Как авиационные технологии помогают канонической индустрии

Использование стеклокомпозита в строительных конструкциях получило развитие в Великобритании и США в 70-80-х годах. В это время композиционные материалы на основе армирующих наполнителей из стеклянных волокон применяли в качестве частично несущих конструкций сборных панелей при строительстве цветочного рынка «Ковент-Гарден», здания American Express в Брайтоне и других. В здании телефонного узла «Mondial House», расположенного в центре Лондона на берегу Темзы, также применялись частично несущие стеклокомпозитные облицовочные панели.В 1985 году при строительстве уже использовались двухслойные «скелетные» структуры, изготовленные из пултрузионных трубок.

Основным преимуществом использования композита тогда было не столько уменьшение массы конструкции, сколько возможность использования необычных архитектурных решений. Можно сказать, это была первая волна использования современных композитов в строительстве, которое не привело к взрывному росту и сдвигу строительной парадигмы, в том числе из-за недостаточной зрелости материала и завышенных ожиданий.

В начале 21 века композиты вновь стали модным направлением в связи с некоторым удешевлением и все более широким использованием углекомпозитов в таких «престижных» отраслях, как спортивная индустрия (спортивные автомобили и спортинвентарь) и авиастроение. На слуху спортинвентарь, изготовленный из углекомпозитов; спортивные и гоночные автомобили с углекомпозитными конструкциями и деталями; маркетинг изделий, основанный на конкретных марках углеродного волокна, создает широкую известность этим материалам. Например, именно в начале 2000-х годов производители велосипедов наиболее известных брендов, участвующих в многодневных шоссейных велогонках «Tour de France» и «Jiro d’Italia», стали подчеркивать использование углеродного волокна Toray марок T700 и T800.

Строительная индустрия с 1980-х лишь плавно продвигается вперед в использовании композитов, что продиктовано двумя основными факторами: отсутствием радикального падения цен на волокно и связующий состав, а также недостаточной стойкостью полимерных связующих к высоким температурам при пожаре, что не позволяет в полной мере использовать композиты в несущих конструкциях зданий.Однако, в последнее время можно встретить целый ряд крупных и интересных примеров использования композиционных материалов в строительстве крыш и куполов. Так, например, Apple Computer совсем недавно установила массивную крышу из углеродного волокна на здании Apple Theatre в своей новой штаб-квартире в Купертино, США. На стеклянных стенах была смонтирована 80-тонная крыша с 44 панелями из углеродного волокна. Каждая панель имеет длину 21,3 м и ширину 3,6 м в самом широком месте. Изготовителем панелей стала компания Premier Composite Technologies (Дубай, ОАЭ), которая имеет большой опыт создания крупных композитных архитектурных сооружений. Крыша Apple Theatre является самой большой отдельно стоящей структурой из углеродного волокна в своем роде в мире. Использование композита позволило обойтись без дополнительных поддерживающих элементов и достичь потрясающего визуального эффекта здания со стенами, состоящими исключительно из стеклянных панелей.

Еще одним масштабным примером является Emirates Palace (Абу-Даби, ОАЭ). Этот огромный комплекс имеет площадь более 14 000 кв. м. включает в себя 114 куполов, построенных с использованием композиционных материалов. Самый большой купол комплекса имеет ширину 42 метра, остальные купола – диаметром от 3 до 17 метров. Купола представляют собой структуры из композитных сэндвич-панелей из стекловолокна и эпоксидной смолы с термопластичным сотовым заполнителем. За исключением главного, все купола и сводчатые крыши являются самодостаточными: без поддерживающей стальной конструкции. Купола устанавливаются на стальные или железобетонные кольцевые балки с опорными плитами и кронштейнами.

Еще один пример – 8-метровый композитный купол в Мары (Туркменистан) используется для выдвижения телескопа. Купол состоит из шести композитных панелей, которые открываются последовательно с помощью гидравлической системы. Использование композиционного материала позволило в данном случае сэкономить 10-15% от веса эквивалентного купола, построенного из металла и существенно сэкономить на мощности гидравлики.

Купола и крыши на основе композиционных материалов прочнее традиционных и обеспечивают экономию веса до 85%. Подъем и установка композитных куполов намного проще стандартных, а удобство и возможность ремонта намного выше. Кроме того, конструкции из композитов не подвержены коррозии и более устойчивы к окружающей среде.

Русский православный культурно-духовный центр, который открылся в октябре 2016 года в Париже, получился, наверное, одним из самым современных. Ансамбль в стиле минимализма был построен по проекту архитектора Жана-Мишеля Вильмотта (Jean-Michel Wilmotte). Фасад здания отделан натуральным бургундским известняком, который также использовался для отделки Лувра и собора Нотр-Дам, а для сочетания с матовой поверхностью известняка и ребристой структурой фасада купола сделаны также матовыми. Уникальной технологической частью проекта было решение изготовить купола из стеклокомпозита, благодаря чему общая нагрузка на конструкцию была снижена, а купола были установлены буквально в течение нескольких часов. Еще одно достоинство куполов из композита состояло в том, что и изготовление, и отделка производились в контролируемых условиях: погода не влияла на процесс изготовления и монтажа куполов. При производстве была использована оснастка на основе мультиаксиальных тканей из стекловолокна и эпоксидного инфузионного связующего. Купольные панели были изготовлены на французском заводе Мультипласт (Multiplast) также методом вакуумной инфузиии с применением эпоксидного связующего и специально оптимизированной выкладки армирующих наполнителей из мультиаксиальной и обыкновенной 2D ткани для снижения вероятности непропитки и получения высококачественной поверхности общей площадью 640 кв.м., на отделку которой пошло 86 000 листов сусального золота.

В России полным ходом идет процесс обновления конструкций самолетов с курсом на максимальное использование композиционных материалов. Новость о создании купола в Париже из композита вдохновила конструкторов и технологов ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (ВАСО) и заинтересовала не меньше, чем создание композитных авиационных агрегатов.

На территории ВАСО планировалось построить мемориальную часовню в честь иконы Пресвятой Богородицы «Благодатное небо». По начальному проекту купол диаметром 4.6 м и высотой 3.1 м предполагалось возвести по традиционной технологии: сделать каркас купола из металла, а облицовку – из листов нержавеющей стали с покрытием. У технологов «ВАСО», совместно с давними партнерами — компанией «ИНУМиТ», родилось другое конструкционное решение – изготовить купол из композиционных материалов, поскольку это позволило бы уменьшить затраты на строительство и снизить нагрузку на основание за счет снижения массы купола. «ИНУМиТ» не только поставил связующее для изготовления купола, но и активно участвовал в проектировании конструкции купола и оснастки.

При разработке конструкции инженеры столкнулись с некоторыми сложностями. Так, например, было решено, что купол с внешней стороны должен быть не гладким, а имитировать черепицу. Это оказалось достаточно сложно реализовать, поскольку размер «черепицы» не только увеличивается при переходе от вершины купола к его основанию, но и изменяется по спирали. Поэтому было необходимо разбить купол на несколько составных частей и спроектировать их так, чтобы не только воспроизвести рисунок, но и соединить части «черепицы» с каждой секции оснастки без перекосов и потери целостности рисунка. Для этого была изготовлена оснастка из МДФ с двумя накладными металлическими элементами для формирования фланцевого стыка. При проектировании оснастки пришлось учитывать то, что она должна выдержать не менее 8 съемов – по числу «лепестков» купола, при этом не было необходимости в изготовлении и мастер-модели и оснастки. Это накладывало дополнительные ограничения при проектировании, поскольку для необходимой устойчивости оснастки в ней не должно было присутствовать мелких деталей. Каждая из 8 секций купола имела по 2 фланца. Для крепления фланцевых соединений использовались стандартные крепежные элементы, а стыки между секциями шлифовали, шпаклевали и закрашивали.

Для изготовления композитного купола в качестве армирующего наполнителя использовалась четырехслойная мультиаксиальная стеклоткань, в качестве матрицы – связующее «ИТЕКМА» ТК123. Конструкционное решение подразумевало наличие рифтов с наполнителем из пеностекла. Секции для купола изготавливались методом вакуумной инфузии с дальнейшим отверждением в печи при температуре 60 °С.

После сборки, обработки швов и покраски купол разместили на треугольном каркасе из облегченного металлического профиля и возвели на основание. Стеклокомпозит хорошо подвергается окрашиванию и конечная поверхность неотличима от металлической. Суммарный вес изготовленного купола составил менее одной тонны, при этом вес аналогичного купола из металла, который планировалось изготовить по первоначальному проекту, составил бы порядка 3 тонн.

Опыт изготовления композитного купола показал, что использование композиционных материалов в строительстве несет большие преимущества: удешевление и увеличение скорости строительства, простота изготовления и монтажа, устойчивость к воздействию внешней среды. Главным преимуществом по сравнению с классическими решениями является возможность изготовления совершенно новых дизайнерских конструкций, которые при изготовлении из металла и бетона окажутся слишком тяжелыми и дорогими. Для классических конструкций просто заменой материала на композит можно достигнуть снижения веса более чем на 50%, а время на изготовление может уменьшится в несколько раз. Композит отлично подвергается покраске и по видовым характеристикам ничем не уступает конструкциям из металла. Новейшие разработки ООО «ИТЕКМА», в том числе, ориентированные на строительную специфику, помогли создать высококачественную и удобную в обслуживании конструкцию.

Материал подготовлен на основе статьи, опубликованной в научно-популярном журнале Compositebook