Лёгкие композитные заклёпки продлят срок службы и повысят прочность мостов, причалов и других сооружений

Учёные из Сколтеха и их китайские коллеги из Харбинского политехнического университета предложили и испытали новый тип креплений композитных конструкций, который может заменить более тяжёлые и подверженные коррозии металлические болты в мостах, охладительных башнях теплоэлектростанций, водоочистных сооружениях, морских причалах и нефтяных платформах.

«В России эксплуатируются десятки полностью композитных мостов. С одной оговоркой: из композитных профилей в них сделано всё, кроме креплений, которые эти профили соединяют. В качестве таких креплений используются металлические болты. Они увеличивают общий вес конструкции и уменьшают срок службы: из-за коррозии нередко получается так, что жизненный цикл всего сооружения ограничивается ресурсом металлических элементов. Эта проблема вдвойне актуальна для конструкций в агрессивных средах: в море, на химзаводах и в контакте с горячим паром, как, например, в охладительных трубах ТЭС», — пояснил суть проблемы руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Александр Сафонов.

Учёные предложили в качестве замены болтов композитные заклёпки из усиленного стекловолокном полипропилена. Если сами профили моста или другой конструкции изготавливают из термореактивного полимера, который затвердевает единожды и уже не способен менять форму при нагреве, то заклёпки будут изготавливаться в форме термопластичных штырей, которые пронизывают скрепляемые детали, после чего торчащие концы нагреваются и сплющиваются.

Термопластичный штырь (чёрный) формуется при помощи горячего пресса (зелёный) и цилиндрической формы (серый), а затем используется для скрепления двух прямоугольных профилей (жёлтый). Источник: Salim Makeera et al/Materials & Design.

Стержни-заклёпки изготавливаются методом пултрузии: армирующее волокно, пропитанное связующим веществом, протягивается через нагретый узкий канал соответствующей формы (фильеру) и отверждается. 

Авторы исследования провели испытания полученного крепления на прочность. Было установлено, при каком воздействии соединение разрушается, а также сколько циклов нагрузки конструкция выдерживает, если снизить нагрузку до 20–90% от разрушающей. Те же испытания проведены для аналогичных соединений деталей на болтах, с клеевым креплением, а также для комбинированного: клей плюс заклёпка.

Полученные данные испытаний подтверждают, что предложенная заклёпка уменьшает вес конструкции и снимает проблему коррозии. Эти данные могут использоваться при проектировании полностью композитных конструкций без металлических деталей: причалов, мостов, контейнеров для перевозки химически опасных грузов и других.

Исследование опубликовано в журнале Materials & Design и поддержано грантом РНФ.

По материалам пресс-службы Сколтеха.