автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическая оценка надежности трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем из минеральной ваты на основе базальтового волокна

На правах рукописи

00501/и»'

ИЛЬДИЯРОВ Евгений Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО - ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ТРЕХСЛОЙНЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ С ОРТОТРОПНЫМ СРЕДНИМ СЛОЕМ ИЗ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О МАЙ 2Ш

Москва - 2012

005017097

Работа выполнена на кафедре «Металлические и деревянные конструкции» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, советник РААСН Холопов Игорь Серафимович

Официальные оппоненты:

- Ольков Яков Иванович, доктор технических наук, профессор, академик РААСН, Московский государственный университет путей сообщения, профессор кафедры Строительные конструкции, здания и сооружения

- Соловьев Дмитрий Валерьевич, кандидат технических наук, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко - ОАО « НИЦ « Строительство», заместитель директора по научной работе

Ведущая организация - ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова», г. Москва

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 13-30 часов на заседании диссертационного совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом Акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» по адресу: 109428, Москва, ул. 2-я Институтская, д.6 (корпус 5, конференц-зал НИИЖБ им. A.A. Гвоздева).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИЦ «Строительство». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО « НИЦ «Строительство». http:/www.cstroy.ru

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью организации, просим направить по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6, ОАО «НИЦ «Строительство», отдел подготовки кадров Зикееву Л.Н. Тел/факс: 8(499)170-68-18. E-mail: zikeev@cstroy.ru.

Автореферат разослан «24» апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Зикеев Леонид Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Трехслойные кровельные панели с минераловатным средним слоем нашли в настоящее время широкое применение в строительстве. Этому способствуют высокие теплотехнические и звукоизоляционные качества, быстрый и простой монтаж, низкие затраты на капитальное строительство. Применение в качестве среднего слоя минераловатного утеплителя на основе базальтового волокна обеспечивает несгораемость панели и экологическую безопасность при пожаре, сохраняя в течение необходимого времени целостность.

Несмотря на богатый опыт использования таких панелей за рубежом, их эксплуатация в российских условиях отличается рядом особенностей. Прежде всего, это значительные снеговые нагрузки, действующие в течение длительного времени в зимний период и повторяющиеся многократно за время эксплуатации. Развитие производства трехслойных панелей привело к необходимости использовать утеплители из базальтовой ваты, клеи и оцинкованные стальные обшивки, произведенные в России. Свойства этих материалов отличаются от зарубежных аналогов, что влияет на напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций.

Для обеспечения безопасной эксплуатации кровельных панелей необходимо выполнить экспериментальные и теоретические исследования их поведения и напряженно-деформированного состояния в условиях действия нагрузок, соответствующих отечественным нормам и с учетом особенностей производства. Требуется также разработать достаточно простую, предназначенную для широкого использования, инженерную методику расчета и проектирования, учитывающую особенности их работы в реальных условиях эксплуатации. Такие исследования необходимы для обеспечения надежной эксплуатации трехслойных кровельных панелей и, по мнению автора, являются актуальными.

Цель работы: экспериментальные и теоретические исследования напряженно-деформированного состояния трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем из базальтовой минеральной ваты с различными по профилю металлическими обшивками и последующей разработкой методики их расчета, позволяющей обеспечить надежную эксплуатацию конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Выполнить экспериментальные исследования физико-механических свойств металлических обшивок и среднего слоя из минераловатных плит на основе базальтового волокна.

2. Выполнить экспериментальные исследования фрагментов трехслойных панелей с ортотропным средним слоем из базальтовой минеральной ваты для определения механических и деформационных характеристик материалов при их работе на растяжение и сдвиг в составе панели.

3. Выполнить экспериментально-теоретические исследования для определения закономерностей развития напряженно-деформированного состояния (НДС) трехслойных кровельных панелей при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме.

4. Разработать расчетные модели и методики расчета трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем различной толщины при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме с основе метода конечных элементов (МКЭ) с использованием ВК АШУБ. Анализ результатов расчетов по разработанной методике и сравнение с экспериментальными данными.

5. Выполнить теоретические исследования устойчивости гофра панели с использованием МКЭ и аналитических решений.

6. Выполнить экспериментальные и теоретические исследования крепления кровельных панелей самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок.

7. Разработать инженерную методику расчета трехслойных кровельных панелей с сильно профилированной верхней обшивкой при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме.

8. С использованием кинетической теории прочности разработать методику определения долговечности для трехслойных панелей с использованием полиуретановых клеев.

9. Разработать практические рекомендации по рациональному выбору кровельных панелей со средним слоем из базальтовой минеральной ваты при проектировании.

Научная новизна

1. В трехслойных панелях экспериментально определены физико-механические свойства материала металлических обшивок и среднего слоя из минераловатных плит на основе базальтового волокна. Установлены новые деформационные характеристики, указывающие, что средний слой является маложестким и обладает ярко выраженными ортотропными свойствами.

2. При исследовании фрагментов трехслойных панелей с ортотропным средним слоем из базальтовой минеральной ваты получены новые экспериментальные данные о механических и деформационных характеристиках материалов при их работе в составе панели на растяжение, сжатие и сдвиг. Определено время стабилизации деформаций в зависимости от уровня

нагружения. Установлено, что критерием разрушения минеральной ваты, в отличие от пенопласта, является не предельная относительная деформация среднего слоя, а начало расслоения волокон ваты при обжатии.

3. На основе экспериментально-теоретических исследований выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) трехслойных кровельных панелей при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме и определены границы линейной стадии работы. Установлено, что критерием исчерпания несущей способности панели при изгибе является развитие существенных сдвиговых деформаций, сопровождающихся обжатием и расслоением среднего слоя в опорной зоне и образованием пластического шарнира в нижней обшивке.

4. Разработана расчетная модель и методика расчета трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем различной толщины при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме с использованием метода конечных элементов по программе ВК А^УБ. Расчеты по разработанной методике обеспечивают совпадение результатов с экспериментальными данными в пределах до 10%, что указывает на надежность предложенной методики при расчете и проектировании панелей с различными характеристиками компонентов.

5. Теоретические исследования на основании МКЭ и аналитических методик по анализу устойчивости гофра показали, что в кровельных панелях в гофрах верхней обшивки шириной до 30 мм и высотой до 40 мм при толщинах обшивки 0,6-0.7 мм при нагрузке, соответствующей линейной работе, потери устойчивости гофра не наступает. Испытания панелей подтверждают этот факт.

6. Экспериментальные и теоретические исследования крепления кровельных панелей самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок показали возможность разрушения гофров в зоне крепления винта. Предложен способ усиления крепления и методика его расчета.

7. Разработана инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с сильно профилированной верхней обшивкой при изгибе. В отличие от Европейских норм предложенная методика позволяет рассчитывать кровельные панели не только для однопролетной, но и для многопролетных схем. Результаты расчета по предлагаемой методике достаточно близко (до 10%) совпадают с экспериментальными данными и с данными расчета по европейским нормам для однопролетных схем.

8. На основе кинетической теории прочности для трехслойных панелей с использованием полиуретановых клеев предложена методика определения

долговечности панелей при флуктуации напряжений в обшивках и клее в условиях воздействия температур различного уровня.

Методы исследования

При выполнении работы использовались следующие методы:

1. Экспериментальные исследования прочностных и деформационных характеристик материалов (утеплителя, обшивок) и конструкции панелей при различных схемах нагружения и опирания с использованием современной измерительной техники на базе ЭВМ.

2. Сравнение результатов экспериментов с результатами, полученными другими исследователями.

3. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния с использованием современных вычислительных комплексов (ANSYS, LIRA), основанных на методе конечных элементов.

4. Сравнение результатов теоретического анализа НДС панелей с данными, полученными при экспериментальных исследованиях.

5. Использование аналитических решений и МКЭ для анализа устойчивости гофров.

6. Использование теории кинетической прочности при анализе долговечности панелей.

Достоверность результатов

Достоверность данных, полученных в экспериментальных исследованиях, обеспечена применением научно-обоснованных методик, использованием современной измерительной техники и сертифицированного оборудования, статистической обработкой и сравнением их с результатами, полученными другими авторами. Достоверность теоретических исследований обеспечивается использованием современных вычислительных методов строительной механики и сравнения с результатами аналитических решений, полученных различными авторами, сравнением с методикой Еврокода, а также совпадением до 10% с результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований

1. Выполненные экспериментальные исследования материалов трехслойных панелей позволили получить новую информацию об их прочностных и жесткостных характеристиках и установить ортотропность среднего слоя. Эти данные следует использовать при проектировании и расчете панелей.

2. Экспериментальные и теоретические исследования трехслойных кровельных панелей позволили установить закономерности развития НДС при изгибе, на основе чего определены границы надежной работы и создана

методика расчета панелей при проектировании. Разработаны рекомендации в виде графиков и таблиц для выбора рациональных параметров, обеспечивающих несущую способность кровельных панелей в зависимости от шага прогонов и величины нагрузки, предназначенные для практического использования при проектировании.

3. Разработана методика расчета крепления кровельных панелей самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок. Предложен способ усиления крепления и методика его расчета.

4. Разработана методика расчета кровельных панелей с применением МКЭ, позволяющая определять НДС при любых пролетах и условиях опирания и обеспечивающая надежность проектирования при любых вариантах нагружения, количестве пролетов и геометрической схемы конструкции.

5. Предложена инженерная методика расчета трехслойных панелей при изгибе по однопролетной и многопролетной схемам, сокращающая время проектирования при обеспечении надежности.

6. Разработанная на основании теории кинетической прочности методика определения времени старения клеевого слоя панели может использоваться для прогнозирования долговечности эксплуатации панелей в различных климатических зонах.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности образцов минераловатной плиты, фрагментов трехслойной панели (общее количество испытаний в сериях составило 72 шт).

2. Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности трехслойных кровельных панелей на изгиб (общее количество испытанных панелей составило 22 шт).

3. Результаты моделирования работы трехслойной кровельной панели с ортотропным средним слоем на изгиб при различных схемах работы в программных расчетных комплексах.

4. Результаты экспериментально-теоретических исследований крепления кровельной панели самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок.

5. Инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем и профилированной верхней обшивкой при изгибе по однопролетной и двухпролетной схемам работы.

6. Результаты определения долговечности панелей на основе кинетической теории прочности.

Внедрение результатов работы.

Результаты исследований, графики и таблицы несущей способностей и методики расчета используются проектными и производственными организациями (ООО «Термостепс-МТЛ», ЗАО «Электрощит «Стройиндустрия», ООО «Нефтехимпроект» и др.), а также в учебном процессе Самарского архитектурно-строительного университета, что подтверждено актами о внедрении.

Публикации и апробация работы.

Основные результаты содержания диссертационной работы нашли отражение в тридцати двух публикациях в отечественных и международных изданиях, в том числе в шести статьях - в издании, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией РФ и одна - в рекомендованной ВАК Украины. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях в городах Омске, Новосибирске, Одессе, Самаре.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы (107 наименований), включает 37 таблиц, 155 рисунков. Основное содержание диссертации изложено на 168 страницах машинописного текста.

Личный вклад автора состоит в следующем:

• в постановке задач и их решении, разработке экспериментальных стендов и установок, обработке и интерпретации экспериментальных данных,

• в разработке и проведении экспериментальных исследований по определению физико-механических свойств минераловатной плиты и образцов панели,

• организация и проведение экспериментальных испытаний трехслойных кровельных панелей на изгиб,

• разработка математических моделей в программных комплексах и анализ результатов расчетов с их использованием,

• разработка инженерной методики расчета трехслойных панелей с ортотропным средним слоем и сильно гофрированной обшивкой.

Автор выражает большую признательность и благодарит к.т.н, проф. Мосесова М.Д. за ценные советы и помощь в подготовке и выполнении экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи исследования.

В первой главе представлен обзор существующих технических решений трехслойных конструкций. Дана их краткая характеристика и примеры использования, отмечены достоинства и недостатки. В нашей стране разработкой трехслойных панелей с металлическими обшивками в основном занимались две организации - ЦНИИПСК им. Мельникова и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.

В первой главе также рассмотрены основы расчета трехслойных панелей. В СССР исследованием несущей способности и деформативности трехслойных конструкций покрытий занимались следующие организации: ЦНИИПСК, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИпром зданий, НИИСФ, ВНИИстройполимер, ГСПИ Министерства связи СССР, НИИМосстрой, ЦНИЭП жилища, Проектстальконструкция, Уральский политехнический институт им. С.М. Кирова и другие.

Общая теория расчета трехслойных пластин и оболочек с конструкционным средним слоем представлена в трудах Л.Э. Брюккера,

A.П. Прусакова, С.Б. Губенко, A.C. Вольмира, Э.И. Григолюка, П.П. Чулкова, С.А. Амбарцумяна, Ф.В. Расса, Х.М. Муштари, К. Штамма и Х.Витте. Исследование изгиба трехслойных панелей с гофрированными обшивками для различных условий отражено в работах P.M. Новикова. Следует отметить работы В.М. Бобряшова, В.Е. Батрака, В.А. Телегина, Ю.А. Муравьева, Я.И. Олькова, Ю.Э. Сеницкого, В.М. Бондаренко, В.И. Колчунова, В.Г. Попова,

B.А. Телегина, H.A. Алфутова, П.А. Зиновьева, Б.Г. Попова, М.Д. Бровченко, В.Ф. Беляева, Ф.Ф. Тамплона..

Как показал анализ основных результатов исследований трехслойных конструкций, основное внимание ранее уделялось расчету трехслойных панелей с утеплителем типа пенопласта и пенополиуретана. По сравнению с ними минераловатный средний слой в конструкции панели имеет ярко выраженную ортотропную структуру и его поведение в панели недостаточно изучено.

В конце первой главы сформулированы цель и задачи предстоящего исследования.

Во второй главе изложены методики и приведены результаты экспериментальных исследований прочностных и деформационных свойств материала обшивок и минераловатного утеплителя.

В разделе 2.1 приведен анализ работы материала обшивок, определены физико-механические характеристики стали на растяжение. Для обшивок

кровельных панелей отечественные производители применяют сталь ВСт 3 пс и 08ПС по ГОСТ 14918-80. Предел линейной работы стали по результатам испытаний составил 300 МПа, а временное сопротивление разрыву - 340 МПа, при относительном удлинении материала обшивок 8=24,2%. При рассмотрении диаграммы работы стали на растяжение (ст - е) отмечено отсутствие площадки текучести. Модуль упругости по данным эксперимента составил величину Е=2,08-105 МПа.

В разделе 2.3 описаны методики и результаты испытаний минераловатного утеплителя на сжатие [х, у, т. (г-вдоль волокон)]. Для определения механических характеристик минераловатного утеплителя разработана установка, позволяющая обеспечить равномерное по площади нагружение образца и достаточное время выдержки. Предложена методика испытаний на сжатие. По результатам испытаний утеплителя на сжатие установлены механические характеристики в трех направлениях: сг2>тах > сту,тах > стх_тах (60 кПа > 28 кПа > 20 кПа). Эти характеристики показывают, что данный материал имеет сильно выраженные ортотропные свойства. При сжатии утеплителя вдоль осей х и у уровень деформаций при одинаковом напряжении очень близок, поэтому можно считать свойства вдоль этих осей примерно одинаковыми. При сжатии вдоль оси г прочностные свойства образца выше по сравнению с прочностными свойствами в других направлениях, поэтому для более полного использования свойств материала утеплителя выгоднее всего ориентировать его в панели волокнами нормально к обшивкам. Критерием разрушения минеральной ваты следует считать не 10% сжатие по высоте, как в пенопласте, а неспособность материала сопротивляться внешнему воздействию с последующим расслоением. Как показали результаты экспериментальных исследований, данный материал при сжатии вдоль волокон утеплителя расслаивается при деформации образца 57%, а при сжатии поперек волокон образец перестает воспринимать усилия при относительной деформации около 30%.

В разделе 2.3 описано экспериментальное определение модуля деформации минеральной ваты на «чистый» изгиб. Испытывались ламели минераловатной плиты, из которых формируют средний слой панели. Ориентация волокон была вертикальной, аналогично ориентации утеплителя в панели. Испытания показали, что значение модуля деформации на изгиб в пределах линейной работы для разных образцов составил от 5,5 до 6 МПа.

В разделах 2.2 и 2.4 разработаны методики и представлены результаты испытаний на сдвиг утеплителя отдельно и в составе панели. Касательные напряжения, соответствующие разрушению, зависят от того, насколько однородно по всей площади образец пропитан клеем. Если образец пропитан на

5-8 мм, то ткр=40н-45 кПа, если 2-5 мм, то ткр=25^35 кПа. При этом различен характер работы образца под нагрузкой. При хорошей склейке диаграмма работы образца практически линейна, при малой пропитке минеральной ваты клеем работа нелинейна (характерно для элемента панели). Рекомендовано для выполнения расчетов выбрать наиболее неблагоприятное сочетание и пределом касательных напряжений принять 25 кПа.

По результатам проведенных испытаний минеральной ваты был установлен характер ее деформирования во времени под нагрузкой. Так, при напряжениях до 10 кПа время стабилизации деформаций составляет 1- 5 мин, при напряжениях 10-50 кПа - 10-30 мин, при напряжениях свыше 50 кПа - 30120 минут. Кроме того, для утеплителя характерно упругое последействие, которое выражается в восстановлении первоначальных образцов после разрушения. Однако при последующем нагружении образца его прочностные свойства в 3-5 раз меньше, чем при однократном нагружении.

На основе проведенных экспериментов для выполнения расчетов принимались физико-механические характеристики, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики принятые для расчетов

Стальные обшивки Минераловатный утеплитель

Показатель Ед. изм. Значение Показатель Ед. изм. Значение

Е МПа 2,08 е5 р ^ г уг, сж МПа 1,9

в МПа 0,78 е5 Р ^ ут. МПа 5,5

V 0,3 ^ ху эп. МПа 1,8

К-У МПа 270 [(Т2 уТ) сж] кПа 50

е % 20 [СТут. изгиб] кПа 50

[Тху эп. ] кПа 25

Третья глава диссертации посвящена экспериментально- теоретическим исследованиям трехслойных кровельных панелей. Для проведения испытаний была разработана и изготовлена специальная установка, с пневматическим нагружением, позволяющая создавать равномерно-распределенную нагрузку на конструкцию, контролировать величину нагрузки и моделировать различный шаг и величину пролетов, а также разместить комплекс измерительной аппаратуры (рисунок 1).

Иш77*

КшЭ

Рисунок 1 - Схема нагрузочного устройства

Панель иепытывалась перевернутой, и нагрузка прикладывалась снизу. Это позволило упростить конструкцию испытательного стенда и исключить влияние собственного веса на напряженно-деформированное состояние исследуемой конструкции.

Панель состоит из трех слоев с различными прочностными показателями. Первый слой, гофрированный, представляет собой конструктивно ортотропную пластину, способную воспринимать изгибные усилия. Второй слой - утеплитель,

с очень малым модулем 250 250 250 „ 250 rso $ деформации по сравнению с

обшивками (в 35 ООО раз меньше), но имеющий значительную толщину. Третий слой, слабо профилированный лист толщиной 0,5-0,6 мм, Рисунок 2 - Сечение панели воспринимает только

растяжение. Помимо этого средний слой состоит из отдельных ламелей минеральной ваты с вертикально ориентированными волокнами (рисунок 2).

Для определения наиболее нагруженных элементов конструкции, были проведены предварительные расчеты в программном комплексе «Лира-9.2». Разработана расчетная модели трехслойной панели с изотропным утеплителем. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние панели при различных схемах, параметрах гофра и толщине утеплителя. Для однопролетной панели пролетом 3 толщиной утеплителя 150 мм и высотой гофра 32 мм, выполненный расчет показал, что наиболее нагруженными являются слои утеплителя, примыкающие к плоской обшивке. Наибольшие напряжения в утеплителе возникают у опор, от сжатия ст2 = - 21 кПа. В пролете напряжения не превышают 0,3 кПа. В месте разрезки утеплителя на ламели отмечен скачок напряжения до 0,9 кПа. Однако это проявляется локально (в пределах стыка ламелей), и этот

скачок не оказывает влияния на несущую способность панели, поскольку значительно меньше, чем напряжения в приопорных участках, равные 20 кПа. Касательные напряжения у опор достигают xyz = 9,5 кПа и соответствуют эпюре поперечных сил. Разрезка утеплителя не сказывается на работе конструкции при рассмотрении касательных напряжений. Прогиб конструкции в середине пролета составляет 4,93 мм. При пролете 3 м относительный прогиб конструкции 1/600. По второму предельному состоянию при нагрузке 0,98 кПа конструкция имеет значительный запас по прогибам.

Сравнение расчетных напряжений в элементах панели с экспериментальными данными показало, что наиболее близкими к предельным являются значения напряжений сжатия и сдвига в утеплителе.

Особый интерес представляет исследование работы по двухпролетной схеме, так как при двухпролетной схеме по сравнению с трехпролетной, усилия на промежуточной опоре больше. В середине пролета внешний момент воспринимается обеими обшивками (верхняя сжата, нижняя растянута). От действия поперечной силы на средней опоре утеплитель сжимается, а нижняя обшивка, из-за малой изгибной жесткости, обминается. При меньшей высоте гофра (по сравнению с панелью) значительно возрастают напряжения в элементах гофра.

В разделах 3.4 и 3.5 представлены результаты испытаний панелей. Всего было испытано 22 панелей с толщиной утеплителя 100, 150 и 200 мм. При этом первая партия (4 панели толщиной 150 мм) испытывалась по однопролетной схеме с пролетом 3 м и три партии, по 6 панелей толщиной 100, 150 и 200 мм, испытывались по двухпролетной схеме с пролетом 2 м.

При испытании по однопролетной схеме нагружение производилось ступенями по 0,49 кПа. Все образцы были доведены до разрушения. График распределения напряжений в верхней полке гофрированной обшивки и в нижней обшивке по длине панели при нагрузке 2,45 кПа показан на рисунке 3. Эпюра распределения нормальных напряжений в обшивках панели в середине пролета по ширине панели при нагрузке 2,45 кПа показана на рисунке 4.

Изгибающий момент от распределенной нагрузки, действующей на панель, воспринимается обшивками. Проверка условия равновесия при нагрузках в пределах упругой работы конструкции, показывает, что минераловатная плита, заполняющая пространство между обшивками, нагружена чрезвычайно слабо. Суммарное продольное усилие сжатия в гофрированной обшивке NB отличается от усилия растяжения нижней обшивки NH на 2%. Напряжения по высоте гофра распределяются практически по треугольному закону.

Координата по длине панели, мм

I— Нижняя обшивка —»-Верхняя обшивкгГ

Рисунок 3 — Распределение напряжений в верхней и нижней обшивке по длине панели

Рисунок 4 — Эпюра распределения нормальных напряжений в обшивках (однопролетная схема) График изменения прогибов от нагрузки (рисунок 5), показывает, что панель работает линейно примерно до 2,94 кПа. Дальнейшее увеличение

деформаций связано с

4 3.5 3

га

= 2.5

I 2

Зч

х

1

0.5

10.00 15.00 20.00 Прогиб, мм

началом разрушения панели от касательных

напряжений в

утеплителе. Разрушение панели заключалось в расслоении панели от опоры к середине, длина расслоения при этом составляла от 900 мм до 1200 мм.

При испытании по двухпролетной схеме с пролетами по 2 м нагружение производилось ступенями по 0,98 кПа до разрушения с выдержкой до полной стабилизации деформаций на каждом этапе нагружения. Две панели в серии подвергались циклическому нагружению до нагрузки 5,88 кПа. Время выдержки под нагрузкой составляло 40 минут и 20 минут в разгруженном состоянии.

Напряжение в верхней полке гофрированной обшивки при величине нагрузки 5,88 кПа в середине пролета составляло 60 МПа, а над средней опорой 80 МПа. По длине панели НДС в обшивке меняется следующим образом: в середине пролета обшивка сжата, над средней опорой верхний гофр растянут, а

Рисунок 5 - Зависимость прогибов от нагрузки (середина пролета)

нижний сжат (рисунок 6). В середине пролета центр изгиба проходит по утеплителю, а на средней опоре проходит примерно в 1/3 от нижней полки гофрированной обшивки.

Рисунок 6 - Эпюра распределения нормальных напряжений в обшивках по ширине панели, при испытании по двухпролетной схеме, А - в середине пролета, Б—на средней опоре Напряжения в нижней обшивке мало меняются по длине пролета и не превышают 20-25 МПа при нагрузке 5,88 кПа. При нагрузках порядка 6,8-8 кПа начинает проявляться локальная деформация опорных узлов (обмятие нижней обшивки в зоне опирания на прогон), достигающая 2-3 мм. При дальнейшем нагружении она возрастает до 5-7 мм.

Для панелей различной толщины в диапазоне от 0 до 7 кПа, наблюдается практически линейная зависимость уровня напряжений в обшивках и прогибов от интенсивности нагрузки (рисунок 7). При испытании панелей циклической нагрузкой при количестве циклов 5-7 интенсивностью нагрузки 6 кПа прогибы составили 6,5-7 мм.

При испытании по двухпролетной схеме с пролетами по 2 м, разрушающая нагрузка колеблется в пределах 8,8-12 кПа. В то же время толщина утеплителя влияет на величину прогибов.

Предельное значение нагрузки, при котором конструкция работает линейно, для панелей толщиной 100, 150 и 200 мм составляет 5,88; 6,4 и 6,86 кПа соответственно. При интенсивности нагрузки выше указанной наблюдается нелинейность, которая связана с разрушениями внутренней структуры утеплителя и его контактов с обшивками. При этом уровень напряжений в обшивках не превышает 50 МПа, что значительно меньше расчетного сопротивления стали (270 МПа). Максимальные прогибы при нагрузке, соответствующей пределу линейной работы, составляют примерно 10 мм, что меньше значения, регламентируемого нормами.

Характер разрушения плит одинаков. Он

начинается с

отслоения обшивок от утеплителя с последующей потерей устойчивости сжатых гофров верхней обшивки на расстоянии 55-60 см от крайней опоры. Причем разрушение панели происходит сравнительно плавно, процесс несколько растянут во времени (десятки секунд). Расслоение происходит по границе между обшивкой и утеплителем, как у верхней грани, так и у нижней.

В разделе 3.6 рассмотрена работа панели при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок. Был смоделирован, а затем экспериментально проверен узел крепления кровельных панелей в зоне действия пиковых нагрузок. При пассивном давлении (отсосе) опорные реакции от кровельной панели воспринимаются только винтами крепления.

При выполнении эксперимента в гофр кровельной панели были вкручены винты крепления. На выходе винтов к ним было прикреплено грузоприемное устройство, на которое укладывались штучные грузы. При этом контролировались следующие параметры: смещение винта относительно гофрированной обшивки, напряжения в верхней полке и по стенке гофра. По результатам эксперимента определен предел нагрузки, соответствующий линейной работе крепления. В соответствии с этим в главе пять разработана методика расчета крепления панели и рекомендована конструкция усиления.

В четвертой главе разработана расчетная модель трехслойной панели с ортотропным средним слоем на основе метода конечных элементов и, рассматривается напряженно-деформированное состояние панели по результатам расчета в программном комплексе «А№У8». Обшивки моделировались элементами вЬеП 181 — пластинками прямоугольной формы. Для моделирования среднего слоя использовался элемент 5оНс1185 - трехмерный элемент с восемью узлами, позволяющий учитывать ортотропные свойства. В таблице 2 представлены результаты расчета по изотропной и ортотропной моделям и сравнение с результатами эксперимента для однопролетной схемы.

Прогиб в середине пролета, мм

|панель 100 мм —»—панель 150 мм —а— панель 200 мм

Рисунок 7 - График зависимости прогибов от нагрузки

Таблица 2 - Сравнение теоретических и экспериментальных результатов

Результаты расчета по Сравнение

моделям результатов расчета

Эксперимен- на модели с

Показатели тальные ортотропным

изотропная ортотропная данные материалом и экспериментальными данными, %

Напряжения в

верхней полке гофрированной обшивки в -34,2 -33,7 -34 0,9

середине пролета, МПа

Напряжения в

нижнеи

обшивке в 10,8 10,9 11,2 2,7

середине пролтеа, МПа

Прогиб в середине, мм 5,05 5,52 5,43 1,6

Как видно из таблицы 2, результаты расчета в середине пролета по разным моделям близки, разница не превышает 10%. Напряжения в обшивках в середине пролета почти полностью совпадают.

При анализе результатов расчета ортотропной модели отмечено, что в районе опор, в месте опирания нижней обшивки на прогон, происходит значительное увеличений напряжений до ах = 33 МПа (в три раза больше, чем в пролете), а в изотропной — стх = 22 МПа. Это связано с обжатием утеплителя и местным, локальным воздействием прогона на нижнюю обшивку, что подтверждается экспериментальными данными.

Результаты расчета по модели, учитывающей ортотропные свойства среднего слоя, лучше соответствуют экспериментальным данным, поэтому с использованием данной модели были произведены расчеты панелей по двухпролетной схеме работы. Результаты расчета представлены в таблице 3. Напряжения в гофрированной обшивке совпадают с точностью до 14%. Интересен характер распределения напряжений по высоте гофра. В середине пролетов напряжения в нижней полке гофра близки к нулю и составляют 0,54 МПа, нулевая линия всего сечения панели проходит практически по нижней полке. Над средней опорой напряжения в нижней полке составляют - минус 31 МПа, таким образом, нулевая линия панели проходит в 7 мм от нижней

обшивки. При многопролетной схеме нижняя плоская обшивка, как в середине пролета, так и над средней опорой растянута.

Таблица 3 - Сравнение теоретических и экспериментальных результатов

Показатели Результаты расчета по конечно элементной модели Экспериментальные данные Сравнение результатов расчета на конечно элементной модели с экспериментальными данными, %

В первом пролете Во втором пролете

Напряжения в верхней полке гофрированной обшивки в середине пролета, МПа -62,8 -61 -64 2,9 1,9

Напряжения в нижней обшивке в середине пролета, МПа 29,1 32 34 9,9 14

Напряжения в верхней полке гофрированной обшивки над средней опорой, МПа 78,4 78,4 -

Прогиб в середине пролета, мм 4,3 4Д 4,8 4,6 1,6

Сравнение экспериментальных данных и результатов расчета с

использованием разработанной пространственной расчетной модели, учитывающей ортотропность материала утеплителя, показывает хорошее (до

14%) совпадение с экспериментальными данными по напряжениям и деформациям во всех контролируемых точках.

Одним из возможных критериев исчерпания Рисунок 8 - Форма потери устойчивости гофра несущей способности

панели является потеря местной устойчивости обшивки. С помощью аналитических методов и метода конечных элементов была оценена устойчивость всего гофра с учетом изменения нагрузки по высоте гофра (по треугольному закону у нижней полки около ноля у верхней полки максимальное значение). Форма потери устойчивости представлена на рисунке 8. Анализ

полученных результатов позволяет сделать вывод, что при рассмотренных размерах гофра устойчивость гофра обеспечена.

В пятой главе на основе выполненных в диссертации экспериментально-теоретических исследований кровельных панелей разработаны методики расчета, обеспечивающие их надежную эксплуатацию для практического использования в проектировании.

В разделе 5.1 предложен элемент усиления гофрированной обшивки при действии пиковых ветровых нагрузок. Усилением является установка дополнительного элемента, повторяющего по форме гофр и расположенного между шайбой винта крепления и гофром кровельной панели. Приведена методика расчета элемента усиления.

В разделе 5.2 на основе кинетической концепции разрушения твердого тела под нагрузкой, рассматривающей процесс постепенного накопления деструкций в виде нарушенных структурных связей, предложена методика определения долговечности панелей. В соответствии с этой методикой срок службы панелей при летних температурах 20 °С - 22-30 лет, а при температуре 40 °С - 14 лет.

В

о« сгВеГ °ч разделе 5.3

разработана инженерная методика расчета трехслойных панелей с одной гофрированной обшивкой по однопролетной и многопролетной

Рисунок 9 - Распределение внешнего момента по сечению схемам работы.

панели и эпюры распределения напряжений в обшивках Согласно

разработанной

методике напряжения в элементах гофра определяются по следующим зависимостям.

Напряжения в верхней полке гофрированной обшивки:

вв 1 Т ^ 2 * У

А, /.

ч £ »1 N 1 ч ■ •V-- Щ У

ч : + N + -с: * (£ - N » . N - ) м + = °вн= <*„

ч к , с!х г —7

В нижней полке гофрированной обшивки:

N Мг „ пл

(2)

В плоской обшивке:

<гк=-<К- С)

А у

Где М - внешний балочный момент, М0 - момент воспринимаемый обшивками

М

совместно и раскладывается на пару сил N =-—, Мг — момент

к + г

воспринимаемый гофрированной обшивкой (рисунок 9).

Таким образом: М = Мг + Ма. Величина момента Мг зависит от модуля упругости и модуля сдвига утеплителя, толщины утеплителя, жесткости гофрированной обшивки, качества клеевого соединения. Для его определения вводится коэффициент к=М/М, значения которого определены по результатам натурного и численного экспериментов и представлены в таблице 4.

Утеплитель, при работе панели, воспринимает поперечную силу и касательные напряжения, обеспечивая тем самым совместность работы обшивок. Поэтому необходимо проверить утеплитель на следующие усилия:

а = —<[сг 1, г =-^<[г 1, (4,5)

где Ь„ -ширина прогона, Ь -ширина панели, к - толщина утеплителя панели, [ст2] - прочность утеплителя на сжатие вдоль волокон, [ту2] - прочность утеплителя на сдвиг.

Прогиб определяется по следующей формуле:

(6)

где О определяется по формуле:

/ = ■

384 О

П = г-Е1обшшоК (7)

Коэффициент податливости среднего слоя г зависит от толщины утеплителя (/г), качества клея и адгезии обшивок, модуля сдвига утеплителя (б1) и получен по результатам испытаний. Значения коэффициента представлены в таблице 5; Е1 обшивок ~ жесткость обшивок.

Результаты расчета по предложенной методике сопоставлены с результатами, полученными по методике ргЕШ4509. При расчете по однопролетной схеме результаты расчета по предложенной методике и по методике Еврокода практически совпадают. При расчете по двухпролетной

схеме результаты, полученные по инженерной методике, практически совпадают с экспериментальными данными.

Таблица 4 - Значение коэффициента к для различных панелей

Толщина панели, мм Высота гофра, мм

32 38

Толщина обшивок, мм

0,6/0,6 0,7/0,5 0,7/0,5

100 0,06 0,08 0,10

150 0,07 0,09 0,12

200 0,11 0,12 0,14

Таблица 5 - Значение коэффициента г

Высота гофра Толщина утеплителя панели

100 150 200

32 0,194 0,121 0,098

38 0,189 0,117 0,096

В разделе 5.4 разработаны рекомендации по определению несущей способности и выбору рациональных параметров кровельных панелей. Построены графики отражающие зависимость между пролетом, толщиной и величиной нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 На основе экспериментальных исследований определены физико-механические характеристики минераловатного заполнителя среднего слоя, материала обшивок и фрагментов кровельной панели при работе на растяжение, сжатие и сдвиг. Проведенные исследования позволяют утверждать, что утеплитель имеет ярко выраженные ортотропные свойства.

2 В результате натурных испытаний определен характер поведения кровельных панелей при воздействии разовой и циклической нагрузок. Установлены особенности распределения напряжений и деформаций при линейной и нелинейной работе. Выявлены и установлены предельные разрушающие нагрузки и особенности разрушения панелей при однопролетной и двухпролетной схемах.

3 Разработана расчетная модель кровельной панели на основе МКЭ с учетом ортотропных свойств среднего слоя. Анализ напряженно-деформированного

состояния панелей при однопролетной и двухпролетной схемах показал, что результаты расчета по предложенной методике обеспечивают сходимость с экспериментальными данными до 10%. Это говорит о достоверности результатов, полученных на основе предложенной расчетной модели и о надежности ее использования при проектировании.

4 Выполнены теоретические исследования устойчивости гофра панели, по результатам которых можно сделать вывод, что при приведенных в диссертации параметрах гофра исчерпание несущей способности по критерию потери устойчивости не происходит.

5 Выполнены экспериментальные и теоретические исследования узла крепления кровельных панелей и выявлено, что несущая способность крепления может быть недостаточной при действии пиковых отрицательных воздействий ветровой нагрузки. Разработано крепление кровельной панели и рекомендации по методике расчета усиления узлов крепления.

6 На основании экспериментально-теоретических исследований предложена инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с маложестким утеплителем и обшивками разной изгибной жесткости при однопролетной и многопролетной схемах работы, обеспечивающая надежную эксплуатацию панелей. Разработаны также практические рекомендации в виде графиков, существенно упрощающих процесс выбора рациональных параметров панелей при обеспечении их надежной эксплуатации.

7 С использованием кинетической теории прочности предложена методика по определению долговечности эксплуатации панелей.

Основные публикации по теме диссертации: в рецензируемых изданиях, рекомендованном ВАК:

1 Холопов И.С. Экспериментальные исследования кровельных панелей «сендвич» с базальтовым утеплителем / Холопов И.С., Мосесов М.Д., Ильдияров Е.В., Соловьев A.B., Петров С.М., Попков Н.В.// Известия ВУЗов «Строительство», № 2 (590) февраль 2008, стр 107.

2 Петров С.М., Экспериментальные исследования работы трехслойных сэндвич-панелей/Петров С.М., Ильдияров Е.В., Попков Н.В., Холопов И.С., Мосесов М.Д., Соловьев A.B.// Промышленное и гражданское строительств, №6 (июнь) 2009, стр 44

3 Ильдияров Е.В. Напряженно - деформированное состояние трехслойной кровельной панели с ортотропным средним слоем / Ильдияров Е.В., Холопов И.С., // Известия ВУЗов «Строительство», № 6 2011, стр 107.

4 Ильдияров E.B. Экспериментально-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния трехслойной кровельной панели с ортотропным средним слоем//Строительная механика и расчет сооружений, №6 2011, стр 11

5 Ильдияров Е.В. Экспериментально-теоретические исследования узла крепления кровельных панелей при действии ветровой нагрузки / Ильдияров Е.В., Холопов И.С., Мосесов М.Д. // Современные проблемы науки и образования, электронный журнал ISSN 1817-6321, http ://vv ww .sc ience-educat ion. ru/101 -5467

6 Ильдияров E.B. Определение физико-механических характеристик элементов трехслойной панели со средним слоем из базальтовой ваты/ Ильдияров Е.В., Холопов И.С. // Промышленное и гражданское строительств, №2 2012, стр 9

в других изданиях:

7 Холопов И.С. Исследование напряженно-деформированного состояния кровельных панелей с утеплителем из минеральной ваты / Холопов И.С, Мосесов М.Д., Ильдияров Е.В., Петров С.М. // Металлические конструкции, том 12, номер 4, ISSN 1814-5566 2006

8 Третьяков Н.В. Экспериментальные исследования трехслойных панелей с минераловатным утеплителем / Третьяков И.В., Ильдияров Е.В. // Информационный бюллетень Строй-инфо №19 (211) от 10 октября 2003 г.

9 Мосесов М.Д. Испытательный стенд с автоматическим управлением / Мосесов М.Д., Ильдияров Е.В. // Проблемы оптимального проектирования сооружений. Доклады V-oro Всероссийского семинара посвященного 75-летию НГАСУ(Сибстрин) 2005 стр.257,

10 Холопов И.С. Исследование напряженно - деформированного состояния кровельных панелей с утеплителем из базальтовой ваты / Холопов И.С., Мосесов М.Д., Ильдияров Е.В., Соловьев A.B. // Проблемы оптимального проектирования сооружений. Доклады V-oro Всероссийского семинара посвященного 75-летию НГАСУ (Сибстрин) 2005 стр. 344.

11 Холопов И.С. Исследование напряженно-деформированного состояния трехслойных кровельных панелей с утеплителем из базальтовой ваты / И.С.Холопов, М.Д. Мосесов, Е.В. Ильдияров, А.В.Соловьев // Строительный вестник Российской инженерной академии. Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. Выпуск 6. Москва, 2005.-стр. 181.

//

12 Холопов И.С. Особенности напряженно-деформированного состояния трехслойных панелей с минераловатным средним слоем / Холопов И.С., Мосесов М.Д., Ильдияров Е.В., Соловьев A.B., Петров С.М. // Современные Строительные конструкции из металла и древесины, Сборник научных трудов, Одесса 2005 стр.252

13 Холопов И.С. Экспериментальные исследования трехслойных кровельных панелей с утеплителем из базальтовой ваты / Холопов И.С., Мосесов М.Д., Ильдияров Е.В., Соловьев A.B., Петров С.М. // Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте III международная научно - техническая конференция Самара 2005 стр. 322.

14 Ильдияров Е.В. Экспериментальное определение физико-механических характеристик элементов панели / Ильдияров Е.В., Петров С.М., Попков Н.В., Холопов И.С. // Материалы I Всероссийской научно -практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений Омск - СибАДИ - 2006

15 Ильдияров Е.В., Экспериментальные исследования трехслойных кровельных панелей с минераловатным средним слоем / Ильдияров Е.В., Петров С.М., Попков Н.В., Степанцев Д.В. // Аспирантский вестник Поволжья, №2 - 2005 стр. 28

16 Ильдияров Е.В. Напряженно-деформированное состояние трехслойных панелей с различной жесткостью обшивок / Ильдияров Е.В. // I Всероссийская конференция «Проблемы оптимального проектирования сооружений, Новосибирск 2008, стр.160

17 Холопов И.С. Исследование и опыт применения трехслойных конструкций с базальтовым утеплителем / Холопов И.С., Ильдияров Е.В., Мосесов М.Д., Соловьев A.B., Петров С.М., Попков Н.В., Бабурин Е.Р., Макаров Ю.Д. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Кровельные и изоляционные материалы ISSN 1813-789Х, №2. - 2008

18 Ильдияров Е.В. Влияние качества производственной линии на качество сэндвич-панелей / Ильдияров Е.В. // Гражданское строительство, спортивные сооружения, №38 2010

ООО «Самбр принт» г. Самара ул. Московское шоссе, 77

Подписано в печать 24.04.2012 _Объем 1,5 п.л._

Формат 60x84/16 Тираж 140

Печать офсетная Заказ № 04038

61 12-5/2773

Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

ИЛЬДИЯРОВ Евгений Викторович

Экспериментально-теоретическая оценка надежности трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем из минеральной ваты на основе базальтового волокна

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор И.С. Холопов

Самара 2012

СОДЕРЖАНИЕ Стр ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА................................................. 14

1.1 Исторический обзор применения трехслойных панелей

в строительстве........................................................................ 14

1.2 Материалы, применяемые при изготовлении

трехслойных панелей................................................................. 23

1.3 Особенности технологий, применяемых при изготовлении трехслойных панелей............,.................................................... 27

1.4 Исследования в области расчета трехслойных панелей....................... 31

1.5 Цель и задачи исследования.......................................................... 38

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ СО СРЕДНИМ СЛОЕМ ИЗ МИНЕРАЛОВАТНОЙ ПЛИТЫ НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА.................................... 40

2.1 Определение основных характеристик материалов стальных обшивок 41

2.2 Определение физико-механических характеристик минераловатного среднего слоя при сжатии, растяжении и сдвиге........................................ 46

2.3 Определение физико-механических характеристик минераловатного среднего слоя при изгибе............................................................ 57

2.4 Испытание фрагмента панели для определения основных характеристик материалов при их работе в составе панели на растяжение и сдвиг.................................................................... 59

2.5 Выводы по результатам испытания обшивок, минераловатного среднего слоя и фрагмента панели................................................ 66

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТРЕХСЛОЙНЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ ИЗГИБЕ 67

3.1 Конструкция панели. Разработка экспериментальной установки и

нагрузочного устройства........................................................... 67

3.2 Планирование эксперимента........................................................ 74

3.3 Выполнение предварительных расчетов кровельных панелей на изгиб с применением МКЭ.................................................................... 76

3.3.1 Результаты предварительного расчета панелей по однопролетной схеме 80

3.3.2 Результаты предварительного расчета панелей по двухпролетной схеме 90

3.4 Экспериментальное исследование панелей при работе на изгиб по однопролетной схеме 99

3.5 Экспериментальное исследование панелей при работе на изгиб по двухпролетной схеме................................................................. 107

3.6 Экспериментальное испытание крепления панели при моделировании отрыва обшивки вследствие действия пиковой ветровой нагрузки......... 126

3.7 Выводы по результатам экспериментальных исследований................ 132

4 РАСЧЕТ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ С ОРТОТРОПНЫМ СРЕДНИМ СЛОЕМ................................................................. 133

4.1 Постановка задачи и описание расчетных моделей панелей с учетом ортотропности среднего слоя для расчета на изгиб .......................... 134

4.2 Расчет с использованием ВК ANSYS и анализ напряженно-деформированного состояния панелей при изгибе по однопролетной схеме................................................................................. 135

4.3 Расчет с использованием ВК ANSYS и анализ напряженно-деформированного состояния панелей при изгибе по двухпролетной

140

схеме.................................................................................... 1

4.4 Расчет гофра на устойчивость по методу КЭ и аналитическими методами............................................................................... 145

4.5 Выводы и результаты по главе................................................... 149

5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРАКТИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ................................................ 150

5.1 Разработка элементов усиления гофрированной обшивки при действии

пиковых нагрузок.................................................................... 150

5.2 Определение долговечности эксплуатации трехслойных панелей по условиям старения клеевого слоя..................................................................................................151

5.3 Разработка инженерной методики расчета кровельных панелей .....................153

5.4 Практические рекомендации по определению несущей способности трехслойных кровельных панелей................................................................................................162

5.5 Внедрение результатов исследования в практику проектирования................165

5.6 Выводы по главе..............................................................................................................................................166

Основные выводы и результаты......................................................................................................167

Список литературы............................. ..............................................................................169

Приложение А (акты и справки о внедрении)......................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Трехслойные кровельные панели с минераловатным средним слоем нашли в настоящее время широкое применение в строительстве. Этому способствуют высокие теплотехнические и звукозащитные качества,

быстрый и простой монтаж, низкие затраты на капитальное строительство, дополнительное энергосбережение в процессе эксплуатации. Применение в качестве среднего слоя минераловатного утеплителя на основе базальтового волокна обеспечивает практическую несгораемость панели и экологическую безопасность при высоких температурах пожара, сохраняя в течение длительного времени необходимые требования по целостности и теплопроводности.

Несмотря на богатый опыт использования таких панелей за рубежом, их эксплуатация в российских условиях отличается рядом особенностей. Прежде всего это значительные снеговые нагрузки, действующие в течение длительного времени в зимний период и повторяющиеся многократно за время эксплуатации. Перепады сезонных температур (от -40 °С до +40 °С) и значительная разница между наружной и внутренней температурами помещений также влияют на несущую способность и деформативность панелей. При неправильном выборе расчетных параметров и определении свойств материалов эти факторы могут существенно ограничить срок их эксплуатации.

Необходимо также учитывать, что развитие производства трехслойных панелей привело к необходимости использовать утеплители из базальтовой ваты, клеи и оцинкованные стальные обшивки, произведенные в России. Свойства этих материалов могут отличаться от зарубежных аналогов, что влияет на напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций.

Для обеспечения безопасной эксплуатации кровельных панелей необходимо выполнить экспериментальные и теоретические исследования их поведения и напряженно-деформированного состояния в условиях действия нагрузок, соответствующих отечественным нормам и с учетом особенностей производства. Требуется также разработать достаточно простую, предназначенную для

широкого использования, инженерную методику расчета и проектирования, учитывающую особенности их работы в реальных условиях эксплуатации. Такие исследования необходимы для обеспечения надежной эксплуатации трехслойных кровельных панелей и, по мнению автора, являются актуальными.

Цель работы заключается в экспериментальном и теоретическом исследовании напряженно-деформированного состояния трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем из базальтовой минеральной ваты с различными по профилю металлическими обшивками и последующей разработкой методики их расчета, позволяющей обеспечить надежную эксплуатацию конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Выполнить экспериментальные исследования физико-механических свойств металлических обшивок и среднего слоя из минераловатных плит на

основе базальтового волокна.

2. Выполнить экспериментальные исследования фрагментов трехслойных панелей с ортотропным средним слоем из базальтовой минеральной ваты для определения механических и деформационных характеристик материалов при их работе в составе панели на растяжение и сдвиг.

3. Выполнить экспериментально-теоретические исследования для определения закономерностей развития напряженно-деформированного состояния (НДС) трехслойных кровельных панелей при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме.

4. Разработка расчетной модели и методики расчета трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем различной толщины при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме с основе метода конечных элементов (МКЭ) с использованием ВК ANS YS. Анализ результатов расчетов по разработанной методике и сравнение с экспериментальными данными.

5. Выполнить теоретические исследования устойчивости гофра панели с использованием МКЭ и аналитических решений.

6. Выполнить экспериментальные и теоретические исследования крепления кровельных панелей самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок.

7. Разработать инженерную методику расчета трехслойных кровельных панелей с сильно профилированной верхней обшивкой при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме.

8. С использованием кинетической теории прочности разработать методику определения долговечности для трехслойных панелей с использованием

полиуретановых клеев.

9. Разработать практические рекомендации по рациональному выбору кровельных панелей со средним слоем из базальтовой минеральной ваты при проектировании.

Научная новизна

1 В трехслойных панелях экспериментально определены физико-механические свойства материала металлических обшивок и среднего слоя из минераловатных плит на основе базальтового волокна. Установлены новые деформационные характеристики, указывающие, что средний слой является маложестким и обладает ярко выраженными ортотропными свойствами.

2 При исследовании фрагментов трехслойных панелей с ортотропным средним слоем из базальтовой минеральной ваты получены новые экспериментальные данные о механических и деформационных характеристиках материалов при их работе в составе панели на растяжение, сжатие и сдвиг. Определено время стабилизации деформаций в зависимости от уровня нагружения. Установлено, что критерием разрушения минеральной ваты, в отличие от пенопласта, является не предельная относительная деформация среднего слоя, а начало расслоения волокон ваты при обжатии.

3 На основе экспериментально-теоретических исследований выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния

(НДС) трехслойных кровельных панелей при изгибе по

однопролетной и многопролетной схеме и определены границы линейной стадии работы. Установлено, что критерием исчерпания несущей способности панели при изгибе является развитие существенных сдвиговых деформаций, сопровождающихся обжатием и расслоением среднего слоя в опорной зоне и образование пластического шарнира в нижней обшивке.

4 Разработана расчетная модель и методика расчета трехслойных кровельных панелей с ортотропным средним слоем различной толщины при изгибе по однопролетной и многопролетной схеме с использованием ВК ANS YS. Расчеты по разработанной методике обеспечивают совпадение результатов с экспериментальными данными в пределах до 10%, что указывает на надежность предложенной методики при расчете и проектировании панелей с различными характеристиками компонентов.

5 Теоретические исследования на основании МКЭ и аналитических методик по анализу устойчивости гофра показали, что в кровельных панелях в гофрах верхней обшивки шириной до 30 мм и высотой до 40 мм при толщинах обшивки 0,6-0.7 мм при нагрузке, соответствующей линейной работе, потери устойчивости гофра не наступает. Испытания панелей подтверждают этот факт.

6 Экспериментальные и теоретические исследования крепления кровельных панелей самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок показали возможность разрушения гофров в зоне крепления винта. Предложен способ усиления крепления и методика его расчета.

7 Разработана инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с сильно профилированной верхней обшивкой при изгибе. В отличие от норм Еврокода предложенная методика позволяет рассчитывать кровельные панели не только для однопролетной, но и для многопролетных схем. Результаты расчета по предлагаемой методике достаточно близко (до

10%) совпадают с экспериментальными данными и

с данными расчета по европейским нормам для однопролетных схем. 8 На основе кинетической теории прочности для трехслойных панелей с использованием полиуретановых клеев предложена методика определения долговечности панелей при флуктуации напряжений в обшивках и клее в условиях воздействия температур различного уровня. Методы исследования При выполнении работы использовались следующие методы:

1. Экспериментальные исследования прочностных и деформационных характеристик материалов (утеплителя, обшивок) и конструкции панелей при различных схемах нагружения и опирания с использованием современной измерительной техники на базе ЭВМ.

2. Сравнение результатов экспериментов с результатами, полученными другими исследователями.

3. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния с использованием современных вычислительных комплексов (ANSYS, LIRA) , основанных на методе конечных элементов.

4. Сравнение результатов теоретического анализа НДС панелей с данными выполненных экспериментов.

5. Использование аналитических решений и МКЭ для анализа устойчивости

гофров.

6. Использование теории кинетической прочности при анализе долговечности

панелей.

Достоверность результатов

Достоверность данных, полученных в экспериментальных исследованиях, обеспечена применением научно-обоснованных методик, использованием современной измерительной техники и сертифицированного оборудования, проведением обширного натурного эксперимента, статистической обработкой и сравнением с результатами, полученными другими авторами. Достоверность теоретических исследований обеспечивается использованием современных

вычислительных методов строительной механики и результатов аналитических решений, полученных различными авторами, сравнением с методикой Еврокода, а также совпадением до 10% с результатами экспериментальных исследований. Практическая ценность и внедрение результатов исследований

1. Выполненные экспериментальные исследования материалов трехслойных панелей позволили получить новую информацию об их прочностных и жесткостных характеристиках и установить ортотропность среднего слоя. Эти данные следует использовать при проектировании и расчете панелей.

2. Экспериментальные и теоретические исследования трехслойных кровельных панелей позволили установить закономерности развития НДС при изгибе, на основе чего определены границы надежной работы и методика расчета панелей при проектировании. Построены графики и таблицы зависимости несущей способности кровельных панелей, предназначенные для практического использования при проектировании.

3. Разработана методика расчета крепления кровельных панелей самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок. Предложен способ усиления крепления и методика его расчета.

4. Разработана методика расчета кровельных панелей с применением МКЭ, позволяющая определять НДС при любых пролетах и условиях опирания и обеспечивающая надежность проектирования при любых вариантах нагружения и количестве пролетов.

5. Предложена достаточно простая инженерная методика расчета трехслойных панелей при изгибе по однопролетной и многопролетной схемам, сокращающая время проектирования при обеспечении надежности.

6. Разработанная на основании теории кинетической прочности методика определения времени старения клеевого слоя панели может использоваться для прогнозирования долговечности эксплуатации панелей в различных климатических зонах.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности образцов минераловатной плиты, фрагментов трехслойной панели (общее количество испытаний в сериях составило 72 шт).

2. Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности трехслойных кровельных панелей на изгиб (общее количество испытаний в сериях составило 22 шт).

3. Результаты моделирования работы трехслойной кровельной панели с ортотропным средним слоем на изгиб при различных схемах работы в программных расчетных комплексах.

4. Результаты экспериментально-теоретических исследований крепления кровельной панели самонарезающими винтами при действии отрывающих пиковых ветровых нагрузок.

5. Инженерная методика расчета трехслойных крове�