Работа Мастерат [310165]

Трехслойные конструкции в настоящее время получили широкое распространение в современном строительстве в виде панелей различных размеров. Трехслойные конструкции могут изготавливаться из любых материалов (древесины, металлов, пластмасс), однако наиболее широкое распространение они получили при использовании оцинкованных или окрашенных металлических и полимерных композиционных материалов, из которых могут изготавливаться несущие обшивки. Заполнитель в строительных конструкциях, как правило, изготавливается из полимерных материалов типа пенополистирола, пенополиуретана, пенополиизоцианурата или из базальтовой минеральной ваты. Соединение обшивок и заполнителя друг с другом обеспечивается склеиванием или за счет адгезии материалов при вспенивании среднего слоя.

Основным преимуществам трёхслойных конструкций относятся достаточно большая несущая способность при небольшом собственном весе, хорошие звуко- и теплоизоляция, водо- и паронепроницаемость, а также высокая стойкость к агрессивным средам, быстрый монтаж готовых элементов, что особенно актуально в строительстве.

Стоит отметить, что большое количество задач расчёта трёхслойных конструкций уже рассматривалось в практике авиа- и судостроения, в проектировании элементов космических аппаратов. Но схемы работы строительной конструкции и требования к ней отличаются от тех, что используются в других отраслях, где применение нашли в основном трёхслойные панели с тонкими плоскими обшивками.

В практике инженерного проектирования строительных объектов выбор панелей стен и покрытий в основном проводится по каталогам фирм-производителей, в которых указывается расчетное значение нагрузки, обоснованное, как правило, результатами натурных испытаний. В большинстве случаев в этих каталогах указывается только равномерно распределённая нагрузка для однопролётных или многопролётных схем с равными пролётами, а методика расчета панелей отсутствует. Исключение составляет Еврокод. Но и его методика позволяет провести расчёт трёхслойных панелей с одной из обшивок жесткой на изгиб только по однопролётной схеме. Расчёт по многопролётным схемам возможен лишь для тех панелей, у которых обе обшивки тонкие плоские или слабопрофилированные, пролёты равны, а количество пролётов не превышает трёх.

Характерной особенностью трёхслойных панелей, является то, что в качестве материалов заполнителя в основном применяются либо полимерные композиции из газонаполненных пластмасс, либо орто-тропные минераловатные плиты, волокна которых ориентированы перпендикулярно плоскости конструкции. Под действием нагрузки средний слой получает значительные деформации сдвига. Это требует разработки методики расчета напряженно-деформированного состояния трехслойной панели с учетом сдвига. Для трёхслойных панелей с заполнителем пенопластового типа, вспениваемым между обшивками при изготовлении конструкции, характерно изменение свойств среднего слоя по то толщине сечения. Как показал проведённый обзор современного состояния вопроса, отмеченные проблемы не имеют решения удобного для практического применения ни в отечественной, ни в зарубежной литературе.

Европейские нормы рекомендуют рассчитывать многопролетные панели методом конечных элементов. Однако это требует создания сложных специфических расчетных моделей с включением в них экспериментально определенных свойств материалов. Построение и «отладка» расчетной модели с учётом отмеченных особенностей строения работы реальной конструкции является трудоёмкой задачей, требующей значительных затрат времени и высокой квалификации. Все это затрудняет проектирование и создание новых рациональных конструкций панелей. Разработка методики расчёта напряженно-деформированного состояния «сэндвич»-панелей, учитывающей отмеченные особенности и доступной рядовому проектировщику, позволит обеспечивать рациональное проектирование, повысить надежность их эксплуатации при любых проектных схемах работы и значительно ус­ корить процесс проектирования.

Поэтому разработка методики расчёта и проектирования трёхслойных панелей с обшивками из металлических и композиционных материалов и легкими заполнителями типа пенопластов и минерало-ватных плит является актуальной задачей.

1.1 История возникновения и опыт применения

трёхслойных панелей в строительстве

Прообразом «сэндвич»-панелей, применяемых в современном строительстве, послужили конструкции, изобретённые и впервые реализованные

В проекте «Usonian» 30-х годов прошлого века, автором которого стал американский архитектор и инженер Фрэнк Ллойд Райт (Frank Lloyd Wright)

Решая задачу создания комфортного и доступного малоэтажного жилья, Райт впервые предложил выполнять стены в виде слоёной конструкции, состоящей из трёх слоев досок, проложенных пергамином, и монтировать их из заранее изготовленных щитов и блоков. Похожее решение было применено 1933 году американской фирмой «Силотакс Корпорейшн» при строительстве в Лонг-Айленде здания с наружными навесными панелями из асбестоцементных листов, приклеенных к древесноволокнистой плите [57].

Предложенное в 1950 году Олденом Б. Доу конструктивное решение трёхслойных панелей из двух плоских фанерных обшивок, приклеенных среднему слою из пенопласта, позволило значительно повысить тепло- и звукоизоляционные характеристики конструкций при обеспечении относительно низкой стоимости и простоты эксплуатации [176].

1960-х – 1970-х годах в практике строительства наибольшее распространение получили каркасные панели ребристого типа и панели с обрамлением [62]. За счёт включения в общую работу продольных рёбер, при сопоставимой трудоёмкости изготовления (в условиях разработанных на тот момент технологий производства, преимущественно стендового) эти конструкции обладали большей несущей способностью по сравнению с простыми «сэндвичами» – бескаркасными панелями. Кроме того, наличие ребер обрамления позволяло сравнительно просто обеспечить стыковку конструкций и закрепление их на опорах.

В зависимости от конкретного конструктивного решения, материалами обшивок ребристых панелей и панелей с обрамлением служили тонколистовая сталь и алюминиевые сплавы, листы стеклопластика, асбесто­цемента, водостойкой фанеры или других твёрдых листовых древесных материалов. Для защиты от атмосферного воздействия внешние поверхности обшивок панелей покрывались эмалью или разного рода полимерными составами. Ребра панелей имели профилированное сечение из металла или композиционных материалов, таких как фанера, асбестоцементные профили или пластмассы, или выполнялись из деревянных брусьев пропитанных антисептиками. На базе каркасных панелей без дополнительного утепления были разработаны и применялись светопрозрачные конструкции, частично или полностью выполненные из стеклопластиков, оргстекла и вини­ пласта [70]. Конструкция панелей с обрамлением кроме обрамляющих рёбер включала в свой состав заполнитель сплошного или дискретного типа, имеющий сцепление сразу с обеими обшивками. В качестве дискретного заполнителя применялись волнистые листы и сотовые структуры из металлической фольги, разного рода пластиков, крафт-бумаги и тканей, пропитанных фенолформальдегидными смолами и огнезащитными составами, а также другие материалы [77], [97], [101]. Материалами сплошного заполнителя часто служили полистирольные, фенольные и пенополиуретановые пенопласты, пеностекло, прессованная пробка и фибролит [57]. В отличие от каркасных панелей, средний слой в панелях с обрамлением выполнял конструктивную функцию — включал в совместную работу обшивки по всей ширине конструкции и обеспечивал их местную устойчивость. Существенным недостатком панелей каркасного типа являлось отсутствие специализированной технологии для крупного производства хотя бы одного варианта из принятых конструктивных решений. Большинство операций при их изготовлении выполнялось вручную, что обуславливало высокую трудоёмкость производства и способствовало неизбежному повреждению защитного покрытий металлических обшивок.

Развитие поточной технологии производства панелей бескаркасного типа (<<сэндвич»-панелей) позволило существенно снизить трудоемкость и время на их изготовление, что наряду с достаточно высокими эксплуатационными качествами способствовало быстрому росту их популярности по всему миру.

Для изготовления обшивок первых бескаркасных панелей применялись те же материалы, что и при изготовлении каркасных. В качестве утеплителя в панелях с асбестоцементными обшивками широкое применение нашли пенопласты, пеностекло, фибролит объемным весом 400 кг/м , пустотные древесностружчатые плиты объемным весом 350 кг/м . В панелях с металлическими обшивками предпочтение отдавалось огнестойким материалам, таким как асбестолюкс, пеностекло, сотопласты и пенопласты огнестойких марок. В сравнении с панелями каркасной конструкции бескаркасные панели при использовании тех же материалов позволяли получать выигрыш по массе до 15-20 % [32].

В отличие от каркасных панелей, имеющих несколько принципиально отличающихся решений, бескаркасные панели имеют однотипную конструкцию, реализующую идею Олдена Б. Доу [176]. Общим для этих панелей является то, что при восприятии изгибающего момента в работе участвуют, как обшивки, так и обеспечивающий их совместную работу утеплитель. Наиболее существенные отличия проявляются лишь в габаритных размерах конструкций, выборе материалов для их изготовления, толщине среднего слоя и профиле сечений обшивок (рисунок 1.1). Такие панели отвечают большинству требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям зданий. Их основными преимуществами являются относительно высокий уровень несущей способности и изоляционных свойств, пониженная металлоёмкость и трудоёмкость изготовления.

Рисунок 1.1 – Примеры решений «сэндвич» – панелей, предлагаемых на современном рынке строительной продукции. а, в, з- с пенопластовым среднем слое; б, г, д, е, ж- с минераловатным среднем слоем, составленным из отдельных элементов

1-металлическая обшивка (плоская или профилированная); 2- сплошной средний слой из пенопласта; 3- средний слой из минераловатных ламелей вплотную уложенных друг к другу; 4- клеевый слой: 5- перфорированная обшивка; 6- обшивка из цементно- стружчатой плиты

К 1970-м годам были проведены обширные исследования работы трехслойных конструкций со средним слоем из пенопластов.

Осуществлено экспериментальное строительство с их применением. По результатам проведённых исследований разработаны нормативные доку­ менты, указания и рекомендации по проектированию, расчёту и изготовлению трёхслойных панелей [41], [42], [43], [44], [45], [141], [142], [143], [144], [145]. Большой вклад в разработку этих документов внесли резуль­ таты исследований, проведённых В.Н.Насоновым, В.М.Бобряшовым, Ф.В.Рассом, К.В.Панфёровым, Б.Я.Лащениковым, С.Б.Ермоловым, С.С.Кармиловым, П.В.Годило, Л.М.Ковальчуком, А.М.Чистяковым, В.В.Гурьевым, К.А.Чапским и другими авторами. Необходимость учёта имеющейся в наличии материально-сырьевой базы для производства конструкций и более суровых климатических условий районов строительства наложило свой отпечаток на разработанные и применённые в отечествен­ ной практике конструктивные решения того времени.

Из-за меньшей дефицитности, повышенной огнестойкости и ряда других преимуществ асбеста в 1960-е годы применение асбестоцемента для обшивок трёхслойных панелей было наиболее предпочтительно по сравнению, с более дорогостоящими металлами или стеклопластиками. В нашей стране этот период проектирования панелей характеризуется попытками максимального укрупнения конструкций, привязкой их размеров к типовому шагу несущих конструкций (6 и 12 м для промышленных зданий), увеличением толщины панелей (вследствие увеличения величины пролёта и более суровых климатических условий эксплуатации), повышенным вниманием к предотвращению возможности образования «мостиков холода».

Применение панелей с увеличенными размерами пролётов привело к снижению эффективности применения обшивок из асбестоцемента. Укрупнённые панели с металлическими обшивками, напротив, в целом показали свою перспективность [57].

Кроме положительных качеств, отечественный опыт применения трёхслойных панелей с металлическими обшивками также выявил их основные недостатки, в том числе связанные с более суровыми климатическими условиями районов строительства. Поиски решения проблем, связанных с расслоением конструкции и неполным включением в работу материала тонких обшивок ребристых панелей, выявленных при эксплуатации первых трехслойных панелей на обогатительной фабрике в г. Мирном (Якутия) и на других объектах [57], [62], [130], привело к созданию трёхслойных панелей с предварительно напряженными тонкими металлическими обшивками.

1968-м году в ЦНИИСК В.И.Трофимовым была разработана конструкция каркасной стеновой панели с мембранными обшивками предварительно напряженными в двух направлениях за счёт стягивания обшивок друг к другу болтами [62], [129]. Разработанные панели впервые были применены при строительстве Якутской ГРЭС и Билибинской АЭС в 1969-1971 годах [135]. В 1970 году ЦНИИСК и Уральским Промстройниипроек-том была предложена конструкция панели с предварительным натяжением обшивок за счёт энергии вспенивания пенопласта в её полости. Авторами разработанной панели стали А.Б.Губенко, В.И.Трофимов, Ф.Ф.Тамплон и П.В.Годило [10], [62]. Её важным преимуществом стала возможность применения фенольного пенопласта марки ФРП-1, сжимаемого в процессе вспенивания между обшивками, имеющего малую прочность при растяжении, но более высокий предел огнестойкости, чем полистирольный заполнитель. Несмотря на более полное использование прочностных свойств материалов, из-за высокой трудоёмкости изготовления ввиду большого количества клеезаклёлочных соединений [62], приведённые решения конструкций не получили широкого распространения.

К началу 1970-х годов для поточного производства бескаркасных панелей со вспениваемым средним слоем из пенополиуретана было разработано два типа высокопроизводительных установок: установки циклического и непрерывного действия [129], [149], что позволило в большой степени автоматизировать весь процесс производства трёхслойных конструкций. К 1974 году ЦНИИпромзданий при участии ЦНИИСК были разработаны первые отечественные бескаркасные панели типа «сэндвич» с металлическими обшивками и пенополиуретановым средним слоем (альбомы чертежей с шифром 773-74) [62], [148]. В 1978 году постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства для устройства стен производственных зданий были одобрены три типа металлических пане­ лей, различающихся главным образом видом стыков [44]. Конструкция панелей состояла из металлических обшивок толщиной от 0.8 мм (из оцинкованной стали или алюминиевого сплава марки АМг2) и среднего слоя из вспениваемого пенополиуретана объемным весом 40-60 кг/м и толщиной от 46.6 до 100 мм. Номинальная ширина панелей составляла 1000 мм, дли­ на – от 2980 до 11280 мм. Разработанные панели могли изготавливаться, как на установках непрерывного действия, так и стендовым методом [129].

Основным недостатком, ограничившим область применения бескаркасных панелей со средним слоем из пенополиуретана, стал их низкий предел огнестойкости, который для стенового ограждения составлял всего 15 минут, при пределе распространения огня по конструкциям более 40 см [100], [129]. Другим серьёзным таких панелей было снижение надёжности работы конструкции при нарушении технологии процесса производства или несоблюдения химического состава исходных компонентов для формирования среднего слоя [129].

Разработкой бескаркасных панелей повышенной огнестойкости в на­ шей стране занимались ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, ЦНИИЛМК, ГПО «Мосметаллоконструкция» и другие организации. В их решениях средний слой часто выполняется из фенолформальдегидных или карбамидных пенопластов плотностью 80 кг/м и более, введением в состав пенополиуретановго заполнителя несгораемых добавок из перлита, пеностекла или минеральной ваты. Использование пенопластов этих типов позволило повысить предел огнестойкости трёхслойной «сэндвич»-панели до 0.25 часа, при пределе распространения огня менее 40 см. Однако сопутствующее этому повышение хрупкости среднего слоя привело к необходимости внесения в конструкцию панели рёбер обрамления из поливинилхлорида или тонколистового металла, усложняющих технологию процесса изготовления [129], [135]. Авторами указанных конструктивных решений стали В.В.Гурьев, А.Н.Дмитриев, А.Ю.Глазунов, И.Л.Бихневич и А.М.Чистяков [11], [12], [13].

В поисках решения проблемы низкого предела огнестойкости металлических «сэндвич»-панелей с пенопластовым заполнителем были разработаны конструкции со средним слоем из жесткой минеральной ваты на основе базальтового волокна. В отличие от заполнителей пенопластового типа, являющимися изоторопными материалами, для минераловатных заполнителей характерно волокнистое строение с сильно выраженной орто-тропией. Основным преимуществом минераловатных заполнителей является их негорючесть в сочетании с достаточно высокими показателями тепло- и шумоизоляции, биологической и химической стойкости, экологичности.

Конструктивно минераловатный средний слой формируется из от­ дельных брусков прямоугольного сечения (ламелей), уложенных вплотную друг к другу без приклеивания по общим граням (см. рисунок 1.1 б, г, д, е, ж). При изготовлении панелей ламели устанавливают так, чтобы волокна минеральной ваты в них были ориентированы перпендикулярно плоскости обшивок.

На сегодняшний день на российском рынке присутствует множество отечественных и зарубежных производителей строительных «сэндвич»-панелей, в абсолютном большинстве случаев выпускающих свою продукцию по иностранным технологиям, которые не всегда отвечают климатическим условиям Российской Федерации. При этом для производства пане­ лей часто используются отечественные утеплители с мало изученными физико-механическими свойствами. С целью повышения уровня звукоизоляции некоторые производители предлагают решения бескаркасных панелей

перфорацией одной из металлических обшивок или с обшивками из разных материалов – наружной из металла, а внутренней из листов ЦСП (рисунки 1.1 ж и з). Другой отличительной особенностью современных бескаркасных панелей, применяемых в строительстве, является сочетание в их конструкции тонколистового металла и низкомодульного и эффективного утеплителя. Подобная комбинация параметров слоев приводит к повышению деформативности поперечного сечения панели на сжатие по толщине в над опорных зонах [74], [104]

Характер действия внешней механической нагрузки может быть весьма разнообразным: от сосредоточенных сил, передающихся через сравнительно небольшую площадку, до распределённых нагрузок по всей площади верхней поверхности конструкции. Для кровельных панелей, эксплуатируемых в зоне снеговых мешков, характерным является действие на­ грузки распределенной неравномерно по площади покрытия. При этом, в соответствии с указаниями СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» [128], максимальная величина веса снегового покрова может значительно отличаться от величины нагрузки на остальной площади покрытия. Неравномерный характер распределения ветровой нагрузки имеет место и для стеновых панелей при их вертикальной раскладке. Однако здесь оно носит менее выраженный характер по сравнению с распределением веса снегового покрова на покрытии в зоне образования снеговых мешков. Несмотря на большое разнообразие схем воздействия нагрузок на трёхслойные конструкции стен и покрытий, соотношений между пролётами при их много­ пролётных схемах работы в практических руководствах проектирования и рекомендациях к применению рассмотрены лишь наиболее распространённые: равнопролётные схемы с количеством пролётов не более трёх при равномерном распределении нагрузок и абсолютно жестких опорах.

Основное отличие между механическими нагрузками, действующими на стеновые и кровельные панели, состоит в их продолжительности. Для кровельных панелей нагрузка носит, как правило, постоянный или временный длительный характер с ярко выраженным несимметричным циклом в течение года и положительным коэффициентом асимметрии. При этом под действием постоянных или длительных нагрузок обычно наблюдается нарастание прогибов конструкции во времени за счет ползучести материала среднего слоя. Ветровая нагрузка, действующая на стеновые панели, является кратковременной и также может носить циклический характер, но уже в основном с отрицательным коэффициентом асимметрии.

Обеспечение герметичности конструкции ограждения является одним из основных требований к панелям при их эксплуатации. Герметичность стыков строительных «сэндвич»-панелей достигается как за счёт дополни­ тельного профилирования продольных кромок их обшивок, так за счёт и уменьшения количества поперечных стыков в ограждении путём применения конструкций максимально возможной длины. Последнее привело к тому, что основными схемами работы таких конструкций стали неразрезные многопролётные схемы, которые, с точки зрения проведения расчётов, являются несколько раз статически неопределимыми. Как известно, на распределение усилий в таких системах существенное влияние оказывают неравномерные осадки опорных сечений конструкции. Эта осадка определяется, как смещением самих опор (прогибами прогонов, балок, ферм), так обжатием сечений панелей по толщине от локального действия опорных реакций на тонкую обшивку, подкреплённую маложестким средним слоем.

Кроме внешних механических воздействий на напряженно-деформированное состояние «сэндвич»-панелей также оказывают влияние температурно-влажностные условия эксплуатации. Причём влияние этих факторов проявляется более сильно, чем в однослойных плитах [70]. В зависимости от используемого набора материалов в конструкции, возникающие напряжения и деформации, вызванные температурно-влажностными воздействиями, могут принимать значения сопоставимые с уровнем напряжений и деформаций от механической нагрузки [129]. Вопросам учёта влияния этих воздействий на напряженно-деформированное состояние трёхслойных конструкций достаточно хорошо изучены и изложены в работах В.С.Когана [78], Ф.В.Расса [116], Ф.Ф.Тамплонаи И.В.Чуватова [129].

Особенности строения среднего слоя современных панелей, выполненного из вспениваемых в полости между её обшивками пенопластов, или сформированного из предварительно нарезанных брусков полужесткой или жесткой минеральной ваты, вносят определенные трудности при расчёте напряженно-деформированного состояния конструкции. Эти трудности, прежде всего, связаны с определением физико-механических характеристик материала заполнителя и разработкой расчётных моделей, в том числе и составленных с применением метода конечных элементов. Так, в среднем слое из вспениваемого пенопласта значения этих характеристик зависят от его плотности, которая меняется по высоте сечения конструкции [70], [146]. В случае минераловатного среднего слоя, сложность выбора значений характеристик заключается в том, что его материал имеет волокнистую структуру выраженной ортотропией, нарушенную продольными и поперечными стыками по границам брусков, формирующих массив заполнителя. Другим фактором, осложняющим расчёт трехслойных панелей, работающих по не­ разрезным схемам, является необходимость учёта влияния повышенной сдвиговой податливости среднего слоя и неравномерной осадки опор на распределение усилий по длине конструкции при её изгибе.

Отсутствие универсальной автоматизированной методики достоверного определения напряженно-деформированного состояния трёхслойных панелей, применимой при любой схеме приложения нагрузок, затрудняет дальнейшее распространение области применения рассматриваемых конструкций. Проведение натурных испытаний с целью определения несущей способности «сэндвич»-панелей при изменении тех или иных её параметров без достоверной предварительной оценки результатов является дорогостоящей операцией и не может охватить весь спектр возможных сочетаний сосредоточенных и распределённых нагрузок. В свете изложенного, разработка достоверной модели и методики расчёта напряженно-деформированного состояния элементов современных бескаркасных панелей с учетом особенностей работы самой конструкции является актуальной задачей.

Решение этой задачи для случая расчета бескаркасных панелей, работающих по неразрезным схемам в условиях действия статической нагрузки, предлагается в настоящей работе.

1.2 Краткий исторический обзор основных направлений развития расчётных моделей в теоретических исследованиях работы трёхслойных конструкций с лёгким заполнителем

Первые исследования, посвященные изучению работы составных конструкций, были проведены в конце XIX века. С конца 40-х, начала 50-х годов прошлого века, в первую очередь при решении задач применения новых композитных материалов в практике авиастроения, вопросы расчёта и проектирования этих конструкций получили импульс к интенсивному раз­ витию [37], [57], [63], [149].

Отличительной особенностью бескаркасных трёхслойных панелей является то, что, в силу большой сдвиговой податливости среднего слоя, допущение о «неизменном нормальном элементе», соответствующее гипотезе Кирхгофа-Лява (или гипотеза плоских сечений Бернулли при возможности представления работы конструкции по балочной схеме), во многих случаях становится неприемлемым. Достоверное определение напряженно-деформированного состояния таких конструкций возможно лишь с учётом пониженной жесткости материала среднего слоя (или структуры, его образующую) на сжатие и сдвиг.

Первые теоретические и экспериментальные исследования составных конструкций были в основном связаны с изучением их работы на устойчивость. В работе [121] А.Р.Ржаницыным отмечено, что эти опыты позволили показать снижение несущей способности таких стержней при увеличении податливости соединительных элементов.

няющий неточность, вызванную заменой «истинного» квадратичного за­ кона распределения напряжений по высоте на равномерный.

Обобщение гипотезы Тимошенко на расчет толстых пластин было предложено Е.Рейснером (E.Reissner) в 1945 году [190]. Расчёт многослойных конструкций по методике Тимошенко-Рейснера основан на принятии кинематической гипотезы для всего пакета в целом – закон Гука в ней выполняется не поточечно для каждого слоя, а интегрально для всех слоев

Учитывая это, применение гипотезы Тимошенко к расчёту трёхслойных строительных конструкций напрямую становится возможным только в том случае, когда жесткости всех слоев имеют один и тот же порядок или для конструкций с весьма тонкими обшивками, для которых, в какой-то мере, возможно пренебрежение изломом нормали на границах слоев. Пер­ вый из приведённых случаев имеет место при расчёте слоистых конструкций из железобетона. Второй, в определенной мере, можно применить лишь к расчёту бескаркасных стеновых панелей с тонкими плоскими обшивками. Тем не менее, гипотеза Тимошенко нашла широкое применение для расчёта многослойных пластин и оболочек, применяемых в технике. Её дальнейшее развитие и обобщение на расчет многослойных конструкций можно найти в работах В.И.Королёва [82], А.Т.Василенко, Г.П.Голуб и Я.М.Григоренко [24], Э.И.Григолюка и Г.М.Куликова [50], [51], [52], [53], Е.А.Король [83], С.А.Амбарцумяна [9], Ю.Голась, А.Подхорецкой, М.Делявского, и М.Кравчука [34] и других авторов.

1938 г. А.Р.Ржаницьшым было начато развитие собственной теории составных стержней с упругоподатливыми связями сдвига и поперечными связями. Первые полученные результаты были опубликованы в работах [117], [118], [122], [124] в период с 1938 по 1940 г. В 1948 году А.Р.Ржаницыным была выпущена монография [123], в которой автор пред­ ставил свою теорию в полном развитии. В монографии были рассмотрены вопросы расчёта составного стержня, как на изгиб, так и на общую устойчивость.

Э.Г.Давыдовой [61], R.Rosman [193], B.Lewicki [172], Б.Гоши [46], М.Енделе и И.Шейнога [67] и другими.

1976 году А.Р.Ржаницыным было проведено обобщение разработанной теории составных стержней с жесткими поперечными связями на многослойные пластинки [119]. В работе А.Р.Хечумова [140] проведено распространение полученных в [119] уравнений на анизотропные составные пластинки и на их динамику. В работе В.В.Филатова [138] и В.В.Филатова и С.Мусса [139] рассмотрено применение теории А.Р.Ржаницына к расчёту составных пластин на винклеровском основании.

Исследование возможности применения теории А.Р.Ржаницына к расчёту на устойчивость трёхслойных панелей с лёгким неармированным заполнителем приведено в работе Р.Ф.Габбасова и В.В.Филатова [29]. Сопоставление результатов расчёта устойчивости трёхслойных пластин, полученных с использованием составленного авторами в [28] дифференциального уравнения, и экспериментальных данных, приведенных в работе А.Я.Александрова [5], в целом подтвердило адекватное отражение теорией А.Р.Ржаницына действительной работы сжатой составной конструкции. Однако стоит отметить, что, как показано Ю.В.Чиненковым [147] на при­ мере расчёта панелей из лёгких бетонов, в случае расчёта конструкций с жесткостями слоев одного порядка эта теория может заметно снизить точность результатов.

В современных исследованиях составных стержней, пластин и оболочек теория А.Р.Ржаницына получила своё развитие в работах Ю.Е.Якубовского и О.Н.Коноваловой [152], [153] и С.В.Якубовской, Б.А.Гуляева и И.Ю.Овчинниковой [151]. В работе [152] на основе линей­ ной теории составных стержней и пластин Ржаницына и её дискретного варианта развития для задач изгиба составных пологих оболочек развивается новая форма представления математической модели расчёта пологих многослойных тонкостенных оболочек на изгиб. Предложенный вариант развития теории позволяет уменьшить количество разрешающих уравнений, а также свести расчёт к решению дифференциальных уравнений технической теории однослойных оболочек с учётом работы шва. Ю.Е. Якубовским, Н.А. Кривчуном, М.Т. Бабшановым в [154] модель Ржаницьша развивается в применении к задачам расчёта составных пластин из разномодульных при растяжении и сжатии материалов.

На основе теории составных стержней Ржаницына Ю.Ц.Гохбергом и С.Б.Ермоловым были рассмотрены вопросы расчёта трёхслойных панелей на температурно-влажностные воздействия. Результаты проделанной работы были положены в разработанную инженерную методику расчёта бес­ каркасных панелей с тонкими обшивками, изложенную в книге А.Б.Губенко [57]. Аналогичные вопросы совместно с вопросами расчёта многопролётных панелей с гофрированными обшивками на действие равномерно распределённой нагрузки были рассмотрены Р.М.Новиковым и Ф.Ф.Тамплоном [129].

Стоит также отметить, что разработанная А.Р.Ржаницыным теория позволяет при необходимости учесть сближение слоев составного стержня при изгибе от сжатия упругих поперечных связей. Учёт этого влияния приводит к усложнению расчёта, связанного с повышением порядка дифференциального уравнения.

В работе В.И. Колчунова, Я.Е. Колчина и М.И. Стадольского [80] приведены результаты экспериментальных исследований по определению жесткостных параметров на сдвиг шва в железобетонных элементах составного сечения. Приведены результаты численных исследований по определению этого параметра.

Определение коэффициента жесткости, который связывает поперечную силу с осреднённой на толщине деформацией трансверсального сдвига в уточнённых теориях пластин рассмотрено H.Altenbach в [156], [157].

В работе В.И. Коробко, А.В. Турковым и П.А. Гвозковым [81] рассмотрены однопролётные составные балки с абсолютно жесткими поперечными связями, имеющими бесконечно малую длину. Особый интерес к работе представляет предположение о том, что каждый из слоев балки может иметь собственные условия закрепления. Авторами работы предложен метод вычисления жесткости двухслойной конструкции через коэффициент, определяемый по основной частоте колебаний составной балки.

Другим направлением развития теории трёхслойных конструкций стало применение к их расчёту метода расчёта толстых плит по способу Б.Г.Галёркина. В обзорной работе [86] Л.М.Куршиным отмечено, что существенным преимуществом такого подхода является рассмотрение сред­ него слоя конструкции как трёхмерного тела, к которому не применяются какие-либо допущения о напряженно-деформированном состоянии.

1937 году И.П.Ерохиным было впервые получено решение задачи изгиба свободно опёртой трёхслойной балки в точной постановке с использованием для среднего слоя уравнений теории упругости [69]. Эта же задача в 1951 году была решена в работе G.Gerard [167], но с введением допущения о сопряжении среднего слоя и внешних слоев по осевой линии последних. В дальнейшем полученные в этих работах выводы были использованы при разработке многих приближенных методов расчёта трёхслойных пластин.

1957 году Л.Э.Брюккером в [20] было представлено решение задачи изгиба свободно опёртой трёхслойной балки и пластинки с ортотропным средним слоем и проведены оценки применимости различных допущений в приближённых методах расчёта трёхслойных пластин на поперечный изгиб.

Применение метода расчёта толстых плит к анализу напряжённо-де­ формированного состояния трёхслойных конструкций встретило серьёзные трудности при решении задач, в которых условия опирания, отличны от свободного закрепления [86]. Решения некоторых задач изгиба и устойчивости трёхслойных конструкций по указанному методу были получены в работах J.N.Goodier [168], H.Neuber [181], [182], В.В.Васильева и В.Г.Назаренко [25], А.Ф.Улитко, В.Г.Гринченко и А.Д.Коваленко [136], Ю.Гу [56].

В работе Н.А.Ниязовой и М.К.Усарова [98] предлагается теория трёхслойных пластин с ортотропным, сжимаемым в поперечном направлении заполнителем.

При этом заполнитель считается трёхмерным ортотропным телом, в котором учитываются все компоненты тензора напряжений и деформаций и без принятия каких-либо гипотез. Перемещения и прогиб заполнителя по координате вдоль нормали пластины разлагаются в бесконечный ряд и с помощью вариационного уравнения трёхмерной теории упругости получена система шести двумерных уравнений относительно шести контактных перемещений и напряжений.

В работе F.Reutter [191] рассмотрен трёхслойный стержень с заполнителем, модуль упругости которого в пределах толщины изменяется по экспоненциальному закону, что характерно для пенопластовых заполнителей, получаемых вспениванием в полости трёхслойных конструкций.

Сложности в решении задач трёхслойных конструкций, основанных на методе расчёта толстых плит, подтолкнули исследователей к развитию упрощённых теорий и методов расчёта, обеспечивающих необходимый уровень точности получаемых результатов. В рамках разрабатываемых теорий принимались гипотезы в отношении среднего слоя, связанные как с механическими свойствами его материала, так и с характером де­ формирования. В работе Э.И.Григолюка и П.П.Чулкова [54], на примере теории однородного тонкого стержня, дано обоснование того, что первый подход к построению гипотез на основе принятой модели материала (его механических свойств) является наиболее общим.

Наиболее распространённым допущением о механических свойствах материала лёгкого среднего слоя стало пренебрежение в нём нормальными касательными напряжениями в плоскостях параллельных внешним слоям. Это допущение при описании модели материала заполнителя может быть представлено в следующем виде :

Здесь и далее в работе приняты следующие направления осей: ось X совпадает с направлением наиболее длинной конечных размеров стороны конструкции (или по направлению продольной оси балки); ось )' направлена вверх из плоскости конструкции перпендикулярно к оси X; направление оси Z перпендикулярно плоскости XY.

В конце 1940-х годов А.Л.Рабиновичем в [112], [113] были представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований работы сжатых и изгибаемых стержней. С применением только допущения (1.3) были получены результаты распределения нормальных напряжений в среднем слое, направленных из плоскости пластины, м выявлена их концентрация в приопорных зонах.

Допущение, записанное в форме (1.3), было использовано и в работах E.Reissner [187], [188], [189] при расчёте трёхслойной пластины. Кроме того, E.Reissner в работах [188], [189] дополнительно к (1.3) ввёл гипотезу о пренебрежении поперечными деформациями в среднем слое при поперечном изгибе конструкции

гипотезу о равномерности распределения напряжений по толщине обшивок при изгибе, пренебрегая их цилиндрической жесткостью, положив

В 1950 году G.Gerard в работе [166] провёл анализ допущений, записанных в форме (1.3) и (1.4), применительно к расчёту трёхслойных пластин. В работах Л.Э.Брюккера [20], [21] были установлены пределы применимости условий (1.3), (1.4) и (1.5). Результаты исследований Л.Э.Брюккера были применены в работах [5] и [7], выполненных под руководством А.Я.Александрова. Анализ условий применимости к расчёту трёхслойных пластин и оболочек различных теорий, разработанных к 1960 году, так же был выполнен Х.М.Муштари в работах [94], [95].

Решение задач поперечного изгиба свободно опёртых трёхслойных стержней и пластин сосредоточенной и распределённой нагрузкой с использованием допущений (1.3) и (1.4) получено в работах В.М.Плеханова [106], Н.Н.Назарова [96], K.T.Yen, S.Gunturkin, F.V.Pohles [201].

В работах Л.М.Куршина [86] и А.С.Вольмира [26] отмечено, что раз­ витию теории расчёта составных конструкций на базе гипотезы А.Ван дер Нейта посвящены исследования авторов А.П.Вороновича, H.L.Cox,

После подстановки Т'(х), выраженного из последнего соотношения через у(х), во второе уравнение системы (1.1) и последующего дифференцирования этого уравнения будем иметь второе уравнение системы (1.6), полученной на базе гипотезы А.Ван дер Нейта.

Стоит заметить, модели трёхслойных конструкций, построенные и на основе гипотезы А.Ван дер Нейта, и на основе теории составных стержней А.Р.Ржаницына предусматривают предельный переход как к монолитной конструкции, составленной из жёстких слоев, разнесённых на заданное расстояние по их осям (соответствует бесконечно жесткому на сдвиг сред­ нем слою), так и к конструкции, составленной из слоев, ничем между со­ бой не скреплённых (при нулевой сдвиговой жесткости среднего слоя). Не­ смотря на разные подходы к построению расчётных моделей, очевидно, что для расчёта трёхслойных бескаркасных панелей с лёгким заполнителем обе методики являются равноценными.

В работе [48] Э.И.Григолюк указал на то, что для описания деформированного состояния трехслойных оболочек симметричного строения не­ обходима система из четырех уравнений, которая может быть сведена к системе из трех уравнений при равенстве для всех слоев коэффициентов Пуассона. М.А.Ильгамовым и Х.М.Муштари в работе [72] для решения частных задач, связанных с расчётом пологих трёхслойных оболочек несимметричного строения, предложена более удобная форма записи уравнений, построенных на базе гипотез, принятых в работах Э.И.Григолюка [48] и А.П.Прусакова [109].

Расчёт многослойных конструкций по моделям, построенным с применением гипотезы о линейном законе изменении перемещений по толщине заполнителя, позволяет получать достоверные результаты при решении дольно большого круга задач, включая расчёт конструкций с конструктивно неоднородным по толщине лёгким заполнителем. Тем не менее, в некоторых случаях выдвинутая гипотеза не даёт удовлетворительных решений. Сюда в первую очередь относятся задачи, связанные с описанием

Э.И.Григолюка и П.П.Чулкова [54], В.В.Болотина, Ю.Н.Новичкова [19] и Н.К.Галимова, и Х.М.Муштари [31] указаны численные критерии для заполнителя, в соответствии со значениями которых гипотеза А.Ван дер Нейта остаётся справедливой. В работе [54] для выбора закона распределения сдвигов по толщине заполнителя используется лишь один критерий, выраженный через значение безразмерной жесткости среднего слоя. В работе [31] возможность применения гипотезы А.Ван дер Нейта к расчёту трёхслойных конструкций устанавливается через проверку двух соотношений: отношения жесткостей обшивок на продольное сжатие и отношение их толщин. В работе [19], посвященной расчёту многослойных конструкций, жесткость слоев характеризуется четырьмя оценочными критериями порядков величин, входящих в выражение плотности потенциальной энергии деформации каждого слоя.

В работе Б.Г.Газизова и Е.В.Облезова [30] были представлены решения некоторых задач устойчивости трёхслойных конструкций, в которых были приняты: для обшивок гипотеза Кирхгофа-Лява; для среднего слоя – гипотеза о несжимаемости по толщине (1.4) и гипотеза о распределении тангенциальных перемещений по закону кубической параболы (сдвиги – по закону квадратичной параболы). Для трёхслойных пластин и оболочек с симметричным сечением относительно срединной поверхности и лёгким заполнителем проведена оценка результатов расчёта, проведённых на базе принятой модели с решениями, полученными исходя из гипотезы ломаной линии. Показано, что для рассмотренных задач при отношении толщины лёгкого среднего слоя к толщине обшивок более 10 различие в результатах расчётов не превышает 5%.

Построение асимптотически «точных» моделей расчета слоистых конструкций предложено в работах Ю.И.Бутенко [22], [23] и Г.Л.Горынина, Ю.В.Немировского [39], [40], [98]. В этих работах базе принятых пред­ положений разработана теория определения напряженного состояния для многослойного стержня с любыми свойствами слоев.

В работе Г.Л.Горынина и Ю.В.Немировского [38] приведено обоснование принципа Сен-Ве-нана для слоистых стержней.

Вопросы расчёта обшивок панелей на местную устойчивость рассмотрены в работах А.Я.Александрова и Л.М.Курпшна [2], А.Я.Александрова, Г.С.Савиновой и Г.М.Талановой [4], В.И.Королёва, И.Л.Бихневича [16], С.Б.Ермолова [68], В.Е.Койсина [79], N.J.Hoff и S.E.Mautner [170], S.Yusuff [202], [203], C.B.Norris и W.J.Commers [183], C.B.Norris [184], R.Hakmi [169], J.M.Davies [162], и J.M.Davies, P.Hassinen и R.Hakmi [163], J.Romanoff [192]. Общим подходом для многих авторов в расчётах на устойчивость сжатой обшивки, подкреплённой сплошным средним слоем, было её рассмотрение как конструкции, подкреплённой упругим винклеровским основанием. В работе [114] В.Д.Райзера и Б.Б.Кириллова решается задача расчёта надёжности трёхслойных стеновых панелей с тон­ кими металлическими обшивками и лёгким заполнителем при циклическом действии месячных максимумов ветровой нагрузки. В качестве критерия отказа принята потеря устойчивости сжатой обшивки с учётом отрыва её от заполнителя. На базе разрешающего уравнения, приведенного В.Д.Райзером

Н.В.Третьяковым в [115] для сжатой обшивки на упругом основании, установлена связь между расчётными параметрами панели и вероятностью её безотказной работы за заданный срок эксплуатации.

Изучение влияния дефектов соединения слоев на несущую способность и напряженно-деформированное состояние изгибаемых слоистых конструкций проведено в работах Э.И.Григолюка, Е.А.Когана и В.И.Мамай [49], С.Н.Ахалкаци, Д.О.Кипиани и Р.Г.Цурцумия [14], К.М.Иерусалимского и В.П.Фомина [71], В.А.Гордона и Э.А.Кравцовой [36], К.А.Матвеевым и Ю.Бяо [90], L.Librescu, R.Schmidt [173], W.Q.Chen, J.Ying и J.Cai [159], Mioa Changqing и Zhang Xing [177], [178]. Вопросу расчёта прочности заполнителя панели с учётом отрыва от её обшивок посвящена работа А.Я.Александрова [3].

Вопросы расчёта и конструирования трёхслойных плит и панелей со сквозными технологическими вырезами рассмотрены в работах Г.О.Кипиани и Э.П.Мачаидзе [76], K.Bemer и U.Pfaff [158] и A.V.Sarabi и M.Mofid [194], J.M.Davies [161], в европейских нормативных документах и в разработанных на их основе У.Ильиным [75] и В.Ф.Беляевым [91] пособиях. Результаты исследования напряженного состояния в угловых точках слоистых пластин аналитическими и численными методами приведены в работе C.Mittelstedt и W.Becker [180]. Результаты изучения характера распределения поперечных нормальных и касательных напряжений элементах «сэндвич»-панелей, концентрации напряжений в зоне локального приложений нагрузки проведено в работах В.А. Полякова, И.Г.Жигуна, Р.П.Шлипы, и В.В.Хитрова [107], [108].

В книге J.M.Davies [161] приводятся методы расчёта опорных узлов панелей на локальное смятие и их закрепления самонарезающими винтами опорам. Несмотря на то, что в этой работе указывается на возможность неравномерного смещения опор конструкции, этот фактор не отражен в предложенной методике расчёта. В работе А.А. Левчука [88] с применением метода конечных элементов показана необходимость учёта влияния дополнительных усилий в элементах трёхслойных конструкции от неравномерного смещения опор.

Результаты экспериментальных исследований изгибаемых трёхслойных консольных балок и трёхслойных балок с двухсторонним защемлением представлены в работе О.М.Устарханова, В.Н.Кобелева, А.И.Булгакова, и Ш.С.Кулишева [137]. Проведённые испытания показали необходимость учёта краевых эффектов на напряженно-деформированное состояние в опорных зонах рассмотренных конструкций и зонах приложения локальных нагрузок.

Вопросы повышения эффективности слоистых ограждающих конструкций с применением пластмасс рассмотрены в работе [59] В.В.Гурьева и А. Н.Дмитриева.

Описание механизмов разрушения однопролётных трёхслойных балок проведено авторами C.A.Steeves и N.A.Fleck [196], [197] и V.L.Tagarielli, N.A.Fleck и V.S.Deshpande [199]. В приведённых исследованиях рассмотрены однопролётные трёхслойные балки с поливинилхлоридным заполнителем и стеклотканевыми обшивками при жестком и шарнирном закреплении на опорах. Изучение их работы проведено численным моделированием (методом конечных элементов) с проверкой результатов натурными испытаниями. Авторами представлены номограммы для оптимизации конструкций по весу с учётом условий закрепления на опорах. Вопросы оптимизации однопролётных трёхслойных балок при более широком выборе материалов для обшивок и заполнителя рассмотрены в работе C.A.Steeves

N.A.Fleck [198]. Основные результаты проведённых при непосредствен­ ном участии автора настоящего исследования натурных испытаний стеновых и кровельных «сэндвич»-панелей изложены в статьях [104], [105].

Определение численными, аналитическими и экспериментальными методами механических характеристик разных типов ячеистых заполнителей трёхслойных панелей выполнено в работах А.Я.Александрова и Э.П.Трофимовой [1], А.Я.Александрова, Л.Э.Брюккера и Л.М.Куршина [6], Л.М.Миркина, Ю.С.Найштута и С.А.Павлович [92], В.Ф.Панина и Ю.А.Гладкова [101], F.Meraghni, F.Desrumaux и M.L.Benzeggagh [175], C.C.Foo, G.B.Chai и L.K.Seah [165], K.Beomkeun и R.M.Christensen [171], C.W.Schwingshackl, G.S.Aglietti и P.R.Cunningham [195]. В.В.Гурьевым в

приведены результаты исследований усталостной прочности и деформативности пенопластов, применяемых в слоистых ограждающих конструкциях с тонкими металлическими облицовками. Показана взаимосвязь структуры пенопластов и их физико-механических характеристик в условиях циклических механических и температурных воздействий. На основании проведённых исследований автором высказано мнение о возможном снижении плотности пенопластов, применяемых в трехслойных панелях, с целью повышения их теплотехнических показателей.

Результаты определения физико-механических характеристик минераловатного заполнителя «сэндвич»-панелей по результатам испытаний его фрагментов приведены в работе Е.В.Ильдиярова, С.М.Петрова, Н.В.Попкова и И.С.Холопова [73]. В работе автором настоящего исследования предложено экспериментальное определение приведённого модуля сдвига среднего слоя панелей по результатам испытаний целой конструкции по схеме трёхточечного изгиба.

приведённом обзоре основной упор сделан на анализ основных на­ правлений работ, посвященных задачам расчёта изгибаемых трёхслойных балок и плит с лёгким заполнителем при действии поперечной нагрузки, и не претендует на исчерпывающую полноту. В нём практически обойдены стороной вопросы, непосредственно связанные с расчётом слоистых оболочек, вопросы, касающиеся расчёта трёхслойных пластин, форма которых отлична от прямоугольной плане, а работы по многослойным конструкциям упомянуты лишь вскользь. Тем не менее, объём информации в выполнен­ ном обзоре состояния вопроса позволяет определить основные проблемы, возникающие в процессе расчёта и проектировании современных строи­ тельных панелей-«сэндвич», применяемых, как правило, в условиях работы по неразрезным многопролётным схемам, в том числе и при действии нагрузок, отличных от равномерно распределённых.

Содержание

Введение

1. Номенклатура продукции

Техническая характеристика сэндвич панелей

2. Технологическая часть

Сырье и полуфабрикаты

Выбор способа производства

Технологическая схема производства

Описание технологической схемы

Выбор основного технологического и транспортного оборудования

Новое в технологии производства сэндвич панелей

Введение

Отделочные материалы в строительстве, применяемые для повышения эксплуатационных и декоративных качеств зданий и сооружений, а также для защиты строительных конструкций от атмосферных и других воздействий. В современном строительстве к основным Отделочные материалы относят: природные и искусственные каменные материалы, отделочную керамику, материалы и изделия на основе древесины, бумаги, стекла, пластмасс, металлов, лакокрасочные материалы и другие [1].

Отделочные материалы обычно предназначаются для внутренней или наружной отделки. Некоторые материалы используются как во внутренних, так и наружных отделочных работах (например, природный декоративный камень, керамические материалы, архитектурно-строительное стекло и т.д.). Особую группу отделочные материалы составляют материалы и изделия для покрытий полов, которые должны отвечать ряду специфических требований (незначительная истираемость, высокая ударная прочность и т.п.). К отделочным материалам относят также некоторые акустические материалы, используемые одновременно в качестве звукопоглощающих покрытий и для декоративной отделки интерьеров зрелищных сооружений (театры, концертные залы, кинотеатры и др.) [2].

Большую группу среди отделочные материалы составляют облицовочные материалы и изделия, выпускаемые в виде листов, плит и плиток (например, сэндвич панели, асбестоцементные облицовочные листы, стемалит, керамические мозаичные плиты и плитки, декоративный бумажно-слоистый пластик и др.) и отличающиеся, как правило, высокими эксплуатационными и архитектурно-декоративными качествами. В условиях современного индустриального строительства рационально производить облицовку строительных конструкций в процессе заводского изготовления сборных элементов, доставляя их к месту монтажа с облицованными поверхностями (например, керамические мозаичные плитки укладывают в форму и бетонируют вместе со стеновыми панелями или лестничными площадками) [3].

В данной курсовой работе рассматривается цех по производству сэндвич панелей.

Что же представляют собой сэндвич панели? Сэндвич панели – сложная многослойная система.

Средний слой сэндвич панели, отвечающий за тепло – и шумоизоляцию, чаще всего представляет из себя пенополистерол или минераловатный утеплитель. Для облицовки среднего слоя производители таких материалов, как сэндвич панели, применяют оцинкованный стальной лист, имеющий защитно-декоративное покрытие.

Если отбросить архитектурные и эстетические требования к строительным объектам, то сэндвич панели можно было бы назвать идеальным строительным материалом.

Во-первых, сэндвич панели по теплотехническим характеристикам превосходят традиционные строительные материалы (кирпич, дерево, бетон) примерно в 10 раз!

Во-вторых, масса сэндвич панелей в 10 – 20 раз меньше, чем у традиционных материалов. То есть можно значительно снизить нагрузки на фундамент, а в каких-то случаях обходиться и вовсе без него. Значительно снижаются и расходы на транспортировку – нет необходимости в перевозке тяжелых железобетонных панелей или кирпича.

В-третьих, сэндвич панели – недорогие и надежные конструкции, они позволяют экономить буквально на каждом этапе строительства, причем не только деньги, но и время. Например, крепление сэндвич панели к каркасу производится очень быстро при помощи самонарезающих болтов по металлу или дереву – в зависимости от того, из чего сделан каркас. Кстати, благодаря этому можно при необходимости даже демонтировать конструкцию и перевезти здание в другое место.

В-четвертых, сэндвич панели не требуют дополнительной отделки. Их поверхности – тонколистовая оцинкованная сталь – еще на заводе окрашиваются надежной краской или покрываются слоем полимера.

Достоинства сэндвич панелей для строителей можно перечислять и дальше. Но заметим, что и для эксплуатационников они тоже проблем не создают. Ведь их оболочка, как было сказано выше, изготавливается с хорошим и надежным антикоррозионным покрытием, материал утеплителя обладает низкой теплопроводностью, минимальным влагопоглощением, достаточной механической прочностью, высокой долговечностью. А сама сэндвич панель устойчива к вредному ультрафиолетовому излучению, атмосферным и механическим воздействиям. Кроме того, через сэндвич панели легко прокладываются любые коммуникации: сверлить или резать эту конструкцию не в пример легче, чем железобетонные панели.

Применяются сэндвич панели при строительстве как жилых, так и производственных зданий. Уникальная конструкция и малый вес таких изделий, как сэндвич панели – это основные их преимущества, которые влекут за собой большой запас прочности и малые затраты на транспортировку, погрузку и монтаж.

Дома из сэндвич панелей изготавливаются на заводе, после чего их остается только доставить и собрать. Этот фактор позволяет провести строительство в кратчайшие сроки, а также значительно сэкономить на отделке дома. Последний фактор обусловлен тем, что сэндвич панели обладают поверхностью, не требующей дополнительной обработки – шпатлевки или штукатурки, и выпускаются уже окрашенными в выбранный заказчиком цвет.

1. Номенклатура продукции

Техническая характеристика сэндвич панелей

Стеновые и кровельные сэндвич панели с утеплителем из минеральной ваты и пенополистирола.

Трехслойные стеновые сэндвич панели производятся на оборудовании и по технологии австралийской фирмы, гарантирующей высокое качество и отличные эксплуатационные свойства панелей.

Панели представляют собой трехслойную конструкцию с облицовками из стального окрашенного листа (либо только оцинкованного) и среднего слоя – утеплителя из минераловатных или пенополистирольных плит.

Облицовочный материал:

Стальные оцинкованные или окрашенные профилированные листы толщиной 0,5-0,7мм в широкой цветовой гамме по каталогу RAL. Окраска оцинкованных рулонов производится на современной автоматической линии окраски FATA, что позволяет окрашивать оцинкованную рулонную сталь не только в стандартные, но и в редкие и эксклюзивные цвета (включая металлик).

Стеновые сэндвич панели [7].

Соединение панелей осуществляется в замок Z-LOCK.

Специальная конфигурация замка Z-LOCK обеспечивают высокую огнестойкость и влагонепроницаемость панелей в конструкции (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Конфигурация замка

Таблица 1

Характеристики сэндвич панелей

Технические характеристики сэндвич панелей:

Сопротивление теплопередаче сэндвич панелей:

R0= 3.7 м2С0/Вт,

R0= 4.7 м²С0/Вт.

Можно сравнить некоторые строительные материалы, которые используются для возведения наружных стен:

Кирпич строительный керамический 510 mm. R0=1,4 м²С0/Вт.

Брус 150 mm + обшивка вагонкой. R0=1,04 м²С0/Вт.

Брус 150 mm + обшивка кирпичом. R0=1,28 м²С0/Вт.

Пенобетон 400 mm. R0=2,06 м²С0/Вт.

Кирпич 380 mm + минвата 75 mm + обшивка вагонкой. R0=2,03 м²С0/Вт.

Сэндвич панели значительно превосходят по своим теплосберегающим свойствам традиционные строительные материалы. А следовательно затраты на отопление будут значительно меньше в зимнее время, а летом дом не будет нагреваться от солнечных лучей.

Таблица 2

Предельная осевая нагрузка на наружную стену в зависимости от силы ветра [кг/м²]

Таблица 3

Расчетная нагрузка на панель перекрытия [кг/м²]

Стены превышают на 12%, а перекрытия на 36% требования строительных норм для индивидуальных домов.

Таблица 4

Расчетные характеристики панелей EcoPan по звукоизоляции

Таблица 5

Предельные уровни шума

Таблица 6

Технические характеристики сэндвич панелей [4].

Расположение стеновых сэндвич панелей на плоскости здания:

вертикальное – крепление осуществляется к цокольной панели и к ригелям фахверка;

горизонтальное – крепление производится к колоннам и стойкам каркаса. При этом способе крепления не требуется дополнительных элементов фахверка и уменьшается номенклатура панелей.

Крепление панелей к каркасу осуществляется с помощью соединительных элементов и самонарезающих винтов (Рисунки 2, 3, 4,5).

1 – панель стеновая; 2 – герметик силиконовый; 3 – фасонный элемент; 4 – пена монтажная; 5 – винт самонарезающий; 6 – элемент цокольного ригеля

Рисунок 2 – Крепление панелей к каркасу

1 – панель стеновая; 2 – элемент фасонный; 3,4 – винт самонарезающий; 5 – пена монтажная; 6 – уплотняющая лента; 7 – герметик; 8 – элемент каркаса

Рисунок 3 – Крепление панелей к каркасу

1 – стеновая панель; 2 – колонна каркаса; 3 – самосверлящий, самонарезающий винт; 4 – минеральная вата; 5 – самосверлящий шуруп; 6 – уплотнитель; 7 – фасонный элемент

Рисунок 4 – Крепление панелей к каркасу

1 стеновая панель; 2 – самосверлящий шуруп; 3 – самосверлящий, самонарезающий винт; 4 – ригель фахвер; 5 – фасонный элемент; 6 – минеральная вата; 7 – уплотнитель

Рисунок 5 – Крепление панелей к каркасу

К преимуществам сэндвич панелей относиться:

качество ограждающих конструкций;

хорошая теплоизоляция;

отличная влагостойкость;

легкость и прочность;

коррозионная стойкость;

долговечность;

удобный и недорогой монтаж;

широкая цветовая гамма;

современный дизайн.

Модульные быстровозводимые здания из сэндвич панелей имеют небольшой вес и единый габарит для транспортировки, также панели имеют возможность соединяться между собой – это значительно облегчает строительство быстровозводимых зданий, и делает его универсальным [1].

Производство таких материалов, как сэндвич панели, предполагает создание готового быстровозводимого здания по проекту заказчика. Или работу по типовому проекту, что значительно сокращает срок строительства в целом и удешевляется за счет того, что вы не платите за проект. Производители сэндвич панелей готовят разработки, которые и становятся основой для план-схемы или проекта клиента. Также заказчик предоставляет техническое задание на проект: назначение объекта, размеры, высотность, количество ворот, окон, дверей, наличие кранового оборудования или консольных этажей и пр. После этого производители сэндвич панелей проводят расчет стоимости быстровозводимого здания в целом или сэндвич панелей отдельно, т.е. сэндвич панели продажа. Доставка и монтаж сэндвич панелей также осуществляются производителями материалов сэндвич панели.

Быстровозводимые модульные здания из сэндвич панелей по желанию заказчика могут быть сразу оснащены всеми видами необходимой сантехники и даже кондиционерами. Быстровозводимые здания доставляются различным транспортом – и железнодорожным, и автомобильным.

Быстровозводимые здания – это и промышленные сооружения, и дома сэндвич панелей. Назначение таких сооружений, как быстровозводимые здания, практически неограниченно.

А еще, сэндвич панели (в том числе и сэндвич панель ПВХ) и быстровозводимые здания – это очень экологичный материал. В настоящее время, когда так нарушена экология нашей планеты, этот фактор, подтвержденный многочисленными исследованиями, крайне важен.

Таким образом, учитывая все преимущества таких изделий, как сэндвич панели, экономическую целесообразность использования быстровозводимых зданий, строительство быстровозводимых зданий становится наиболее популярным и доступным, а широта использования сэндвич панелей – неограниченной.

2. Технологическая часть

Сырье и полуфабрикаты

Для производства сэндвич панелей используются импортные материалы известных европейских компаний:

минеральная вата плотностью 120 кг/м3;

тонколистовая горячеоцинкованная сталь толщиной 0,5 мм;

двухкомпонентный полиуретановый клей.

Рисунок 6 – Панели с минеральной ватой – негорючие сэндвич панели (НГ).

Благодаря использованию последних инновационных решений, реализованных в линии, получаемая продукция соответствует самым высоким требованиям [4].

В производственной линии осуществляется автоматическая загрузка и подача в зону склеивания материала для теплоизолирующего среднего слоя сэндвич панели, что полностью исключает появление пустот.

Для склеивания материалов реализована одна из лучших технологий нанесения клеевого состава ленточным способом. Данный метод нанесения обеспечивает полное смешивание компонентов клея и его равномерное распределение по всей поверхности.

Процесс прессования панелей в линии реализован с помощью пресса гусеничного типа, который обеспечивает равномерное давление на панель на всем протяжении полимеризации клея, что позволяет получить клеевое соединение высокого качества по всей площади склеивания.

В результате конструкция, изготовленная из сэндвич панелей, выглядит привлекательно – все стены и углы получаются идеально ровными.

Производство сэндвич панелей, поставляемых нашей компанией, осуществляется из высококачественного сырья. Изготовление сэндвич панелей производится на современном оборудовании при непрерывном контроле качества. Именно поэтому сэндвич панели идеально подходят для строительства и отличаются превосходными эксплуатационными характеристиками.

Сэндвич панели представляют собой большие, но при этом легкие конструкции, которые выполняют ограждающую функцию. Они являются универсальным строительным материалом и сочетают в себе все самые лучшие качества дерева, кирпича и бетона.

Состоят сэндвич панели из трех слоев. Внешние слои – это облицовочные профилированные листы. Внутренний – теплоизолирующий материал. Между собой слои скрепляются при помощи высококачественного клея.

У сэндвич панелей есть множество преимуществ. Во-первых, это быстрый монтаж, экономия тепла и универсальность, во-вторых, привлекательный внешний вид, и, в-третьих, наличие великолепной противопожарной защиты.

Область применения у сэндвич панелей необыкновенно широка, это склады, порты, терминалы, сельскохозяйственные строения, административные и производственные здания и многое другое. Также они применяются для утепления и шумоизоляции различных зданий и строений.

Сэндвич панели относятся к современным строительным материалам, которые имеют не только великолепные технические данные, но и обладают довольно большим сроком эксплуатации.

Материалами для производства строительных сэндвич панелей поэлементной сборки являются:

тонколистовая сталь с полимерным покрытием толщиной 0,7-1,0 мм;

утеплитель – минеральная вата. Для стен к утеплителю предъявляется дополнительное требование – не давать усадку.

тонколистовая сталь с полимерным покрытием толщиной 0,45-0,70 мм (для изготовления крышного и стенового профилированного настила).

доборные детали (все саморезы, все уплотнители, ветрозащитная мембрана).

Выбор способа производства

Сегодня рынок сэндвич панелей стал более емким, чем еще вчера! Но завтра он станет больше и требовательнее. Выиграют те заказчики и поставщики, которые по всем позициям будут работать на должном уровне и следовать таким показателям, как приемлемая цена, высокое качество, оперативность, надежность и уверенность в партнере [3].

По теплотехническим характеристикам сэндвич панели значительно превосходят традиционные материалы. Панели толщиной 100мм заменяют кирпичную кладку в два с половиной кирпича, что подтверждает серьёзное энергосбережение здания в целом и обеспечивают высокую степень комфортности.

Скорость строительства из сэндвич панелей на несколько порядков выше, чем из пеноблоков, кирпича и железобетона. Поэтому панели используются прежде всего при строительстве быстровозводимых зданий. Очевидно, что скорость строительства зданий и сооружений в наше время очень важна, особенно при строительстве складов, производственных, сельскохозяйственных и торговых зданий, где время – деньги, в первую очередь. Чем быстрее объект будет построен, тем раньше и больше будет на нем заработано, тем скорее он окупится и начнет давать вам вашу заработанную прибыль.

При использовании сэндвич панелей в строительстве нагрузки на фундамент в десятки раз меньше, чем при применении бетона и кирпича.

Панелям присущи высокие эксплуатационные характеристики, в том числе и из-за уменьшения металлоемкости конструкций, что немаловажно в строительстве и его общей стоимости.

Данные сэндвич панели отличаются хорошей экологичностью и биологической стойкостью: не имеют запаха, не вызывают раздражения кожи, утеплитель в них на 98% состоит из воздуха. Они очень устойчивы к гниению и разрушению; не плесневеют и не представляют совершенно никакой опасности для человека и окружающей его среды.

Полимерное покрытие обладает высоким сопротивлением к истиранию, устойчиво к взаимодействию с кислотными средами, а также к ультрафиолетовому излучению.

Поверхность панелей идеально подходит для применения в качестве наружных и внутренних стен, так как не требует никакой дополнительной отделки.

Сэндвич панели обладают высоким уровнем стойкости к широкому кругу химикатов, масел и растворителей, к коррозионному воздействию окружающей среды.

Панели механически прочны. Они служат хорошей ограждающей защитой от различных внешних факторов.

Панели с утеплителем пенополистирол экспондированный самозатухающий очень легкие (семиметровую панель вручную поднимают два человека), что дает существенную экономию на фундаменте, каркасе, строительной технике и рабочей силе.

Легкость сэндвич панелей с утеплителем пенополистирол, по сравнению с традиционными материалами и панелями с другими утеплителями, облегчает обращение с ними, делает простыми и удобными их складирование, транспортировку, обработку и монтаж.

Немаловажным преимуществом наших сэндвич панелей является их высокая влагостойкость, самым прямым образом связанное с качеством панелей в процессе монтажа и дальнейшей многолетней эксплуатации: исключено попадание влаги в утеплитель и задержание ее в сердечнике панели, а, следовательно, значительно снижен риск отслоения металла от утеплителя. Пенополистиролу свойственно постоянство объема, то есть сопротивление самоуплотнению и усадке в процессе эксплуатации.

Покрытия.

В обшивках сэндвич панелей используется оцинкованная сталь, алюцинк и окрашенная оцинкованная сталь с полимерным покрытием полиэстер. Оцинкованная сталь.

Это материал, привлекающий заказчиков своей невысокой ценой, легкостью в обращении и распространенностью на рынке строительных материалов. Долговечность стали с цинковым покрытием определяется, в первую очередь, толщиной слоя цинкового покрытия. Данный завод применяет оцинкованную сталь с цинковым покрытием толщиной 23-24мкм (275 – 278 г/кв. м.), долговечность которой составляет не менее 10-15 лет.

Утеплители [7].

Минеральная вата.

Для сэндвич панелей применяется только твердая минеральная вата плотностью не менее 100-115 кг/м3. При менее плотном утеплителе панели получаются недостаточно жесткими. Утеплитель располагают таким образом, чтобы его волокна были перпендикулярны плоскости обшивки (поперечно-ориентированные волокна), для этого минеральная плита режется на полосы (ламели). Этим обеспечиваются высокие прочностные характеристики панелей.

Основное положительное преимущество минеральной ваты при применении ее в качестве утеплителя для сэндвич панелей – негорючесть. Этим объясняется популярность наполнителя у заказчиков. К недостаткам можно отнести низкую влагостойкость минеральной ваты (панели с этим утеплителем должны быть надёжно защищены от атмосферных осадков при транспортировке и хранении), а также её вес (в среднем – 20 кг/м2 при кровельной панели толщиной 200 мм).

Пенополистирол самозатухающий.

Пенополистирол – это жесткий вспененный термопласт, состоящий из сплавившихся гранул с равномерно распределенными в них микроскопическими плотными клетками, заполненными воздухом. Пенополистирол на 98% состоит из неподвижного воздуха, заключенного в его закрытой ячеистой структуре. Статический воздух, как известно, является самым лучшим природным теплоизолятором. Содержание полистиролового пластика в материале составляет 2% – такая комбинация и обеспечивает плитам ПСБ-С замечательные теплоизолирующие свойства. Причем теплоизолирующие свойства пенополистирол сохраняет, как и во влажных условиях, так и при низких температурах. На неподвижности воздуха в структуре материала основаны его превосходные механические и теплоизоляционные характеристики. Кратковременная и долговременная стойкость к нагрузкам является одним из важнейших свойств пенополистирола. И она значительно выше, чем у минеральной ваты.

Данный утеплитель остается стабильным в ограждающих конструкциях, причем в течение всего срока эксплуатации строения: не садится, не уменьшается в размерах и не сдвигается в конструкции. В течение всего срока жизни строения качество свойств утеплителя ПСБ-С не ухудшается. Минимальная влагопоглощаемость материала обеспечивает сохранение стойкости к нагрузкам и теплоизолирующую способность во влажных условиях. Пенополистирол не образует на своей поверхности питательной среды для роста микроорганизмов, не гниет, не плесневеет и не преет, является химически стойким. Пенополистирол имеет высокую стойкость к разным веществам, включая морскую воду, солевые растворы, цемент и другое. Он не усваивается животными и микроорганизмами, и не создает питательной среды для грибков и бактерий. Благодаря малому весу пенополистирольные плиты ПСБ-С удобны и легки в обращении, их легко можно нарезать на куски нужных размеров с помощью обычных инструментов. Для строителя крайне важным является тот факт, что используя в работе пенополистирол, не требуется применять средств защиты: он не ядовит, не имеет запаха, не выделяет пыль при обработке, не вызывает раздражения кожи. Все теплоизоляционные материалы ПСБ-С изготовлены из сырья, содержащего огнестойкий материал. Температура эксплуатации пенополистирола составляет от – 200 до +85° С. Если контакт с открытым пламенем прекращен, прекращается и горение пенопласта. Учитывая что, пенополистирол используется как средний слой конструкции, его пожароопасность не больше, чем у других материалов. Противопожарная служба классифицирует его как самозатухающий. Плотность пенополистирола 16-17 кг/м 3. Пенополистирол идеально подходит для использования в качестве сердечника трехслойных панелей, как влагостойкий, легкий, теплый, удобный в монтаже, эффективный в эксплуатации выгодный утеплитель.

Пенополиуретан.

Пенополиуретан – это жесткая неплавкая термоактивная пластмасса с плотной сетчатой структурой. Он не разрушается, имеет нейтральный запах, не поражается грибком и гнилью, стоек к растворителям, кислотам и щелочам, экологически безопасен. Пенополиуретан это материал получаемый вспениванием двух компонентов (Полиол и Изоционат) и применяющийся как правило для строительства холодильных камер. Он является лидером по показателю сохранения теплопотерь. В теле наполнителя содержится газ, занимающий до 97% объема, который замещается воздухом с течением времени. Порядок замещения 1-2% в год.

Для полиуретановой теплоизоляции характерно следующее:

самый низкий коэффициент теплопроводности;

высокая адгезия к различным материалам;

термическая прочность;

низкая плотность;

низкая паропроницаемость;

малое водопоглощение;

антикоррозионная защита;

устойчивость формы;

легкость;

экологическая безопасность;

долговечность покрытия.

Сохранение эксплуатационных характеристик при старении (долговечность) является одним из важнейших показателей любого материала. Структура пенополиуретана состоит из закрытых пор, в которых отсутствуют воздух и влага, что исключает образование конденсата внутри теплоизоляционного слоя. Этим объясняется довольно высокий показатель долговечности материала, период эксплуатации. Уже сегодня имеются надежные данные о поведении полиуретана в течение 20 лет эксплуатации, а результаты лабораторных испытаний на ускоренное старение подтверждают долговечность материала. К числу неоспоримых достоинств этого материала относится способность сохранять низкую теплопроводность в течение длительного времени. Плотность пенополиуретана, используемого в сэндвич панелях 35 – 40 кг/ м 3.

Пенополиуретан рекомендуется в качестве утеплителя в сэндвич панелях при строительстве быстровозводимых металлических конструкций, используемых в холодильных и морозильных камерах, промышленных холодильниках – складах и т.п.

Доборные элементы.

Доборные элементы представляют собой металлические изделия, с помощью которых закрываются торцы, стыки и прочие конструктивные узлы стен и кровли для придания зданию или сооружению нужного колорита и завершенного эстетического вида. Доборные элементы также служат для дополнительной защиты против проникновения влаги. Они являются элементами покрытия кровли или отделки фасада. Применяются для комплектации зданий и сооружений, строящихся с применением сэндвич панелей, профильных листов и профнастила. Для оформления перегородок, стыков и примыканий ограждающих конструкций, парапетов, карнизов, оконных блоков и т.д. Для кровли – коньки, ендовы, ветровые и соединительные нащельники. Для фасадов – наружные и внутренние углы, торцевые, верхние и нижние нащельники, а также боковые нащельники для окон, парапетные, цокольные и переходные доборные элементы.

Доборные элементы играют немаловажную роль в строительстве сооружений из сэндвич панелей и профнастила. При изготовлении используются следующие материалы: оцинкованная сталь (0.5 – 0.7мм), алюцинк (0.5мм), оцинкованная окрашенная сталь с полимерным покрытием (0.5 – 0.7мм). Конфигурация доборных элементов определяется габаритами зданий и может быть определена как по проекту, так и по натурным измерениям на строительной площадке. Доборные элементы по желанию Заказчика могут изготавливаться из того же материала, что и сэндвич панели, профнастил или профильные листы. Цвет при этом может быть выбран из широкой цветовой гаммы по каталогу RAL или RR.

Технологическая схема производства

Схема 1 – Технологическая схема производства сэндвич панелей,

Описание технологической схемы

Технологический процесс сборки сэндвич панелей состоит из следующих этапов:

.Рулон металла помещается в специальное устройство размотки/подачи металла (разматывающий барабан).

. Далее лист металла через специальное вводное устройство, где на лист металла наносится защитная пленка (устройство нанесения защитной пленки), подается в профилирующее устройство (прокатный стан). Прокатный стан позволяет изготовить обкладку сэндвич панели требуемой длинны с необходимым главным профилем (рисунком) и замками.

.Спрофилированный лист металла помещается на сборочный стол неокрашенной (грунт) стороной вверх.

.На лист металла наносится клей в автоматическом режиме (устройство автоматического нанесения клея) или вручную. Клей активируется мелкодисперсионной водой.

.При производстве панелей используются маты минеральной ваты, распиленные специальным образом на ламели при помощи устройства порезки ламелей.

.Ламели примыкающие при сборки к замку фрезеруются (устройство выбора щели, фрезеровки ламелей).

.Ламели укладываются вдоль листа металла на клей. Волокна минеральной ваты должны быть ориентированы перпендикулярно обкладке. Ламели укладываются плотно друг к другу, без зазоров. В случае образования зазора режется компенсационная панель необходимой ширины на устройстве выбора щели в ламели.

.При помощи устройства автоматического нанесения клея наносится клей и вода на уложенные ламели.

.Ранее изготовленная обкладка сэндвич панели помещается вручную на ламели или изготовленная на параллельном прокатном стане обкладка сэндвич панели захватывается при помощи переворотного устройства переворачивается и помещается на уложенные ламели.

.Собранная сэндвич панель подается в пресс. В прессе происходит склеивание панели под воздействием температуры и давления.

.Из пресса готовая сэндвич панель подается на приемный стол откуда далее транспортируется на склад готовой продукции (возможно через устройство упаковки сэндвич панелей).

Выбор основного технологического и транспортного оборудования

Таблица 7

Ведомость оборудования [8].

Новое в технологии производства сэндвич панелей

Производство такой продукции, как сэндвич панели – это сложный многостадийный процесс. Производство сэндвич панелей основано на применении современного оборудования и новейших технологий.

Стеновые сэндвич панели различают по функциональному назначению. Бывают стеновые сэндвич панели для ограждающих конструкций, потолочные сэндвич панели, сэндвич панели для перегородок, облицовочные стеновые сэндвич панели и сэндвич панели для низкотемпературных и холодильных камер.

Оборудование сэндвич панелей крайне разнообразно, отвечает последним требованиям технологий и стандартов. Одна из последних разработок (фирма Hilleng Pty) – классический замок для сэндвич панели Z-Lock. Специально просчитанная форма позволяет добиться плотного и надежного соединения сэндвич панелей за счет лабиринтного профиля элементов. Замок сэндвич панели обеспечивает надежность и прочность конструкции и не допускает проникновение влаги в средний слой.

А еще, сэндвич панели – это очень экологичный материал. В настоящее время, когда так нарушена экология нашей планеты, этот фактор, подтвержденный многочисленными исследованиями, крайне важен.

Таким образом, учитывая все преимущества таких изделий, как сэндвич панели, экономическую целесообразность использования быстровозводимых зданий, строительство быстровозводимых зданий становится наиболее популярным и доступным, а широта использования сэндвич панелей – неограниченной.

Несущая способность панелей

«Рекомендации по определению несущей способности кровельных и фасадных сэндвич-панелей» выполнены ЦНИИПСК им. Мельникова.

1. Расчетные геометрические характеристики профилей.

Поперечные сечения профилей МП СП и элементов жесткости МП ЭЖ приведены в Альбоме Технических Решений (Приложение 2) на листах 4, 5, 15.

Расчетные характеристики профилей МП СП представлены в таблице1, элементов жесткости МП ЭЖ – в таблице 2.

При определении расчетных характеристик профилей учитывалось возможное снижение площади рабочего сечения профиля, его моментов инерции и сопротивления за счет местной потери устойчивости продольно сжатых полок и стенки в пределах их упругой работы при сжатии и изгибе.

Таблица 1. Расчетные геометрические характеристики сэндвич- профилей

Таблица 2. Расчетные геометрические характеристики элемента жесткости МП ЭЖ

2. Нагрузки и воздействия.

Для стеновых конструкций

На сэндвич-панели, используемые для фасада действуют следующие нагрузки:

постоянные нагрузки: собственный вес сэндвич-профилей, вес облицовки и теплоизоляции;

временные нагрузки: ветровые нагрузки;

Не допускается передавать на сэндвич-профиль нагрузки от рекламы, осветительных приборов, обслуживающих площадок, дополнительного оборудования и т.п. При необходимости крепления подобного оборудования к фасаду, в соответствии с полученным от заказчика заданием на проектирование разрабатывается специальный усиленный каркас, либо используют другие конструктивные решения.

Постоянные нагрузки

Собственный вес профилей и различного вида облицовок принимается в соответствии с данными таблицы 3.

Таблица 3.

Коэффициент надежности по нагрузке γf принят по табл.1 СНиП 2.01.07-85*

«Нагрузки и воздействия» [1].

Определение веса теплоизоляции, а также весь алгоритм сбора нагрузок осуществляется по примеру, приведенному в пункте 4.1 настоящих рекомендаций.

Временные нагрузки

Ветровые нагрузки определяют в соответствии с требованиями СП 20.13330.2011. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» [1].

Ветровую нагрузку следует определять как сумму средней и пульсационной составляющих.

Нормативное значение ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней wm и пульсационной wр составляющих ветровой нагрузки

w = wn + wp (1)

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wm в зависимости от эквивалентной высоты zе над поверхностью земли следует определять

wm +(-) = w0 ·k(zе)· cp,+(-) кПа (кгс/м2) (2)

где w0 – нормативное значение давления ветра принимается в зависимости от ветрового района по таблице 1 данных рекомендаций (см.таблицу 4 настоящих рекомендаций);

zе – эквивалентная высота;

k(zе) – коэффициент, учитывающий изменение давления ветра на высоте zе;

c –аэродинамический коэффициент положительного давления (+) или отсоса (-);

Таблица 4. Нормативное значение ветрового давления

Таблица 5. Нормативное значение ветрового давления

Принимаются следующие типы местности:

А — открытые побережья морей, озер и водохранилищ. пустыни, степи, лесостепи, тундра;

В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; Тип местности С – городские рай-

оны с плотной застройкой зданиями

k(ze) = k10 (zе /10)2α (3) высотой более 25 м.

Значения параметров k10 и α для различных типов местностей приведены в таблице

6.

Т а б л и ц а 6

Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h – при высоте сооружения h до 60 м и на расстоянии 2 км – при h>60 м. (Типы местности могут быть различными для разных расчетных направлений ветра).

Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки wр

на эквивалентной высоте ze следует определять по формуле:

wp = wnÇ(ze)u (3)

Ç (ze) – коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый по таблице 7 или по формуле 4 для эквивалентной высоты ze

– ν – коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра следует определять по таблицам 9 и 10 для расчетной поверхности стены близкой к

прямоугольнику, ориентированному так, что его стороны параллельны основным осям (рисунок 2).

Та б л и ц а 7

Ç (ze) = Ç 10 (zе /10)-α (4)

– значения параметров Ç 10 и α для различных типов местностей приведены в таблице 6;

– се – значения аэродинамических коэффициентов положительного давления (+)

или отсоса (-) в зависимости от конфигурации здания следует принимать по рисунку

1. Для вертикальных стен прямоугольных в плане зданий значения се приведены в таблице 8.

Т а б л и ц а 8

План

Боковая стена

V

Е

Рисунок 1 Зоны аэродинамических коэффициентов для полноразмерных конструкций

При определении нормального давления приложенного к внутренним поверхностям проницаемой стены µ (отношение суммарной площади имеющихся в ней проемов к полной площади стены) При µ ≤ 5 % – сi = ± 0,2. При µ ≥ 30 % – сi1 = – 0,5 (ветер слева); сi2 = + 0,8 (ветер справа).

Рисунок 2 – Основная система координат при определении коэффициента корреляции ν

Т а б л и ц а 9

Т а б л и ц а 10

Расчетная ветровая нагрузка

w = (we + wi) ∗ yƒ (5)

we = wne + wp (6)

wi = wni (7)

– γf – коэффициент надёжности для ветровой нагрузки равный 1,4.

Для расчета стеновых панелей расположенных в плоскости zoy при b=40 м

расчетные значения ветровых нагрузок приведены в таблицах 13 – 15.

Для конструктивных элементов ограждения, грузовая площадь которых при сборе ветровой нагрузки менее 20 м2 и элементов их крепления принимаются пиковые значения ветровых нагрузок

w+(-) = w0 ·k(zе)·[1+ Ç(ze) ]cp,+(-)·ν+(-) ·γf кПа (кгс/м2) (9)

где w0 – нормативное значение давления ветра принимается в зависимости от ветрового района по таблице 4 данных рекомендаций (таблица 11.1[1]);

zе – эквивалентная высота;

k(zе) и Ç(ze) – коэффициенты, учитывающие, соответственно, изменение давления и пульсаций ветра на высоте zе;

cp – пиковые значения аэродинамических коэффициентов положительного давления (+) или отсоса (-);

ν+(-) – коэффициент корреляции ветровой нагрузки, соответствующие положительному давлению (+) или отсосу (-);

γf – коэффициент надежности по нагрузке.

– ср,+(-) – пиковые значения аэродинамических коэффициентов положительного давления (+) или отсоса (-).

Для стен прямоугольных в плане зданий пиковое положительное значение аэродинамического коэффициента ср,+ = 1,2.

Пиковые значения отрицательного аэродинамического коэффициента ср,- для различных зон стен и плоских покрытий в соответствии с рисунком 3 приведены в таблице 11.

Т а б л и ц а 11

План кровли

Cтена

е/5 е/5

е/10 е/10

С D С

D Е D

е/10

С D С

l

Рисунок 5 Зоны аэродинамических коэффициентов для стен и кровли здания

– ν+(-) – коэффициенты корреляции ветровой нагрузки, соответствующие положительному давлению (+) и отсосу (-); значения этих коэффициентов приведены в таблице 12 [11.8] в зависимости от площади ограждения А, с которой собирается ветровая нагрузка.

Т а б л и ц а 12

– γf – коэффициент надёжности для ветровой нагрузки равный 1,4.

Пиковое расчётное давление ветра, с учетом коэффициента надежности по ветровой нагрузке определяется по формуле:

2 (10)

w р  wmγf , кгс/м

где wm – нормативное значение ветровой нагрузки (с учетом пульсационной составляющей, если требуется ее учитывать);

γf – коэффициент надежности по ветровой нагрузке равный 1,4.

Пиковые расчетные ветровые нагрузки с коэффициентом корреляции – ν=1 для типов местности А, В, С см. таблицы 13 – 15.

Таблица13 Расчетная пиковая ветровая нагрузка, кгс/м2 , определенная в соответствии с СП 20.13330.2011

Таблица 14 Расчетная пиковая ветровая нагрузка, кгс/м2 , определенная в соответствии с СП 20.13330.2011

Таблица 15 Расчетная пиковая ветровая нагрузка, кгс/м2 , определенная в соответствии с СП 20.13330.2011

Рисунок 1

Районирование территории Российской Федерации по давлению ветра

карта 3 Приложения 5 СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»

Рисунок 2

Районирование территории Российской Федерации по расчетному значению веса снегового покрова земли

карта 1 Приложения 5 СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»

Для кровельных конструкций

На сэндвич-панели используемые для кровли действуют следующие нагрузки:

постоянные: собственный вес сэндвич-профилей, вес облицовки, вес шляпных профилей или Z-прогонов, вес теплоизоляции;

кратковременные: снеговые, ветровые

временные длительные (пониженные кратковременные нагрузки): нагрузка от человека, технологические нагрузки снеговая нагрузка (для расчёта по 2-ому предельному состоянию п. 4.1 СП)

.

Постоянные нагрузки

Расчетная постоянная нагрузка для кровельных конструкций из СП ПС зависит от конкретного состава кровли. Собственный вес сэндвич-профилей и различного вида кровельных облицовок принимается в соответствии с данными таблицы 3. Вес Z-прогонов, профилей КПШ, теплоизоляции, а также суммарная постоянная нагрузка определяется по примеру, приведенному в пункте 4.3 настоящих рекомендаций.

Кратковременные нагрузки

Снеговые нагрузки. Полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия следует определять по формуле:

2 (4)

S  Sg  µ , кгс/м

где Sg – расчетное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли с учетом коэффициента надежности по нагрузке γf=1,4, принимаемое по таблице 15 настоящих рекомендаций (в соответствии с таблицей 4 СНиП 2.01.07-85*). Районы строительства, приведенные в табл.9 соответствуют районам по карте распределения снегового покрова на территории России (карта 1 Приложения 5 СНиП 2.01.07-85*).

µ – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, зависящий от формы кровли и принимаемый в соответствии с пп.5.3-5.6 и приложением 3* СНиП 2.01.07-85* .

Таблица 15.

Для односкатных и двухскатных кровель простого сечения, с уклоном α не более 25°, без перепадов высот коэффициент µ =1. Для покрытий с уклоном более 25° снеговая нагрузка снижается и при уклоне кровли 60° и более становится равной нулю. Для промежуточных уклонов кровли в диапазоне α от 25° до 60° значение снеговой нагрузки изменяется пропорционально от 1 до 0 и рассчитывается по формуле:

Sα  S

60   α

g 60   25 

(5)

где Sα – расчетная снеговая нагрузка для кровли с уклоном в диапазоне α=25°÷60°; Sg – расчетная снеговая нагрузка для кровли с уклоном в диапазоне от 0° до 25° в соответствии с табл.9.

Для более сложных видов кровель коэффициент µ определяется в соответствии с пп.5.3-5.6 и приложением 3 СНиП 2.01.07-85* .

Ветровые нагрузки. Расчётные ветровые нагрузки, действующие на кровлю, определяются аналогично ветровым нагрузкам, действующим на фасад по формулам 1-3 настоящих рекомендаций. Аэродинамический коэффициент давления

cе для зданий с двускатными покрытиями приведен в таблице 6 настоящих рекомендаций. Для других типов зданий аэродинамический коэффициент давления принимается по приложению 4 СНиП 2.01.07-85*

Временные длительные нагрузки Нагрузка от человека.

Р  Р нγ  100 1,2  120

кгс (6)

где Рн – нормативная нагрузка от человека;

γf – коэффициент надежности равный 1,2.

Технологическая нагрузка

q  q н γ

кгс/м2 (7)

тех тех f

где qнтех – нормативная технологическая нагрузка – назначается технологом или заказчиком: нагрузки от оборудования (вент короба, трубы водоснабжения, светильники).;

γf – коэффициент надежности равный 1,3.

Снеговая нагрузка

S = 0, 7 ∙ S0

Для районов со средней температурой января минус 50С и ниже пониженное нормативное значение снеговой нагрузки определяется умпожением её нормативного значения на коэффициент 0,7.

Сочетание нагрузок

При учете сочетаний, включающих постоянные и не менее двух временных нагрузок, расчетные значения временных нагрузок следует умножать на коэффициенты сочетаний ψс1; ψс2, равные:

для временных длительных нагрузок ψс1 = 0,95;

для кратковременных ψс2 = 0,9 (п.1.12 СНиП2.01.07-85*).

Весь алгоритм сбора нагрузок осуществляется по примеру, приведенному в пункте 4.3 настоящих рекомендаций

3. Расчетная несущая способность профилей.

Расчетная нагрузка на сэндвич-профили по условиям прочности.

Расчет профиля на прочность под действием ветровой или снеговой нагрузки выполняется по следующим формулам:

а) для однопролетной схемы

q  l 2

 R

(8)

8 Wx

где qр – расчетная ветровая или снеговая нагрузка; кгс/м

Wx – расчетный момент сопротивления профиля по таблице 1;

l – пролет профиля; см3

Ry= 2250 кгс/см2 – расчетное сопротивление стали 08ПС по пределу текучести;

б) для двухпролетной схемы на опоре –

q

0,125 p

 l 2

 R

(9)

y

x

в пролете –

q

0,07 p

 l 2

 R

(10)

y

x

в) для трехпролетной схемы на опоре –

q

0,1 p

 l 2

 R

(11)

в пролете –

0,08

Wx

q  l 2

 R

(12)

y

x

д) для четырехпролетной схемы и более на опоре –

q

0,107 p

 l 2

 R

(13)

y

x

в пролете –

q

0,077 p

 l 2

 R

(14)

y

x

Нормативная нагрузка на сэндвич-профили по условиям допускаемого прогиба.

Прогиб профиля от ветровой или снеговой нагрузки проверяется по формулам:

а) для однопролетной схемы

5 q  l 4 1

f1 н 

384 E  Jx

l

200

(15)

где qн – нормативная ветровая или пониженная нормативная (временная длительная) снеговая нагрузка; кгс/м

Е=2,1·106 кгс/см2 – модуль упругости стали;

Jx – расчетный момент инерции профиля по таблице 1; см4

l – пролет профиля; м

б) для двухпролетной схемы

q  l 4 1

f1  0,0052 н 

E  Jx

l

200

(16)

в) для трехпролетной схемы

q  l 4 1

f1  0,00675 н 

E  Jx

д) для четырехпролетной схемы и более

l

200

(17)

q  l 4 1

f1  0,0063 н 

E  Jx

l

200

(18)

Допустимые ветровые и снеговые нагрузки на сэндвич-профили в составе стеновых и кровельных конструкций соответственно по условиям прочности и прогиба приводятся в таблицах и графиках раздела 3.3. настоящих рекомендаций.

Расчет на прочность и деформативность профилей при изгибе в вертикальной плоскости не выполняется в связи с тем, что момент сопротивления относительно оси Y в 4,7 раза больше, чем относительно оси Х при значительно меньших вертикальных нагрузках.

Таблицы и графики допустимых нагрузок по условиям прочности и прогиба.

СТЕНОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Однопролетная схема

q

Допустимые расчетные ветровые нагрузки q, кгс/м2

Двухпролетная схема

q

Допустимые расчетные ветровые нагрузки q, кгс/м2

Примечание.

Трехпролетная схема

q

Допустимые расчетные ветровые нагрузки q, кгс/м2

Примечание.

Четырехпролетная схема

q

Допустимые расчетные ветровые нагрузки q, кгс/м2

Примечание.

Однопролетная схема

q

Допустимые расчетные снеговые нагрузки q, кгс/м2

Двухпролетная схема

q

Допустимые расчетные снеговые нагрузки q, кгс/м2

Примечание 1.

Трехпролетная схема

q

Допустимые расчетные снеговые нагрузки q, кгс/м2

Примечание 1.

Четырехпролетная схема

q

Допустимые расчетные снеговые нагрузки q, кгс/м2

Примечание 1.

Устойчивость профилей на опорах при многопролетной схеме.

Местная устойчивость полок профилей на опорах при многопролетной схеме работы профиля обеспечена при следующих условиях:

Q   (1  0,1

)  (0,5 

)  (2,4  (  )2 ;

90 o

(19)

где: Q – допустимое значение поперечной силы на опоре профиля; кгс

b – ширина полки опорного элемента (прогон; ригель):

для МП СП-100х595 принято b = 60 мм;

для МП СП-150х595 принято b = 80 мм

t – толщина стенки профиля; мм

r = 5мм – внутренний радиус профиля;

φ = 90о – угол наклона полки профиля;

Е=2,1·106 кгс/см2 – модуль упругости стали;

Ry= 2250 кгс/см2 – расчетное сопротивление стали 08ПС по пределу текучести;

Допустимое значение поперечной силы Q при ширине опоры 60 мм и 80 мм для МП СП-100х595 и для МП СП-150х595 соответственно приведено в таблице 11.

Таблица 11.

При других ширинах опор требуется пересчет Q по формуле 19.

Для многопролетных схем необходимо сравнить фактическое значение поперечной силы с допустимым по формулам:

а) для двухпролетной схемы

б) для трехпролетной схемы

1,25  q  l  Qдоп

1,1 q  l  Qдоп

(21)

(22)

в) для четырехпролетной схемы и более

1,143  q  l  Qдоп

где: q – расчетная ветровая или снеговая нагрузка на пм стены или кровли; кгс/м

l- пролет профиля; м

(23)

(q и l определяются по таблицам и графикам раздела 3.4. настоящих рекомендаций)

При невыполнении условий по формулам 21-23 полку профиля следует усилить вкладышем МП ЭЖ. При усилении вкладышем МП ЭЖ допускаемая поперечная сила Q1 приведена в таблице 12.

Таблица 12.

Устойчивость стенки профиля.

При вертикальной нагрузке на профиль его стенку следует рассчитывать на устойчивость, т.к. ее условная гибкость даже при максимальной толщине t=1 мм

λm  

 19,47  3,5

(24)

не отвечает требованиям СНиП II-23-81. Здесь: h=595 мм – высота стенки профиля; t = 1 мм – толщина стенки профиля; Е=2,1·106 кгс/см2 – модуль упругости стали;

Ry= 2250 кгс/см2 – расчетное сопротивление стали 08ПС по пределу текучести;

В связи с этим сжимающие напряжения в стенке не должны превышать критических, определяемых по формуле Кармана

1 π 2  E  t 2

σ кр  3 1  ν 2  0,5h 

 σ сж .

(25)

где: ν – коэффициент Пуассона (для стали – 0,25);

h = 0,595 м – высота стенки сэндвич-профиля.

Для профилей МП CП-150х595 из стали толщиной t=1 мм

3,142  2,1 106  1

σ 

  83,18, кгс/см2

(26)

кр 3 1  0,25 2 

 297,5 

Таким образом, максимальная равномерная нагрузка на верхнюю полку профиля МП CП-150х595 (t=1 мм) при пролете l= 6 м не должна превышать

или 33 кгс/м.

q  8 Wy  σ кр

1 l 2

 8 176,8  83,18  0,33, кгс/см 6002

(27)

При собственной массе этого профиля 8,3 кг/м полезная равномерная нагрузка по условию устойчивости его стенки не должна превышать 24,7кг/м.

При усилении верхней полки профилей вкладышами МПЭЖ ее жесткость возрастает и предельная вертикальная нагрузка определяется из условия критических сжимающих напряжений в стенке

q  8 (Wy  Wy1 )  σкр

(28)

1 l 2

Где: Wy – момент сопротивления сэндвич-профиля (см табл.1); см3

Wу1 – момент сопротивления элемента жесткости (см. Wу табл.2); см3 Предельная вертикальная нагрузка в кг/м при пролете l= 6 м приведена в

таблице 13.

Таблица 13.

Прогиб полки профиля.

Прогиб полки профиля от собственного веса оконных блоков и установленных выше профилей проверяется по формуле

q b 4 1

f  1 

8 E Jx1

100 b

(29)

где q1 – равномерная нагрузка в кгс/м на верхнюю полку профиля при консольной расчетной схеме (рис. 3);

Jx1 – момент инерции продольного сечения полки на погонной длине 1,0 м; см4

b – ширина полки профиля; см

J x1

 100

12

(t 3

 t 3 )

(30)

где t1 – толщина вкладыша МП ЭЖ, см

t2 – толщина полок профиля, см.

Рисунок 3

Расчет соединений профилей.

Соединения профилей на самосверлящих самонарезающих винтах (саморезах) рассчитываются на смятие (срез), продавливание и выдергивание (отрыв).

Расчетное усилие на смятие Nсм которое может быть воспринято одним саморезом рекомендуется определять по формуле:

Nсм

 Rbр  γ b  d  Σt

(31)

Rbp – расчетное сопротивление смятию элементов, соединяемых болтами Rbp=4600

кгс/см2;

γb – коэффициент условий работы соединения γb=0,8

d – наружный диаметр стержня самореза, см

Σt – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении, см

Расчетное усилие на отрыв P, которое может быть воспринято одним саморезом, рекомендуется определять по формуле:

Pc  0,8  d t0 Rbp

где t0 – толщина более толстого из соединяемых профилей;

Rbp и d – то же, что и в формуле (30).

(32)

Количество винтов n в соединении при действии продольной силы N следует определять по формуле

n  N 0,8  Nmin

(33)

где Nmin – меньшее из значений расчетного усилия для одного винта, вычисленных по формулам 27-28.

При действии на соединение момента, вызывающего сдвиг соединяемых профилей, распределение усилия на саморезы следует принимать пропорционально расстоянию от центра тяжести соединения до рассматриваемого самореза.

Саморезы, работающие одновременно на срез и растяжение, следует проверять отдельно на срез и растяжение.

В расчетных креплениях одного профиля к другому через прокладки толщиной не более 30 мм, а также в креплениях с односторонней накладкой, количество саморезов должно быть увеличено на 15% по сравнению с расчетным.

Прочность соединений профилей с опорами при совместном действии среза и растяжения (отрыва) проверяется по формуле:

 P

  1

(34)

 P1 

где Nx и Ny – расчетные срезающие усилия на один крепежный элемент, направленные параллельно главным осям его поперечного сечения (т.е. расчетная ветровая нагрузка и вес облицовки соответственно), определяются по формулам 34- 35;

P – расчетное усилие на отрыв на один крепежный элемент;

N1  и P1 

– допускаемые усилия на один крепежный элемент при срезе и

растяжении, приведенные в таблицах 14 и 15.

Nx  Wо  a  b  k нер

(35)

N  Q  b

y l

(36)

Здесь Wo – расчетная ветровая нагрузка, кгс/м2 а – расстояние между саморезами по высоте, м b – расстояние между саморезами по ширине, м Q – вес облицовки, кгс

l – приведенная ширина, равная 1 м

Таблица 14. Расчетные усилия соединения профилей на выдергивание P1

Таблица 15. Расчетные усилия соединения профилей на срез (смятие) N1

Несущая способность профилей, усиленных элементами жесткости в составе кровельных конструкций (для пролетов 5 м и более).

Расчетные снеговые нагрузки для профилей МП СП-100, МП СП-150 с учетом элементов жесткости МП ЭЖ-100, МП ЭЖ-150 соответственно определялись для пролетов 6 и более метров по однопролетной схеме. Шаг элементов жесткости принимался равным: 600, 1200, 1800 мм (рис.5), т.е с установкой в каждый сэндвич- профиль (шаг 600 мм), в каждый второй (1200 мм) или в каждый третий (1800 мм).

Рисунок 5

Расчетная снеговая нагрузка определялась из условия прочности и из условия деформативности сечения.

Проверка прочности сечения определялась исходя из формулы:

σ  (L W

М

МПСП  W

МПЭЖ

)  Rу

, кгс/см 2

(37)

где L – шаг элемента жесткости

 q  l 2

М  – расчетное усилие, l – пролет сэндвич-профиля

8

 q  (  q р  q р )  L, кгс/м – расчетная погонная нагрузка (здесь  q р  суммарная

п сн п

постоянная нагрузка, складывающаяся из собственного веса профиля, веса ЭЖ,

теплоизоляции (ρ=20 кг/м3), кровельной облицовки (профнастил);

снеговая нагрузка)

р расчетная

WМПСП – момент сопротивления 1 метра ширины сэндвич-профиля (см. в табл.1 Wх

по оси 1-1);

WМПЭЖ – момент сопротивления элемента жесткости (см. в табл.2 Wх)

Ry= 2250 кгс/см2 – расчетное сопротивление стали 08ПС по пределу текучести.

Проверка деформации сечения определялась исходя из формулы:

5   qн  l 4

f 

384  Е  (L  JМПСП  JМПЭЖ ) 100

 l

200

,см

(38)

где L и l как для формулы (32)

JМПСП – момент инерции 1 метра ширины сэндвич-профиля (см. в табл.1 Jх по оси 1- 1);

JМПЭЖ – момент инерции элемента жесткости (см. в табл.2 Jх)

Допустимые снеговые нагрузки р для профилей МП СП-100, МП СП-150 с учетом

элементов жесткости МП ЭЖ-100, МП ЭЖ-150 для пролетов 5 м и более приведены в таблице 16.

Таблица 16.

Расчет элементов усиления МП ЭУ и их соединений с сэндвич- профилем и облицовкой.

При использовании сэндвич-профилей в стеновых конструкциях с вариантом утепления Север и Арктика применяется элемент усиления П-образной формы (МП ЭУ-145, МП ЭУ-195 или МП ЭУ-245), крепящийся к горизонтальной полке сэндвич- профиля МП СП при помощи самонарезающих винтов 4,2х16 мм. К колонне элементы усиления крепятся самонарезающими винтами 5,5х32 мм. Облицовка крепится к полке элемента усиления МП ЭУ при помощи самонарезающих винтов 4.8х28, а к полкам сэндвич-профиля МП СП между элементами усиления – при помощи специальных саморезов с упором 5.5хL (например, SDC2 производства SFS). Схема крепления представлена на рисунке 6. Саморезы с упором 5.5хL обеспечивают фиксированное расстояние 50 или 100 мм между сэндвич-профилем и облицовкой.

Рисунок 6. Схема установки саморезов в вариантах Север и Арктика.

Длина элементов усиления 3 м. При пролетах сэндвич-профиля более 3 м элементы усиления стыкуются при помощи саморезов 4,2х16 пластинами из оцинкованной стали толщиной 2 мм:

пластинами размером 30х200 мм – по полкам;

пластинами размером 140х200 мм – по стенке;

Рисунок Стыковка элементов усиления

Расчет элемента усиления производится:

на действие вертикальных нагрузок: вес облицовки, вес утеплителя и собственный вес элемента усиления;

на действие ветровой нагрузки, определяемой по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

Рисунок 8. Расчетная схема элемента усиления

Сбор нагрузки:

вертикальная нагрузка

qP  qобл  qЭУ  qтепл

qобл  Gобл  а, кгс/м

qЭУ

 GЭУ , кгс/м

qтепл  γтепл  δ  а, кгс/м

где Gобл – вес облицовки, кгс/м2;

Gэу – вес элемента усиления, кгс/м2; γтепл – объемный вес утеплителя, кг/м3;

δ – толщина утеплителя, м;

а – шаг элементов усиления, м

горизонтальная нагрузка

qw  W0  a1 k нер , кгс/м

где W0 – расчетная ветровая нагрузка, кгс/м2;

kнер – коэффициент неразрезности при передаче ветровой нагрузки с облицовки на элемент усиления по неразрезной схеме;

а1 – высота сэндвич-профиля – 0,6 м

Проверка прочности сечения элемента усиления производится по формуле:

σ  Мх

Wx

My

Wy

 Rу

, кгс/см2 (39)

где Мх и Му – моменты от вертикальной и горизонтальной нагрузок соответственно, кгс·см (определяются по расчетной схеме на рис.8);

Wx и Wу – суммарный момент сопротивления элемента усиления и сэндвич-профиля в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно, см3 (по табл. 1 и табл.16);

Таблица 17. Расчетные геометрические характеристики элемента усиления

Дополнительно требуется проверка элемента усиления на отгиб от действия вертикальной и горизонтальной нагрузок по следующей схеме:

Рисунок 9. Таблица 18. Значения коэффициентов для разных вариантов

Проверка прочности сечения элемента усиления МП ЭУ на краю горизонтальной полки сэндвич-профиля:

σ  Р1  е1  Р2  е2

ЭУ

 Rу , кгс/см2 (40)

Проверка прочности сечения сэндвич-профилей и элемента усиления МП ЭУ на пересечении горизонтальной полки со стенкой сэндвич-профилей:

σ  Р1  е3  Р3  е4  P4  е4

 Rу , кгс/см2 (41)

P1  qобл  в  Gобл  a  в,

WЭУ

кгс

 WСП  WСП

P2  qтепл  в  γтепл  δ1  a  в,

кгс

P3  qтепл 2  в  γтепл  δ2  a1  в,

кгс

P4  qэу  в,

кгс

t 2  в

WЭУ

 ЭУ 100, 6

см3

t 2  в

WЭУ

 ЭУ 100, 6

см3

t 2  в 3

WСП

 СП 100, см

6

Где: Р1 – нагрузка от веса облицовки с ширины 1 м, кгс

Р2 ; Р3 – нагрузка от веса утеплителя с ширины 1 м, кгс

Р4 – нагрузка от веса элемента усиления с ширины 1 м, кгс

γтепл – объемный вес утеплителя, кг/м3

δ1 – толщина утеплителя от облицовки до полки сэндвич-профиля, м

δ2 – толщина утеплителя внутри сэндвич-профиля, м

а – шаг элементов усиления, м

а1 – высота сэндвич-профиля, 0.6 м

в – приведенная ширина, равная 1 м

tЭУ – толщина металла элемента усиления, см

tСП – толщина металла сэндвич-профиля, см

Проверка прочности сечения элемента усиления МП ЭУ на краю горизонтальной полки сэндвич-профиля с учетом ветровой нагрузки:

Р1  е  Р1  е Q  е 2

σ  1 1 2 2  w 5  R

, кгс/см

P1  Р

С4 ,

3

кгс

Wэу с4

Wэу с4

(42)

1 1 в

P1  Р

С4 ,

в

кгс

Qw  Wо  С1  С4  k нер , кгс

t 2 С 3

Wэу с4

 ЭУ 4 100 , см

6

Где: Р 1 – нагрузка от веса облицовки с ширины С , кгс

1 4

Р 1 – нагрузка от веса утеплителя с ширины С , кгс

2 4

С1 – расстояние между саморезами крепления облицовки к полке сэндвич-профиля по высоте (саморезы с упором 5.5хL), м

С4 – расстояние между саморезами 4.8х28 крепления облицовки к элементу усиления, м

в – приведенная ширина, равная 1 м

Qw – ветровая нагрузка на саморез, кгс

kнер – коэффициент неразрезности при передаче ветровой нагрузки с облицовки на элемент усиления по неразрезной схеме

kнер=1,0 – однопролетная схема kнер=1,25 – двухпролетная схема kнер=1,1 – трехпролетная схема kнер=1,143 – четырехпролетная схема

Проверка элемента усиления на прогиб вычисляется от веса облицовки и утеплителя по формуле:

f  Р1  е3  Р3  е4 δ 2 

3  E  JЭУх1

1 δ , кгс/см2

20

(43)

J  100 (t 3  2t 3

) , см4

ЭУх1 12 эу сп

Где: Р1 – нагрузка от веса облицовки с ширины 1 м, кгс

Р3 – нагрузка от веса утеплителя с ширины 1 м, кгс

Е =2,1*106 кгс/см2 – модуль упругости стали,

tэу- толщина стали элемента усиления, см

tсп – толщина стали сэндвич-профиля, см

δ – ширина горизонтальной полки элемента усиления, см

Количество (шаг) саморезов с упором 5,5xL проверяется сравнением расчетной ветровой нагрузки, приходящейся на один саморез, с несущей способностью самореза.

Qw  Wо  С1  С  k нер

Qw  γс

n1

 Nсм , кгс (44)

Где: n1 – количество саморезов, шт.

γс=1,2 – коэффициент условия работы на соединение

С и С1– расстояние между саморезами с упором 5,5хL по ширине и по высоте соответственно, м

kнер – то же, что и в формуле (41);

Nсм – смятие металла облицовки, кгс

Смятие металла облицовки определяется по формуле:

N см  Rbр  γ b  d  Σt  101

кгс

Здесь: Rbp =4600 кгс/см2 – расчетное сопротивление смятию элементов, соединяемых болтами;

γb =0,8 – коэффициент условий работы соединения;

d=0,55 см – наружный диаметр стержня болта;

Σt = tобл= 0,05 см – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.

Количество (шаг) саморезов 4,8х28 для крепления облицовки к элементу усиления проверяется сравнением расчетной ветровой нагрузки или веса облицовки, приходящейся на один саморез, с несущей способностью самореза.

Q  γ Р1  γ

Qw  Wо  С4  С1  k нер

w с

n2

 Nсм

или

1 с

n2

 Nсм

, кгс

(45)

P1  Р

С

4 , кгс

1 1 в

Где: n2 – количество саморезов, шт.

Р 1 – нагрузка от веса облицовки с ширины С , кгс

1 4

С1 – расстояние между саморезами с упором 5,5хL, м

С4 – расстояние между саморезами 4,8х28, м

в – приведенная ширина, равная 1 м

Смятие металла облицовки:

N см  Rbр  γ b  d  Σt  88 , кгс

Здесь наружный диаметр стержня болта d=0,48 см.

Количество (шаг) саморезов 4,2х16 для скрепления горизонтальных полок сэндвич-профилей МП СП и крепления к ним элемента усиления проверяется сравнением расчетной ветровой нагрузки, приходящейся на один саморез, с несущей способностью самореза.

Qw  Wо  а1 С2  k нер

Qw  γс

n3

 Nсм

, кгс

(46)

Где: n3 – количество саморезов, шт.

С2 – расстояние между саморезами 4,2х16 скрепления горизонтальных полок сэндвич-профилей, м

а1 – высота сэндвич-профиля, 0,6 м

Смятие металла полок сэндвич-профиля или элемента усиления

Nсм=216 кгс – для tСП=0,7 мм, Nсм=247 кгс – для tСП=0,8 мм, Nсм=310 кгс – для tСП=1,0 мм.

Здесь наружный диаметр стержня болта d=0,42 см, а наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении t  2  tсп

Количество (шаг) саморезов 5,5х32 для крепления стенки сэндвич- профиля и элемента усиления к колонне проверяется сравнением опорной реакции от расчетной ветровой нагрузки с несущей способностью самореза.

Qw  Wо

С3

L  k 2

нер

Qw  γс

n4

 Nсм

, кгс

(47)

Где: n4 – количество саморезов, шт.

С3 – расстояние между саморезами 5,5х32 для крепления стенки сэндвич-профиля и элемента усиления к колонне, м

L – пролет сэндвич-профиля (расстояние между колоннами), м

Смятие металла полок сэндвич-профиля или элемента усиления:

Nсм=141 кгс – для tСП=0,7 мм, Nсм=162 кгс – для tСП=0,8 мм, Nсм=202 кгс – для tСП=1,0 мм, Nсм=405 кгс – для tЭУ=2,0 мм.

Здесь наружный диаметр стержня болта d=0,55 см

Схема крепления облицовки показана на рис.10 Рекомендуемый максимальный шаг установки элементов усиления и саморезов при пролете сэндвич-профиля 6 метров приведен в таблицах 19, 20.

Рисунок 10. Установка элементов усиления при креплении облицовки к полкам сэндвич-профиля

4,8х 28

4,2 х16

5,5 х L

4,2 х 16

5,5 х L

4,2х 16

5,5 х L

4,8х 28

4,2 х16

5,5 х L

4,8х 28

4,8 х28

а) при креплении облицовки к полкам сэндвич-профиля б) при креплении облицовки к вертикальным направляющим

Таблица 19. Максимальный шаг элементов усиления и саморезов при креплении облицовки к полкам сэндвич-профиля при пролете 6 метров

Допускаемая расчетная ветровая нагрузка получена из условия прогиба сечения профиля МП СП.

Таблица 20. Максимальный шаг элементов усиления и саморезов при креплении облицовки к вертикальным направляющим при пролете 6 метров

Допускаемая расчетная ветровая нагрузка получена из условия прогиба сечения профиля МП СП.

4. Примеры расчетов.

Расчет стеновой конструкции из СП ПС с облицовкой профлистом.

Исходные данные:

Район строительства – Москва

Высота здания – 20 м

Ветровой район – I, тип местности В, (Wо =23 кгс/м2)

Гололедный район – II

Здание прямоугольное в плане

Вариант утепления – Юг

Сбор нагрузки.

а) расчетная постоянная нагрузка – вес конструкции:

qn  Σqр  h 19,760,595 11,76 кгс/м б) Временная нагрузка – ветровая.

На отметке 20 м для I-го ветрового района по табл.6 настоящих рекомендаций:

активный ветер Wm+ = 53,1 кгс/м2

реактивный ветер (отсос) для центральной части здания Wm- = 58,4 кгс/м2

реактивный ветер (отсос) для угловой части здания Wm- = 106 кгс/м2

Определяем величину пролета (шаг опор). Для этого по графику несущей способности профиля МП СП-150х595-0,8 подбираем пролет, для которого посчитанная нагрузка не будет превышать допустимого расчетного значения. Однопролетная схема с шагом колонн 6 метров удовлетворяет этому условию (134 кгс/м2>106 кгс/м2). Принимаем шаг колонн – 6 метров.

Проверка устойчивости сэндвич-профилей на опоре не требуется, т.к. схема однопролетная.

Расчет стенки профиля на устойчивость (пункт 3.5 настоящих рекомендаций): Критическое напряжение в стенке, рассчитанное по формуле (26) для МП CП- 150х595 из стали толщиной t=0,8 мм

1 π 2  E  t

σ 

 3,142  2,1 106 

 

0,8

  53,28 кгс/см2.

кр 3 1  ν 2  0,5h 

3 1  0,25 2 

 297,5 

Максимальная равномерная нагрузка на верхнюю полку профиля МП CП-150х595 – 0,8 в соответствии с формулой (27) при пролете l= 6 м не должна превышать

q  8 Wy  σ кр

1 l 2

 8 137,5  53,28  0,16 кгс/см

6002

или 16 кгс/м.

qn  Σqр  h 19,760,595 11,76 16 кгс/м, что удовлетворяет расчету на устойчивость.

Прогиб полки профиля от собственного веса и установленных выше профилей проверяется по формуле (29) (пункт 3.6 настоящих рекомендаций)

f2 

q b 4

8 E J x1

 1 b

100

Jx1

 b (2t 3 )  100  2  0,08 3  0,0085, см 4

12 12

f2 

11,76 154

8  2,1 106  0,0085 100

 0,042 см  0,15 см

где q1 – равномерная нагрузка в кгс/м на верхнюю полку профиля при консольной расчетной схеме (q1=qп=11,76 кгс/м);

Jx1 – момент инерции продольного сечения 2-ух полок сэндвич-профиля на погонной длине 1,0 м (по формуле (29).

b – ширина полки профиля, см

t – толщина металла МП СП, см

Вывод: прогиб полки удовлетворяет расчету.

Сбор нагрузок на кровельные СП ПС и определение шага прогонов.

Исходные данные:

Район строительства – Москва;

Высота здания – 10м;

Кровля двухскатная с уклоном 20о;

Ветровой район – I, тип местности В, (Wо =23 кгс/м2);

Снеговой район – III (S =180 кгс/м2);

Кровельное покрытие – МП СП-150х595-0,8 с облицовкой профлистом НС- 35х1000-0,5 (рис. 11);

Рисунок 11. Состав кровли

Профнастил НС -35

Крепежный профиль шляпный КПШ -50

Терморазделяющая полоса

Гидроветрозащитная мембрана TYVEK

Утеплитель ISOVER Каркас П-37 Сэндвич-профиль МП СП Кровельный прогон

Сбор нагрузки на профлист НС-35х1000-0,5

а) постоянная нагрузка:

qn  Gпл γf

 4,6 1,05  4,83 кгс/м

где Gпл – масса п. метра профлиста НС-35х1000-0,5;

γf – коэффициент надежности по нагрузке.

Пример расчета стеновой конструкции из СП ПС с облицовкой керамогранитной плиткой.

Исходные данные:

Район строительства – г. Москва;

Высота здания 15 м;

Ветровой район – I, тип местности В, (Wо =23 кгс/м2)

Гололедный район – II;

Облицовка керамогранитная плитка 600х600мм, t=10мм;

Вертикальная направляющая КПШ-90х20 с шагом 600 мм (0,6 м);

Утеплитель – минераловатная плита ρ=17кг/м3 толщиной 150 мм;

Несущий профиль МП СП-150х595-0,8;

Шаг колонн – 6м

Два окна в пролете с размерами 1,8(h)х1,5м

Рисунок 12. Расчетная схема

q3

Р Р

q2 q2

q1

Сбор нагрузки на сэндвич-профиль, находящийся под окнами.

а) постоянная нагрузка:

Суммарная постоянная нагрузка (см. расчетную схему рис.12):

q  q р

СП

р утеп

р кер

р напр

 0,6  h  11,87  3,06  27,5  0,97  0,6  26,04 кгс/м

р

2 окн

h1

 72 1,8  129,6 кгс/м

q  q р

СП

р утеп

р кер

р напр

 0,6  h

 11,87  3,06  27,5  0,97 1,8  78,12 кгс

Р  q р

СП

р утеп

р кер

р напр

 0,6  h

 а1  11,87  3,06  27,5  0,97 1,8  0,75  58,59 кгс

б) кратковременная нагрузка:

Ветер реактивный:

По табл.5 настоящих рекомендаций для I-го ветрового района местности типа В на высоте 15 м для центральной части здания qw=53,5 кгс/м2.

qw1  qw  h  53,5  0,6  32,1 кгс/м

P  q  h1   a1  a2   53,5  1,8  0,75  1,5   54,17 кгс

w w 2  2 2  2  2 2 

qw2

 qw

h1

2

 53,5  1,8

2

 48,15 кгс

Усилие в сэндвич-профиле:

а) постоянные нагрузки:

q  l  1 l  P  a  q

a  (a

1 a

)  q

a  (a  a

 1 a )

Qп  2

1 1 2 2

1 2 2

l

3 3 1

2 2 3 

q2  a4



 (a1

a2

a3

1 a

2 4

)  P1

 (a1

a2

a3

 a4 )



l

 26,04  62  0,5  58,59  0,75  129,6 1,5 1,5  78,12 1,5  3 

6

 129,6 1,5  4,5  58,59  5,25  389,7 кгс

6

М  Q

1 l  q

 1 l  1 l  P  a  q

a  (a

1 a

)  q

1 a

 (a  a

 1 a ) 

п п 2

1 2 4

1 1 2 2

1 2 2

3 2 3 1

2 2 3

 389,7  3  26,04  4,5  58,59  0,75 129,6 1,5 1,5  78,12  0,75  3  540,61 кгс  м

б) кратковременные нагрузки:

Qw 

qw1

l  1 l  Р

2 w

а1

qw2

 a3

 (а1

а2

l

1 a

2 3

)  Рw

 (a1

a2

a3

 a4 )



 32,1 18  54,17  0,75  48,15 1,5  3  54,17  5,25  186,58 кгс

6

М  Q  1 l  q

 1 l  1 l  Р

 а  q  1 a  (a  a

 1 a ) 

w w 2

w1 2 4

w 1 w2 2 3 1

2 2 3

 186,58  3  32,1  4,5  54,17  0,75  48,15  0,75  3  266,325 кгс  м

Геометрические характеристики профиля МП СП-150х595-0,8 в соответствии с данными таблицы.1:

Jx=298,5 cм4; Wx=28,6 cм3 Jу=6040 cм4; Wx=137,5 cм3

В пересчете на высоту профиля (0,595 м):

Jxh

 Jx

 hСП

 298,5  0,595  178 см 4

Wxh

 Wx

 hСП

 28,6  0,595  17 см 3

Jyh

 Jy

 hСП

 6040  0,595  3594 см 4

Wyh

 Wy

 hСП

 137,5  0,595  81,8 см 3

Проверка прочности профиля.

σ  Мп

Мw

 540,61 100  266,325 100  2227,5 кгс/см2  2250 кгс/см2

Wуh

Wхh

81,8

17,0

Здесь 2250 кгс/см2 – Ry расчетное сопротивление стали.

Проверка прогиба профиля

в вертикальной плоскости от действия постоянных нагрузок:

1 M  l 2

540,61100 6002

600

f п 

 0,18 см 

 3 cм

10 E  Jyh  kн

10  2,1 106  3594 1,4

200

в горизонтальной плоскости от действия кратковременных нагрузок:

1 M  l 2

266,325 100  6002

600

f w 

 1,8 см 

 3 cм

10 E  Jyh  kн

10  2,1 106 178 1,4

200

Здесь kн=1,4 коэффициент надежности при пересчете расчетной нагрузки на нормативную.

Проверка отгиба полки профиля от действия постоянных нагрузок под окном на ширине 1 метр проверяется в соответствии с п. 3.3 настоящих рекомендаций:

q  b4

f 

8  E  Jx1

 1 b ;

100

Где:

1 b 100

– допускаемый прогиб полки;

b – ширина полки профиля;

Е – модуль упругости;

Jx1 – момент инерции продольного сечения полки на погонный метр

Jx1 

100

12

3 100  0,083

СП 12

 0,0043 см4

tСП – толщина полки профиля, см

qн  h

 b4

0,01  60 1,8 154 15

f  окн окн 

8  E  Jx1

8  2,1 106  0,0043

 0,75 см 

100

 0,15 см

Следовательно требуется усиление профиля элементом жесткости МП ЭЖ. Тогда момент инерции полки профиля с учетом МП ЭЖ:

100 3 3 100 (0,083  0,23 ) 4

Jx1 

12 (tСП  tЭЖ )  12

 0,07 см

Отгиб полок сэндвич-профиля и элемента жесткости:

qн  h

 b4

0,01  60 1,8 154 15

f  окн окн 

8  E  Jx1

8  2,1 106  0,07

 0,046 см 

100

 0,15 см

Вывод: сечение сэндвич-профиля с усилением верхней полки жестким элементом соответствует проверкам по прочности, деформациям и отгибу полки.