Конструкционные профили FRP: размеры, стандарты и руководство конструктора по выбору

Когда стальная балка или уголок будут ржаветь, проводить или оттягивать структуру, инженеры обращаются к пултрузионному композитному каркасу. Конструкционные профили FRP — тот же продукт, называемый конструкционными профилями GRP, конструкционными профилями GFRP и стеклопластиковыми конструкционными профилями, и эквивалентно композитными конструкционными профилями в fiber reinforced plastic — это непрерывноволокнистые формы, которые входят в знакомые балочно-стоечные компоновки без коррозии, электропроводности или мёртвой нагрузки стали. В британской инженерной записи они появляются как fibreglass profiles или fibre reinforced polymer сечения. Это руководство объясняет стандартные конструкционные сечения и конструкционные формы ZeAllgrate на складе, как читать их размеры и свойства сечения, как выбор смолы управляет коррозионной и пожарной производительностью, и как подобрать реальную балку против её пролёта и нагрузки.

Изготовленные пултрузией, эти пултрузионные профили FRP используют те же имена, что уже знает конструктор — балка, швеллер, уголок, труба, полоса — поэтому проекту не нужен новый проектный язык. Что меняется, это материал: коррозионно-устойчивый, лёгкий, высокопрочный каркас, который также непроводящий, УФ-устойчивый и трудновоспламеняемый там, где спецификация этого требует.

Почему специфицировать конструкционные профили FRP вместо стали

Стальной каркас дешёвый и жёсткий, но он проигрывает оба аргумента в средах, которые имеют значение. В химической обработке, воде и очистке сточных вод, целлюлозно-бумажной промышленности, прибрежной и офшорной службе, и кабельных лотках рядом с живым оборудованием, сталь ржавеет, требует окраски и не касается ничего безопасно живого. Армированные пластиковые профили FRP решают все три сразу.

• Коррозионно-устойчивый и анти-химический — смоляная матрица, не стекло, противостоит кислотам, щёлочам, отбеливателю и рассолу; нет ржавчины для окраски или полосы.
• Высокая прочность с превосходным отношением прочности к весу — пултрузионные ламинаты достигают около 22–28 GPa продольного изгибного модуля при плотности около 1.7–1.9 g/cm³, около четверти стальной плотности, поэтому сечения достаточно лёгкие для обработки вручную и болтовки на существующие структуры.
• Непроводящий со встроенной электрической изоляцией — диэлектрическая прочность выше 10 kV/mm, делая эти сечения безопасным выбором для подстанций, шинных опор и зон электрификации рельсов.
• Низкое обслуживание — нет окраски, нет сквозной ржавчины, нет гальванической коррозии на крепеже.
• УФ-устойчивый и трудновоспламеняемый — C-стеклянная или синтетическая поверхностная вуаль защищает от волокнистого цветения на открытом воздухе, и трудновоспламеняемые / огнестойкие смолы соответствуют ASTM E84 Класс A там, где код требует.

Результат — каркас, который переживает моечную, солевой воздух и химический разлив, которые съедят стальной каркас в одном обслуживательном цикле. Это свойства, которые делают пултрузионные стеклопластиковые конструкционные профили выбором по умолчанию для каркаса опор платформ, конвейерных опор, трубных стеллажей, пешеходных мостовых балок, оборудование скидов и структуры градирен.

Как пултрузия делает эти сечения

Все эти формы произведены на пултрузионной линии. Непрерывные стеклянные ровинги, маты и поверхностная вуаль протягиваются через смоляную ванну, затем через нагретую стальную матрицу, которая консолидирует ламинат к точному поперечному сечению и отверждает его в линии. Это то, что Pultrusion FRP Profiles, Pultruded Fiberglass Profiles и Pultruded GRP Sections имеют общего: однонаправленное армирование вдоль длины, последовательную толщину стенки и пояса, и готовую поверхностную вуаль как стандарт.

Поскольку волокна бегут всю длину, продольная жёсткость и прочность высокие; поперечная производительность сознательно ниже и должна уважаться в проекте. Пултрузионные формы ZeAllgrate бегут около 65–70% стекла по весу (около 70% ± 5% на конструкционном ламинате), толщины стенки от 3 до 25 mm на профиль, и стандартные складские длины 6 m и 12 m с индивидуальными нарезанными длинами по запросу. Цвета серый, зелёный или чёрный как стандарт, с индивидуальным RAL/Pantone подбором доступным.

Диапазон форм — конструкционные сечения и конструкционные формы

Каталог покрывает полный словарь конструкционных форм. На балочной линии вы найдёте FRP I Beam, более глубокий FRP H Beam, симметричный FRP Wide Flange Beam, и эквивалентный fiberglass I-beam. На вторичной линии есть швеллеры и уголки — FRP U Channel, FRP C Channel, GRP Channel и fiberglass U section, вместе с FRP L Profile, FRP Equal Angle и FRP Unequal Angle. Полые сечения покрывают FRP Square Tube, FRP Rectangular Tube, FRP Round Tube, GRP Square Hollow Section и fiberglass rectangular hollow tubeFRP Flat Strip, FRP Flat Bar, FRP Solid Round Rod, FRP T Profile и FRP Z Profile, с FRP Custom Profiles и Special Shaped сечениями, спроектированными к клиентским чертежам, где стандартная форма не подходит.

Размеры и веса выше — номинальный пултрузионный каталог ZeAllgrate; сертифицированные данные сечения сопровождают каждый заказ. FRP прямоугольная труба, fiberglass прямоугольная полая труба, FRP неравнополочный уголок, FRP T-профиль, FRP Z-профиль и специальные фигурные сечения доступны по чертежу там, где стандартный диапазон не соответствует требованию.

Балочные сечения: двутавр, H-балка и широкополочная

Различие имеет значение больше, чем ожидают инженеры. FRP I Beam имеет узкие пояса относительно его глубины и оптимизирован для изгиба вокруг сильной оси — это правильный элемент для балки платформы, пролетающей между колоннами. FRP Wide Flange Beam (симметричная H-форма) имеет пояса почти такие же широкие, как глубина балки, поэтому его сильные и слабые осевые свойства почти равны; это делает его правильным выбором для колонны или балки, где боковой изгиб не может быть полностью раскреплён. Термин FRP H Beam часто используется взаимозаменяемо с широкополочной формой. fiberglass I-beam — просто тот же пултрузионный I-профиль, названный за стеклянное армирование, а не пластиковую матрицу.

Складские I-сечения бегут от I-100×50 (100 mm глубина, 50 mm пояс, 6 mm стенка, 8 mm пояс, около 2.35 kg/m) до I-250×125 (250 mm глубина, 125 mm пояс, 8 mm стенка, 12 mm пояс, около 8.65 kg/m). Широкополочные сечения бегут от WF-150×150 до WF-250×250. По каталогу глубина сечения простирается 100–250 mm, ширина пояса 50–250 mm, толщина стенки 6–12 mm и толщина пояса 8–15 mm.

Вторичные формы: швеллеры, уголки, трубы, полосы и стержни

Швеллеры — FRP U Channel, FRP C Channel, GRP Channel и fiberglass U section — складские как C-100×50, C-150×75 и C-200×100. Они легко болтятся к плоским граням и несут крутильную и кромочно-рельсовую службу, для которой I-балка сверх-специфицирована. Уголки складские как равнополочные FRP Equal Angle сечения (L-50×50×5 до L-100×100×8); FRP Unequal Angle и индивидуальные FRP L Profile полки произведены по чертежу.

Полые сечения — где семейство наиболее универсально. FRP Square Tube и GRP Square Hollow Section — рабочие стойки и ноги поручней; FRP Round Tube даёт чистый рельс; и FRP Rectangular Tube и fiberglass rectangular hollow tube заказаны там, где нужна плоская грань или более глубокое сечение. FRP Flat Strip и FRP Flat Bar формируют обрамление решётки, рёбра жёсткости и фасонки, в то время как FRP Solid Round Rod поставляет тяжи и дюбели. FRP T Profile и FRP Z Profile сечения заполняют полочные и взаимоблокирующие роли, и всё за пределами этого словаря обрабатывается как FRP Custom Profiles или Special Shaped протяжка.

Чтение свойств сечения (Ix, Zx и EI)

Выбор композитной балки — расчет свойства сечения, не угадайка. Каждая строка каталога перечисляет площадь, вес на метр, момент инерции Ix и модуль сечения Zx = Ix/(h/2) вокруг сильной оси. Например, I-200×100 несёт Ix ≈ 2195 cm⁴ и Zx ≈ 219.5 cm³; WF-200×200 почти симметричный, с Ix = Iy ≈ 4701 cm⁴.

На материальной стороне типичный однонаправленный пултрузионный ламинат сидит около 70% ± 5% стекла по весу, прочность на растяжение около 350–450 MPa продольно (ASTM D638), прочность на изгиб около 400–500 MPa и изгибный модуль около 22–28 GPa (ASTM D790), прочность на сжатие около 250–300 MPa (ASTM D695), плотность 1.7–1.9 g/cm³ (ASTM D792) и диэлектрическая прочность выше 10 kV/mm (ASTM D149). Для проектирования ZeAllgrate использует репрезентативный модуль около 24 GPa и допустимое изгибное напряжение около 69 MPa с коэффициентом запаса около 3 — и всегда рекомендует подтвердить сертифицированными EI данными для точной смолы и сечения до окончательного подбора.

Подбор балок по нагрузке и пролёту

Поскольку FRP менее жёсткий, чем сталь, длинные балки обычно прогиб-ограниченные, не напряжение-ограниченные. Допустимая равномерная нагрузка ZeAllgrate для просто-поддерживаемой I-балки использует предел прогиба L/240, включает долговременный фактор ползучести, и вычислена из δ = 5wL⁴/(384EI) с E ≈ 24 GPa. Короткие пролёты напряжение-ограниченные; длинные пролёты прогиб-ограниченные.

Значения — допустимая равномерно распределённая нагрузка в kN/m по чистому пролёту, индикативная для подбора уровня спецификации. Два правила следуют. Во-первых, раскрепляйте сжатый пояс: боково-крутильное выпучивание управляет нераскреплёнными длинными балками, поэтому обеспечьте боково-крутильное ограничение на опорах и раскрепляйте сжатый пояс на длинных пролётах. Во-вторых, ожидайте, что допустимая нагрузка падает круто по мере роста пролёта — I-250×125 несёт 154 kN/m при 1 m но только 5.7 kN/m при 3 m. Никогда не экстраполируйте за пределами табулированного пролёта; пришлите фактический пролёт, нагрузку и предел прогиба инженерам ZeAllgrate для сертифицированного перечня.

Системы смол: коррозия, пожар, УФ и электричество

Коррозионная производительность установлена смолой, не стеклом — стеклянные волокна химически инертны в большинстве служб; это матрица, которая выходит из строя. ZeAllgrate строит конструкционные профили в четырёх семействах. Изофталевый полиэфир — экономичная рабочая лошадка для атмосферной коррозии, воды, сточных вод и мягких кислот/оснований. Винилэфир — анти-химический апгрейд для химической, прибрежной и офшорной службы, отличный против отбеливателя, окислителей и концентрированных кислот. Трудновоспламеняемый / огнестойкий винилэфир соответствует ASTM E84 Класс A с малым дымом для метро, морского дела и закрытых структур. Новолачный винилэфир зарезервирован для сильных окислителей, высокотемпературных кислот и хлорной службы. УФ-стабилизированные формулировки и C-стеклянная поверхностная вуаль держат открытые сечения УФ-устойчивыми и предотвращают волокнистое цветение.

Тот же материал непроводящий по природе — диэлектрическая прочность выше 10 kV/mm и дугоустойчивость около 120 s — поэтому FRP каркас окружает живое распределительное устройство и железнодорожную электрификацию, а не сталь. Для воспламеняемых или паровых атмосфер проводящая (статик-диссипативная) поверхность может быть специфицирована вместо. Поскольку сечения лёгкие и не нуждаются в окраске, они остаются низкообслуживаемыми на жизнь структуры.

Стандарты, допуски и сертификация

Пултрузионные профили произведены к размерным допускам под стандартом профиля ASTM D3917, с размером сечения, удерживаемым около ±1.5–2% или ±0.8–1.5 mm (что бы ни было больше), и нарезанными длинами около ±3 mm. Механические данные на каждом сертификате прослеживаются до ASTM методов испытаний — растяжение к D638, изгиб к D790, сжатие к D695, плотность к D792, водопоглощение к D570 и твёрдость Барколя к D2583 — в то время как пожарная производительность измерена к ASTM E84. Где структура — доступная платформа, ISO 14122 (части 1–4) и OSHA 1910.23 управляют ходовым настилом, лестницей и геометрией поручней, с AS 1657 и BS 4592 как региональными ссылками. Каждая партия профиля несёт пакетную прослеживаемость; запросите материальный сертификат, E84 отчёт и отчёт испытания нагрузки для точной смолы и сечения, которые вы заказываете, а не полагаясь на общее значение брошюры.

Соединения: болтовые, связанные — никогда сварные

FRP не может быть сварен, и каждый, кто попытается, разрушит ламинат. Соединения болтовые или адгезионно-связанные. Для болтовых соединений используйте сверхразмерные отверстия (+2 mm), минимальное кромочное расстояние дважды диаметр болта, нержавеющие боковые пластины или FRP уголковые кронштейны, и затягивайте до около 25–30 N·m. Распределяйте опорные нагрузки боковыми пластинами для избежания локального разрушения — допустимое опорное напряжение около 69 MPa с коэффициентом запаса около 3. Для заподлицо, постоянных соединений связывайте винилэфиром или эпоксидкой: абразируйте поверхность, применяйте по адгезионному datasheet и проектируйте нахлёстную длину для сдвига. Всегда обеспечьте полносечное опирание на опорах; частичные сиденья концентрируют напряжение на стенке. Разрезанные кромки в химической службе должны быть герметизированы подобранной смолой.

Выбор правильного сечения

Часто задаваемые вопросы

В: Как пултрузионные профили FRP сравниваются структурно со сталью?

О: Они легче — около четверти стальной плотности при 1.7–1.9 g/cm³ — и коррозионно-устойчивые и непроводящие там, где сталь не может пойти. Они также менее жёсткие: проектный модуль около 22–28 GPa продольно против ~200 GPa стали, поэтому длинные пролёты прогиб-ограниченные и нуждаются в более глубоких сечениях и боковом раскреплении. Трактуйте их как прогиб-управляемый композитный балочный дизайн, не прямую один-на-один стальную замену.

В: Могут ли конструкционные профили FRP идти на открытом воздухе и в пожаро-оценённые зоны?

О: Да. C-стеклянная/синтетическая поверхностная вуаль плюс УФ-стабилизированная смола держат открытые сечения УФ-устойчивыми и предотвращают волокнистое цветение. Для код-требуемой пожарной производительности специфицируйте огнестойкий / пожаростойкий винилэфир, который соответствует ASTM E84 Класс A (распространение пламени ≤25); фенольная зарезервирована для малодымных, пожарно-критических путей эвакуации.

В: Каков максимальный пролёт для пултрузионной FRP I-балки?

О: Это зависит от нагрузки и предела прогиба. При типичном пределе L/240 I-200×100 несёт около 8.4 kN/m при 2 m пролёте но только 2.5 kN/m при 3 m. Короткие пролёты напряжение-ограниченные; длинные пролёты прогиб-ограниченные, и сжатый пояс должен быть раскреплён. Пришлите ваш пролёт, нагрузку и предел прогиба в ZeAllgrate для сертифицированного графика сечения, а не экстраполируйте.