Материалы для опор уличных светильников изначально представляли собой древесину, добываемую из природы, затем стали использовать бетон и металл, а в наше время на первый план выходит композитный материал FRP (стеклопластик).
С развитием металлургической промышленности сталь стала легко доступной и удобной в обработке, что привело к её широкому применению в производстве опор. Первые стальные опоры уличного освещения в основном были цилиндрическими, изготавливались из бесшовных труб одинакового диаметра. Позднее появились конические опоры, которые производили из трапециевидных стальных листов с разной шириной верхнего и нижнего края и высотой 1 метр, сворачивая их в сегменты разного диаметра и затем соединяя горизонтальной сваркой до нужной высоты. Такие опоры имели как продольные, так и поперечные сварные швы, что делало их неэстетичными, сложными в изготовлении и создающими потенциальную опасность. С применением мощных прессов в производстве опор стало возможным изготавливать стальные опоры за один цикл — с одной продольной сваркой, что упростило обработку, улучшило внешний вид и исключило проблемы безопасности.
Антикоррозийная обработка стальных опор является обязательным этапом: помимо горячего цинкования, наносится порошковое покрытие, которое защищает цинковый слой и придаёт изделию более привлекательный внешний вид.Поскольку стальные опоры всё же достаточно тяжелы, в некоторых случаях используют более лёгкие опоры из алюминиевых сплавов. Хотя опоры из алюминиевых сплавов легче по весу, высокая стоимость алюминия и значительные инвестиции в производственное оборудование препятствуют их массовому применению, в отличие от стальных опор.
С развитием технологий и индустрии материалов стеклопластик получил особое преимущество: он обладает прочностью на растяжение, сопоставимой со сталью, при этом его плотность составляет лишь четверть плотности стали, а также он устойчив к атмосферным воздействиям и не ржавеет, что делает его особенно подходящим для изготовления опор уличного освещения. В странах Европы и США опоры из FRP уже широко применяются на дорогах, в особых зонах, таких как прибрежные районы, промышленные зоны и другие агрессивные среды, и для них разработаны подробные технические стандарты.
В последние годы в некоторых городах Китая также начали постепенно устанавливать опоры из FRP на отдельных участках дорог.
Предыстория композитного материала FRP (стеклопластика)
Композитные материалы, образованные сочетанием армирующего материала и матрицы, обладают более высокими физическими характеристиками, чем исходные однородные материалы.Одним из наиболее успешных композитов является термореактивный материал FRP (Fiber Reinforced Plastic), в котором в качестве армирующего материала используется стекловолокно, а в качестве матрицы — смола. Благодаря своим свойствам, почти идентичным свойствам стали, FRP также называют «стеклопластиком».
С момента своего появления и до наших дней FRP благодаря своей высокой прочности и выдающимся физическим характеристикам получил широкое применение в аэрокосмической отрасли, судостроении, спортивном инвентаре, медицинских изделиях, ветрогенераторах, строительных конструкциях и во множестве других сфер.В странах Европы и США ещё с 50–60-х годов начали применять FRP для производства опор освещения, а также опор для линий связи и линий электропередачи.Поскольку FRP обладает прочностью, сравнимой со сталью, можно, изменяя соотношение материалов, направление укладки стекловолокна и методы обработки, получать необходимые характеристики. Это даёт значительно большую свободу проектирования опор из FRP по сравнению с другими материалами.
Поскольку FRP обладает прочностью, сравнимой со сталью, можно, изменяя соотношение материалов, направление укладки стекловолокна и методы обработки, получать необходимые характеристики. Это даёт значительно большую свободу проектирования опор из FRP по сравнению с другими материалами.
На сегодняшний день разработаны и широко применяются опоры из FRP, обладающие следующими выдающимися характеристиками.
1.Отличные механические характеристики
По сравнению с прочностью материалов, характеристики FRP очень похожи на сталь, и опоры из FRP обладают отличными механическими характеристиками. Опыт использования опор из FRP в Европе и США за 50 лет показал, что прочность таких опор вполне соответствует различным проектным требованиям, включая устойчивость к сильным ветровым нагрузкам, в зависимости от выбранного уровня прочности.
Механические характеристики материала FPR (стеклопластика) в сравнении с механическими характеристиками литого алюминия, низкокачественной стали и нержавеющей стали приведены в следующей таблице:
Материал | Прочность на растяжение | Прочность на изгиб | Прочность на сжатие |
FRP (80% стекловолокна, метод намотки) | 80 | 100 | 45 |
Литьевой алюминий | 48 | 48 | 48 |
Низкоуглеродистая сталь | 48 | 48 | 48 |
Нержавеющая сталь | 80 | 80 | 80 |
2.Диэлектрические свойства (непроводимость)
Непроводимость FRP позволяет опорам из этого материала значительно эффективнее, чем металлическим, снижать вероятность поражения молнией.
Особенно в открытых местах опоры у дорог являются заметными целями для разряда, и металлические опоры в таких условиях чаще подвергаются повреждениям от ударов молнии. Кроме того, непроводимость опор из FRP предотвращает поражение людей электрическим током, в то время как металлические опоры, из-за своей проводимости, требуют обязательного заземления и регулярных измерений сопротивления заземления для предотвращения несчастных случаев. Из-за слишком большого сопротивления заземления при металлических опорах нередко происходят несчастные случаи, связанные с короткими замыканиями или утечками тока в проводах. Таким образом, опоры из FRP обладают значительно более высокой безопасностью в плане защиты от поражения электрическим током.
3.Коррозионная стойкость, устойчивость к старению, низкие затраты на обслуживание
В зависимости от расположения опоры условия окружающей среды могут сильно различаться: это могут быть промышленные зоны с длительным воздействием химических веществ или газов, прибрежные районы с высоким содержанием соли в воздухе, области с кислотными дождями или кислой почвой и т. д. Длительное пребывание в таких агрессивных условиях легко приводит к повреждению металлических или бетонных опор, что сокращает их срок службы.
Опоры из FRP обладают превосходной стойкостью к кислотам и щелочам, устойчивостью к воздействию солей и полной невосприимчивостью к коррозии, что позволяет значительно снизить затраты на техническое обслуживание.
Согласно имеющимся данным, на Тайване есть опоры из FRP, которые были установлены более 30 лет назад и до сих пор безопасно эксплуатируются. В Европе и США срок службы таких опор достигает 50 лет.
На следующей фотографии, сделанной в январе 2009 года, показана опора из FRP, установленная в июне 1976 года перед дорогой, ведущей к АЭС № 2 на Тайване. На момент съемки она эксплуатировалась уже 35 лет.
4.Амортизация вибраций, продление срока службы светильников
Расположенные вдоль дорог опоры в течение долгого времени подвергаются вибрациям, вызванным движением транспорта, особенно при частом проезде тяжёлых грузовых автомобилей. Эти вибрации сокращают срок службы закреплённых на опоре деталей и светильников.
Поскольку опоры из FRP обладают хорошей упругостью, то есть способностью восстанавливать форму после нагрузки, они эффективно гасят вибрации.
Поэтому опоры из FRP лучше, чем жёсткие металлические или бетонные, снижают вредное воздействие вибраций, вызванных движением транспорта, что продлевает срок службы деталей и светильников.
5.Высокая стойкость цвета и эстетичный внешний вид
Благодаря особенностям технологии производства FRP, при изготовлении опор цвет можно вводить непосредственно в материал, что обеспечивает высокую стойкость окраски.
В отличие от металлических опор, окрашенных поверхностным слоем краски, который со временем отслаивается под воздействием окружающей среды, цвет FRP-опор не выгорает и не облупляется, а срок их службы значительно дольше.
6.Лёгкий вес, низкие затраты на транспортировку и монтаж
Плотность FRP составляет примерно 1/4 плотности стали, поэтому при одинаковых габаритах опоры из FRP значительно легче. Их проще транспортировать и устанавливать, при этом не требуется тяжёлое подъёмное оборудование, что существенно снижает эксплуатационные расходы.
Если рассматривать стоимость с точки зрения экономики, реальная цена уличного освещения определяется суммой стоимости опоры и светильника, расходов на транспортировку и монтаж, а также продолжительности службы и затрат на обслуживание.
С этой позиции использование опор из FRP даёт большую экономическую выгоду по сравнению с традиционными стальными опорами.
7.Безопасность опор из FRP
(1)Проектирование в соответствии со стандартом США ANSI C136.20-1990.
(2)Устойчивость к ветровой нагрузке — 60 м/с, что соответствует 17 баллам по шкале Бофорта.
(3)При ветровом давлении, создаваемом скоростью ветра 60 м/с, величина деформации опоры не должна превышать 10 % от её высоты над землёй. Это соответствует переводу ветрового давления в эквивалентную горизонтальную нагрузку, см. таблицу пересчёта горизонтальной нагрузки.
Перевод расчётной ветровой нагрузки (60 м/с) в горизонтальную нагрузку согласно ANSI приведён ниже:
Высота прямой опоры (м) | Горизонтальное смещение на вершине | Смещение | Горизонтальная нагрузка (кг) | Примечание |
4 | 10% | 40 см | 54 | |
5 | 10% | 50 см | 66 | |
6 | 10% | 60 см | 74 | |
7 | 10% | 70 см | 86 | |
8 | 10% | 80 см | 94 | |
9 | 10% | 90 см | 101 | |
10 | 10% | 100 см | 112 | |
11 | 10% | 110 см | 121 | |
12 | 10% | 120 см | 179 |