автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Несущая способность и деформативность трехслойных кровельных панелей со средним слоем из минеральной ваты на основе базальтового волокна

На правах рукописи

ИЛЬДИЯРОВ Евгений Викторович

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ТРЕХСЛОЙНЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ СО 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

003463289

Самара 2009

003463289

Работа выполнена на кафедре «Металлические и деревянные конструкции» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Мосесов Марат Давидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Казарновский Вадим Соломонович

кандидат технических наук, доцент Юрченко Юрий Иванович

Ведущая организация

ООО Поволжский центр экспертизы и испытаний «ИМТОС»

Защита состоится 20 марта 2009 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.213.01 в ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001 г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001 г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194.

Автореферат разослан 20 февраля 2009 г.

Ученый секретарь ¿Л-1

диссертационного совета

к.т.н., доцент "В. Ю. Алпатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Трехслойные кровельные панели с минераловатным средним слоем нашли в настоящее время широкое применение. При достаточной прочности, малой трудоемкости монтажа и легкости они позволяют уменьшить вес ограждающих конструкций в 10-20 раз по сравнению с железобетонными аналогами. Это, в свою очередь, ведет к снижению нагрузок на несущие конструкции и, соответственно, к уменьшению расхода материалов. Применение в качестве среднего слоя минераловатного утеплителя на основе базальтового волокна позволяет улучшить огнестойкость панели, а также ее долговечность и экологическую безопасность, сохранив при этом необходимые показатели по теплопроводности.

В отличие от достаточно изученного опыта использования таких панелей за рубежом, их эксплуатация в российских условиях имеет ряд особенностей, которые вызваны следующими факторами: большой перепад температур в течение года, значительные снеговые нагрузки, длительность их воздействия и многократное повторение за время эксплуатации сооружения.

Следует иметь в виду, что при производстве трехслойных панелей в России используются отечественные утеплители из базальтовой ваты и клеи, свойства которых отличаются от зарубежных аналогов, что также накладывает отпечаток на характер поведения ограждающих конструкций. Кроме того, отсутствует методика расчета таких панелей, которая учитывала бы особенности их работы. Поэтому для обеспечения безопасной эксплуатации панелей требуются дополнительные исследования их поведения в условиях российского климата и отечественного производства.

Цель работы заключается в анализе напряженно-деформированного состояния трехслойных кровельных панелей с утеплителем из базальтовой ваты и с различными по профилю металлическими обшивками с последующей разработкой методики их расчета, позволяющей обеспечить достаточно надежную эксплуатацию конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• Экспериментальное исследование прочностных и деформационных свойств утеплителя из ориентированной базальтовой ваты;

• Экспериментальное исследование прочностных и деформационных характеристик материала обшивок;

• Экспериментальное исследование поведения контактного слоя «утеплитель-клей-обшивка» при нагружении;

• Создание и анализ расчетной модели с использованием метода конечных элементов (МКЭ) с учетом свойств утеплителя и обшивок;

• Натурные испытания кровельных панелей с различными схемами опирания при действии равномерно распределенной нагрузки;

• Сравнительный анализ результатов, полученных при проведении натурных экспериментальных и теоретических исследований;

• Разработка методики расчета кровельных панелей с минераловатным средним слоем по однопролетной и многопролетной схемам работы;

• Разработка практических рекомендаций по выбору кровельных панелей при проектировании.

Методы исследования При выполнении работы использовались следующие методы: исследование прочностных и деформационных характеристик материалов (утеплителя, обшивок) с использованием современной измерительной техники, натурные испытания панелей при различных схемах нагружения, сравнение результатов с данными, полученными другими исследователями. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния панелей осуществлялся с использованием ЭВМ и расчетных программ, основанных на методе конечных элементов (МКЭ).

На основе анализа полученных данных предложена инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с минераловатным средним слоем.

Научная новизна

1) Разработана расчетная модель трехслойной панели, основанная на МКЭ. На основе исследования этой модели и выполнения расчетов с ее использованием получены следующие результаты:

• при построении модели учтены конструктивные особенности панели, разбивка сетки, разрезка утеплителя на ламели, различная жесткость обшивок, изменение модуля деформации среднего слоя по длине панели, определены типы конечных элементов;

• определено НДС панели, соответствующее разрушению, и величины допустимых нагрузок при различных схемах работы.

2) Разработана силовая установка для испытания кровельных панелей, позволяющая моделировать различные схемы работы.

3) Разработана установка для определения свойств минеральной ваты на сжатие, обеспечивающая необходимую длительность и стабильность приложения нагрузки.

4) Разработаны методики испытания материалов и кровельных панелей.

5) На основе экспериментальных и численных исследований выявлены следующие особенности работы трехслойных панелей с маложестким средним слоем и с различными по профилю металлическими обшивками:

• нижняя плоская обшивка работает как мембрана (при различных схемах нагружения);

• верхняя обшивка работает как балка на упругом основании, с изменяющимся коэффициентом постели по длине;

• при величине соотношения пролета панели к ее ширине менее 1,5 критическим состоянием для панели является обжатие утеплителя на опорах;

• при величине соотношения пролета панели к ее ширине более 1,5 происходит сдвиг обшивок относительно среднего слоя с последующей потерей устойчивости верхней профилированной обшивки.

Практическая ценность н внедрение результатов исследований

1) Выполненные расчеты и исследования НДС трехслойных панелей с минераловатным средним слоем позволили получить новую информацию об их прочностных и жесткостных характеристиках. 2) В результате проведенных исследований построены экспериментально обоснованные графики и таблицы зависимости несущей способности кровельных панелей от их толщин и пролетов, предназначенные для практического использования при проектировании. 3) Разработана и экспериментально проверена методика расчета панелей, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать поведение конструкций под влиянием нагрузки.

Исследования по теме диссертации ведутся с 2003 года, выполнялись при заинтересовашюсти и поддержке заводов-изготовителей данных панелей. По результатам проведешгой работы получен грант в «III Областном конкурсе 2006 года на предоставление грантов студентам, аспирантам и молодым ученым» в номинации «Строительство и архитектура».

По результатам экспериментальных исследований составлены и переданы отчеты о несущей способности и характере работы кровельных панелей заводам «Термостепс - МТЛ» и «Электрощит». Результаты исследований, таблицы несущих способностей и методики расчета используются проектными организациями Самарской области, а также в учебном процессе Самарского государственного архитектурно-строительного университета. В подтверждение этого в приложении представлено девять справок о внедрении результатов исследования на производственных предприятиях, а также акт об их внедрении в учебный процесс СГАСУ.

Публикации и апробация Основные результаты содержания диссертационной работы нашли отражение в двадцати пяти публикациях в отечественных и международных изданиях, в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК РФ и одна - в рекомендованном 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, заключения и списка литературы (101 наименование), включает 37 таблиц, 155 рисунков. Основное содержание диссертации изложено на 163 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы 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. Наибольшее применение в современном строительстве находят панели максимальной заводской готовности типа «сэндвич» со сплошным средним слоем, в которых используется утеплитель на основе вспененных пластических масс. В нашей стране разработкой и внедрением трехслойных панелей с металлическими обшивками занимались, в основном, две организации -ЦНИИПСК им. Мельникова и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. Отмечен ряд отечественных и зарубежных предприятий, производящих трехслойные панели для строительства. Приведен ряд объектов, возведенных с применением таких конструкций.

Основным недостатком утеплителей на основе пенопластов является их низкая огнестойкость. Поэтому очередным этапом в улучшении свойств панелей стало применение минераловатного утеплителя в качестве среднего слоя. Однако, низкие прочностные свойства не позволили использовать его в качестве конструктивного элемента. В первых панелях минеральная вата использовалась только в качестве закладного утеплителя, а для связи обшивок применялся каркас. - Следующим этапом усовершенствования панелей стало применение минеральной ваты с нормальной ориентацией волокон к поверхности обшивок. Вертикально ориентированные волокна среднего слоя позволили повысить несущую способность панелей на опорах и критические напряжения в обшивках. Однако при производстве таких панелей были отмечены технологические особенности, вызывающие ряд вопросов и влияющие на несущую способность и надежность конструкций.

Здесь же рассмотрены основные гипотезы расчета трехслойных панелей. В бывшем 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, А.Б. Губенко, Э.И. Григолюка и П.П. Чулкова, Х.М. Муштари, С.Б. Ермолова, О.Б. Тюзнева, Ф.В. Расса, В.Д. Райзера, К. Штамма и Х.Витте. Также в обзоре отмечены работы Ю.Э. Сеницкого,

B.Г. Попова, В.А. Телегина, В.Е. Батрака, H.A. Алфутова, П.А. Зиновьева, М.Д. Бровченко, Г.В. Мурашкина, Ю.А. Муравьева и другие.

Многопролетные трехслойные балки с легким (не воспринимающим нормальных усилий) средним слоем и плоскими обшивками, изгибная жесткость которых равна нулю, впервые были рассмотрены А.П. Прусаковым. Исследование изгиба трехслойных панелей с гофрированными обшивками для различных условий было выполнено Р.М.Новиковым. Экспериментальные исследования многопролетных

трехслойных панелей с гофрированными обшивками и утеплителем типа «пенопласт» были проведены Ф.Ф. Тамплоном. Им предложена методика расчета таких трехслойных панелей на основе «теории составных стержней», разработанной А.Р. Ржаницыным.

Как показал анализ результатов исследований трехслойных конструкций, основное внимание ранее уделялось расчету трехслойных панелей с утеплителем из пенопласта. По сравнению с ним применяемый в конструкции минераловатный средний слой имеет неоднородную структуру, кроме того, недостаточно изучено его поведение в панели.

В связи с этим в настоящее время на кафедре металлических и деревянных конструкций Самарского государственного архитектурно-строительного университета проводятся теоретические и экспериментальные исследования трехслойных конструкций с металлическими обшивками и минераловатным средним слоем на основе базальтового волокна.

Во второй главе изложены методики и приведены результаты экспериментально-теоретических 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 со свойствами, близкими к 08ПС по ГОСТ 14918-80. При изготовлении трехслойных панелей требуемый профиль получают путем гибки рулонной стали - это один из технологических процессов производства панелей. При профилировании листов в местах изгиба происходит упрочнение стали. Предел линейной -работы стали по результатам испытаний составил а = 300 МПа, а временное сопротивление разрыву - ст„=340 МПа. Предельное относительное удлинение материала обшивок 5=24,2%. При рассмотрении диаграммы работы стали на растяжение (сг - е) отмечено отсутствие площадки текучести.

В разделе 2.3.1 описаны методики и результаты испытаний минераловатного утеплителя на сжатие по трем направлениям [х, у, г (г -вдоль волокон)]. Разработана установка, позволяющая обеспечить равномерное по площади нагружение образца и достаточное время выдержки. По результатам испытаний утеплителя на сжатие в трех направлениях видно: а2<тах > сту_шах > стх>т;1х (60 > 28 > 20 кПа), данный материал имеет сильно выраженные ортотропные свойства. При сжатии утеплителя вдоль осей Ох и Оу при одинаковых значениях напряжений деформации имеют близкие значения, поэтому можно считать свойства вдоль этих осей примерно одинаковыми. При сжатии вдоль оси Ог прочностные свойства образца выше по сравнению с прочностными свойствами в других направлениях, поэтому "для максимального 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 5-7%, а при сжатии поперек волокон образец перестает воспринимать усилия при относительной деформации около 30%.

В разделе 2.3.2 описано экспериментальное определение модуля деформации минеральной ваты на «чистый» изгиб. Испытывала«, ламель минеральной ваты, из которых формируют средний слой панели. Волокна в образце ориентированы вертикально, аналогично расположению утеплителя в панели. В результате испытаний было получено, что значение модуля деформации на изгиб в пределах линейной работы составляет от 5,5 до бМПа.

В разделах 2.3.3 и 2.3.4 описаны методики и 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 величина пропитки составляет 58 мм, то т^-- 40>45 кПа, если 2-5 мм, то ткр= 25-К35 кПа. При этом различен характер работы образца под нагрузкой. При глубокой пропитке минеральной ваты диаграмма работы образца практически линейна, при малой - нелинейная (что характерно для элемента панели). Для расчета следует выбрать наиболее неблагоприятное сочетание и принять пределом касательных напряжений 25 кПа.

По результатам проведенных испытаний минеральной ваты был установлен характер ее деформирования во времени под нагрузкой. Так, при нагрузках порядка 25% от разрушающей время стабилизации деформаций составляет примерно 5 мин; 25-85% - 10-30 мин; свыше 85% - более 1 часа. Кроме того, для утеплителя характерно упругое последействие, которое выражается в восстановлении первоначальных геометрических параметров образца после разрушения. Однако при последующем его нагружении прочностные свойства уменьшаются вдвое, по сравнению с однократным нагружением.

Стальные обшивки

Показатель Значение Ед. изм.

Б 2,08 е5 МПа

в 0,78 е5 МПа

V 0,3

Яу 245 МПа

Е 20 %

Минераловатный утеплитель

Показатель Значение Ед. изм.

Е г ут, сж 1,9 МПа

Еуг. 5,5 МПа

О ху эп. 1,8 МПа

[сГгут.сж] 50 кПа

[СТут. изгиб] 50 кПа

[Тху эп. 1 25 кПа

В третьей главе описывается построение расчетной модели трехслойной панели с минераловатным утеплителем, рассматривается

напряженно-деформированное состояние панели по результатам расчета в программном комплексе «Лира-9.2». Модель построена на базе метода конечных элементов. При построении модели были использованы результаты, полученные в процессе предварительных экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния плиты под нагрузкой, а также результаты испытаний отдельных компонентов плиты. Особенностью трехслойной кровельной панели является то, что она состоит из трех слоев с различными прочностными показателями. Первый слой, гофрированный, представляет собой ортотропную пластину, способную воспринимать изгибные усилия по длине панели. Второй слой - утеплитель, с очень малым (в 35 ООО раз меньше по сравнению с обшивками) модулем деформации, но имеющий значительную толщину. Третий слой, слабо профилированный лист толщиной 0,5-0,6 мм, воспринимает только растяжение. Средний слой состоит из отдельных ламелей минеральной ваты с вертикально ориентированными волокнами (рисунок 1). Обшивки моделировались четырехузловыми пластинчатыми конечными элементами (КЭ), толщина которых соответствовала толщине обшивок.

Утеплитель моделировался восьмиузловыми объемными элементами. При создании модели сетка КЭ соответствовала градиентам напряжений, полученным в предварительном эксперименте, кроме того, учитывались

конструктивные особенности панели. Для моделирования разрезки ламелей вводились дополнительные узлы с одинаковыми координатами на границе раздела брусков. При проведении численного эксперимента были выбраны панели с толщиной утеплителя 100, 150 и 200 мм. Варьируемыми факторами при проведении экспериментов были: толщина утеплителя, высота гофра, толщина обшивок, величина пролета, схема работы. Произведены тестовые расчеты панелей под нагрузку 0,98 кПа (100 кГс/м2).

В разделе 3.3 описывается НДС кровельной панели при однопролетной схеме работы. Представлен характер распределения напряжений по

обшивкам панели и в утеплителе с высотой гофра 32 мм, толщиной обшивок 0,6 мм, пролетом 3 м. На рисунке 2 показано распределение напряжений в обшивках по сечению панели в середине пролета. Особое внимание уделялось влиянию разрезки ламелей на напряженное состояние обшивок. В местах разрезки

чЦтГ-«И-

\кж

Рисунок 1 - Сечение панели

Рисунок 2 - Эгпоры напряжений в обшивках, значения на эпюре в МПа, размеры - в мм

отмечено местное увеличение нормальных напряжений до 10%. Рассматривая общий уровень напряжений, возникающий в обшивках, по сравнению с расчетным сопротивлением стали, можно сделать вывод, что обшивки при нагрузке 0,98 кПа нагружены слабо (до 15%).

Выполненный расчет показывает, что наиболее нагруженными являются слои утеплителя, примыкающие к плоской обшивке. Наибольшие напряжения в утеплителе возникают у опор, от сжатия az = - 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 данное значение не оказывает влияния на несущую способность панели, поскольку значительно меньше напряжений в приопорных участках, равных 20 кПа. Касательные напряжения у опор достигают ту2 == 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.

На рисунке 3 представлены распределения усилий по высоте панели в середине пролета с различной высотой гофра и толщиной обшивки.

#»'-176 кН « ^'¿-UStH

»-О»«* |

Кя-ШВШ | Ия-umjtt

#=1ЛкН * НЧЛкН

т- 173 кН

Ии-UKjH

Н=174кН

Рисунок 3 - Эторы усилий Ыу по сечению панели в середине пролета панелей различной жесткости обшивок при величине пролета 3 м

Распределение усилий практически не изменяется от изменения высоты гофра и толщины обшивок, но изменяются напряжения в элементах обшивок.

Изменение толщины утеплителя следующим образом влияет на распределение усилий в обшивках (рисунок 4).

И'Шт Н'ООт Н = ЯПт

Рисунок 4 - Распределение усилий в панелях с различной толщиной утеплителя

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

Особый интерес представляет исследование работы по двухпролетной схеме, поскольку при одинаковых величинах пролетов и опорные и пролетные моменты уменьшаются при увеличении числа пролетов. При численном эксперименте варьировалась величина пролет панели. Распределение усилий в середине пролета и на опоре при двухпролетной схеме с пролетом 3 м, толщиной утеплителя 150 мм, высотой гофра 32 мм, толщиной обшивок 0,7 мм верхней и 0,5 мм нижней, показано на рисунке 5.

£гр«ж7 то/к та

Ни средне» стая

Рисунок 5 - Распределений усилий в середине пролета и над средней опорой при двухпролетной схеме работы

При двухпролетной схеме в середине пролета внешний момент воспринимается обеими обшивками (верхняя сжата, нижняя растянута), а над средней опорой воспринимается верхней, гофрированной, обшивкой и утеплителем. Нулевая линия из утеплителя «поднимается» в гофрированную обшивку. При меньшей высоте гофра (по сравнению с панелью) значительно возрастают напряжения в элементах гофра. При двухпролетной схеме утеплитель находится в более сложном напряженном состоянии. Помимо максимальной поперечной силы, приходящейся на среднюю опору, утеплитель воспринимает часть усилия сжатия.

Одним из критериев несущей способности панели является обеспечение местной устойчивости обшивки. С помощью метода конечных элементов оценена устойчивость всего гофра с особенностями воздействия

нагрузки, а именно изменение напряжений по высоте гофра (по треугольному закону у нижней полки около ноля у верхней полки максимальное значение). Форма потери устойчивости представлена на рисунке 6. Напряжения, при которых происходит потеря устойчивости гофра, в 2 раза превышают предел линейной работы стали. При рассмотренных размерах гофра несущая способность обшивки в пределах линейной работы материала по устойчивости обеспечена.

Рисунок б - Форма потери устойчивости гофра

В четвертой главе описываются методика экспериментальных исследований несущей способности и деформативности трехслойных кровельных панелей с минераловатным средним слоем. Целью проводимого эксперимента являлось изучение фактического НДС панели при действии равномерно распределенной нагрузки и различных схемах работы. Выполнено планирование эксперимента, в результате которого на базе данных, полученных при анализе разработанной модели, произведено ранжирование влияющих факторов, определен круг измеряемых параметров и оценена допустимая погрешность измерений. На этой базе для обеспечения достаточной достоверности получаемых результатов выбраны количество образцов, подлежащих испытанию, методы измерений и соответствующая измерительная аппаратура.

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

Схема нагрузочного устройства показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема нагрузочного устройства

Разработанная схема испытаний позволяла контролировать деформации и, соответственно, напряжения:

• По полкам гофрированной обшивки (верхней и нижней) по центру панели с шагом 400 мм по длине;

• На стенке гофра в зоне действия максимального изгибающего момента;

• На плоской, нижней, обшивке по центру панели с шагом 400 мм по длине.

Деформации в элементах обшивки измерялись методом электротензометрии. В качестве датчиков использовались проволочные тензорезисторы с базой измерения 20 мм.

В процессе нагружения измерялись прогибы панели в середине каждого пролета и перемещения опор. Кроме того, контролировалось смещение металлической обшивки относительно прилежащего к ней слоя утеплителя, а также поперечное сжатие между обшивками в середине

пролета и в зоне опирания. Для этого были разработаны и изготовлены специальные устройства, позволившие использовать механические индикаторы часового типа с ценой деления 0,01мм.

Перед началом проведения испытаний была проведена калибровка нагрузочного устройства. Для этого одна из панелей была предварительно взвешена, уложена на воздушный мешок и зафиксировано давление в системе. Затем на панель укладывались заранее взвешенные грузы (мешки с песком). По этим данным построена зависимость показаний манометра от приложенной нагрузки. Многократное повторение позволило оценить погрешность задания нагрузки, которая не превышала 1,2%. Для калибровки тензометрического комплекса использовалось устройство УТС12-1ВТ, представляющее собой балку, нагружаемую чистым моментом с измерением прогиба в центре пролета. На эту балку наклеивались тензорезисторы. По прогибу балки вычислялись относительные деформации краевого волокна, что и измерялось наклеенными датчиками. Оценка погрешности показала, что она не превышает 1%. Это соответствует данным, представленным заводом-изготовителем аппаратуры.

Всего было испытано 16 панелей с толщиной утеплителя 100, 150 и 200 мм. При этом первая партия, 4 панели толщиной 150 мм, испытывались по однопролетной схеме с пролетом 3 м и три партии, по 4 панели 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 гофрировашюй обшивки и в нижней обшивке по длине панели при нагрузке 2,45 кПа показан на рисунке 8. Эпюра распределения нормальных напряжений в обшивках панели в середине пролета, при нагрузке 2,45 кПа показана на рисунке 9.

1000 1500 2000 Координата по длине панели, мм

[ — Нижняя обцмвка —Верхняя обчмвка [

Рисунок 8 - Распределение напряжений в верхней и нижней обшивке по длине панели

Рисунок 9 - Эпюра распределения

нормальных напряжений в обшивках (однопролетная схема)

£ 1.5

/

/

10.00 15.00 20.00 Прогиб, MM

Изгибающий момент от распределенной нагрузки, действующей на панель, воспринимается обшивками. Проверка условия равновесия при нагрузках в пределах упругой работы конструкции, показывает, что вата, заполняющая пространство между обшивками, нагружена чрезвычайно слабо. Суммарное продольное усилие сжатия в гофрированной обшивке N» весьма мало отличается от усилия растяжения нижней обшивки N„.

Напряжения по высоте гофра распределяются практически по треугольному закону.

График изменения прогибов от нагрузки (рисунок 10), показывает, что панель работает линейно примерно до 2,45 кПа. Дальнейшее увеличение

деформаций связано с 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. Каждая четвертая панель в серии подвергалась циклическому нагружению до нагрузки 5,88 кПа. Время выдержкой под нагрузкой составляло 40 минут и 20-и минут в разгруженном состоянии.

Напряжение в верхней полке гофрированной обшивке в панели с толщиной утеплителя 150 мм 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 нижний сжат (рисунок 11). В середине пролета центр изгиба проходит по утеплителю, а на средней

опоре проходит примерно в 1/3 от нижней полки гофрированной обшивки.

-61

82

Рисунок 10 - Зависимость прогибов от нагрузки (середина пролета)

Рисунок 11 - Эпюра распределения нормальных напряжений в обшивках, при испытании по двухпролетной схеме, слева - в середине пролета, справа - 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 6,88 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 12).

При испытании панелей циклической нагрузкой и количестве циклов 5-7 интенсивностью нагрузки 6 кПа прогибы составляют 6,5-7 мм.

Следует отметить и упругое последействие. Оно выражается в том, что у панелей, прошедших полный цикл нагружения до разрушения, зарегистрированные остаточные перемещения

(прогибы) с течением времени после снятия нагрузки уменьшаются на 30-40 % (панель выпрямляется).

При испытании по двухпролетной схеме с пролетами по 2 м, разрушающая нагрузка, мало зависит от толщины панели и 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 микроразрушениями внутренней структуры утеплителя и его контактов с обшивками. При этом уровень напряжений в обшивках не превышает 50 МПа, что значительно меньше расчетного сопротивления стали (240 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 пятой главе приведено сравнение результатов полученных на основе расчетов с применением МКЭ на основе разработанной модели и натурного эксперимента. Сравнивалась панель пролетом с толщиной утеплителя 150 мм, высотой гофра 32 мм и толщиной обшивок по 0,6 мм. На рисунке 13

¿к

=2 У-

И

D 2 4 в в 10 12 14 16

Прогаб ■ с*редин* л* рамп нропга.мм

Рисунок 12 - График зависимости прогибов от нагрузки

изображена эпюра нормальных напряжений (ау) в обшивках панели в середине пролета панели. Как видно из рисунка, значения теоретических и

экспериментальных напряжений очень близки, разница составляет не более 5% для верхней обшивки и не более 7% для нижней. Для оценки несущей способности конструкции по второму предельному состоянию представлен график зависимости прогиба панели в середине пролета от нагрузки (рисунок 14).

Как видно из графика, изображенного на рисунке 14, в пределах линейной работы, до 2 кПа, значения расчетных и экспериментальных данных близки, их разница не превышает 9%. Натурный эксперимент показал, что при нагрузке 2,5 кПа разница между расчетом по предложенной модели и реальными

19%. При

Рисунок 13 - Эпюра распределения напряжений в обшивках панели в середине пролета (в числителе МКЭ, в знаменателе экспериментальные данные, МПа; толщина утеплителя панели в мм)

значениями составляет 13%, а при нагрузке при 3 кПа дальнейшем увеличении нагрузки - по результатам экспериментов - прогиб нарастает нелинейно, соответственно разница в значениях увеличивается.

Отмеченное вполне

объяснимо, так как нелинейность связана с началом микроразрушений, а в модель эти параметры не были включены. Для обеспечения безопасной эксплуатации конструкций следует ограничить нагрузку линейной областью работы. Аналогичная ситуация

наблюдается и по напряжениям в обшивках. В таблице 1 представлены данные по результатам натурных экспериментов и теоретических данных при разных нагрузках. Причем при нагрузке 0,98 кПа панель работает линейно, а при нагрузке 2,45 кПа начинается нелинейная работа.

Рисунок 14 - График зависимости прогиба в середине пролета панели от нагрузки

Таблица 1 - Сравнение теоретических и экспериментальных результатов

Нагрузка 0,9 В кПа Разница, % Нагрузка 2,45 кПа Разница, %

Теор. Экспер. Теор. Экспер.

Ствв -33 -34 2,9 -82,5 -90,2 8,5

О.н -4 -4 0 -12 -12,8 6,25

11,9 11,2 6,7 29,75 27,8 6,55

Прогиб 4,93 5,43 9,2 12,3 13,81 10,9

Как видно из представленных дагашх, результаты численного и натурного экспериментов хорошо согласуются. При сравнении напряжений в обшивках в пролете разница не превышает 10%. Значения прогибов, полученных на основе МКЭ и экспериментов, в пределах линейной работы конструкции отличаются не более чем на 5-8%.

Данную модель можно применять для расчетов трехслойных конструкций с маложестким средним слоем и обшивками различной жесткости при работе панели по многопролетной схеме.

Разработанная модель на основе МКЭ является универсальной, позволяет получить достаточно достоверные данные о характере НДС. Однако при проектировании зданий и сооружений проектировщик редко располагает необходимым временем и квалификацией для рассмотрения всей картины НДС панелей, поэтому для практического применения разработана инженерная методика расчета данных панелей.

Согласно разработанной методике напряжения в элементах гофра

определяются по следующим зависимостям. Напряжения в верхней полке

гофрированной обшивки:

N М, , „ ,,ч

Л, 1г

В нижней полке

гофрированной обшивки:

(2)

Аг I, В плоской обшивке:

<г.=^<Л,. (3)

Где М - внешний балочный момент, М„ — момент воспринимаемый

обшивками совместно и раскладывается на пару сил N = , М, - момент

Л + г

воспринимаемый гофрированной обшивкой. Таким образом: М = Мг+ М0. 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 = Мг/ М, значения которого определены по результатам натурного и численного экспериментов и представлены в таблице 2.

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

(4,5)

4»=

е N ¥

: + -С ^- ^М. - N N } М =

Л г ■ ■■1 ■■ Л о„ о«- сг„

Рисунок 15 - Распределение внешнего момента по сечению панели и эпюры распределения натяжений в обшивках

где Ъ„ -ширина прогона, Ъ -ширина панели, й - толщина утеплителя панели, [а7] - прочность утеплителя на сжатие вдоль волокон, [ту2] - прочность утеплителя на сдвиг.

Прогиб определяется по следующей формуле:

(6)

384 О .

где О определяется по формуле:

П = г-Е1обши„ (7)

Коэффициент податливости среднего слоя г зависит от толщины утеплителя (А), качества клея и адгезии обшивок, модуля сдвига утеплителя (О) и получен по результатам испытаний. Значения коэффициента представлены в таблице 3; Е1 о5шшок -т жесткость обшивок.

Таблица 2 - Значение коэффициента к для различных панелей

Толщина Высота гофра, мм

панели, 32 38

мм 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 3 - 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

По результатам испытаний представлены трафики несущей способности панелей в зависимости от толщины утеплителя и пролета.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Исследованы физико-механические свойства минеральной ваты, которая используется в качестве среднего слоя в кровельных панелях. Проведенные исследования позволяют утверждать, что утеплитель имеет ярко выраженные ортотропные свойства. Исследованы физико-механические свойства стали, из которой изготавливаются обшивки кровельной панели.

2 На основании данных, полученных в результате натурных испытаний элементов кровельной панели (обшивки, минеральной ваты, элементов панели), была предложена модель на основе МКЭ с учетом конструктивных особенностей панелей.

3 При анализе результатов расчета тестовых задач на основе МКЭ было определено НДС панели. Установлено, что при однопролетной схеме работы в середине пролета внешний момент воспринимается обшивками, средний же слой при этом нагружен чрезвычайно слабо. При двухпролетной схеме в

середине пролета момент воспринимается обшивками, а над средней опорой момент воспринимается гофрированной обшивкой и утеплителем.

4 Разработана установка с пневматическим нагружением, позволяющая контролировать сдвиг обшивок относительно утеплителя, обжатие утеплителя на опорах, моделировать различные схемы работы панели и величину пролета.

5 Проведено планирование эксперимента. Разработана методика проведения натурных исследований работы кровельных панелей.

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

7 Сравнение экспериментальных и теоретических данных показало, что разница между ними не превышает 10%. Это говорит о достоверности результатов, полученных на основе модели, разработанной на методе конечных элементов.

8 Предложенная инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с маложестким утеплителем и обшивками разной изгибной жесткости при однопролетной и многопролетной схемах работы. Разработаны практические рекомендации по подбору панелей под заданную нагрузку.

Основные положения диссертации опубликованы:

- в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК:

Холопов И.С. Экспериментальные исследования кровельных панелей «сэндвич» 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. - С.107.

- в других изданиях:

1 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.

2 Третьяков Н.В. Экспериментальные исследования трехслойных панелей с минераловатным утеплителем/ Н.В. Третьяков, Е.В.Ильдияров // Информационный бюллетень Строй-инфо №19 (211) от 10 октября 2003.-С. 12.

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

\Ч

4 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-ro Всероссийского семинара посвященного 75-летию НГАСУ (Сибстрин), 2005.-С.344.

5 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.-С.181.

6 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 металл и древесины, Сборник научных трудов, Одесса 2005. - С.252.

7 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. - С. 322.

8 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.

9 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. - С. 28.

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

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

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

1.1 Основные виды трехслойных конструкций, применяемых в строительстве.

1.2 Основные гипотезы расчета трехслойных панелей.

1.3 Цель работы.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПАНЕЛИ.

2.1 Определение физико-механических характеристик материала обшивок.

2.2 Анализ результатов работы обшивок.

2.3 Определение физико-механических характеристик минераловатного среднего слоя

2.3.1 Определение прочности и модуля деформации при сжатии.

2.3.2 Проведение испытаний и обработка данных эксперимента.

2.3.3 Определение модуля деформации минеральной ваты на изгиб.

2.3.4 Определение предела прочности и модуля сдвига минеральной ваты

2.3.5 Определение предела прочности и модуля сдвига заполнителя в составе панели.

2.3.6 Определение прочности и модуля деформации элемента панели на растяжение.

2.4 Анализ результатов испытания минеральной ваты и элементов панели.

Выводы по главе.

3 РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Описание расчетной модели.

3.3 Анализ напряженно-деформированного состояния кровельной панели

3.3.1 Однопролетная схема работы панели.

3.3.2 Двухпролетная схема работы панели.

3.4 Местная устойчивость профилированного листа.

Выводы по главе.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ С' МИНЕРАЛОВАТНЫМ СРЕДНИМ СЛОЕМ.

4.1 Планирование эксперимента.

4.2 Нагрузочное устройство.

4.3 Измерительная аппаратура.

4.4 Подготовка панелей к испытаниям.

4.5 Схема работы и нагружение панелей.

4.6.1 Испытания панелей по однопролетной схеме.

4.6.2 Анализ результатов.

4.7.1 Испытания панелей по двухпролетной схеме.

4.7.2 Анализ результатов.

5 АНАЛИЗ ЧИСЛЕННОГО И НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ТРЕХСЛОЙНЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ.

5.1 Сравнение результатов натурного и численного экспериментов на основе метода конечных элементов.

5.2 Инженерная методика расчета.

5.3 Эксплуатационные нагрузки.

Выводы по главе.

Актуальность работы

Трехслойные кровельные панели с минераловатным средним слоем нашли в настоящее время широкое применение. При достаточной прочности, малой трудоемкости монтажа и легкости они позволяют уменьшить вес ограждающих конструкций в 10-20 раз по сравнению с железобетонными аналогами. Это, в свою очередь, ведет к снижению нагрузок на несущие конструкции и, соответственно, к меньшему расходу материалов. Применение в качестве среднего слоя минераловатного утеплителя на основе базальтового волокна позволяет улучшить огнестойкость панели, а также ее долговечность и экологическую безопасность, сохранив при этом необходимые требования по теплопроводности.

В отличие от достаточно изученного опыта использования таких панелей за рубежом, их эксплуатация в российских условиях имеет ряд особенностей. К ним относятся: большой перепад температур в течение года (от минус 40 в зимний период до плюс 40°С в летний); значительные снеговые нагрузки; длительность воздействия нагрузок, а также многократное повторение за время эксплуатации сооружения.

Следует иметь в виду, что при производстве трехслойных панелей в России используются местные утеплители из базальтовой ваты и клеи, свойства которых отличаются от зарубежных аналогов, что также накладывает отпечаток на характер поведения ограждающих конструкций. Именно поэтому для обеспечения безопасной эксплуатации панелей требуются дополнительные исследования их поведения в условиях российского климата, а также производства. Кроме того, отсутствует достаточно простая, предназначенная для широкого использования, методика расчета таких панелей, учитывающая особенности их работы в реальных условиях.

Цель работы заключается в анализе напряженно-деформированного состояния трехслойных кровельных панелей с утеплителем из базальтовой ваты и с различными по профилю металлическими обшивками с последующей разработкой методики их расчета, позволяющей обеспечить достаточно надежную эксплуатацию конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• Экспериментальное исследование прочностных и деформационных свойств утеплителя из ориентированной базальтовой ваты;

• Экспериментальное исследование прочностных и деформационных характеристик материала обшивок;

• Экспериментальное исследование поведения контактного слоя «утеплитель-клей-обшивка» при нагружении;

• Создание и анализ расчетной модели с использованием метода конечных элементов (МКЭ) с учетом свойств утеплителя и обшивок;

• Натурные испытания кровельных панелей с различными схемами опирания при действии равномерно распределенной нагрузки;

• Сравнительный анализ результатов, полученных при проведении натурных экспериментальных и теоретических исследований;

• Разработка методики расчета кровельных панелей с минераловатным средним слоем по однопролетной и многопролетной схемам работы;

• Разработка практических рекомендаций по выбору кровельных панелей при проектировании.

Методы исследования

При выполнении работы использовались следующие методы: исследование прочностных и деформационных характеристик материалов (утеплителя, обшивок) с использованием современной измерительной техники, натурные испытания панелей при различных схемах нагружения, сравнение результатов с данными, полученными другими исследователями. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния панелей осуществлялся с использованием ЭВМ и расчетных программ, основанных на МКЭ.

На основе анализа полученных данных предложена инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с минераловатным средним слоем.

Научная новизна

1) Разработана расчетная модель трехслойной панели, основанная на МКЭ. На основе исследования этой модели и выполнения расчетов с ее использованием получены следующие результаты:

• при построении модели учтены конструктивные особенности панели, разбивка сетки, разрезка утеплителя на ламели, различная жесткость обшивок, изменение модуля деформации среднего слоя по длине панели, определены типы конечных элементов;

• определено напряженно-деформированное состояние (НДС) панели, соответствующее разрушению, и величины допустимых нагрузок при различных схемах работы;

2) Разработана силовая установка для испытания кровельных панелей, позволяющая моделировать различные схемы работы.

3) Разработана установка для определения свойств минеральной ваты на сжатие, обеспечивающая необходимую длительность и стабильность приложения нагрузки.

4) Разработаны методики испытания материалов и кровельных панелей.

5) На основе экспериментальных и численных исследований выявлены следующие особенности работы трехслойных панелей с маложестким средним слоем и с различными по профилю металлическими обшивками:

• нижняя плоская обшивка работает как мембрана (при различных схемах нагружения);

• верхняя обшивка работает как балка на упругом основании, с изменяющимся коэффициентом постели по длине;

• при величине соотношения пролета панели к ее ширине менее 1,5 критическим состоянием для панели является обжатие утеплителя на опорах;

• при величине соотношения пролета панели к ее ширине более 1,5 происходит сдвиг обшивок относительно среднего слоя с последующей потерей устойчивости верхней профилированной обшивки.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований

1) Выполненные расчеты и исследования НДС трехслойных панелей с минераловатным средним слоем позволили получить новую информацию об их прочностных и жесткостных характеристиках. 2) В результате проведенных исследований построены экспериментально обоснованные графики и таблицы зависимости несущей способности кровельных панелей от их толщин и пролетов, предназначенные для практического использования (при проектировании). 3) Разработана и экспериментально проверена методика расчета панелей, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать поведение конструкций под нагрузкой.

Исследования по теме диссертации ведутся с 2003 года, выполнялись при заинтересованности и поддержке заводов-изготовителей данных панелей. За выполненные исследования в 2006 году был получен грант в «III областном конкурсе» в разделе «Технические науки» по направлению «Строительство и архитектура».

По результатам экспериментальных исследований составлены и переданы отчеты о несущей способности и характере работы кровельных панелей заводам «Термостепс-МТЛ» и «Электрощит». Результаты исследований, таблицы несущих способностей и методики расчета используются проектными организациями Самарской области, а также в учебном процессе Самарского государственного архитектурно-строительного университета. В подтверждение этого в приложении представлено девять справок о внедрении результатов исследования на производственных предприятиях, а также акт об их внедрении в учебный процесс СГАСУ.

Публикации и апробация

Основные результаты содержания диссертационной работы нашли отражение в двадцати пяти публикациях в отечественных и международных изданиях, в том числе, одна статья - 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, заключения и списка литературы (101 наименование), включает 37 таблиц, 155 рисунков. Основное содержание диссертации изложено на 163 страницах машинописного текста.

1. Александров А.Я., Брюккер Л.Э., Куршин A.M., Прусаков А.П. Расчет Трехслойных панелей. - М.: Оборонгиз, 1960.

2. Александров А.Я., Бородин М.Я., Павлов В.В. Конструкции с заполнителями из пенопластов под. ред. Александрова А.Я. — М.: Оборонгиз, 1962.

3. Александров А.Я., Трофимова Э.П. Определение приведенных упругих параметров сотовых заполнителей трехслойных панелей. Вопросы расчета элементов авиационных конструкций, вып. 2. - М.: Оборонгиз, 1959.

4. Амбарцумян А. Общая теория анизотропных оболочек, главная редакция физико-математической литературы. - М.: Наука, 1974.

5. Паншин Б.И. Клеи и технология склеивания. — М.: Оборонгиз, 1960.

6. Батрак В.Е. Автореферат на соискание к.т.н. Исследование напряженно-деформированного состояния трехслойных панелей с учетом ползучести пенополиуретана. — М., 1982.

7. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. — М.: Высшая школа, 1961.

8. Бровченко М.Д., Ткаченко П.А. Расчет трехслойных панелей симметричного по толщине строения. — «Вестник Львовского политехнического института, №113. Вопросы современного строительства», 1977.

9. Хант В. Современные навесные стеновые панели. Пер. с англ. Галкина Я.Г. - М.: изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1962.

10. Вольмир А.С. Гибкие пластины и оболочки. - М., 1956.

11. Воронович А.П. Устойчивость обшивки с заполнителем при сжатии и сдвиге, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1948.

12. Гнип И.П. Исследование остаточных деформаций при сжатии минераловатных плит повышенной жесткости. Теплоизоляционные материалы на основе минеральной ваты. Сборник трудов. ВНИИтеплоизоляция, 1985.-С. 127.

13. ГОСТ 21562-76 Панели металлические с утеплителем из пенопласта общие технические условия.

14. ГОСТ 22695-77 Панели стен и покрытий зданий слоистые с утеплителем из пенопластов. Пенопласты, методы испытаний на прочность.

15. ГОСТ 23404-86 Панели легкие ограждающие с утеплителем из пенопласта. Метод определения модулей упругости и сдвига пенопласта.

16. ГОСТ 23486-79 Панели металлические трехслойные стеновые с утеплителем из пенополиуретана. Технические условия.

17. Григолюк Э.И. Уравнения трехслойных оболочек с легким заполнителем. Изв. АН СССР. ОТН. 1957. №1.

18. Григолюк Э.И., Кирюхин Ю.П. Линейная теория трехслойных оболочек с жестким заполнителем. Изв. СО АН СССР, 1962. №3.

19. Губенко А.Б. Строительные конструкции с применением пластмасс. - М.: изд-во литературы по строительству, 1970.

20. Губенко А.Б., Клятис Г.Я., Шоболов Н.М. Трехслойные конструкции покрытия с металлическими обшивками. - М., 1977.

21. Губенко А.Б. Строительные конструкции с применением пластмасс. - М.: Строиздат, 1970.

22. Губенко А.Б., Клятис Г.Я., Новокрещенов П.П. Трехслойные стеновые панели с конструкциями с металлическими обшивками (обзор). - М., ЦИНИС Госстоя СССР, 1976.

23. Давиденко Д.Ф. Об одном новом методе численного решения систем нелинейных уравнений, ДАН СССР, 1953, том XXXVIIV №4.

24. Демченко Д.Б. Автореферат на соискание к.т.н. Экспериментально- теоретическое изучение несущей способности шестиугольной трехслойной панели покрытия. -Ростов-на-Дону, 1999.

25. Доминчик В., Корыцки О., Меуш В. и др. Легкие ограждающие конструкции в строительстве, под ред. Кармилова С. - М.: Стройиздат, 1986.

26. Ермолов СБ. Расчет трехслойных панелей со средним слоем из пенопласта. Строительная механика и расчет сооружений, №1, 1965.

27. Железный В.И. Опыт эксплуатации наружных ограждений промышленных зданий из алюминиевых панелей. - «Колыма», 1968, №3.

28. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомнатных систем. — М.: Наука, 1976.

29. Зубарев Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. «Промышленное и гражданское строительство», 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1990.

30. Иванов A.M., Алгазинов К.Я., Мартинец Д.В. и др. Конструкции с применением пластмасс. — М.: Высш. школа, 1967.

31. Ильдияров Е.В. Диссертация на соискание ученой степени маги стара, 2003.

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

33. Кармилов С С , Шоболев Н.М. Металлические конструкции, совмещающие функции несущих и ограждающих. Материалы по металлическим конструкциям. — М.: Строиздат, 1975, вып. XVIII.

34. Карпов В.В. Геометрически нелинейные задачи для пластин и оболочек и методы их решения. - СПб.: АСВ, 1999.

35. Каталог фирмы «Trimo», 2002.

36. Каталог фирмы «Нордпрофиль», 1999. 3 7 Каталог фирмы «Парок», 2001.

37. Каталог фирмы «Петропанель», 2000.

38. Каталог фирмы «Стройпанель», 1999.

39. Каталог фирмы «ТЕРМОСТЕПС-МТЛ», 2002.

40. Каталог фирмы «Электрощит ТМ» Самара, 2003.

41. Кобелев В.Н., Коварский Л.М., Тимофеев С И . Расчет трехслойных конструкций: справочник, под общ. ред. Кобелева В.Н. — М.: Машиностроение, 1984.

42. Кротов А.П. Конструкция плиты-фермы из алюминия и пластмасс для покрытий промзданий. Ограждающие конструкции промышленных зданий. - М . : Стройиздат, 1968.

43. Куршин Л.М. Уравнения трехслойных пологих и непологих оболочек. Расчеты элементов авиационных конструкций. Вып. 3. — М.: Машиностроение, 1965.

44. Куршин Л.М. Обзор по расчету трехслойных пластин и оболочек, сб. «Расчет пространственных конструкций» вып. УП. — М.: Стройиздат, 1963.

45. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций: учеб. пособие для студентов вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2003.

46. Лычев А.С., Дмитриев В.В. Статистическая обработка опытных данных и планирование эксперимента. — Куйбышев: ГУ, 1977.

47. Мартемьянов В.И., Осетинский Ю.В. Трехслойные строительные конструкции. — Ростов-на-Дону, 1977.

48. Марцинкевич Д.В. Автореферат «Исследование прочности, жесткости и местной устойчивости вальцованных профилированных листов поперечно рифлеными гранями». - Екатеринбург, 1995.

49. Меркулов, Коган И.Л., Курячий А.И., Данилин Ю.Я. Сборно- разборные здания для северо-востока страны. — М.: Цветметинформация, 1973.

50. Металлические ограждающие конструкции покрытий и стен одноэтажных производственных зданий в виде трехслойных панелей с теплоизоляцией из пенополиуретана, изготавливаемых на механизированных линиях непрерывным способом. РЧ (КМ). Шифр 410-72, вып.2.

51. Мещерякова Е.В. Автореферат «Напряженно-деформированное состояние многослойных конструкций покрытия на основе тонкостенных холодноформованных профилей». — Воронеж, 2007.

52. 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. - 257.

53. Муравьев Ю.А. Новые облегченные конструкции для возведения производственных сельскохозяйственных зданий. - М.: Стройиздат, 1974.

54. Мурашкин Г.В. Сахаров А.А. Известия ВУЗов, строительство 1992 №2

55. Муштари Х.М. Об устойчивости цилиндрической оболочки под действием неравномерной нагрузки. Тр. ФТИ, Казанский филиал АН СССР. Вып. 1. Казань, 1954.

56. Муштари Х.М., Галимов К.З. Нелинейная теория упругих оболочек. — Казань: Таткигоиздат, 1957.

57. Муштари Х.М., Прохоров С В . Об устойчивости цилиндрической оболочки при неравномерном обжатии. Тр. КХТИ. Вып. 22. — Казань, 1958.

58. Н.А. Алфутов, П.А. Зиновьев, Б.Г. Попов Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. - М.: «Машиностроение», 1984.

59. Нагрузова Л.П. Автореферат на соискание д.т.н. Технология изготовления теплоэффективных легких наружных ограждений с применением слабогорючего полимеркомпозитного утеплителя. — М., 2004.

60. Наумова М.П. Автореферат «Оптимальные параметры трехслойных пластин и оболочек с заполнителем при сжатии и нагреве». -Новосибирск, 1983.

61. Нетудыхата Ю.Я. Конструкции утепленных промзданий. - М., Стройиздат, 1972.

62. Новиков P.M. Трехслойные плиты с гофрированными несущими слоями. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. — М., 1970.

63. Новое в технологии трехслойных конструкций с применением пластмасс. Под ред. Губенко А.Б. - М.: Стройиздат, 1972.

64. Окопный Ю.А., Радин В.П., Чирков В.П. Механика материалов и конструкций: учебник для вузов. 2-е изд., доп. — М.: Машиностроение, 2002.

65. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчет модели сооружений и возможность их анализа. - М.: ДМК Пресс, 2007.

66. Пикуль В.В. Теория и расчет слоистых конструкций. — М.: Наука, 1985.

67. Поваляев М.И., Татаркин Е.Р., Большаков Л.Д. Опыт применения пенопластов для утепления покрытий промышленных зданий. — «Промышленное строительство», 1970, №6.

68. Прочность, устойчивость колебания. Справочник. - М.: Машиностроение, 1968. Т2

69. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Под ред. д.т.н. Биргера И.А. и чл.-корр. АН Латвийской ССР Пановко Я.Г. ТЗ

70. Расе Ф.В., Аскеров А. Деформативность и напряженное состояние трехслойных панелей с обшивками из фанеры. Межотраслевые вопросы строительства (отечественный опыт). - М.: ЦИНИС, 1970, №8.

71. Расчет конструкций с применением пластмасс, под ред. к.т.н. Расса Ф.В. и инж. Ермолова С Б . - М . : Стройиздат, 1974.

72. Рекомендации по расчету трехслойных панелей с металлическими обшивками и заполнителем из пенопласта. Инж. Ермолов СБ., к.т.н. Тюзнева О.Б., инж. Брагина Л.В. — ЦНИИ строительных конструкций им. В.А.Кучеренко, 1976.

73. Реферативная информация, ЦИНИС Госстроя СССР, 1975, серия VIII, вып. 8, с.13-19.

74. Ржаницын А.Р. Предельное равновесие пластинок и оболочек. - М.: Наука, 1983.

75. Ржаницын А.Р. Составные стержни и пластики. — М.: Стройиздат, 1986.

76. Тимашев А. Устойчивость подкрепленных оболочек. - М., Стройиздат, 1974.

77. Саргсян А.Е., Демченко А.Т., Дворянчиков Н.В., Джинчвелашвили Г.А. Строительная механика. Основы теории с примерами расчетов: учебник/ Под. ред. Саргсяна А.Е. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк, 2000.

78. Семушкин О.Г. Механические испытания металлов. Учебное пособие для проф.-техн. училищ. — М.: Высшая школа, 1972.

79. Сергеев М., Мете М.О. Предварительно-напряженные объемнобалочные системы большепролетных покрытий. — Промышленное строительство, 1972, №4.

80. СНиП «Нагрузки и воздействия».

81. СНиП П. 23-81. Стальные конструкции. - М., 1988.

82. СНиП И.25-80 Деревянные конструкции. - М, 1982.

83. Тамплон Ф.Ф. Автореферат на соискание к.т.н. Металлические ограждающие конструкции промышленных зданий для районов с суровым климатом.-М., 1992.

84. Тамплон Ф.Ф., Крохалев В.Г. Исследование металлических двухслойных панелей. - Изв. высш. учеб. заведений. Строительство и Архитектура. 1974, №5.

85. Тамплон Ф.Ф. Металлические ограждающие конструкции (для зданий, возводимых в суровых климатических условиях). — Л.: Стройиздат, 1988.

86. Тамплон Ф.Ф., Николашкин Г.А. Натурные обследования кровель и стен из алюминиевых панелей. - «Промышленное строительство», 1970, №9.

87. Терегулов А.Г., Муштари Х.М. Об устойчивости трехслойных оболочек с упруговязким заполнителем. Механика и машиностроение. — М., 1964.

88. Тимошенко С П . Курс теории упругости. - Киев: Наукова Думка, 1972.

89. Третьяков Н.В. Исследование несущей способности профилированных обшивок трехслойных панелей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М., 1976.

90. Трехслойные панели в сборно-разборном строительстве, под. ред. к.т.н. Бровченко М.Д. — Львов: Вища школа, 1978.

91. ТУ 67-651-84 «Панели трехслойные стеновые со стальными обшивками и минераловатным утеплителем» (шифр чертежей 168-07-01/3)

92. Штамм К., Витте Г. Многослойные конструкции, под ред. Кармилова С. - М.: Стройиздат, 1983.

93. Robertson.- Проспект фирмы «Robertson» (Великобритания). Международная выставка «Строиматериалы-71» в Москве, 1971.

94. Anderson Н. Доклад на симпозиуме фирмы «Bayer» в г. Владимир в октябре 1975 г. Leverkusen. 1975, 58 с.

95. Baker Е.Н. Experimental inverstigation of sandwich cylinders and cones subjected eo axial compression. AIAA Journal, 1968.

96. Rossi G.A., Johnston J.H. Composite sandwich for small unmanned deep- submergence vehicles. Pap. Amer. Soc, Mech., Eng.,1965, N.UnT-2.P.8.

97. Somatherm - Проспект фирмы «Metecno». Milano, 1974, 8 p.

98. Van der Neut A., - Die Stabilitat geschichteterStreifen (Plaaen), National 1.uchtvaartlaboratorium (Holland), Bericht Nr. 284 (286), Amsterdam, 1943.

99. Giencke, E.Ein einfacher Stabilitatsnachweis fur Schalen aus Hoesch- Sandwichelementen. Hoesch, Berichte aus Forschung und Entwicklung Werke 4 (1969)