Водные ресурсы составляют одно из главных богатств нашей Родины. И вместе с тем они нередко оказываются препятствием к более быстрому развитию территориально удалённых от больших городов населённых пунктов. Особенно это касается нашего родного края — это одна из самых обширных водосодержащих территорий в России [1, 2].
Это обстоятельство отрицательно влияет на строительство постоянных дорог, в условиях большого числа водных преград они становятся нерентабельными: число жителей на единицу площади мало, а расходы на дороги и их обслуживание высокие. Поэтому понтонные мосты могут стать одним из выходов из этой ситуации.
Перед разработкой технологической части проекта мы изучили географические особенности условий эксплуатации понтонного моста — характер водных преград. Условно мы разделили их на три группы.
1) Крупные и средние судоходные реки. Это реки, на которых в течение летней навигации систематически ходит речной грузопассажирский и личный транспорт. Для таких рек понтонный мост является нерентабельным по многим причинам: наличие постоянного судоходства и мощного потока воды, которые затрудняют установку и управление разводкой моста.
2) Несудоходные реки. Это такие реки до 5–8 метров шириной, удаленные от крупных водных артерий, по которым не происходит систематической (оживленной) транспортировки на моторных лодках и более крупных судах. Для таких рек можно рекомендовать прокладывать понтонные мосты.
3) Болота и торфяники. На территории Тюменской области очень много болот: к северу от Транссибирской железнодорожной магистрали болота занимают более 50 % общей площади; на отдельных участках бассейнов рек Пима, Лямина, Тромъегана заболочено до 70 % территории; еще выше этот показатель в бассейне р. Конды. Причем, ежегодно добавляется примерно 100 км 2 заболоченных территорий. Для этих территорий строительство понтонных мостов может стать самым выгодным вариантом обеспечения коммуникации с крупными центрами [1, с. 100].
Данной разработкой мы хотим также привлечь внимание к проблеме загрязнения окружающей среды, поэтому материалом для нашего моста был выбран пластик вторичной переработки.
Весь пластик можно условно разделить на виды, пригодные для переработки и непригодные. Анализ различных видов пластика показал, что из пригодных ко вторичной переработке видов для нашего проекта наиболее подходит по физико-техническим и экологическим качествам PEHD-пластик (полиэтилен высокой плотности). Он обладает такими свойствами, как высокая прочность, устойчивость к действию воды, солнечного света, выдерживать температуры от -50 до +50 0 С, не опасен для окружающей природы, а значит, может использоваться для изготовления деталей (модулей) понтонного моста.
Результаты исследования технологий получения продуктов из вторичного пластика мы обобщили в виде схемы (рис. 1).
Рис. 1. Технологический процесс получения продуктов из вторичного пластика
Технологический процесс мы условно разделили на три этапа:
1 этап — сбор пластика. Для этого существуют пункты приема пластиковых отходов, в основном, это бутылки и пакеты. Как правило, эти пункты, занимающиеся не только приемкой, но и первичной переработкой пластиковых отходов, сосредоточены около крупных городов. В частности, в Тюмени их насчитывается около десятка. Например, “Уралплит”, ООО “Гранула”, ООО “ЛМ-Проект”, «Синдикат Полимер» и др. Их первичная переработка включает в себя такие операции, как сортировка, мойка, измельчение и фасовка пластика.
2 этап — переработка измельченных пластиковых отходов в сырье. Этим занимаются заводы в Тюменской области, например, “Тюменский завод полимерных изделий”, “Фабрика пластиковых изделий”, “ЛМ-проект”. Как правило, они работают с такими видами пластика, как полиэтилен, ПВД, ПНД.
3 этап — изготовление продукта. Большинство перерабатывающих предприятий этот этап также включают в свою деятельность.
На основании анализа условий эксплуатации понтонного моста мы определили его функциональные возможности и требования к надежности конструкции.
Функциональные возможности :
– мост должен выдерживать нагрузку до 40 тонн (вес грузового автомобиля с нагруженным прицепом);
– по ширине иметь 1 полосу для автотранспорта и не менее 1 полосы для пешеходов (не менее 4 м).
Требования к надежности :
– период безотказной работы не менее 15 лет (обеспечивается свойствами PEHD пластика);
– ремонтопригодность — простота замены деталей без специализированного оборудования (обеспечивается конструктивными особенностями);
– высокие качества по грузоподъемности (обеспечивается конструктивными особенностями и свойствами PEHD пластика);
– износостойкость (обеспечивается свойствами PEHD пластика);
– экологичность (обеспечивается свойствами PEHD пластика);
– сохраняемость — способность сохранять свои технические характеристики — прочность и грузоподъемность (обеспечивается проведенным вычислительным экспериментом и планируемым физическим на модели из пластика).
Это определило идею конструкции понтонного моста:
1) мост состоит из секций, рассчитанных по размерам на расстояние (не менее) между двумя колесными базами грузового автомобиля (4 м);
2) каждая секция состоит из модулей (рис. 2), изготовленных из переработанного пластика в едином технологическом процессе, их форма определяется требованиями к остойчивости на водной поверхности, внутренняя часть имеет много полостей для увеличения выталкивающей силы;
3) модули накрыты плитами, изготовленными из переработанного пластика в едином технологическом процессе (положены в шахматном порядке), они распределяют нагрузку на элементы всей секции, это увеличивает подъемную силу моста, его прочность и, соответственно, надежность, плиты имеют высокие фрикционные свойства за счет неровной поверхности.
Рис. 2. 3D-модель модуля понтонного моста для открытой воды
Эскизы отдельного модуля, выполненные в программе CorelDRAW для модели в масштабе 1:15 , приведены на рисунках 3–5.
Рис. 3. Эскиз модуля понтонного моста (вид сверху)
Рис. 4. Эскиз модуля понтонного моста (вид сбоку)
Рис. 5. Эскиз модуля понтонного моста (вид с торца)
Вариант модуля для болот отличается меньшей высотой конуса.
Трехмерная модель секции моста, выполненная в программе Fusion360, приведена на рисунке 6.
Рис. 6. 3D-модель секции понтонного моста
Для равномерного распределения нагрузки секция накрывается сверху пластиной (плитой). Рассчитаем, какие размеры должны иметь элементы конструкции. Для этого найдем объем и, соответственно, ориентировочные размеры отдельного модуля, выполненного из пластика, если вес 20-тонного транспортного средства должны выдерживать 2 секции по 5 модулей шириной 0,5 м. Тогда на 1 модуль должно приходиться 2 тонны.
Начальные условия:
M гр — масса груза, приходящаяся на 1 модуль, M гр = 2000 кг.
M м — масса 1 модуля из пластика.
ρ = 920 кг/м 3 — плотность полиэтилена высокой плотности.
0,9V — погружение нагруженного модуля (90 % от его объема).
0,5V — объем пластика от общего объема модуля (модуль полый, весом воздуха внутри модуля пренебрежем).
ρ в = 1000 кг/м 3 — плотность пресной воды.
Найдем объем модуля V.
Решение:
По условию плавания тел, выталкивающая сила (архимедова) не меньше по величине силы тяжести тела (модуль с грузом):
Учитывая это, получим:
Учитывая, что объем пластика равен 0,5V,
Подставим наши значения:
Ответ:
При таком объеме модуля и заявленной ширине 0,5 м приведем ряд остальных двух параметров L и H (рис. 7), по которым можно подобрать высоту модуля в зависимости от необходимой длины (или ширины проезжей части).
Рис. 7. Соотношение размеров модуля L и H при ширине 0,5 м
Следующим этапом проекта будет печать модели понтонного моста в масштабе 1:15 на 3D-принтере и постановка физического эксперимента на проверку сохраняемости свойства грузоподъемности при разном числе модулей.
Литература:
- Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2017 году». С 96–101. / Министерство природных ресурсов и экологии: официальный сайт. — URL: http://www.mnr.gov.ru/upload/iblock/4b3/Gosdoklad-po-vode-2017.pdf (дата обращения 23.11.2019). Режим доступа: в свободном доступе.
- Водные ресурсы / Большая российская энциклопедия: электронный ресурс. — URL: https://bigenc.ru/geography/text/5563684 (дата обращения 12.11.2019). Режим доступа: в свободном доступе.
- Все про пропилен / ProPolyethylene.ru: сайт. — URL: https://propolyethylene.ru/hdpe/ (дата обращения 26.12.2019). Режим доступа: в свободном доступе.
- Маркировка пищевого пластика: статья / PROMPRIEM.RU: Промышленно-экологический интернет журнал: портал — URL: https://prompriem.ru/stati/markirovka-pishhevogo-plastika.html (дата обращения 28.12.2019). Режим доступа: в свободном доступе.
- Пластиковый пост / pikabu: портал. — URL: https://pikabu.ru/story/plastikovyiy_post_4194127 (дата обращения 15.01.2020). Режим доступа: в свободном доступе.
- Способы изготовления деталей из пластмасс / Справочник инженера: сайт. — URL: https://inzhener-info.ru/razdely/konstruirovanie/detali-iz-plastmass/sposoby-izgotovleniya-detalej-iz-plastmass.html (дата обращения 26.01.2020). Режим доступа: в свободном доступе.
