PL209076B1 - Element budowlany laminatowy, struktura inżynierii lądowej i wodnej lub morskiej oraz sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego laminatowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element budowlany laminatowy, struktura inżynierii lądowej i wodnej lub morskiej oraz sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego laminatowego.

Chodzi tu zwłaszcza o złożone płytowe laminatowe wielowarstwowe konstrukcje budowlane, a w szczególności takie konstrukcje, które są odpowiednie do budowy zarówno struktur morskich jak i lądowych lub elementów składowych, w których tradycyjny sposób budowy wykorzystuje usztywniona stal lub płyty z metalu.

W takich zastosowaniach jak kadłuby statków lub jezdnie mostów, płyty stalowe tworzące takie konstrukcje są zazwyczaj usztywniane w celu zwiększenia sztywności i wytrzymałości poprzez zapobieganie miejscowemu wygięciu płyt. Elementy usztywniające mogą składać się z płyt, formowanych na zimno lub walcowanych kształtowników, które są spawane prostopadle do głównej płyty nośnej. Są one zwykle rozmieszczone w jednakowych odstępach i mogą być zorientowane w jednym lub dwu kierunkach, które są ustawione w linii z wymiarami planowymi płyty głównej. Liczba, wielkość, położenie i rodzaj zależne są od zastosowania i sił, które musza być przenoszone przez strukturę. Zastosowanie elementów usztywniających wymaga spajania, komplikuje proces wytwarzania i zwiększa wagę. Elementy usztywniające, ich połączenie z główną płytą lub przecinanie się z innymi głównymi elementami szkieletu konstrukcji jest często źródłem problemów wynikających ze zmęczenia i korozji. Złożone i zagęszczone struktury powstałe z połączenia płyt usztywnionych są często trudne do konserwowania i zapewnienia odpowiedniej ochrony przed korozją.

Laminaty metal-pianka o ulepszonych własnościach izolacji dźwiękowej i cieplnej znane są w zastosowaniu do okładania budynków lub pokrycia dachów, na przykład opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki US 4 698 278. Laminaty takie wykorzystują zwykle materiały spienione lub włókniste i nie są przeznaczone ani zdolne do przenoszenia znacznych obciążeń, to jest znacząco większych niż ich waga własna i małe obciążenia wskutek miejscowego działania wiatru lub śniegu. Nie przeciwstawiając się, zbadano zastosowanie struktury typu „sandwich stal-pianka poliuretanowastal do kadłubów statków. Stwierdzono, że ten rodzaj konstrukcji „sandwich był nieodpowiedni, ponieważ nie miał dostatecznej siły wiązania do zapewnienia usztywnionym strukturom płytowym równorzędnej sztywności i wytrzymałości w płaszczyźnie i poprzecznie do niej, które są wymagane do niesienia nałożonych obciążeń.

W opisie patentowym Wielkiej Brytanii GB-A-2 337 022 ujawniono laminatowy element budowlany zawierający warstwę pośrednią złożoną z elastomeru umieszczonego pomiędzy wewnętrznymi powierzchniami pierwszej i drugiej warstwy z metalu i przylegającego do nich, a także sposób wytwarzania laminatowego elementu budowlanego polegający na dostarczeniu pierwszej i drugiej warstwy w odstę pie od siebie z wgłębieniem rdzeniowym wyznaczonym pomię dzy dwiema pł ytami wylewaniu nie utwardzonego elastomeru do tego wgłębienia rdzeniowego i utwardzaniu elastomeru tak, że przywiera on do wspomnianych warstw metalu, znamienny tym, że podczas dostarczania warstw dostarcza się formę częściowo stykającą się z obiema warstwami metalu i umieszcza ją we wgłębieniu rdzeniowym, przy czym forma częściowo wypełnia wgłębienie rdzeniowe.

Istotą wynalazku jest element budowlany laminatowy zawierający pierwszą warstwę metalu mającą pierwszą powierzchnię wewnętrzną i pierwszą powierzchnię zewnętrzną, drugą warstwę metalu mającą drugą powierzchnię wewnętrzną i drugą powierzchnię zewnętrzną, przy czym druga warstwa metalu znajduje się w odstępie od pierwszej warstwy metalu i warstwę pośrednią złożoną z elastomeru umieszczonego pomiędzy pierwszą i drugą powierzchnią wewnętrzną i przylegającą do pierwszej i drugiej powierzchni wewnętrznej, odznacza się według wynalazku tym, że zawiera formę umieszczoną w przestrzeniach pomiędzy pierwsza i drugą powierzchnią wewnętrzną, nie zajętych przez warstwę pośrednią.

Korzystnie pierwsza i druga warstwa metalu są połączone ze sobą za pomocą pośredniej warstwy elastomerowej bez spajania ze sobą pośrednich płyt metalowych.

Korzystnie forma wykonana jest z wielu podsekcji.

Korzystnie podsekcje są podłużne.

Korzystnie wspomnianych wiele podsekcji jest połączonych między sobą wzajemnymi łącznikami.

Korzystnie podsekcje obejmują wgłębienia ustawcze, które wystają z powierzchni podsekcji do zetknięcia z pierwszą i druga powierzchnią wewnętrzną warstw metalu.

Korzystnie podsekcje są puste.

Korzystnie nie wszystkie podsekcje mają jednakowy kształt.

PL 209 076 B1

Korzystnie nie wszystkie podsekcje nie są jednakowo oddalone od siebie.

Korzystnie przekrój poprzeczny podsekcji jest większy niż przekrój poprzeczny wzajemnych łączników.

Korzystnie wiele form przebiega wzdłuż całej długości elementu tak, że warstwa pośrednia tworzy wiele oddalonych od siebie wydłużonych żeber.

Korzystnie ponadto zawiera co najmniej jedna płytę poprzeczną zazwyczaj prostopadłą do warstw pierwszej i drugiej i przebiegającą pomiędzy nimi oraz połączona z warstwą pośrednią.

Korzystnie najmniej jedna płyta poprzeczna zawiera otwory przelotowe.

Korzystnie forma jest wykonana z pianki, korzystnie pianki poliuretanowej (PU).

Korzystnie forma jest wykonana z polipropylenu.

Korzystnie forma jest w częściowym kontakcie z co najmniej jedną spośród warstw metalu pierwszej i drugiej.

Korzystnie ma ciągłe ścieżki od wewnętrznej strony pierwszej warstwy do wewnętrznej strony drugiej warstwy omijające formę.

Korzystnie ma proste ścieżki od wewnętrznej strony pierwszej warstwy do wewnętrznej strony drugiej warstwy omijające formę i te proste ścieżki są prostopadłe do pierwszej i drugiej warstwy metalu.

Korzystnie zawiera ponadto dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie umieszczone pomiędzy pierwszą i drugą powierzchnią wewnętrzną, ale bez spojenia z nimi.

Korzystnie elastomer przyczepiony jest do dodatkowych członów.

Korzystnie elastomer posiada moduł sprężystości E większy lub równy około 250 MPa i plastyczność większą od plastyczności warstw metalu.

Korzystnie elastomer ma moduł sprężystości E większy lub równy około 275 MPa.

Korzystnie elastomer ma wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na ściskanie co najmniej 2 MPa.

Korzystnie elastomer ma siłę wiązania z warstwami metalu co najmniej 1 MPa.

Korzystnie wspomniany elastomer jest zwarty.

Korzystnie pierwsza i druga warstwa metalu są od siebie oddalone o około 20 do 250 mm.

Korzystnie pierwsza i druga warstwa metalu mają grubość w zakresie od około 2,0 do około 25 mm każda.

Korzystnie stosunek całkowitej grubości pierwszej i drugiej warstwy metalu do grubości warstwy pośredniej jest w zakresie od 0,1 do 2,5.

Istotą wynalazku jest również struktura inżynierii lądowej i wodnej lub morskiej lub jednostka pływająca zawierająca co najmniej jeden element budowlany laminatowy określony powyżej.

Kolejnym wynalazkiem jest sposób wytwarzania elementu budowlanego laminatowego polegający na dostarczeniu pierwszej i drugiej warstwy w odstępie od siebie z wgłębieniem rdzeniowym wyznaczonym pomiędzy dwiema płytami, wylewaniu nie utwardzonego elastomeru do tego wgłębienia rdzeniowego i utwardzaniu elastomeru tak, że przywiera on do wspomnianych warstw metalu, charakteryzuje się według wynalazku tym, że podczas dostarczania warstw dostarcza się formę częściowo stykającą się z obiema warstwami metalu i umieszcza ją we wgłębieniu rdzeniowym, przy czym forma częściowo wypełnia wgłębienie rdzeniowe.

Korzystnie umieszcza się dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie pomiędzy pierwszą i druga powierzchnią wewnętrzną, ale bez kontaktu z mini.

Korzystnie stosuje się formę wykonaną z pianki, korzystnie pianki poliuretanowej (PU).

Korzystnie stosuje się dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie odlane jako całość z formą .

Korzystnie stosuje się dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie odlane jako całość z elastomerem.

Korzystnie elastomer po utwardzeniu ma moduł sprężystości E większy lub równy około 250 MPa i plastyczność większą od plastyczności warstw metalu.

Pierwsza i druga warstwa metalu mogą być uważane za płyty czołowe konstrukcji. Również nie muszą one być równoległe i mogą mieć zmienny odstęp i kształt w celu zapewnienia odpowiedniego lub najlepszego możliwego zachowania strukturalnego.

Element budowlany laminatowy według niniejszego wynalazku wykazuje zmniejszoną średnią masę właściwą w porównaniu ze stanem techniki i jest szczególnie korzystny w takich zastosowaniach, jak okręty lub jezdnie mostowe, lub inne zastosowania konstrukcyjne, w których wymagania odnośnie do wagi są ostre i w których może zostać wyeliminowane spawanie/zgrzewanie pomiędzy warstwami metalu w celu zmniejszenia kosztu i problemów z łączeniem niepodobnych metali. Ponadto

PL 209 076 B1 przez zapewnienie pustej formy można łatwo uzyskać rozprowadzenie wewnętrznych przewodów instalacji elektrycznej lub rurociągu w laminatach. W porównaniu z tradycyjnymi usztywnianymi płytami stalowymi, ta postać konstrukcji zapewnia równorzędną sztywność w płaszczyźnie i poprzecznie do niej, zmniejsza problemy zmęczeniowe, minimalizuje spiętrzanie naprężeń, poprawia izolację termiczną i akustyczną i zapewnia kontrole wibracji. Laminat zapewnia układ konstrukcyjny, który działa jak warstwa zatrzymująca pękanie i który może łączyć dwa niepodobne metale bez spajania lub bez zestawiania ogniwa galwanicznego.

Formę uważa się za nie utrzymującą obciążeń i zapewniającą jedynie dokładnie ukształtowane, rozmieszczone i zwymiarowane objętości, w których nie jest wymagany rdzeń elastomerowy dla osiągów konstrukcyjnych. Przestrzeń nie zajęta przez formę wypełniona jest elastomerem. Ilość, kształt i położenie elastomeru pomiędzy płytami metalowymi jest specyficzna dla zastosowania i zaprojektowana do integralnego działania z czołowymi płytami z metalu w celu przenoszenia wszystkich sił, których działaniu może być poddana złożona laminatowa płyta konstrukcyjna. Uważa się, że zapewniony jest dostateczny obszar łączenia pomiędzy elastomerem i płytami metalu dla przeniesienia występujących sił ścinających. W niektórych zastosowaniach spajanie pośrednich płyt metalowych lub kształtowników może zostać wyeliminowane. Ponadto warstwa pośrednia powinna zostać tak opracowana i mieć taką charakterystykę materiał ową (to znaczy umowną granicę plastyczno ś ci, moduł , plastyczność, twardość, sprężystość odbojową, własności termiczne i akustyczne, charakterystykę tłumienia i wibracyjną), aby zapewnić osiągi konstrukcyjne wymagane dla danego zastosowania. Przykładowo, w przypadku, gdy waż na jest zdolność wytrzymywania obciążeń udarowych i pochł aniania energii, warstwa pośrednia zaprojektowana jest tak, aby przyczyniała się do rozpraszania odkształceń i niesprężystego działania przeponowego w czołowych płytach metalowych oraz do zwiększenia odporności na przebicie.

Ukształtowania wynalazku mogą obejmować płyty z metalu lub kształtowniki osadzone w lub połączone z warstwą pośrednią dla zwiększenia sztywności przy ścinaniu, sztywności zginania i poprzecznej oraz zwiększenia, a, rozłożenia obciążenia. Położenie, wielkość i liczbę wybiera się w zależności od wymagań odnośnie do obciążenia i konstrukcyjnych. Płyty lub kształtowniki mogą być zorientowane wzdłużnie lub poprzecznie lub w obu tych kierunkach. Zapewnienie w ten sposób dodatkowej sztywności ma tę korzyść, że dodatkowe płyty lub kształtowniki nie muszą być spajane z warstwami metalu, przenoszenie ś cinania pomię dzy pł ytami metalu lub kształ townikami i warstwami metalu zapewnione jest poprzez połączenie pomiędzy elastomerem (głównie) i formą (drugorzędnie) i pł ytami metalu lub kształ townikami.

Zapewnienie formy w kontakcie z warstwami metalu zgodnie z wynalazkiem pozwala na łatwe zestawianie laminatów z wymaganą dokładnością wymiarową.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku na którym fig. 1 przedstawia schematycznie w bocznym przekroju poprzecznym złożony laminatowy element budowlany według wynalazku pokazując kilka różnych form, fig.2 przedstawia we wzdłużnym przekrój poprzecznym tę sam złożony laminatowy element budowlany według niniejszego wynalazku, fig. 3 przedstawia widok w przekroju poprzecznym drugiego przykładu wykonania wynalazku, fig. 4 przedstawią widok w przekroju poprzecznym trzeciego przykładu wykonania wynalazku z zakrzywionym kształtownikiem, i fig. 5 przedstawia widok w przekroju poprzecznym czwartego przykładu wykonania wynalazku.

Na figurach te same części oznaczono tymi samymi numerami.

Fig. 1 przedstawia widok w przekroju elementu laminatowego według niniejszego wynalazku.

Element laminatowy zawiera pierwszą warstwę zewnętrzną 1, formę 10, warstwę pośrednia 20 i drugą warstwę zewnętrzną 2. Forma 10 może pozostawać w częściowym kontakcie z warstwami zewnętrznymi 1 i 2 w obszarach oznaczonych jako 15. Warstwa pośrednia 20 jest połączona z każdą z warstw zewnętrznych pierwszą i drugą, 1 i 2 z dostateczna siłą do przenoszenia obciążeń ścinających pomiędzy warstwami zewnętrznymi tak, aby uzyskać złożony element budowlany zdolny do przenoszenia obciążeń znacznie większych niż własny ciężar.

Dokładne obciążenie przenoszone przez element laminatowy zależy od zastosowania, do którego ma być on przeznaczony. Stosunek objętości formy 10 do objętości warstwy pośredniej 20 wybierany jest zgodnie z wymaganymi własnościami fizycznymi. Takie własności fizyczne mogą obejmować wytrzymałość, sztywność i masę właściwą.

Forma 10 zawiera kilka podsekcji 11 połączonych ze sobą wzajemnymi łącznikami 12. Podsekcje 11 mają zwykle ten sam kształt i są równomiernie rozmieszczone, jak pokazano na fig. 3 i 4 dla

PL 209 076 B1 płaskich i zakrzywionych kształtowników. Wzajemne łączniki 12 są zazwyczaj, chociaż niekoniecznie, równoległe do warstw 1, 2 metalu. Wzajemne łączniki 12 mają zwykle mniejszy maksymalny przekrój poprzeczny niż podsekcje 11, Korzystnie, kilka podsekcji i wzajemnych łączników 12 jest wykonanych jako całość. Forma 10 może stykać się z pierwszą i drugą warstwą zewnętrzną 1, 2 wzdłuż całej krawędzi podsekcji 11 lub przy wgłębieniach ustawczych 13. W tym ostatnim przypadku, dostępny jest większy obszar powierzchni dla warstwy pośredniej 20 w celu połączenia z warstwami pierwszą i drugą.

Korzystnie element ma ciągłe ścieżki przelotowe od pierwszej zewnętrznej warstwy 1 do drugiej zewnętrznej warstwy 2, omijające formę 10. Bardziej korzystnie, element ma proste ścieżki przelotowe od pierwszej zewnętrznej warstwy 1 (płyta czołowa) do drugiej zewnętrznej warstwy 2 (płyta czołowa) omijające formę 10), które to proste ścieżki są optymalnie prostopadłe do pierwszej i drugiej warstwy zewnętrznej. Forma może być ukształtowana dla uzyskania dodatkowego obszaru połączenia dla elastomeru na czołowych płytach metalu. Przykładowo przekrój poprzeczny konstrukcji pokazuje szereg elastomerowych żeber, które wyglądają jak kolumny jońskie (kolumny z kapitelami).

Forma 10 może być wykonana z lekkiego materiału piankowego dowolnego rodzaju, np. pianki poliuretanowej (PU), która nie reaguje z warstwami 1, 2 metalu lub z elastomerem. Zalecaną pianką jest półsztywna pianka polipropylenowa o gęstości większej od 20 kg/m³. Korzystnie pianka jest dostatecznie sztywna, aby nie ulegała łatwo ściskaniu przez warstwy 1, 2 metalu lub warstwę pośrednią 20. Forma 10 może być kształtowana w określonym celu lub konstruowana w sposób ogólny dla uzyskania określonych grubości tak, że formie 10 mogą być nadawane takie wymiary (może być cięta), aby pasowała. Niektóre formy mogą być umieszczane obok siebie pomiędzy pojedynczymi warstwami zewnętrznymi. W innych przykładach wykonania formy zastępuje się innymi materiałami takimi jak drewno i kształtowanymi na zimno stalowymi skrzynkami o małym przekroju. Formy te pełnią te same funkcje i mają podobne własności jak opisane poprzednio dla form 10.

Formy te mogą również zwiększać sztywność ścinania i sztywność zginania.

Jak widać z fig. 3 lub 4, forma 10 może składać się z regularnego układu podsekcji połączonych ze sobą w regularnych odstępach. Laminat budowlany wytworzony tym sposobem ma jednolite własności w całym elemencie. Alternatywnie, jak pokazano na fig. 1, wielkość, kształt, i rozstawienie podsekcji może się zmieniać. Wzajemne łączniki 12 nie muszą być również jednakowo rozmieszczone. Można wybrać dowolny kształt podsekcji w rzeczywistości nawet puste w środku kształty. Parametry te można wybierać zależnie od wymaganych własności fizycznych elementu w określonym obszarze. Zapewnienie pustych wzajemnych łączników 12 lub pustych podłużnych podsekcji 11 pozwala na rozprowadzenie wewnątrz okablowania lub rurociągu.

Funkcja formy 10 nie polega na zdolności utrzymywania obciążenia, ale raczej jest to dogodny sposób uzyskania pustek w warstwie pośredniej 20 w obszarach, gdzie cała zdolność utrzymywania obciążeń elastomeru w przestrzeni pomiędzy pierwszą powierzchnią wewnętrzną 4 i drugą powierzchnią wewnętrzną 6 nie jest wymagana. W ten sposób masa właściwa danego elementu budowlanego może zostać znacznie zmniejszona. Ponadto, położenie pustki w laminowanym elemencie budowlanym może być dokładnie regulowane i można zwiększyć dokładność wymiarową odległości pomiędzy pierwszą powierzchnią wewnętrzną 4 i drugą powierzchnią wewnętrzną 6.

Pierwsza warstwa zewnętrzna 1 zawiera pierwszą zewnętrzną powierzchnię 3 i pierwszą wewnętrzna powierzchnię 4. Podobnie druga warstwa zewnętrzna 2 zawiera drugą zewnętrzną powierzchnię 5 i drugą wewnętrzną powierzchnię 6. Pierwsza powierzchnia wewnętrzna 4 i druga powierzchnia wewnętrzna 6 mogą być oddalone od siebie w zakresie od około 20 do 250 mm. Jako minimum pierwsza i druga warstwa wewnętrzna mają grubość 2 mm, a warstwa pośrednią 20 mm. Korzystnie warstwa pośrednia ma moduł sprężystości E, wynoszący co najmniej 250 MPa, korzystniej 275 MPa, przy maksymalnej spodziewanej temperaturze środowiska, w którym element ma być stosowany. W zastosowaniach do budowy okrętów może to być 100 stopni C. Elastomer nie powinien być zbyt sztywny, tak że współczynnik sprężystości E powinien być mniejszy od 5000 MPa w najniższej spodziewanej temperaturze, -40 lub -45 stopni C w zastosowaniach do budowy okrętów.

Jeśli wymagana jest dodatkowa sztywność ścinania lub zginania dla szczególnych zastosowań, płyty metalowe lub kształtowniki stalowe walcowane mogą być odlane jako całość, lub połączone z formą lub elastomerem. Położenie, wielkość i liczbę wybiera się zależnie od obciążenia i wymagań konstrukcyjnych. Płyty i kształtowniki mogą być zorientowane wzdłużnie lub poprzecznie lub w obu kierunkach.

Wytrzymałości na rozerwanie, ściskanie i rozciąganie jak też wydłużenie elastomeru powinny zostać zmaksymalizowane dla umożliwienia pochłaniania energii przez złożony laminat w sytuacjach

PL 209 076 B1 nadzwyczajnego obciążenia, takich jak udar. W szczególności, wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie elastomeru powinny wynosić co najmniej 2, korzystnie 20 MPa, a korzystniej 40 MPa. Wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie mogą być oczywiście znacznie większe od tych minimalnych.

Fig. 5 przedstawia kolejny przykład wykonania niniejszego wynalazku, w którym płyty poprzeczne 60 rozciągają się pomiędzy pierwszą i drugą warstwą zewnętrzną, 1 i 2. Płyty poprzeczne 60 mogą być pełne lub perforowane przebitymi otworami 61, jak przedstawiono na fig. 5, aby umożliwić wolny przepływ wtryśniętej warstwy pośredniej 20 i po utwardzeniu zwiększyć obciążenie (mechaniczne blokadę) pomiędzy warstwą pośrednią 20 i płytami poprzecznymi 60. Perforowane płyty zapewniają człony usztywniające, zmniejszoną wiotkość i mniejszą wagę elementu składowego. Korzystnie płyty poprzeczne 60 są usytuowane w sąsiedztwie podsekcji jak pokazano na fig. 5. Podsekcje 11 korzystnie przebiegają w zasadzie przez całą długość elementu, tak, że warstwa pośrednia tworzy wiele oddalonych od siebie podłużnych żeber i płyty poprzeczne 60 połączone są z jednym z tych podłużnych żeber. Ścinanie przenoszone jest na płyty poprzeczne 60 za pomocą połączenia (adhezja i mechaniczne) dla zapewnienia wymaganej sztywności zginania.

Warstwy 1, 2 metalu stanowi korzystnie stal konstrukcyjna, chociaż mogą one być również z aluminium, stali nierdzewnej lub innych stopów konstrukcyjnych w zastosowaniach specjalnych, w których lekkość, odporność na korozje, obojętność lub inne szczególne własności są sprawa zasadniczą. Metal powinien korzystnie mieć granicę plastyczności wynoszącą 240 MPa i wydłużenie co najmniej 20%. Dla wielu zastosowań, zwłaszcza budowy okrętów, jest niezbędne, aby metal był spawalny.

Warstwy 1, 2 metalu mogą być z różnych metali, które mają różne funkcje. Przykłady stanowią stal miękką w celu zapewnienia wytrzymałości przy niskim koszcie, stal nierdzewna dla wytrzymałości i odporności na szkodliwe działanie chemiczne i aluminium dla uzyskania lekkości, dobrej sztywności i wytrzymałości.

Plastyczność elastomeru w najniższej temperaturze roboczej musi być większa niż plastyczność warstw metalu, która wynosi około 20%. Zalecana wartość plastyczności elastomeru w najniższej temperaturze roboczej wynosi 50%. Współczynnik cieplny elastomeru musi być również dostatecznie bliski temu współczynnikowi dla stali tak, aby zmiany temperatury w spodziewanym obszarze roboczym nie powodowały rozgraniczenia. Rozpiętość zróżnicowania współczynników cieplnych dwóch materiałów zależy częściowo od sprężystości elastomeru, ale uważa się, że współczynnik rozszerzalności cieplnej, elastomeru może wynosić około 1-krotność współczynnika rozszerzalności cieplnej warstw metalu. Współczynnik rozszerzalności cieplnej może być regulowany dodawaniem do elastomeru wypełniaczy.

Siła wiązania pomiędzy elastomerem i warstwami metali powinna wynosić co najmniej 1 MPa, korzystnie 6 MPa w całym zakresie temperatury roboczej. Korzystnie osiąga się to dzięki samoistnej kleistości elastomeru do stali, ale mogą być również przewidziane dodatkowe spoiwa.

Do dodatkowych wymagań, w przypadku gdy element ma być zastosowany do budowy okrętów należy to, że wytrzymałość na rozciąganie na granicy faz musi być dostateczna do wytrzymania spodziewanego ujemnego ciśnienia hydrostatycznego i sił rozdzielających pochodzących od połączeń stalowych. Forma i elastomer muszą być odporne na hydrolizę zarówno w stosunku do wody morskiej jak i wody słodkiej i jeśli element ma być stosowany w zbiornikowcu do ropy musi mieć odporność chemiczną na oleje.

Zatem elastomer zawiera w zasadzie poliol (np. poliester lub polieter) razem z izocyjanianem lub diizocyjanianem, przedłużacze łańcucha i wypełniacze. Wypełniacze przewidziane są w razie konieczności dla zmniejszenia współczynnika cieplnego warstwy pośredniej, zmniejszenia jej kosztu i innego rodzaju regulacji własności fizycznych elastomeru. Mogą być również zawarte inne dodatki, na przykład w celu regulowania hydrofobowości lub adhezji oraz środki zmniejszające palność.

Forma 10 i warstwa pośrednia 20 mogą być odsłonięte (otwarte) lub osłonięte. W przypadkach, w których materiały formy 10 i warstwy pośredniej 20 są odsłonięte i gdy spawanie/zgrzewanie jest zminimalizowane lub nawet całkowicie wyeliminowane, materiał warstwy pośredniej musi zapewniać dodatkową wymaganą zdolność ścinania pomiędzy płytami i musi być odporny na wpływy otoczenia (np. odporny na promieniowanie UV). W przypadku odsłoniętych materiałów mogą być pożądane szczególne dodatki dla zwiększenia ognioodporności.

Stosunek całkowitej grubości warstw zewnętrznych do grubości elastomeru (T1 + T3)/T2, jest zazwyczaj w zakresie od 0,1 do 2,5. Elastomer jest korzystnie zwarty, to znaczy zawiera powietrze w ilości mniejszej niż około 25% objętościowych.

PL 209 076 B1

Na zewnętrzne powierzchnie warstw metalu przed albo po wytworzeniu laminatu mogą być nakładane powłoki, na przykład ze względu na odporność na korozję lub z powodów kosmetycznych. Mogą być również przewidziane inne pokrycia dla ochrony odsłoniętego laminatu.

Element według niniejszego wynalazku jest znacznie mocniejszy i sztywniejszy od elementu z metalu o tej samej grubości całkowitej, który nie ma warstwy pośredniej. Spowodowane to jest tym, że element działa w sposób analogiczny do dźwigara skrzynkowego lub belki dwuteowej z warstwą pośrednią spełniającą funkcję środnika (ów). Aby funkcjonować w ten sposób warstwa pośrednia jako taka i łączenia z warstwami zewnętrznymi muszą być dostatecznie mocne do przenoszenia sił powstających przy stosowaniu elementu.

Dalszą zaletą niniejszego wynalazku, szczególnie korzystną w zastosowaniach do budowy okrętów i mostów, jest to, iż warstwa pośrednia zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć pomiędzy warstwą wewnętrzną i zewnętrzną. Sprężystość warstwy pośredniej pomaga zapobiegać rozprzestrzenianiu się lub wzrostowi istniejących pęknięć. Złożona laminatowa konstrukcja budowlana wygina się dzięki większemu promieniowi w punktach podparcia lub wzdłuż krawędzi obciążenia, rozpraszając naprężenia zginające, zmniejszając odpowiednie spiętrzenia naprężeń i możliwość powstawania pęknięć zmęczeniowych.

Zalecanym sposobem wytwarzania elementu laminatowego według wynalazku jest umieszczenie dwóch warstw 1, 2 metalu w odstępie od siebie z formą 10 umieszczona dwiema warstwami 1, 2 i w kontakcie z tymi dwiema warstwami 1, 2. Tym sposobem rozstęp dwu warstw wyznaczony jest wymiarem formy 10. Elastomer warstwy pośredniej jest odlewany lub wtryskiwany (zazwyczaj pod ciśnieniem) bezpośrednio do pozostałej części wgłębienia utworzonego przez dwie warstwy 1, 2 metalu, nie zajętej przez formę 10. Forma może być połączona z warstwami 1, 2 w postaci stalowych płyt za pomocą środków wiążących ze związków zgodnych z elastomerem o wytrzymałości dostatecznej do utrzymania płyt w miejscu podczas procesu wtryskiwania do chwili wystarczającego utwardzenia elastomeru.

Podczas odlewania, płyty 1, 2 w postaci płyt mogą być utrzymywane w nachyleniu dla wspomożenia przepływu elastomeru lub nawet pionowo, chociaż hydrostatyczna wysokość słupa elastomeru podczas odlewania nie powinna być nadmierna a przepływ usuwanego powietrza powinien być optymalny. Płyty mogą również być umocowane na stałe w strukturze i wypełnione elastomerem na miejscu.

W celu umożliwienia spawania/zgrzewania elementu z innym elementem lub istniejącą strukturą, konieczne jest pozostawienie odpowiedniej krawędzi spawania/zgrzewania wokół obrzeży dla zapewnienia, aby elastomer i jego połączenie z płytą stalową nie zostały uszkodzone przez ciepło spawania/zgrzewania. Szerokość krawędzi spawania będzie zależała od wytrzymałości cieplnej elastomeru i stosowanych technik spawania/zgrzewania, ale może wynosić około 75 mm. Jeśli elastomer jest wylewany pomiędzy płytami, krawędź spawania musi być określona za pomocą podłużnych usuwalnych lub odlewanych na miejscu elementów rozstawczych.

Wymagana liczba otworów wtryskowych i odpowietrzających zależy od dostępnych urządzeń do pompowania składników elastomeru w celu zapewnienia minimalnego rozpryskiwania (idealnie bez rozprysku), objętości, orientacji i kształtu, który ma być wypełniony, optymalnych miejsc dla odprowadzenia powietrza (upewnienia się, że nie ma pustek) i czasu żelowania elastomeru. Otwory wtryskowe i odpowietrzające powinny być położone w miejscach odpowiednich do zastosowań, do których ma być przeznaczony element. Jeśli element ma być stosowany w płycie kadłuba w statku o podwójnym kadłubie, otwory wtryskowe są idealnie dopasowane tak, aby znajdowały się naprzeciw szczeliny między kadłubami, a nie morza lub przestrzeni ładunkowej. Otwory wtryskowe są w sytuacji idealnej otworami umożliwiającymi szybkie odłączenie, możliwie z zaworami jednodrogowymi, które mogą być po odlewaniu zakręcone. Otwory wtryskowe i odpowietrzające mogą być zwykłymi otworami wywierconymi w czołowych płytach z metalu. Mogą one być również zamykane metalowymi czopami, które leżą w tej samej płaszczyźnie lub są wpuszczane w czołowe płyty z metalu. Czopy wkładane do otworów wtryskowych lub odpowietrzających powinny być wykonane z materiału mającego własności galwaniczne zgodne z warstwami metalu.

Proces wtryskiwania musi być monitorowany w celu zapewnienia równomiernego wypełnienia wgłębienia bez jakiegokolwiek ciśnienia wstecznego, które mogłoby spowodować pęcznienie lub niejednakową grubość płyty. Wtryskiwanie można również przeprowadzić przy użyciu rur, które mogą być usuwane stopniowo, w miarę wypełniania wgłębienia.

PL 209 076 B1

Po wytworzeniu i podczas użytkowania laminatu, może być konieczne sprawdzanie, czy elastomer prawidłowo przylega do warstw metalu. Można tego dokonać stosując techniki ultradźwiękowe lub promieniowanie gamma.

W celu naprawy elementów uszkodzonych, lub w przypadkach, gdy elastomer nie przylega prawidłowo, uszkodzony obszar płyty metalowej tnie się piłą (cięcie na zimno) lub tnie się gazowo oraz wycina się elastomer lub żłobi, na przykład używając struga wyżłabiaka lub wody pod ciśnieniem (oczyszczanie wodne) aż do odsłonięcia dobrego elastomeru i utworzenia krawędzi spajania. Odsłonięta powierzchnia pozostałego elastomeru musi być dostatecznie czysta dla przylegania nowego elastomeru, odlewanego na miejscu.

Niniejszy wynalazek został opisany powyżej w odniesieniu do zastosowań zarówno inżynierii lądowej i wodnej lub morskiej i szczególnie nadaje się do stosowania tam, gdzie spodziewane są znaczne obciążenia w płaszczyźnie i poprzeczne, gdzie muszą być wytrzymywane obciążenia udarowe, gdzie pożądana jest zwiększona odporność zmęczeniowa lub odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć.

Claims (35)

1. Element budowlany laminatowy zawierający:

pierwszą warstwę metalu mającą pierwszą powierzchnię wewnętrzną i pierwszą powierzchnię zewnętrzną, drugą warstwę metalu mającą drugą powierzchnie wewnętrzną i drugą powierzchnię zewnętrzną, przy czym druga warstwa metalu znajduje się w odstępie od pierwszej warstwy metalu i warstwę pośrednią złożoną z elastomeru umieszczonego pomiędzy pierwszą i drugą powierzchnią wewnętrzną przylegającą do pierwszej i drugiej powierzchni wewnętrznej, znamienny tym, że zawiera formę (10) umieszczoną w przestrzeniach pomiędzy pierwszą i drugą powierzchnią wewnętrzną, nie zajętych przez warstwę pośrednią (20).

2. Element budowlany laminatowy według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwsza (1) i druga warstwa (2) metalu są połączone ze sobą za pomocą pośredniej warstwy elastomerowej (20) bez spajania ze sobą pośrednich płyt metalowych.

3. Element budowlany laminatowy według zastrz. 1, znamienny tym, że forma (10) wykonana jest z wielu podsekcji (11).

4. Element budowlany laminatowy według zastrz. 3, znamienny tym, że podsekcje (11) są podłużne.

5. Element budowlany laminatowy według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że wspomnianych wiele podsekcji (11) jest połączonych między sobą wzajemnymi łącznikami (12).

6. Element budowlany laminatowy według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że podsekcje obejmują wgłębienia ustawcze, które wystają z powierzchni podsekcji (11) do zetknięcia z pierwszą i drugą powierzchnią wewnętrzną warstw metalu (1, 2).

7. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z zastrz. 3 do 6, znamienny tym, że podsekcje (11) są puste.

8. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z zastrz. 3 do 7, znamienny tym, że nie wszystkie podsekcje (11) mają jednakowy kształt.

9. Element budowlany laminatowy według zastrz. 3 do 8, znamienny tym, że nie wszystkie podsekcje (11) są jednakowo oddalone od siebie.

10. Element budowlany laminatowy według zastrz. 4 do 9, znamienny tym, że przekrój poprzeczny podsekcji (11) jest większy niż przekrój poprzeczny wzajemnych łączników (12).

11. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz. znamienny tym, że wiele form (10) przebiega wzdłuż całej długości elementu tak, że warstwa pośrednia (20) tworzy wiele oddalonych od siebie wydłużonych żeber.

12. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że ponadto zawiera co najmniej jedną płytę poprzeczną (60) zazwyczaj prostopadłą do warstw pierwszej (1) i drugiej (2) i przebiegającą pomiędzy nimi oraz połączoną z warstwą pośrednią (20).

13. Element budowlany laminatowy według zastrz. 12, znamienny tym, że co najmniej jedna płyta poprzeczna (60) zawiera otwory przelotowe (61).

PL 209 076 B1

14. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że forma (10) jest wykonana z pianki, korzystnie pianki poliuretanowej (PU).

15. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z zastrz. 1 do 14, znamienny tym, że forma (10) jest wykonana z polipropylenu.

16. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że forma (10) jest w częściowym kontakcie z co najmniej jedną spośród warstw metalu pierwszej i drugiej (2).

17. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że ma ciągłe ścieżki od wewnętrznej strony pierwszej warstwy (1) do wewnętrznej strony drugiej warstwy (2) omijające formę (10).

18. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że ma proste ścieżki od wewnętrznej strony pierwszej warstwy (1) do wewnętrznej strony drugiej warstwy (2) omijające formę (10) i te proste ścieżki są prostopadłe do pierwszej (1) i drugiej warstwy metalu (2).

19. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że zawiera ponadto dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie umieszczone pomiędzy pierwszą i drugą powierzchnią wewnętrzną, ale bez spojenia z nimi.

20. Element budowlany laminatowy według zastrz. 19, znamienny tym, że elastomer przyczepiony jest do dodatkowych członów.

21. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że elastomer posiada moduł sprężystości E większy lub równy około 250 MPa i plastyczność większą od plastyczności warstw metalu.

22. Element budowlany laminatowy według zastrz. 21, znamienny tym, że elastomer ma moduł sprężystości E większy lub równy około 275 MPa.

23. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że elastomer ma wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na ściskanie co najmniej 2 MPa.

24. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że elastomer ma siłę wiązania z warstwami metalu co najmniej 1 MPa.

25. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że wspomniany elastomer jest zwarty.

26. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że pierwsza (1) i druga warstwa (2) metalu są od siebie oddalone o około 20 do 250 mm.

27. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że pierwsza (1) i druga warstwa (2) metalu mają grubość w zakresie od około 2,0 do około 25 mm każda.

28. Element budowlany laminatowy według któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, że stosunek całkowitej grubości pierwszej (1) i drugiej warstwy (2) metalu do grubości warstwy pośredniej (20) jest w zakresie od 0,1 do 2,5.

29. Struktura inżynierii lądowej i wodnej lub morskiej lub jednostka pływająca zawierająca co najmniej jeden element budowlany laminatowy określony którymkolwiek z poprzednich zastrzeżeń.

30. Sposób wytwarzania elementu budowlanego laminatowego polegający na dostarczeniu pierwszej i drugiej warstwy w odstępie od siebie z wgłębieniem rdzeniowym wyznaczonym pomiędzy dwiema płytami, wylewaniu nie utwardzonego elastomeru do tego wgłębienia rdzeniowego i utwardzaniu elastomeru tak, że przywiera on do wspomnianych warstw metalu, znamienny tym, że podczas dostarczania warstw dostarcza się formę (10) częściowo stykającą się z obiema warstwami (1, 2) metalu i umieszcza ja we wgłębieniu rdzeniowym, przy czym forma (10) częściowo wypełnia wgłębienie rdzeniowe.

31. Sposób według zastrz. 30, znamienny tym, że umieszcza się dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie pomiędzy pierwszą i druga powierzchnią wewnętrzną, ale bez kontaktu z mini.

32. Sposób według zastrz. 30 albo 31, znamienny tym, że stosuje się formę (10) wykonaną z pianki, korzystnie pianki poliuretanowej (PU).

33. Sposób według zastrz. 30 albo 31, albo 32, znamienny tym, że stosuje się dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie odlane jako całość z formą (10).

34. Sposób według zastrz. 31, 32, 33 albo 34, znamienny tym, że stosuje się dodatkowe człony metalowe utrzymujące obciążenie odlane jako całość z elastomerem.

PL 209 076 B1

35. Sposób według któregokolwiek z zastrz. 31 do 35, znamienny tym, że elastomer po utwardzeniu ma moduł sprężystości E większy lub równy około 250 MPa i plastyczność większą od plastyczności warstw (1, 2) metalu.