Konstrukcje z kompozytów węglowych w architekturze i budownictwie

Abstract

XXI wiek stawia przed budynkami wysokimi i ich projektantami szereg nowych wymagań. Bu-dynek nie tylko musi spełniać podstawowe wymagania takie jak: funkcjonalność, trwałość i estetyka. W obecnym stuleciu coraz bardziej liczy się troska o bezpieczeństwo, środowisko naturalne, wyko-rzystanie odnawialnych źródeł energii, ekonomiczne użytkowanie budowli. Duże znaczenie dla za-spokojenia rosnącej liczby wymagań ma wykorzystanie najnowszych materiałów i zaawansowanych technik projektowania. Jednymi z najnowocześniejszych materiałów cechującymi się doskonałymi parametrami są kompozyty na bazie włókien węglowych. Dzięki swoim doskonałym parametrom mogą być znakomitymi materiałami budowlanymi, jednak przeszkodą są obecnie wysokie koszty produkcji. Ze względu na to materiał ten rzadko jest wykorzystywany w budownictwie, chętnie stosuje się go wszędzie tam gdzie nakłady finansowe są odpowiednio wysokie, najważniejsze natomiast są bardzo dobre parametry techniczne (przemysł lotniczy, kosmiczny, medycyna, sport wyczynowy).
Autorzy: Paweł Buck, Michał Pająkiewicz

1. WŁóKNO WĘGLOWE

1.1. WŁAŚCIWOŚCI OGóLNE

„Lekkie, silne, wytrzymałe” włókna węglowe to nic innego jak najbardziej obecnie zaawansowany technologicznie materiał konstrukcyjny XXI w. Włókna mają niski ciężar właściwy, wyśmienite własności mechaniczne (wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysoki współczynnik sprężystości) i atrakcyjne właściwości (elektryczne przewodnictwo, żaroodporność, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, stabilność substancji chemicznej, własność smarowania samoczynnego, dobre przewodnictwo cieplne). Te cechy stymulują rozwój technologii kompozytów opartych na włóknach węglowych i wykorzystywanie ich w coraz to nowych gałęziach, gdyż możliwe jest formowanie z nich konstrukcji o niemal dowolnych kształtach. Włókna węglowe, mające najwyższe charakterystyki, są stosowane w wielu dziedzinach współczesnej techniki. Producenci są w stanie dostarczyć, poprzez używanie różnego surowca i zastosowywanie różnych procesów produkcyjnych, szeroką gamę włókien mających różne specyfikacje.

1.2. PROCES PRODUKCYJNY

Włókna węglowe powstają z organicznych polimerów. Aby włókna te uformować, polimery poddawane są rozciąganiu. Następnie są one oksydowane w powietrzu o temperaturze pomiędzy 200°C a 300°C i ogrzewane w środowisku azotu. Temperatura, której poddane jest włókno waha się między 1000°C i 2500°C w zależności od pożądanych własności włókna węglowego. Pojedyncze włókno węglowe jest bardzo cienkie. Jego średnica ma przeciętnie wymiary 6–10um, czyli pięć razy mniej niż ludzki włos. Aby włókna mogły być użyte w przemyśle tka się z nich maty o różnej gramaturze, oraz splata liny o różnej grubości.



1.3. PODZIAŁ ASORTYMENTU WŁóKIEN ZE WZGLĘDU NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

– UHM (ultra high modulus) – bardzo wysoki współczynnik sprężystości współczynnik sprężystości przy rozciąganiu: 600GPa lub wyższy,
– HM (high modulus) – wysoki współczynnik sprężystości
współczynnik sprężystości przy rozciąganiu: 350–600Gpa, – IM (intermediate modulus) – średni współczynnik sprężystości współczynnik sprężystości przy rozciąganiu: 280–350 GPa, wytrzymałość na rozciąganie – 4500MPa lub wyższe,
– SM (standard modulus) – standartowy moduł elastyczności, współczynnik sprężystości przy rozciąganiu: 200–280 GPa wytrzymałość na rozciąganie: 2500 MPa lub wyższe,
– LM (low modulus) – niski współczynnik sprężystości, współczynnik sprężystości przy rozciąganiu: 200 GPa, wytrzymałość na rozciąganie: 3000 MPa.