XII MECHANIKA BELEK I PŁYT WARSTWOWYCH

XII
MECHANIKA BELEK I PŁYT WARSTWOWYCH
Zbigniew POZORSKI
Wstęp
Materiały warstwowe należą do szerokiej grupy materiałów kompozytowych. Materiał
kompozytowy jest to materiał utworzony z dwóch lub więcej komponentów (połączonych ze
sobą w skali makroskopowej) i mający nowe (lepsze) właściwości w porównaniu
z komponentami. Materiały kompozytowe zazwyczaj odzwierciedlają najlepsze cechy
komponentów: wytrzymałość, sztywność, odporność na korozję, niewielki ciężar,
izolacyjność termiczną. Można wyróżnić cztery główne grupy materiałów kompozytowych:
kompozyty z włóknami (włókna w osnowie), laminaty (połączone warstwy różnych
materiałów), cząsteczkowe (cząsteczki w osnowie) i grupa kombinowanych materiałów
kompozytowych. Powszechnie znanymi laminatami są bimetale stosowane jako wyłączniki
prądowe oraz szkło bezpieczne. Beton można potraktować jako materiał kompozytowy
cząsteczkowy, w którym niemetaliczne cząstki kruszywa połączone są mieszaniną wody
i cementu. Beton zbrojony jest natomiast materiałem kombinowanym, w którym kompozyt
cząsteczkowy jest wzmacniany włóknami (zbrojenie). Silniki rakietowe, skrzydła
samolotowe, rakiety tenisowe i kije golfowe są wykonywane z materiałów warstwowych
(laminatów), w których poszczególne warstwy (laminy) są wzmacniane włóknami. Ten typ
materiału jest wykorzystywany również do wykonania całych konstrukcji mostowych, czego
przykładem jest samonośny most o długości 44 metrów wykonany w Madrycie nad rzeką
Mazanares.
Z powodu dużej różnorodności materiałów kompozytowych, do opisu zachowania się
konstrukcji wykonanych z tych materiałów stosowane są różne teorie. W przypadku
laminatów złożonych cienkich lamin powszechnie stosowana jest klasyczna teoria laminatów
[7]. Specyficznego podejścia wymaga mechanika betonu [6]. W budownictwie, szczególnie
mostowym, powszechnie wykorzystywane są materiały warstwowe, zespolone, stalowobetonowe [9]. Przedmiotem niniejszej pracy są materiały i konstrukcje warstwowe złożone ze
stosunkowo cienkich, ale sztywnych i wytrzymałych okładzin oraz z lekkiego i podatnego
rdzenia [4, 20]. Nieodłączną zaletą tego typu konstrukcji jest wysoka wytrzymałość i
sztywność uzyskana przy niewielkim ciężarze. Z tego powodu, materiały tego typu są od
wielu lat z powodzeniem stosowane w wielu zaawansowanych technologicznie branżach
przemysłu. Jednym z pierwszych, spektakularnych przykładów zastosowania konstrukcji
warstwowej jest samolot myśliwsko-bombowy Mosquito używany w II wojnie światowej
przez Royal Air Force. Innym przykładem jest statek kosmiczny Apollo, który wylądował na
1
księżycu 20 lipca 1969. Zarówno zewnętrzna, jak i wewnętrzna powłoka kapsuły tego statku,
były wykonane jako konstrukcje warstwowe. Struktury warstwowe są obecne w naszym
codziennym życiu. Jeździmy na nartach, które mają układ warstwowy z podatnym rdzeniem
(poliuretan, balsa), używamy drzwi złożonych z zewnętrznych okładzin i papierowego
rdzenia o strukturze plastra miodu, budujemy hale przemysłowe, w których cała obudowa
(ściany, dachy) jest wykonana z paneli warstwowych.
W pracy przedstawiona zostanie specyfika belek i płyt warstwowych stosowanych w
budownictwie lądowym. Te elementy warstwowe charakteryzują się dużą podatnością rdzenia
na deformacje postaciowe, co odróżnia je od typowych konstrukcji monolitycznych.
Omówiona zostanie powszechnie stosowana, klasyczna teoria belek i płyt warstwowych
(Ordinary Sandwich Panel Theory). Zastosowanie teorii wraz z odpowiednią interpretacją
zostanie przedstawione na prostych przykładach belek warstwowych. Przedyskutowane
zostaną też kwestie związane z modelowaniem układów warstwowych za pomocą metody
elementów skończonych. Na końcu pracy omówiona zostanie problematyka badań
eksperymentalnych.
Słowa kluczowe: konstrukcje warstwowe, budownictwo lądowe, teoria belek warstwowych.
2