Сотовый поликарбонат - способы работы

Сотовый поликарбонат - структурные поликарбонатные панели (листы) – (англ. Structured Polycarbonate sheets - SPC) представляют собой полые панели, в которых 2 или более слоев поликарбоната соединены продольными ребрами жесткости (по-английски эти листы иногда называют multi wall – многостеночные). Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получать экструзионным способом листы с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом. Все попытки получить такие же листы из других светопропускающих материалов не увенчались успехом, в частности, при использовании для этих целей гранул полиметилметакрилата (оргстекла) лист с такими тонкими стенками не может сформироваться после выхода из головки экструдера из-за повышенной хрупкости и тут же ломается. Поэтому сотовые листы из оргстекла имеют очень толстые стенки (более 1 мм) – этим обеспечивается прочность листа, но в то же время резко повышается его вес. При использовании полипропилена сотовые листы хорошо получаются, но невозможно добиться их высокой прозрачности из-за особенностей химического строения материала (непрозрачные сотовые листы из полипропропилена – известны на рынке под названием коропласт).

СПК производятся методом экструзии из специальных марок гранулированного поликарбоната, которые производят всего 3 крупных фирмы в мире (не считая мелких японских) – это марки «Lexan» (General Electric Plastics), «Makrolon» (Bayer) и «Calibre» (Dou Chemical Plastics). Все эти три марки поликарбоната по своим техническим характеристикам практически не отличаются друг от друга и одинаково (иногда в смеси) используются разными фирмами, производящими СПК. Отличие СПК различных фирм заключается в использовании различного экструзионного оборудования и добавок, определяющих прозрачность и цветность листов. Еще одно отличие состоит в способе нанесения на рабочую поверхность листа УФ-защитного слоя – соэкструзией или лакированием, однако толщина этого слоя невелика (60-100 микрон) и на основные эксплуатационные характеристики этот фактор практически не влияет. В настоящей статье приведены обобщенные данные для разных марок СПК, которые должны помочь при эксплуатации СПК в рекламной индустрии, в строительстве, в дизайновом оформлении, в личном пользовании, например, на приусадебных участках и в других многочисленных областях применения этого современного, удобного, практичного материала.

Уникальные эксплуатационные характеристики СПК приобрел из-за удачного сочетания двух основных составляющих. Первое – листы изготовлены из гранул поликарбоната, который в настоящее время является самым выдающимся из прозрачных термопластичных полимерных материалов. Поликарбонат по химической структуре представляет собой продукт поликонденсации дифенилолпропана с производными угольной кислоты. Отсюда и само название – все производные угольной кислоты называются карбонатами (всем известная питьевая сода – гидрокарбонат натрия). Благодаря присутствию в составе поликарбоната ароматических составляющих в сочетании с углекислотными остатками он обладает почти абсолютной прозрачностью, чрезвычайной стойкостью к ударным нагрузкам, высокой прочностью на разрыв и изгиб, высокой теплостойкостью, огнестойкостью и термопластичностью. Второе – уникальная технология изготовления СПК на сложных экструзионных линиях, позволяющая получать полые облегченные «многостеночные» листы туннельной структуры, обладающие к тому же всеми «выдающимися» эксплуатационными характеристиками поликарбоната. Дополнительно к ним СПК из-за своей полой структуры имеет высокие тепло- и звукоизоляционные свойства. Основные эксплуатационные характеристики СПК приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики сотового поликарбоната

Ударостойкость по Гарднеру определяется при испытании на ударное воздействие падающих гирь массой 4 кг с высоты 1 метр. Как видно из приведенных данных предельные значения энергии удара для СПК достаточно велики по сравнению, например, с оргстеклом, для которого эта величина не превышает 0,5 Дж). Напомним, что для сплошного оргстекла значение ударной вязкости по Шарпи составляет 15 кДж/м², а сплошной поликарбонат остается без разрушения (невозможно разбить в лабораторных условиях). Эксплуатационные характеристики, приведенные в таблице 1, указывают на высокую теплостойкость СПК. Кроме того, поликарбонат обладает свойством не терять своих высоких прочностных показателей при низких температурах до -50°С. Таким образом, рабочий диапазон температур для СПК составляет от –45°С до +120°ºС.

Монтаж конструкций

Одним из наиболее важных вопросов при работе с СПК является монтаж листов в различные конструкционные элементы, используемые в рекламе и строительстве. Всевозможные проблемы, возникающие в этих случаях, связаны с тем, что из-за их малого веса листы СПК могут устанавливаться в конструкции достаточно большой длины до 12м и ширины до 2,1м. При этом часто не учитывается фактор изменения линейных размеров листов при изменении температуры окружающей среды. Практически это выражается в том, что при монтаже не оставляются зазоры между листом СПК и жесткой конструкцией, а при увеличении температуры происходит увеличение линейных размеров листа, он «упирается» в конструкцию и, как следствие, происходит коробление и лист покрывается волнами. Или же в конструкции делается недостаточный напуск на лист - при понижении температуры размер листа уменьшается и он выходит из конструкции. Для правильного расчета монтажной конструкции необходимо знать коэффициент линейного термического расширения материала. Для поликарбоната и СПК эта величина равна 7.10-5 К-1 = 0,00007 м/м.°С = 0,07 мм/м.°С, то есть при изменении температуры на 1ºС каждый линейный метр листа уменьшается или увеличивается во всех направлениях на 0,07 мм. Пример расчета: при монтаже листа СПК в жесткую конструкцию длиной 10 метров и при разнице температур в течение года в средней полосе России 70°С (от -30°С до +40°С) зазор между листом и конструкцией равен 49мм (0,07х10х70 = 49 мм). Минимальный допуск, рекомендуемый для листов СПК, составляет 3,5 мм на каждый метр длины или ширины – расчет проводится исходя из разницы температур 50ºС. Диаметр отверстий под крепежные болты или винты должен быть на 4-6 мм больше, чем сами болты.
Непосредственно перед монтажем листов СПК в соответствующую конструкцию необходимо снять с торцов панели защитную пленку, которая используется только для транспортировки и хранения листов. Вместо нее наклеить на торцы специальную защитную алюминиевую ленту и закрыть «U»-профилем. При использовании СПК в сухих помещениях следует использовать сплошную защитную ленту («Multifoil G 3629», «Celux CA 024 или 025). При возможном образовании внутри панелей водяного конденсата при использовании СПК на улице или в других условиях, когда возможен перепад температур, торцы панелей, обращенные вверх или расположенные горизонтально, закрывают сплошной защитной лентой, а торцы направленные вниз защищают специальной перфорированной алюминиевой лентой («Multifoil AD 3429», «Celux CA 020 или 023») для дренажа образующегося конденсата и для вентиляции каналов в панели.

Ветровые нагрузки при вертикальном расположении конструкций из СПК

При монтаже конструкций из листов СПК на открытом пространстве, которые обычно имеют большую площадь, обязательно необходимо учитывать соотношение механической прочности самого СПК и возникающих в данной местности ветровых нагрузок. От величины динамической ветровой нагрузки зависят конструкционные особенности сооружения и толщина используемого СПК.
В таблице 2 указаны наибольшие значения скорости ветра, типичные для европейской территории, и соответствующие величины динамических ветровых нагрузок для конструкций, расположенных на открытом месте. При необходимости расчета с учетом географических районов, наличия редких или обширных насаждений следует обратиться к нормативным документам СНиП 2.01.07-85. В общем случае расчет производиться следующим способом. Динамическая ветровая нагрузка P (кг/м²) рассчитывается по формуле Р = 0,063.V².k, где V (м/с) – скорость ветра и k – аэродинамический коэффициент, который при соотношении высоты сооружения к его ширине меньше 5 равен 1,2. В тех редких случаях, когда соотношение высоты к ширине больше 5, k принимает значение 1,6. В Европе используют значение динамической ветровой нагрузки, выраженной в ньютонах на квадратный метр – в этом случае формула выглядит следующим образом P (Н/м²) = 0,613.V².k (результат умножения коэффициента 0,063 на ускорение силы тяжести 9,81 м/сек²).

Таблица 2. Расчет динамических ветровых нагрузок

При монтаже различных конструкций крепление листов СПК возможно несколькими способами:

1. вертикально с четырех сторон
2. вертикально с двух сторон вдоль ребер жесткости
3. вертикально поперек ребер жесткости при макс.ширине крепления 2100 мм (макс.ширина листов СПК)
4. в изогнутом состоянии вдоль ребер жесткости.

Для каждого из указанных способов крепления расстояние между крепежными элементами конструкций зависит от величины динамической ветровой нагрузки. Расчеты таких конструкций достаточно сложны и производятся по специальным компьютерным программам. В данной статье все расчеты для стандартных способов крепления листов СПК сведены в несколько таблиц, которыми удобно пользоваться в каждодневной работе сайнмейкеров, строителей и всех других пользователей этого удобного материала.

Крепление с четырех сторон

При креплении листов СПК со всех четырех сторон немаловажным фактором является соотношение ширины (а) проема монтажа и его длины (b). При разных значениях этого соотношения в зависимости от величины ветровой нагрузки и толщины листа СПК расстояние между крепежными элементами по ширине (а) будет изменяться, соответственно, будет изменяться и длина (b). На практике величины ветровых нагрузок не превышают значений 1200 Н/м², толщины используемых для наружных работ листов СПК 6, 8, 10, и 16 мм, а соотношение ширины и длины проема монтажа бывают следующими:

1. а:b= 1:1
2. а:b= 1:1,5
3. а:b= 1:>1,5

В таблице 3 приведены рекомендуемые расчетные значения ширины (а) проема монтажа вдоль ребер жесткости листов СПК при различных соотношениях а:b и различных ветровых нагрузках.

Таблица 3

Примеры пользования таблицей:

1. Размер проема конструкции составляет 1100х1650 мм (2.а:b=1,5), динамическая ветровая нагрузка составляет 600 Н/м²; в таблице находим рекомендуемую толщину листа 10 мм.
2. Толщина листа 8 мм, длина проема (b) 1500 мм, ветровая нагрузка 800 Н/м², соотношение а:b=1,5 (2); из таблицы находим расстояние (a) между крепежными элементами конструкции 1020 мм.

Крепление с двух сторон вдоль ребер жесткости

При креплении листов СПК с двух сторон вдоль ребер жесткости (без крепления поперек длины проема) рекомендуемая расчетная ширина (а) между крепежными элементами в зависимости от толщины листа и величины динамической ветровой нагрузки представлена в таблице 4.

Таблица 4

Толщина (мм)	Ширина между крепежными элементами (а)
6	570	530
8	655	610	570	535
10	730	670	620	685
16	1100	980	880	810
	600	800	1000	1200
Динамическая ветровая нагрузка, Н/м²




Крепление поперек ребер жесткости

При креплении листов СПК поперек ребер жесткости при максимальной ширине листа 2100 мм рекомендуемое расчетное расстояние между крепежными элементами в зависимости от толщины листа и величины динамической ветровой нагрузки представлено в таблице 5.

Таблица 5

Толщина (мм)	Расстояние между крепежными элементами
6	690	630	590	570
8	830	760	720	680
10	1010	930	875	830
16	1450	1325	1240	1180
	600	800	1000	1200
Динамическая ветровая нагрузка, Н/м²




Крепление в изогнутом состоянии вдоль ребер жесткости

При креплении листов СПК в изогнутом состоянии вдоль ребер жесткости расстояние между крепежными элементами рассчитывается исходя из толщины листов (мм), радиуса изгиба (м) и величины динамической ветровой нагрузки (Н/м²). Рекомендуемые расчетные значения ширины закрепления (м) представлены в таблице 6.

Таблица 6

	Радиус изгиба листов, м																											Ветровая нагрузка
	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.9	2.0	2.1	2.2	2.3	2.4	2.5	2.6	2.7	2.8	3.0	3.2	3.4	3.6	3.8	4.0	4.2	4.4	4.6	4.8
6	2.1	1.9	1.7	1.6	1.4	1.3	1.2	1.1	0.92	0.85	0.8	0.75	0.7	0.7														600
8				2.1	2.0	1.9	1.8	1.6	1.5	1.4	1.3	1.2	1.1	1.1	1.0	0.97	0.92	0.86	0.83
10							2.1	2.1	2.0	1.9	1.8	1.7	1.6	1.5	1.4	1.4	1.3	1.2	1.1	1.0
16																	2.1	2.1	2.0	1.9	1.8	1.7	1.6	1.5	1.4	1.3	1.2
6	1.8	1.5	1.4	1.2	1.1	1.0	0.9	0.8	0.8	0.7	0.7	0.6	0.6															800
8				1.8	1.7	1.6	1.4	1.3	1.2	1.1	1.0	0.9	0.9	0.8	0.8	0.7
10							1.9	1.7	1.6	1.5	1.4	1.3	1.2	1.2	1.1	1.0	0.9	0.9	0.8	0.8
16																	1.9	1.8	1.6	1.5	1.4	1.3	1.2	1.1
6	1.5	1.3	1.1	1.0	0.9	0.8	0.7	0.7	0.6	0.6																		1000
8				1.7	1.4	1.3	1.1	1.0	0.9	0.9	0.8	0.8	0.7
10							1.5	1.4	1.3	1.2	1.1	1.1	1.0	1.0	0.9	0.9
16																	1.6	1.5	1.3	1.2	1.1	1.0
6	1.3	1.0	0.9	0.8	0.8	0.7	0.6	0.6	0.6																			1200
8				1.3	1.2	1.1	1.0	0.9	0.8	0.7	0.7
10							1.3	1.2	1.1	1.0	1.0	0.9	0.8	0.8
16																	1.3	1.2	1.1	1.0




Представленные в таблицах 3, 4, 5 и 6 данные рассчитывались исходя из коэффициента запаса прочности конструкции равным 1,5. При сооружении сложных промышленных сооружений следует жестко придерживаться рекомендуемых значений. В случае изготовления рекламной продукции неответственного назначения возможна корректировка указанных в таблицах значений длины и ширины закрепления СПК в сторону увеличения расстояния между крепежными элементами (уменьшение коэффициента запаса прочности до 1,1-1,2)

Снеговые нагрузки при монтаже конструкций из СПК

Для средней полосы России немаловажным фактором, влияющим на прочность конструкций из СПК, являются нагрузки снегового покрова на поверхность листов. Такие нагрузки для разных районов варьируются от 60 до 120 кг/м² (~600-1200 Н/м²). В зависимости от величины нагрузки и выбранной толщины листа СПК максимальные допустимые расстояния между элементами крепления листов изменяются по ширине вдоль ребер жесткости листов (А) и по длине поперек ребер жесткости (В). Сложные компьютерные программы, применяемые для расчетов всех этих величин, можно для простых случаев свести к нескольким уравнениям, по которым легко рассчитать значения А и В (мм). В общем виде эти уравнения можно записать в следующем виде: В = С – kА, где С и k – соответствующие коэффициенты, изменяющиеся при различных значениях снеговых нагрузок и толщины листов СПК. Расчеты выполнены исходя из значения коэффициента запаса прочности конструкции равным 1,5. Результаты расчетов – значения С и k в зависимости от величин снеговых нагрузок и толщины листов СПК представлены в таблице 7.

Таблица 7

Толщина листов СПК (мм)	Снеговая нагрузка, кг/м²
	60		90		120
	C	k	C	k	C	k
6	2450	1.55	1880	1.15	1450	0.88
8	2900	2.0	2550	1.9	1900	1.4
10	4500	3.2	3700	2.8	2600	2.0
16	8500	6.5	6300	5.0	4700	3.8




Практические расчеты следует начинать со значения ширины (А) между крепежными элементами (обрешеткой) А>400-600 мм, так как реальные расстояния по ширине всегда больше.

Пример 1. Снеговая нагрузка 60 кг/м², толщина листа СПК 10 мм. Из таблицы 6 находим значения С = 4500 мм и k = 3,2. Получаем общее уравнение В = 4500 – 3,2А. При значении А = 600 мм рассчитываем значение В = 2580 мм. При значении А = 1000 мм получаем значение В = 1300 мм.

Пример 2. Снеговая нагрузка 90 кг/м², толщина листа СПК 16 мм. Из таблицы 6 находим значение С = 6300 мм и k = 5,0. Получаем уравнение В = 6300 – 5,0А. При значении А = 800 мм рассчитываем значение В = 2300 мм. В случае монтажа неответственных конструкций коэффициент запаса прочности можно снизить до 1,2. В этом случае отношение коэффициентов будет 1,5/1,2=1,25. Умножаем значения ширины и длины закрепления на 1,25 и получаем А = 1000 мм и В = 2875 мм.

При монтаже конструкций из СПК уклон для слива дождевой воды должен составлять не менее 5° (9 см на 1 метр длины листа).