничних станів мають вид:

I – граничний стан

(1 - zk) Аk Тнс = m (1 - 1/Г), | (2)

II – граничний стан

Т3 znТ3; | (3)

де: Г – відношення резерву надійності; - приведена товщина перетину елемента, см; – перекладний коефіцієнт корозійних витрат; Тз– нормативний термін служби захисних покрить за даними сертифікаційних випробовувань, (рік); Тз - гарантований термін служби захисних покрить з довірчою імовірністю в = 0,95, (рік); Тнс – призначений термін служби конструкції, рік.

Розроблений методичний підхід використаний для статистичної оцінки коефіцієнта надійності гzk(n)за даними прискорених випробувань зразків (фрагментів) конструктивних елементів огороджуючих конструкцій при перемінній температурі, підвищеній вологості, впливах сірчистого газу і сонячного випромінювання. Коефіцієнт надійності первинного (zk) чи вторинного захисту (zn) встановлює граничний рівень зміни контрольованих параметрів довговічності для заданої розрахункової схеми узагальнених впливів “Н-К-С” при типовій (розрахункової) моделі режиму експлуатації з урахуванням призначеного терміну служби (Тнс) чи конструкції об'єкта.

Оцінка результатів випробувань містить: статистичний аналіз відмовлень (граничних станів); перевірку контрольованих параметрів для встановленої області інтервальної оцінки гzk(n); аналіз відповідності розрахункової ситуації вимогам забезпечення надійності з урахуванням економічних факторів.

На основі прискорених випробувань ПВХ-профілів зроблена оцінка терміну служби захисно-декоративних покрить при встановленому граничному значенні зміни показників довговічності. Випробування на кліматичне старіння виконувалися з обліком граничних допустимих значень зміни блиску zR (%), установлених для оцінки критерію довговічності ПВХ-профілів.

Статистична обробка даних прискорених іспитів при впливах A(L,G,S,T,R) дозволила обґрунтувати розрахункові моделі визначення гарантованої довговічності ПВХ-профілів:

, | (4)

(5)

де: Тz – термін служби ПВХ-профілю при встановленому граничному рівні зміни захисно-декоративних властивостей, рік; Тк – проміжок часу, що відповідає сталим корозійним утратам; zR – гранично припустиме значення зміни показника блиску, %; zN – нормативна характеристика блиску покриття, %; z0 – показник блиску, установлений після прискорених випробувань, %; а – постійна величина залежна від характеристики покриття; ак – показник корозійної агресивності режиму випробувань, г/м2; c – константа властивостей даного полімеру.

Розрахунково-експериментальні показники довговічності склопластових, полімерних і металопластикових конструкційних елементів комбінованих огороджуючих конструкцій наведені в таблиці 1.

Обґрунтування міцністних і деформаційних характеристик у розрахунках огороджуючих конструкцій по граничних станах виконано на основі моделювання напружено-деформованого стану зразків стільникового полікарбонату при агресивних впливах.

Прискорені випробування стандартних зразків із профілю “Lexan” 10/2 проводилися протягом 15-ти циклів по методу 5 ГОСТ 9.401-91 (рис.4). Розрахункова оцінка коефіцієнта (гzk) вироблялася на підставі даних експериментальної оцінки характеристик межі міцності і модуля пружності при розтяганні.

Аналітичний опис коефіцієнта надійності виконувався по формулі:

гzk=Ry,k/Ry ; | (6)

Рис. 4. Схема випробувань зразків стільникового полікарбонату для розрахунку деформації розтріскування розтр, % | де: Ry,k – межа міцності при розтяганні зразків після проведення циклу випробувань, МПа; Ry – межа міцності контрольних зразків, МПа.

Вимоги до оцінки показників якості “Qualicoat” передбачають випробування на кліматичне старіння

полімерних порошкових покрить огороджуючих конструкцій з алюмінієвих профілів. Розрахункова оцінка коефіцієнтів первинного (гzk) і вторинного захисту (гzn) дозволяє робити обґрунтування вибору матеріалу, конструктивної форми і технології виготовлення огороджуючих конструкцій при заданих показниках довговічності.

Таблиця 1

Розрахунково-експериментальні показники довговічності елементів комбінованих огороджуючих конструкцій

Матеріал конструктивного елемента | Схема профілю | Конструктивні засоби захисту | Контролююмі параметри | Показник довговічності

Позначення, розмірність | значення | гzk(n) | гв | Тz, рік

Полівінілхлорид | Первинний захист (гzk) | ДzR, % | 37,8 |

0,95 |

0,95 |

5

Алюмінієвий профіль з порошковим термореактивним поліефірним покриттям | Первинний захист (гzk) | Д?, г/м2 | 500 | 0,95 | 0,95 | 5,2

Вторинний захист (гzn) | Aд | =0,9 | 0,9 | 0,95

ПВХ-профіль | Первинний захист (гzk) | у, МПа | 37 | 0,9 | 0,9 | 4

Е, МПа | 2100 | 0,94 | 0,9

Полікарбо-нат (“Лексан”) | Первинний захист (гzk) | у, МПа | 70 | 0,9 | 0,9 | 4,5

Е, МПа | 580 | 0,94 | 0,9

Метало-пластіковий профіль |

Вторинний захист (гzn) | Aд | =0,9 | 0,9 | 0,95 | 7

Аналіз експериментальних результатів дозволив визначити, що в залежності від стану поверхні зразків, форми і розмірів корозійних поразок значення коефіцієнта надійності протикорозійного захисту гzk(n) змінюються в межах 0,9-1,15.

Третій розділ містить аналіз особливостей тривалої експлуатації огороджуючих конструкцій на основі комплексної характеристики показника якості (Fе), що враховує стан первинного і вторинного захисту.

Основна увага приділена конструктивним і технологічним властивостям плівкового склонаповненого поліестерового матеріалу “ТехноПласт”, що формує під впливом ультрафіолетового опромінення на поверхні конструкції волоконо-армований плакуючий шар пластику.

Для визначення ефективності вторинного захисту з застосуванням фотополімерного матеріалу проведені прискорені випробування на кліматичне старіння зразків з чотирьох марок сталей (ВСт3пс, 10ХСНД, 09Г2С, 10ХНДП), що забезпечують порівняльну оцінку конструктивно-технологічних і міцністних характеристик матеріалу “ТехноПласт”, нанесеного на сталеву поверхню при різних видах (D0-D3) корозійних пошкоджень (таблиця 2).

Статистичний аналіз результатів контролю міцністних властивостей (Ry, Ru, МПа) зразків на розтягання після прискорених випробувань вироблявся:

-

-

Розрахункова оцінка коефіцієнта надійності протикорозійного захисту металопластикових профілей з поліестеровим покриттям „ТехноПласт Рулон” гzn з урахуванням впливів А(L,G,S,T,R), що викликають кліматичне старіння виконувалася з використанням математичної моделі:

гzn=Nof,m /NT , | (7)

(8)

де: Nof,m – нормативне значення розривного зусилля металопластикового зразка з поліестеровим покриттям, отримане за результатами прискорених випробувань, кН; NT – розрахункова величина розривного зусилля металопластикового профілю з поліестеровим покриттям, кН; Ао,S – середня площа перетину сталевих зразків, см2; RВ,S – розрахункова міцність на розтяг сталевого зразка, МПа; гm - коефіцієнт надійності по матеріалу; Ао,Т – площа перетину покриття “ТехноПласт”, см2; RВ,Т – розрахункова міцність на розтяг покриття “ТехноПласт”, МПа; гm,Т – коефіцієнт надійності для матеріалу покриття “ТехноПласт”, установлений за результатами випробувань з довірчою імовірністю гв=0,9.

Вплив прискорених випробувань, зв'язаних з режимом кліматичного старіння в корозійних середовищах, на розрахункові показники коефіцієнта надійності (гzn) установлювався шляхом порівняльної оцінки міцністних характеристик різних конструктивно-технологічних варіантів контрольних зразків при відсутності несприятливих впливів (рис.5).

Для визначення необхідного відношення резерву надійності (Г) конструктивних елементів з урахуванням розглянутих варіантів конструктивно-технологічних рішень запропонована залежність, що враховує розрахункові характеристики матеріалу “ТехноПласт”. |

(9)

де: ? – відносний коефіцієнт, що установлює відношення товщини одношарового покриття до товщини призначеного шару поліестерового матеріалу “ТехноПласт”; гz,f - коефіцієнт надійності протикорозійного захисту за даними контролю корозійного стану в період експлуатації; Ry,T - нормативна міцність при розтязі металопластикового профілю з поліестеровим покриттям „ТехноПласт Рулон”, МПа; Ry,n – нормативна міцність при розтязі сталевого профілю, МПа.

Таблиця 2.

Розрахункові моделі для порівняльної оцінки конструктивно-технологічних і міцністних характеристик матеріалу “ТехноПласт”

Позначення схеми конструктивно-технологічних характеристик | Вид корозійних пошкоджень | Конструктивні елементи захисного покриття “ТехноПласт С” | гzn

позначення | схема | позначення | схема

ВСт3пс

1.1 | D0 | U(0) |

0,85

1.2 | D1 | U(1Т) | 1,2

1.3 | U(2Т) | 1,4

1.4 | D2 | U(1Т) | -“”- | 1,2

1.5 | U(2Т) | -“”- | 1,3

1.6 | D3 | U(1Т) | -“”- | 1,3

1.7 | U(2Т) | -“”- | 1,6

Розрахункова оцінка показника (Г) виконана при обґрунтуванні конструктивних рішень ремонтно-відбудовчих робіт огороджуючих конструкцій ділянки трубопроводу коксового газу ВАТ “Ясинівський КХЗ”. При значеннях гz,f =0,5-0,8 і двошаровому поліестеровому покритті “ТехноПласт С” відношення резерву надійності після посилення волоконо-армованим склопластиком склало Г=1,1-1,3.

Рис.5. Результати контролю показника коефіцієнта надійності (?zn ) при корозійно-механічних випробуваннях плоскопаралельних зразків чотирьох марок сталей з різним типом поліестерового покриття: Ряд 1 – зразки, що не піддавалися агресивним впливам; Ряд 2 – зразки, що піддавалися агресивним впливам; 1.11.7 – зразки зі сталі ВСт3пс; 2.12.4 – сталь 09Г2С; 3.13.4 – сталь 10ХСНД; 4.14.4 – сталь 10ХНДП.

Четвертий розділ відбиває результати чисельних досліджень, зв'язаних з аналізом даних контролю зміни фізико-механічних властивостей конструкційних полімерів у процесі експлуатації світлопрозорих конструкцій. Розроблене автором конструктивне рішення просторового блоку покриття (патент №36144А, Україна) реалізовано при зведенні огороджуючих конструкцій покриття пансіонату “Міраж” (с.Мелекіно, ВАТ “Облгаз”) (рис.6). Оцінка результатів натурних

Рис. 6. Просторовий блок покриття п. “Міраж”. 1,2 – несучі елементи (металеві профілі), 3 – затягування, 4 – розкоси, 5 – полікарбонатна пластина “Лексан”. |

випробувань полікарбонатних панелей “Лексан” зроблена з урахуванням корозійних впливів морської атмосфери після восьми років експлуатації. Визначення зміни міцністних характеристик (модуль пружності (ЕТ), МПа; межа міцності полікарбонату (Rу,р), МПа) виконувалася по стандартних методиках. Добір контрольних зразків виконувався з проміжком часу

Тi=2 роки. Результати експериментальних значень і розрахункові дані, отримані шляхом апроксимації значень інтервальних оцінок міцностних властивостей, приведені на рис.7. Математичні моделі які описують зміну міцностних властивостей по показниках межі міцності і модуля пружності мають вид: |

(10)

(11)

де: Е0 – нормативне значення модуля пружності за даними технічних вимог до матеріалу, МПа; Ry,op – нормативне значення межі міцності полікарбонату за даними технічних вимог до матеріалу, МПа; о0 - коефіцієнт впливу ступеня агресивності середовища на полікарбонатний пластик; в0 – коефіцієнт надійності по матеріалу, який враховує фактор часу при кліматичному старінні (таблиця 3).

Оцінка зміни експлуатаційних властивостей світлопрозорих панелей з полікарбонатних матеріалів типу 16/3 зроблена для покриття Першого Українського міжнародного банку.

Рис.7. Результати іспитів полікарбонатних зразків „Lexan” в залежності від часу експлуатації (Т, рік): 1 – зміна межі міцності (?, МПа;) 2 – зміна модуля пружності (Е, МПа); 3 – лінія тренду зміни межі міцності; 4 – лінія тренду зміни модуля пружності. |

Результати проведених теоретичних експериментальних досліджень дозволили обґрунтувати конструктивні заходи, спрямовані на запобігання розтріскування полікарбонатних матеріалів в огороджуючих конструкціях при впливі корозійних середовищ.

Для обліку процесів старіння і зростання пружної деформації при впливі агресивного середовища пропонується ввести поняття коефіцієнта розрахункової довжини мр, який враховує

зниження напруг у полікарбонаті до рівня напруг, що приводять до розтріскування (формула 12): |

(12)

Результати розрахунково-експериментальної оцінки коефіцієнта розрахункової довжини мр і коефіцієнта гzk у залежності від ступеня агресивності приведені в таблиці 4.

Порівняльний аналіз значень коефіцієнта розрахункової довжини мр, що враховує зниження напруг у полікарбонаті до рівня напруг, який приводять до розтріскування, свідчить, що розрахункові і експериментальні величини відрізняються в межах 5-8%.

Таблиця 3

Значення коефіцієнтів зміни модуля механічних властивостей

полікарбонату в0 і ?0

Ступень агресивності середовища | призначений термін служби конструкції, Тнс (рік)

До 3 років | Від 3 до 7 років | Від 7 до 10 років

Неагресивне в0 (о0) | 0,95 (0,2) | 0,9 (0,4) | 0,8 (0,7)

Слабкоагресивне в0 (о0) | 0,9 (0,2) | 0,8 (0,4) | 0,75 (0,9)

Середньоагресивне в0 (о0) | 0,85 (0,3) | 0,75 (0,5) | 0,65 (0,9)

Сильноагресивне в0(о0) | 0,75 (0,5) | 0,65 (0,5) | 0,5 (0,9)

Таблиця 4

Порівняльна оцінка коефіцієнта розрахункової довжини мр і коефіцієнта гzk у залежності від ступеня агресивності за даними натурних іспитів

Тип профілю | №№ зразків | Ступень агресивності впливів | ер, % | Еизг, МПа | ур, МПа | мр | гzk

1-12 | <0,1 | - | 627 | 73,3 | 0,85 | 0,98

13-24 | 0,1-0,3 | + | 1386 | 61,5 | 0,70 | 0,95

25-36 | >0,3 | + | 1854 | 56,8 | 0,55 | 0,90

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних при обґрунтуванні проектних, теоретичних і експлуатаційних нормативних вимог, пропонованих до комбінованих огороджуючих конструкцій, зроблена оцінка показників довговічності конструкційних пластиків, використовуваних у комбінованих конструкціях з урахуванням агресивних впливів.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Праці, що додатково відбивають результати досліджень:

12.

В публікаціях зі співавторами здобувачем виконано: класифікація дефектів і пошкоджень полікарбонатних матеріалів при атмосферному старінні полімеру [, ,]; оцінка ступеня впливу агресивних середовищ на конструкційні полімери [,]; вибір і обґрунтування розрахункових моделей показників гарантованої довговічності [,]; розрахунок комбінованої огороджуючої конструкції на корозійну стійкість і довговічність []; розробка методики оцінки терміну служби ПВХ-профілей та поліестерових пластиків по заданих характеристиках ступеня руйнування [,].

АНОТАЦІЯ

Войтова Ж.М. Довговічність комбінованих огороджуючих конструкцій з використанням склопластів, полімерних матеріалів та металопластів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Донбаська національна академія будівництва і архітектури. Макіївка. 2005.

Дисертація присвячена дослідженню та прогнозуванню довговічності конструкційних полімерів, що використовуються в огороджуючих конструкціях при експлуатації в умовах агресивних впливів, з урахуванням напружено-деформованого стану. Наведена методика визначення нормативних та розрахункових характеристик гарантованої довговічності. Виконано чисельне моделювання коефіцієнта надійності протикорозійного захисту при подовженні залишкового ресурсу огороджуючих конструкцій трубопроводу коксового газу ВАТ “ЯКХЗ”. Також виконано фізико-механічне моделювання руйнування конструкційних полікарбонатних пластиків, які експлуатуються при напружено-деформованому стані при впливі агресивного середовища, що дало можливість обґрунтувати чисельні значення коефіцієнта розрахункової довжини (мр).

Ключові слова: комбіновані огороджуючі конструкції, конструкційний пластик, коефіцієнт надійності протикорозійного захисту, показник якості експлуатації, нормативний строк служби конструкційного пластика.

АННОТАЦИЯ

Войтова Ж.Н. Долговечность комбинированных ограждающих конструкций с использованием стеклопластов, полимерных материалов и металлопластов. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка. 2005.

Диссертация посвящена проблеме прогнозирования долговечности конструкционных полимеров, используемых в ограждающих конструкциях при эксплуатации в условиях агрессивных воздействий, с учетом напряженно-деформированного состояния. Разработанная методика оценки эксплуатационной долговечности конструкционных пластиков при работе в средах различной агрессивности дает возможность оценки изменения расчетных характеристик стеклопластов, металлопластов и конструкционных полимеров. Первый раздел посвящен анализу системных методов и обоснованию необходимости пересмотра используемой нормативной базы строительных стандартов. Отсутствие регламентных методов оценки долговечности вызывает трудности при выборе материалов, конструктивных решений с учетом характера и интенсивности коррозионных воздействий. Показана необходимость разработки структурных моделей прогнозирования стойкости к агрессивным воздействиям и долговечности конструкционных полимеров, используемых в ограждающих конструкциях с целью их оптимизации. Во втором разделе рассмотрены вопросы моделирования физико-механических воздействий на конструктивные элементы комбинированных ограждающих конструкций. Представлена предлагаемая методика определения нормативных и расчетных характеристик гарантированной долговечности поливинилхлоридных, алюминиевых и поликарбонатных профилей. Анализ экспериментальных результатов позволил определить, что в зависимости от состояния поверхности образцов, формы и размеров коррозионных поражений значения коэффициента надежности противокоррозионной защиты (zk) изменяется в пределах 0,9-1,15. Третий раздел посвящен разработке методики продления остаточного ресурса с учетом долговечности и напряженно-деформированного состояния при допустимых конструктивных, технологических и эксплуатационных ограничениях на основе анализа коэффициента надежности по материалу ремонтно-восстановительного покрытия “ТехноПласт Рулон” (гm,Т). Представлен анализ особенностей длительной эксплуатации металлопластиковых ограждающих конструкций на основе комплексной характеристики показателя качества (Fе), учитывающего состояние первичной и вторичной защиты. Выполнено численное моделирование коэффициента надежности противокоррозионной защиты при продлении остаточного ресурса ограждающих конструкций трубопровода коксового газа ОАО “Ясиновский КХЗ”. Четвертый раздел посвящен физико-механическому моделированию коррозионно-механического разрушения конструкционных поликарбонатных светопрозрачных пластиков, эксплуатирующихся при напряженно-деформированном состоянии. Результаты проведенных теоретических экспериментальных исследований позволили обосновать конструктивные меры, направленные на предотвращение растрескивания поликарбонатных материалов в ограждающих конструкциях. Для учета процессов старения и возрастания упругой деформации при воздействии агрессивной среды предлагается ввести понятие коэффициента расчетной длины (мр). Применение методики определения гарантированных показателей долговечности стеклопластов, полимерных материалов и металлопластов позволило разработать конструктивные решения светопрозрачной комбинированной ограждающей конструкции с использованием поликарбонатных панелей пансионата “Мираж” (патент №36144А, Украина) с учетом влияния агрессивных воздействий морской атмосферы.

Ключевые слова: комбинированные ограждающие конструкции, конструкционный пластик, коэффициент надежности противокоррозионной защиты, показатель качества эксплуатации, нормативный срок службы конструкционного пластика.

ABSTRACT

Zh.N.Voytova. Durability of combined enclosuring structures with usage glassplastics, polymeric stuffs and metallplastics. - the Manuscript.

The thesis for a scientific degree of the candidate of engineering sciences. Speciality 05.23.01 - Buildings constructions, Buildings and Structures. Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture. Makeevka. 2005.

The thesis, is dedicated to exploration and forecasting of durability of engineering plastics used in enclosuring structures under conditions of aggressive effects, taking info account stress-strain state (SSS). The worked out technique of definition normative, and estimated performances of ensured durability is given. The numerical modelling of a reliability coefficient of corrosion protection is carried out at increase of residual resource of enclosuring structures of the coke gas tubing with usage reinforced polyester of plastics at “Yasinovskiy Coke-Chemical Plant”. Physical-mechanical simulation of corrosive and mechanical failure of structural polycarbonaceous plastics being exploited in SSS is discussed. Experimental research helped to ground numerical values of a factor of design are long (мр).

Keywords: combined enclosuring structural, structural plastic, reliability coefficient of corrosion protection, normative service life of a structural plastic.