Конструкционный элемент из композиционных материалов
Конструкционный элемент из композиционных материалов может быть выполнен в виде панели или балки и использоваться в строительстве, машиностроении и других отраслях.
Он содержит основу (1) из полимерного материала с расположенным в ней армирующим каркасом (2), выполненным в виде стержневой системы из стержней (3).
Для снижения массы конструкционного элемента при обеспечении его высокой несущей способности и жесткости, стержни (3) армирующего каркаса (2) выполнены из полимерного материала, однородного полимерному материалу основы (1) и армированы высокопрочными продольными волокнами (4).
В качестве основы (1) могут использоваться полимеры и/или пенополимеры, такие как эпоксидные смолы, полиуретан, полипропилен, полистирол и полиэтилен.
Стержни (3) армирующего каркаса (2) могут быть выполнены трубчатыми с развитой, например, винтовой наружной поверхностью (5) и соединены между собой с образованием рамы или фермы, а наружная поверхность конструкционного элемента по крайней мере частично может быть выполнена с покрытием (9), (10).
8 з.п.ф-лы, 5 фиг.чертежей.
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.
1. Конструкционный элемент из композиционных материалов, содержащий основу из полимерного материала с расположенным в ней армирующим каркасом, выполненным в виде стержневой системы, отличающийся тем, что стержни армирующего каркаса выполнены из полимерного материала в качестве основы, армированного высокопрочными волокнами.
2. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве основы используют по крайней мере один полимер и/или пенополимер, выбранный из группы, включающей эпоксидные смолы, полиуретан, полистирол, полиэтилен.
3. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что стержни армирующего каркаса выполнены из однородного конструкционного элемента полимера, используемого в качестве связующего, а в качестве армирующих стержни волокон используются стекло- и/или базальтовые волокна.
4. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что армирующий каркас выполнен в виде рамы, стержни которой по крайней мере в некоторых ее узлах неподвижно соединены между собой.
5. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что армирующий каркас выполнен в виде фермы, все узлы которой выполнены шарнирными.
6. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что его наружная поверхность по крайней мере частично выполнена с покрытием, жесткость которого выше жесткости основы.
7. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что стержни армирующего каркаса выполнены трубчатыми.
8. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что его наружная поверхность по крайней мере частично выполнена с покрытием, жесткость которого выше жесткости основы.
9. Конструкционный элемент по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде панели с верхним и нижним покрытиями, связанными с армирующей стержневой системой.
