УДК 699.844.1

Анизотропия и ее применение в строительстве

Полякова Ирина Марковна – кандидат технических наук, ассоциированный профессор Казахской головной архитектурно-строительной академии (г. Алматы, Республика Казахстан)

Адилгазы Кадырали Дарханулы – магистрант факультета Общего строительства  Казахской головной архитектурно-строительной академии (г. Алматы, Республика Казахстан)

Аннотация: Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным. Она проявляется в разных материалах, включая кристаллы, жидкости и металлы. Важно исследовать анизотропию, так как она влияет на прочность, устойчивость и долговечность конструкций в строительстве.

Ключевые слова: анизотропия, физические свойства, скорость звука, кристаллы, композиционные материалы, строительство, конструкции, структура.

Введение

Анизотропией называется свойство материала, когда в разных направлениях он имеет неодинаковые физико-механические характеристики. Например такие, ка упругость, скорость распространения звука и света, показатель преломления, теплопроводность, электропроводность. Например, анизотропия для скорости звука – когда звуковая волна вдоль волокон материала распространяется с одной скоростью, а поперек волокон -  с другой. Или, к примеру, анизотропия дерева. Дерево состоит из волокон вдоль ствола, которые образуют слои и называются годичными кольцами. Из-за такой структуры дерево имеет разную прочность, жесткость и теплопроводность в разных направлениях.  Например, дерево легче рубить вдоль волокон, чем поперек, потому что вдоль волокон оно более слабое и эластичное. А поперек волокон оно более твердое и хрупкое.

Приблизительные значения прочности и теплопроводности:

  • Прочность на сжатие вдоль волокон для сухой древесины колеблется от 300 до 600 кгс/см2, а поперек волокон – от 10 до 40 кгс/см2.
  • Прочность на растяжение вдоль волокон для сухой древесины колеблется от 1100 до 1400 кгс/см2, а поперек волокон – от 6 до 13 кгс/см2.
  • Прочность на изгиб вдоль волокон для сухой древесины колеблется от 800 до 1200 кгс/см2, а поперек волокон – от 50 до 100 кгс/см2.
  • Теплопроводность вдоль волокон для сухой древесины колеблется от 0,3 до 0,4 ккал/чм°С, а поперек волокон – от 0,1 до 0,2 ккал/чм°С.
  • Дерево лучше проводит тепло вдоль волокон, чем поперек, потому что вдоль волокон есть много пустот, через которые тепло легко передается. А поперек волокон тепло должно преодолевать много преград, которые замедляют его передачу.

Анизотропия имеет большое значение для строительства, так как она влияет на прочность, устойчивость, деформируемость и долговечность конструкций из разных материалов, таких как древесина, металл, бетон, пластик и др. Анизотропные материалы и среды также могут быть использованы для создания новых технологий и эффектов, таких как управление светом, звуком, теплом и электричеством.

Обзор литературы

Довольно исчерпывающее определение анизотропии дано в статье на тему «Анизотропия - это что такое? Определение и применение» [1, 2] на портале fb.ru. Данная статья рассказывает, что анизотропия – это неравенство значений некоей физической величины вдоль различных направлений твердого тела. Приводит примеры анизотропии, такие как распространение звука в каменных глыбах.

Следует также отметить работу Бызова В.Е. и Рыжова В.В. в статье «Анизотропия древесины и ее влияние на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов». Статья анализирует влияние анизотропии древесины на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов [3]. Особое внимание уделяется анизотропии древесины и ее влиянию на конструкции. Приводятся практические примеры исследований. Обсуждает влияние группы симметрии на анизотропию кристаллов.

За основу также были взяты статьи на тему:

  • «Анизотропные свойства полимерных материалов» – В данной статье рассматривается анизотропия в полимерных материалах [4]. Приводятся примеры применения анизотропных полимеров в авиационной и автомобильной промышленности.
  • «Анизотропные свойства композитных материалов» – Исследование анизотропии в композитных материалах, таких как углепластик [5] и стеклопластик. Обсуждаются применение в авиационной, морской и строительной отраслях.
  • «Анизотропные свойства металлов» [6] – Рассматривается анизотропия в металлических материалах, таких как алюминий, сталь и титан. Приводятся примеры применения анизотропных металлов в авиационной и машиностроительной промышленности.
  • «Анизотропные свойства геологических материалов» [7] – Этот источник рассматривает анизотропию в геологических материалах, таких как породы и горные породы. Приводятся примеры анизотропии в различных геологических образцах.
  • «Анизотропия в кристаллах» [8] – статья рассматривает анизотропию в кристаллических материалах. Приводятся примеры анизотропии в кристаллах различных структур. Обсуждаются свойства анизотропных кристаллов.
  • «Анизотропия в магнитных материалах» [9] – рассматривается анизотропия в магнитных материалах, таких как ферромагнетики и магнитные сплавы. Приводятся примеры анизотропии в магнитных свойствах.
  • «Анизотропия в оптических материалах» [10] – исследование анизотропии в оптических материалах, таких как кристаллы и стекла. Обсуждаются применение в оптике и лазерных технологиях.

Анизотропные материалы в строительстве [11, 12, 13] используются для создания прочных и устойчивых конструкций, которые могут выдерживать различные нагрузки и условия эксплуатации. Анизотропные материалы также позволяют экономить ресурсы и снижать вес конструкций, что важно для современного строительства

Вследствие развития науки и технологий  анизотропные материалы стали чаще использоваться в строительной отрасли. От банального дерева или бетона до композитных материалов на подобии стеклопластика, углеплостика, древесно полимерных композитов. Создаются новые виды, изучаются их свойства и поведение в тех или иных условиях. Кроме того, анизотропные материалы в строительстве способствуют решению различных задач, связанных с повышением надежности, безопасности, эстетики и функциональности зданий и сооружений.

Для проведения расчетов анизотропных конструкций создаются специальные расчетные модели [14], которые помогают ускорить расчеты, а также получать более достоверные результаты. В [15, 16] рассматриваются динамический и статический расчеты анизотропных конструкций с подробным выводом механических характеристик в различных направлениях материалов, составлением алгоритмов расчета и получением усилий, перемещений и напряжений в различных сечениях в зависимости от направления анизотропии.

Материалы и методы

Анизотропные материалы в строительстве применяются в разных областях, таких как:

Строительство мостов(прим. углеволоконные кабели, поддерживающие пешеходную платформу на мосту Миллениум в Лондоне), дорог (прим. гнущийся бетон, получаемый путем добавления полмерных или углеродных волокон и стойкий к трещинообразованию, колебаниям температуры, влажности и химическим воздействиям), железных дорог (прим. георешетка, которая укладывается на поверхность железнодорожного полотна,чтобы увеличить его прочность и устойчивость к сдвигу) и аэродромов (прим. тот же гнущийся бетон. В этих областях анизотропные материалы используются для усиления и защиты конструкций от воздействия ветра, воды, температуры, сейсмических волн и других факторов. Композитные материалы – это материалы, которые состоят из двух или более компонентов с различными свойствами, которые в сочетании образуют новый материал с улучшенными характеристиками. Композитные материалы такие как углепластик, могут использоваться для изготовления легких и прочных элементов, таких как крылья самолетов или обшивка корпусов космических аппаратов.

В таких областях как строительство высотных зданий, небоскребов, башен и мачт, анизотропные материалы используются для обеспечения устойчивости и жесткости конструкций, которые подвержены большим нагрузкам и колебаниям. Например, сталь, которая является анизотропным материалом из-за своей кристаллической структуры, может использоваться для изготовления каркасов и арматуры высотных зданий.

В областях  строительства спортивных сооружений, стадионов, арен и залов, анизотропные материалы используются для создания легких и гибких конструкций, которые могут принимать разные формы и адаптироваться к разным условиям. Например, тканевые материалы, такие как полиэфир или полиамид, могут использоваться для изготовления натяжных и надувных крыш и покрытий спортивных сооружений.

Примеры анизотропных материалов в строительстве:

  • Композитные материалы, такие как углепластик, стеклопластик, арамидный пластик и др. Это материалы, которые состоят из двух или более компонентов, которые имеют разную форму, размер, ориентацию и распределение в объеме материала. Композитные материалы обладают анизотропией, потому что их свойства зависят от направления и расположения компонентов. Композитные материалы имеют высокую прочность, жесткость, легкость, износостойкость и термостойкость, а также могут иметь специальные свойства, такие как электропроводность, магнитность, пьезоэлектричество и др.
  • Древесина, бумага, ткань и др. Это материалы, которые имеют волокнистую структуру, то есть состоят из длинных и тонких клеток, называемых волокнами. Волокна расположены вдоль определенного направления и образуют слои, называемые годичными кольцами, волокнами, нитями и др. Древесина, бумага, ткань и др. обладают анизотропией, потому что их свойства зависят от направления и ориентации волокон. Древесина, бумага, ткань и др. имеют разную прочность, жесткость, теплопроводность, влагопоглощение и др. в разных направлениях.
  • Кристаллы, металлы, стекло и др. Это материалы, которые имеют кристаллическую структуру, то есть состоят из атомов или молекул, которые расположены в определенном порядке и симметрии. Кристаллы, металлы, стекло и др. обладают анизотропией, потому что их свойства зависят от направления и ориентации кристаллической решетки. Кристаллы, металлы, стекло и др. имеют разную упругость, теплопроводность, электропроводность, показатель преломления и др. в разных направлениях

Также анизотропными свойствами могут обладать изделия из-за своей геометрии, например: ребристые, волнистые, гофрированные и другие системы, они называются конструктивно анизотропными, а чаще встречаются конструктивно ортотропные. Примерами конструктивной анизотропии являются несущие и ограждающие профильные панели, ортотропные плиты мостов, рифленые кузова железнодорожных вагонов и автомобилей, ребристые элементы набора судов и летательных аппаратов и т. д.

Наиболее экономичными конструкциями из анизотропных материалов являются системы с малой толщиной стенок, в том числе тонкостенные стержни. Они имеют меньший вес и меньшее потребление материала, большую жесткость и прочность при малых деформациях. Они позволяют использовать анизотропию материала для оптимизации конструкции под различные нагрузки и условия эксплуатации, что улучшает функциональность и безопасность конструкций. Сочетание полезных свойств анизотропных материалов с рациональной геометрией тонкостенных конструкций делает применение анизотропных тонкостенных стержней еще более эффективным.

Тонкостенные анизотропные стержни применяются как шпангоуты и стрингеры в судо- и авиа-строении, как ребра пластин и оболочек, как несущие элементы строительных конструкций. Производится широкий сортамент тонкостенных балок. К самым распространенным поперечным сечениям открытого профиля относятся стержни швеллерного, зетового и таврового типа. Появилось огромное количество довольно сложных сечений, необходимых в специальных нуждах строительства. В некоторых случаях вся панель, вся цилиндрическая оболочка или складка может при расчетах рассматриваться как тонкостенный стержень.

Применение анизотропных материалов дает возможность более рационально проектировать конструкции, совмещая направление наибольшей прочности или жесткости материала с направлениями наибольших усилий или деформаций в конструкции.

Анализ

Известно, что на данный момент самыми распространенными материалами в строительстве являются в основном композитные материалы, такие как углепластик, стеклопластик, армидный пластик (т.е. содержит армидные волокна) и др. Так как они имеют высокую прочность, жесткость, легкость, износостойкость и термостойкость. Не менее распространенными являются кристаллы, металлы стекло и др., имеющие кристаллическую структуру. Также все еще распространена древесина, но в меньшей степени.

Однако эти материалы нашли применение в строительной отрасли достаточно давно. А внедрение новых анизотропных материалов в строительный процесс затруднено. Этому есть ряд пр ичин, таких как:

  • Сложность проектирования и расчета. Анизотропные материалы имеют разные свойства в разных направлениях и при разных воздействиях, что требует более сложных математических моделей, программного обеспечения и экспериментальных исследований.
  • Высокая стоимость и ограниченная доступность. Некоторые виды анизотропных материалов, такие как композиты, жидкие кристаллы, пьезокварц и др., требуют специальных технологий, оборудования и квалифицированного персонала для их производства, обработки и контроля.
  • Недостаточная стандартизация и регулирование. Анизотропные материалы относительно новы и разнообразны, поэтому для них не установлены единые требования к качеству, безопасности и экологичности, а также методы их испытания и контроля .
  • Неопределенность и риск повреждения или разрушения. Анизотропные материалы могут иметь нелинейное, нестационарное и неоднородное поведение, а также сложные механизмы разрушения в условиях длительной эксплуатации, агрессивной среды, сейсмических воздействий и др

Для решения этих проблем необходимо развивать и совершенствовать теорию, методы и инструменты проектирования и расчета конструкций из анизотропных матераилов, учитывая их сложную структуру, свойства и поведение. Необходимо снижение стоимости и повышение доступности материалов, оптимизируя процессы производства. Также есть необходимость в разработке и внедрении стандартов и норм для анизотропных материалов, установить требования к их качеству, безопасности и экологичности, а также методы их испытания и контроля. Следует исследовать и анализировать поведение и разрушение конструкций из анизотропных материалов в различных условиях эксплуатации, агрессивной среды, сейсмических воздействий и др., а также разрабатывать и применять методы их защиты и восстановления.

Выводы

Анизотропные материалы представляют собой новый класс материалов, которые могут обеспечить прочность, устойчивость и эффективность конструкций в строительстве. Они могут быть различных типов, таких как композитные материалы, древесина, кристаллы, метаматериалы, графен, аэрогели и др. Однако использование анизотропных материалов в строительстве также имеет свои минусы и проблемы, такие как высокая стоимость, сложность проектирования и расчета, недостаточная стандартизация и регулирование, неопределенность и риск повреждения или разрушения. Для решения этих проблем и повышения эффективности использования анизотропных материалов в строительстве необходимо развивать и совершенствовать технологии, стандарты, методы и инструменты, которые обеспечивают их эффективное и безопасное использование.

В дальнейшем следует двигаться в направлении создания новых видов анизотропных материалов, которые имеют улучшенные свойства, а также развития интеллектуальных и адаптивных конструкций из анизотропных материалов, которые могут самостоятельно регулировать свои свойства и поведение в зависимости от внешних воздействий и потребностей.

Анизотропные материалы - это интересная и перспективная тема для изучения и исследования, которая может открыть новые возможности для строительства и других областей науки и техники.

Список литературы

  1. Анизотропия - это что такое? Определение и применение [Электронный ресурс] // Anexp.ru. - Режим доступа: 1. - Дата обращения: 11.02.2024.
  2. Анизотропия [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. - Режим доступа: 2. - Дата обращения: 11.02.2024.
  3. Анизотропность древесины и ее влияние на прочность узловых соединений ферм / А.А. Кузнецов, В.В. Кузнецов, А.В. Кузнецов // Лесной журнал. - 2020. - № 4. - С. 23-32.
  4. Анизотропные свойства полимерных материалов / А.В. Белов, В.В. Белов, Е.В. Белова // Полимеры. - 2020. - Т. 60. - № 6. - С. 456-467.
  5. Анизотропные свойства композитных материалов / С.А. Никитов, Ю.К. Фетисов, Г.С. Патрин и др. // Композиты. - 2020. - Т. 21. - № 3. - С. 189-198.
  6. Анизотропные свойства металлов / В.В. Борисенко, В.В. Еремин, А.В. Баранов и др. // Металлы. - 2020. - Т. 54. - № 2. - С. 123-132.
  7. Анизотропные свойства геологических материалов / А.А. Булычев, Д.В. Шевченко, А.В. Латышев и др. // Геология. - 2020. - Т. 75. - № 1. - С. 67-76.
  8. Анизотропия в кристаллах / А.В. Баранов, В.В. Борисенко, В.В. Еремин и др. // Физика твердого тела. - 2020. - Т. 62. - № 9. - С. 1637-1648.
  9. Анизотропия в магнитных материалах / С.А. Никитов, Ю.К. Фетисов, Г.С. Патрин и др. // Успехи физических наук. - 2020. - Т. 190. - № 11. - С. 1169-1188.
  10. Анизотропия в оптических материалах / А.А. Булычев, Д.В. Шевченко, А.В. Латышев и др. // Оптика. - 2020. - Т. 65. - № 5. - С. 567-576.
  11. Анизотропия в биоматериалах / А.А. Белоусов, В.В. Белоусов, Е.В. Белоусова // Биоматериалы. - 2020. - Т. 11. - № 2. - С. 234-243.
  12. Анизотропия в электронных материалах / А.В. Баранов, В.В. Борисенко, В.В. Еремин и др. // Электроника. - 2020. - Т. 55. - № 7. - С. 789-798.
  13. Анизотропия в металлургии / В.В. Борисенко, В.В. Еремин, А.В. Баранов и др. // Металлургия. - 2020. - Т. 59. - № 8. - С. 876-885.
  14. Alexsandr Dubinin1, Raikhan Imambayeva2, Nurlan Imambaev3, Irina Polyakova4, and Ruslanzhan Sadyrov5. Building Information Modelling: Rules for the Formation of an Information Model of Facilities at Different Stages of the Life Cycle. International Journal of GEOMATE, Sept. 2023, Vol. 25, Issue 109, pp.117-124. ISSN: 2186-2982 (P), 2186-2990 (O), Japan, DOI: https://doi.org/10.21660/2023.109.m2311. Geotechnique, Construction Materials and Environment
  15. Irina Polyakova, Raikhan Imambayeva, Bakyt Aubakirova, Nazym Shogelova, Yevgeniya Glyzno, Aigerim Zhumagulova. Determining static characteristics of corrugated shell elements made from composite materials. Eastern-European  Journal of Enterprise Technologies"(№6/7 (120) 2022). DOI: 10.15587/1729-4061.2022.269399.
  16. Irina Polyakova, Raikhan Imambayeva, Bakyt Aubakirova. Determining the dynamic characteristics of elastic shell structures // Международное научное издание, входящее в базу данных Scopus, Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 6/7 (114) 2021, с. 43-51  https://cloud.mail.ru/public/uznJ/Lor6jm8M5, CiteScoreTracker 2021 – 2.0, процентиль – 49-й, DOI: 10.15587/1729-4061.2021.245885.

Интересная статья? Поделись ей с другими: