Перфорированные материалы в строительстве

Перфорированные материалы в зданиях

Перфорированные материалы широко применяются с строительстве и архитектуре как с декоративными, так и с функциональными целями. Они создают более комфортные условия внутри здания, обеспечивают естественную вентиляцию и дневное освещение, защищают от прямых солнечных лучей. Перфорированные панели служат также для повышения безопасности здания и формирования заданных акустических характеристик здания.

Широкое применение перфорированные металлические листы находят также при изготовлении подвесных потолков [2].

Материалы для перфорированных листов

Перфорированные металлические материалы имеют большой потенциал для применения в строительстве. Прочностные характеристики перфорированных материалов дают возможность их полноправного применения в строительных конструкциях. Основными материалами для изготовления перфорированных строительных элементов являются сталь, алюминий и медь. Листовые материалы из алюминия и меди применяют в строительных конструкциях благодаря их высокой коррозионной стойкости и архитектурной привлекательности, а стальные перфорированные листы – благодаря их высокой прочности.

Алюминиевые сплавы обладают малым весом, имеют достаточно высокую прочность и хорошо поддаются перфорации. Медь широко применяется для в качестве кровельного материала. Оксидный слой – патина – на поверхности меди обеспечивает медным материалам высокую коррозионную стойкость и, следовательно, высокую долговечность. Медные листы также хорошо поддаются перфорации и, кроме того, хорошо свариваются. Тем не менее, стальные перфорированные материалы наиболее широко применяются в строительстве благодаря их высокой прочности и более низкой стоимости [1].

Характеристики перфорированных материалов

Основными характеристиками перфорированных изделий и элементов конструкций являются:

• тип, марка, сплав материала;
• толщина материала;
• форма отверстий;
• размеры отверстий;
• взаимное расположение отверстий;
• процентная доля перфорации по отношению к общей площади перфорированного листа или конструкции.

Форма перфорированных отверстий

Форма отверстий может иметь самую различную форму: круглую, квадратную, прямоугольную, овальную, эллиптическую, ромбическую [2]. Вместе с тем, известно, что перфорированные изделия с круглыми отверстиями составляют около 80 % всей перфорированной продукции. Эта форма отверстий является наиболее подходящей для всех областей применения перфорированных материалов. Круглые отверстия являются наиболее удобными для производства и требуют минимальных затрат по сравнению с другими формами отверстий. Матрицы и пробойники для круглых отверстий являются наиболее экономичными и удобными для технического обслуживания оборудования.

Минимальный размер отверстий

Минимальный размер перфорированного отверстия зависит от типа материала и его толщины. Практическим правилом для стальных и алюминиевых листов является то, что диаметр круглого отверстия должен быть не меньше толщины материала. Чем ближе приближается отношение диаметра отверстия и толщины материала к отношению 1:1, тем выше вероятность поломки инструмента и затраты на его поддержание в рабочем состоянии и, следовательно, стоимости перфорированной продукции. Для изготовления перфорированных листов из нержавеющих сталей и других высокопрочных материалов обычно применяют листы толщиной на размер тоньше, чем диаметр отверстия.

Например, в навесных потолках применяют оцинкованные стальные листы толщиной 0,6 мм с минимальным диаметром отверстий 0,7 мм и алюминиевые листы толщиной 0,8 мм с минимальным диаметром отверстий 0,7 мм [2].

доля перфорации

Процентная доля перфорации является очень важным параметром, который определяет уровень прочностных свойств перфорированной конструкции по сравнению с аналогичной конструкцией из материала без перфорации. Примеры металлических листов с различной долей перфорации показаны на рисунке.

Концепция эквивалентного сплошного материала

При анализе прочностных свойств перфорированных материалов широко применяется концепция эквивалентного сплошного материала [1, 2]. Эта концепция заключается в том, что в прочностных расчетах эквивалентная прочность перфорированного материала применяется вместо прочности сплошного материала. Влияние перфорации оценивают по отношению механических свойств перфорированного металла и такого же металла без перфорации.

Стандартная круглая перфорация

Стандартная перфорация имеет вид круглых отверстий, которые расположены в углах сетки их равносторонних треугольников (под углом 60º). Около половины всех перфорированных листов имеют такой вид.

Прочностные свойства перфорированного листа

С увеличением доли перфорации прочностные свойства перфорированного листа снижаются. На рисунке 6 показано изменение предела текучести перфорированного материала со стандартной круглой перфорацией при увеличении доли перфорации. Перфорированный лист может иметь различную прочность в своей плоскости в зависимости от направления нагрузки по ширине или длине листа [1, 3].

Снижение предела текучести стандартного перфорированного листа (в плоскости листа) с увеличением доли перфорации [1, 3]:

fy* — предел текучести перфорированного листа;
fy– предел текучести листа без перфорации

Упругие свойства перфорированного листа

С увеличением доли перфорации модуль упругости перфорированных материалов довольно резко снижается, а коэффициент Пуассона возрастает [1, 3].

Эффективные упругие свойства стандартного перфорированного листа (в плоскости листа) в зависимости от доли перфорации [1, 3]:

Е* — модуль упругости перфорированного листа;
Е – модуль упругости листа до перфорации;
ν* — коэффициент Пуассона перфорированного листа;
ν — коэффициент Пуассона листа до перфорации

Перфорированные материалы для акустики

Перфорированный металл применяется как защитное или декоративное покрытие для некоторых специальных акустических материалов. Этот акустический материал может предназначаться для поглощения или отражения звука с заданными акустическими характеристиками. Поэтому задачей перфорированного металла в этих случаях является быть настолько «прозрачным» для звука, чтобы звуковые волны проходили через него без затухания или отражения.

Перфорированные материалы для защиты от ветра

Важным свойством перфорированных листов является их способность снижать давление проходящих через них газов и жидкостей. Это свойство перфорированных листов применяют для защиты зданий и сооружений от сильного ветра [1].

Производство перфорированных материалов

Технология перфорирования металлических листов имеет свои трудности и особенности и поэтому требует повышенного контроля качества. Так, выполнение большого количества отверстий с заданным их расположением относительно друг друга требует специального, довольно дорогого оборудования. Листы различной толщины могут требовать отдельного набора инструментов. При смене материала также обычно требуется и смена инструментов [1].

Количество отверстий, которое можно пробивать за один раз, довольно ограничено и зависит от размера отверстий, свойств материала и его толщины. Обеспечение точности в расположении отверстий и одинаковых расстояний между ними является довольно трудной задачей из-за коробления листа, которое происходит во время каждого удара пробивного пресса.

Поэтому, когда лист выходит из процесса перфорации, он выглядит весьма покоробленным и требует обязательной правки для достижения требований по его плоскостности. Такие требования, например, для перфорированных подвесных потолков указаны в европейском стандарте EN 13694:2014 [2].