автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа многослойных панелей на продольно-поперечный изгиб

Б О»

, ц ^

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНЫЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЕГКИХ КОНСТРУКЦИЙ

На правах рукописи ЧЕРНОИВАН НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УДК 691.714-405.8-419.3

РАБОТА МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ НА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНЫЙ ИЗГИБ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания

и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре строительных конструкций Брестской политехнического института Министерства образования Республию Беларусь и в Центральном научно-исследовательском, проектном i конструкторско-технологическом институте легких конструкций Гос строя России

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор, академик РИА Чистяков A.M.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

профессор Смирнов В.А. - кандидат технических наук, с.н.с. Беляев В.Ф.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - ЗАО "Монопанель"

Защита состоится ".jfP" С^Л i^l-tju" 199$r. в iL

часоЕ

на заседании специализированного Совета К100.01.01 в Центральнол научно-исследовательском, проектном и конструкторско-технологи ческом институте легких конструкций по специальности 05.23.0' "Строительные конструкции, здания и сооружения".

Адрес института: 123022, Москва, ул. Красная Пресня, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан Я 1998 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, к.э.н.

И.Л.Апарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С использованием легких ограждающих конструкций возведено большое количество различных зданий и сооружений. Основной объем из всех применяемых в строительстве слоистых панелей составляют 2-х и 3-х слойные панели с металлическими наружными обшивками и эффективными утеплителями из пенопластов и изделий из минеральной ваты. Такие ограждающие конструкции отличаются малой собственной массой, технологичностью изготовления, транспортабельностью и простотой монтажа. Легкое стеновое ограждение на основе слоистых панелей имеет высокие теплотехнические характеристики, соответствующие действующим нормативам по теплозащите зданий (изменение № 3 к СНиП 11-3-79** "Строительная теплотехника"). Это позволяет использовать легкое стеновое ограждение на основе слоистых панелей при возведении общественных и жилых зданий.

Однако широкое применение этих конструкций для указанных типов зданий сдерживается рядом факторов:

- повышенной деформативностью ограждения при действии суточ-

ных и сезонных температурных перепадов и солнечной радиации, что приводит к увеличению воздухопроницаемости стыков панелей, снижению теплотехнических характеристик панелей (усталостное разрушение утеплителей на основе ячеистых полимеров и их повышенная деформативность, особенно изделий из минеральной ваты);

- низкой огнестойкостью применяемых утеплителей (пенополиуре-тановые композиции и полистирол);

- увеличением затрат на обустройство интерьера помещений, свя-

занных с наличием элементов каркаса.

С целью устранения указанных недостатков необходимо дальней-иее совершенствование конструктивных решений слоистых панелей. Эдним из перспективных направлений в этой области является использование конструктивного решения зданий по принципу "шубой наружу". В этом случае металлический профилированный лист с внутренней стороны подкрепляется листом на дискретных связях, а с наружной - трудно--орючим пенопластом марки "Пенорезол".

Цели и задачи работы. Основная цель заключается в разработке конструкции многослойной панели по принципу "шубой наружу"; разработке методики расчета слоистых конструкций на дискретных связях, работающих в условиях продольно-поперечного изгиба.

В соответствии с этим автором при выполнении настоящей работы поставлены следующие задачи:

- разработать конструктивное решение несущей многослойной панели, предназначенной для применения в жилых и общественных зданиях ИЛ/ степени огнестойкости;

- экспериментально определить несущую способность панелей при

продольно-поперечном изгибе;

- разработать методику расчета конструкции;

- экспериментально исследовать несущую способность, характер статической работы и податливость дискретных связей соединения стального профилированного листа и подкрепляющего элемента многослойной панели;

- разработать предложения по конструктивному решению узлов соединения многослойных панелей с каркасом здания.

Научная новизна работы:

- по результатам проведенных исследований изучена устойчивость

"в большом" подкрепляющего элемента конструкции при продольно-поперечном изгибе;

- разработана методика расчета многослойной панели с учетом нелинейности ее работы в условиях продольно-поперечного изгиба;

- определены несущая способность и податливость основных видов точечных связей, соединяющих профилированный стальной лист с подкрепляющим элементом.

Практическая значимость:

- определен характер предельного состояния многослойной конст-

рукции при продольно-поперечном изгибе;

- получены численные значения податливости болтового и винтового соединений, использованных в качестве дискретных связей основного несущего элемента базовой двухслойной панели и подкрепляющего элемента;

- даны предложения по конструктивному решению узлов соедине-

ния несущих многослойных панелей с элементами каркаса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается достаточным объемом экспериментальных данных и сходимостью их с результатами расчета на основе аналитических формул; практическим внедрением многослойной конструкции при строительстве экспериментального объекта.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции, посвященной 30-летию Брестского политехнического института (г. Брест, 1996 г.); XXV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов "Проблемы и перспективы современных строительных конструкций и технологий" (г. Брест, 1998 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов работы, списка литературы из 145 наименований, содержит 106 страниц машинописного текста, 16 таблиц и 42 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности направления исследований и кратко изложено основное содержание глав диссертации.

В первой главе рассмотрены конструктивные решения легких ограждающих конструкций. Отмечено, что на сегодня разработано достаточно большое количество различных типов слоистых ограждающих конструкций, которые по конструктивному решению делятся на трехслойные и двухслойные (монопанели).

По способу изготовления легкие стеновые панели подразделяют на два основных вида: панели заводского изготовления и конструкции послойной построечной сборки.

Конструкции послойной сборки имеют следующие преимущества:

- отсутствие межпанельных стыков, позволяющее повысить тепло-

технические характеристики ограждения;

- возможность применения трудносгораемых и несгораемых утеплителей, что повышает огнестойкость конструкций.

Преимуществами панельных стен по отношению к конструкциям послойной сборки являются:

- сокращение в 5-8 раз монтажных трудозатрат;

- высокая заводская готовность основных элементов - панелей;

- снижение массы ограждающих конструкций в 2-2,5 раза;

- наличие производственной базы для массового изготовления конструкций.

Широкое применение в практике строительства как за рубежом, так и в странах СНГ нашли трехслойные стеновые панели с металлическими обшивками. Накоплен значительный опыт применения таких конструкций.

Но снижение теплотехнических характеристик в процессе эксплуатации стеновых панелей с металлическими обшивками, вызванное влиянием циклических температурных перепадов и воздействием солнечной радиации, а также низкая огнестойкость эффективных утеплителей на основе ячеистых полимеров, сдерживают массовое применение таких конструкций при возведении жилых и общественных зданий.

Кроме того, все известные стеновые панели отечественного производства являются навесными и ориентированы на применение в промышленных зданиях и сооружениях.

Разработанная в Центральном научно-исследовательском, проектном и конструкторско-технологическом институте легких конструкций (г. Москва, Россия) двухслойная панель, состоящая из профилированного оцинкованного стального листа и трудногорючего пенопласта марки "Пенорезол", за счет конструирования зданий по принципу "шубой наружу" позволяет полностью исключить влияние температурных перепадов и солнечной радиации.

Трудносгораемость монопанели и наличие производственной базь по ее изготовлению в г. Талдом (Московская область) позволили использовать ее в качестве базового элемента для многослойной ограждающей конструкции.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных методике расчета слоистых конструкций на продольно-поперечный изгиб.

Рассмотрена работа И.Н.Власенко и С.Б.Ермолова, посвященна* вопросам расчета трехслойных панелей со сплошным средним слоем 6

свободно опертых по двум противоположным сторонам и работающих в условиях продольно-поперечного изгиба. Авторы предложили систему равновесия трехслойной панели, используя общепринятые допущения.

Проанализирована работа Ф.В.Расса, С.А.Аскерова, А.П.Кротова, В.В.Карпова, где рассмотрена методика расчета трехслойной панели с легким заполнителем, работающей в условиях сложного изгиба. Полученное авторами решение учитывает влияние на ее прогиб и устойчивость дополнительных сдвигов от различного обжатия обшивок при вне-центренном приложении продольной силы.

Анализ рассмотренных работ показал, что принятые в них допущения не отражают действительную работу многослойных панелей на дискретных связях, что обусловило необходимость разработки методики расчета таких конструкций.

Вторая глава посвящена разработке конструктивного решения многослойной стеновой панели и быстровозводимых зданий на ее основе.

Исследован вопрос выбора эффективного несущего элемента стеновой панели. Исходя из технологии изготовления слоистых панелей, работы обшивок таких конструкций и накопленного опыта эксплуатации ограждения из легких конструкций предложено в качестве основного несущего элемента использовать стальной профилированный лист.

Основываясь на результатах исследований стальных профилированных листов, выполненных В.Ф.Беляевым, Е.И.Шкловским, Э.Л.Айрумяном, Ф.Ф.Тамплоном и другими, определены рациональные формы поперечного сечения стальных профилированных листов, которые могут быть использованы в качестве основного элемента многослойной стеновой панели.

На основании расчетов с использованием предложенного критерия оценки эффективности поперечного сечения (ы) рекомендовано в качестве несущего элемента стеновой панели использовать профилированные листы Н57-750-0.7 и Н75-750-0.7.

Рассмотрен вопрос выбора эффективного базового элемента многослойной панели. Наличие производственной базы и преимущества, заложенные в конструктивном решении "шубой наружу", позволили в качестве базового элемента принять двухслойную панель, разработанную в

Центральном научно-исследовательском, проектном и конструкторско-технологическом институте легких конструкций (г. Москва, Россия).

Анализ работ Ф.Ф.Тамплона, В.Н.Спирова, А.П.Кротова, В.В.Федорова, О.Б.Тюзневой, С.Б.Ермолова, В.Г.Крохалева и других, посвященных исследованиям несущей способности двухслойных панелей с приформованным утеплителем показал целесообразность применения таких конструкций в качестве базового элемента для несущих стеновых панелей.

Был рассмотрен вопрос использования в качестве подкрепляющего элемента наиболее перспективных материалов: фосфостеклопласти-ка, фанеры, гипсокартона, гипсоволокнистых и цементно-стружечных плит.

На основании проведенных поисковых исследований рекомендовано использовать в качестве подкрепляющего элемента листы фанеры клееной березовой марки ФСФ.

С целью упрощения технологических операций по прикреплению подкрепляющего элемента (листа фанеры) к стальному профилированному листу предложено использовать болтовые соединения или соединения на самонарезающих винтах (саморезах).

Предлагаемая конструкция многослойной стеновой панели на основе базового элемента приведена на рис. 1.

Также представлены эффективные решения конструктивных элементов быстровозводимых зданий общественного и жилого назначена на основе многослойных панелей:

- покрытий и кровли (полимерная (рис. 2а) и металлическая (рис 26));

- многослойных стен зданий (рис. 2в);

- теплых полов и межэтажных перекрытий;

- внутренних стен (перегородок).

Третья глава посвящена разработке методики расчета и экспе риментальным исследованиям несущей способности многослойной сте новой панели на дискретных связях, работающей на продольно поперечный изгиб.

Рис. 1. Многослойная стеновая панель:

1-профилированный стальной лист; 2-трудно-горючий пенопласт; З-подкрепляющий элемент; 4-защитно-декоративное покрытие; 5-са-морез (с^=5 мм); 6-стальная подкладка (1>2,5 мм); 7-усиливающая шайба (1=1 мм).

Рассматриваемая многослойная стеновая панель с точки зрени; статической работы представляет собой сжато-изогнутую двухслойнук составную пластину.

Соединения между несущими слоями пластины являются упруго податливыми при сдвиге и абсолютно жесткими в направлении нормал1 к срединной плоскости пластины. Поэтому при расчете общего напря женного состояния пластины дискретные связи были заменены эквива лентными континуальными связями, распределенными равномерно п< всей ее площади.

Материалы несущих слоев пластины ортотропны. Для каждого и: них справедлива гипотеза прямых нормалей. В связи с тем, что панел! оперта только по двум коротким кромкам и работает в условиях одноос ного сжатия и цилиндрического изгиба (рис. За), расчет ее общего на пряженно-деформированного состояния был произведен для полосю единичной ширины.

Расчет многослойной панели производился на основе системь уравнений, предложенной А.Р.Ржаницыным для расчета составных пла стинок. Влияние продольной силы на прогиб пластины было учтено час то применяемой зависимостью: \Л/т = \Л/К, (1)

где К = М" , Мя-М'

здесь М- продольное усилие, действующее на пластину в целом.

Решение системы уравнений было получено в тригонометрически рядах. Согласно ему можно определить прогиб конструкции и суммарно! сдвигающее усилие в связях.

Нормальные напряжения в слоях и общая устойчивость многс слойной панели как сжатой пластины проверяются согласно известны! формулам теории составных стержней и пластин, предложенно А.Р.Ржаницыным.

Особенностью конструкции панели является дискретное по е длине расположение связей между слоями. По ширине панели связ расположены достаточно часто так, что их можно считать равномерн распределенными по линии. Следствием дискретности связей являете различие перемещений слоев между линиями соединения, особенно ве роятное при наличии начальной погиби каждого из них. При этом харан 10

терным видом предельного состояния подкрепляющего элемента, помимо прочности, является его местная потеря устойчивости между линиями соединения слоев. Этот вид работы подкрепляющего элемента сжато-изогнутой многослойной панели требует учета местного расположения связей. В зависимости от эксцентриситета приложения продольной нагрузки и начальной погиби подкрепляющего элемента его потеря устойчивости может иметь форму выпучивания по Эйлеру, быстрого нарастания прогиба в результате превалирующего влияния начальной погиби, либо, что наиболее вероятно при существенной изгибной жесткости слоя, перескока на несмежную форму равновесия, т.е. прощелкивания (рис. 36). В работе было уделено особое внимание рассмотрению последнего варианта, т.к. в исследуемой слоистой системе он обычно является определяющим.

Определив напряженно-деформированное состояние подкрепляющего элемента в системе составной пластины с помощью метода сил, перешли к проверке его устойчивости "в большом". Подкрепляющий элемент был рассмотрен как самостоятельная пластина, в которой влияние на нее отброшенных связей было заменено возникающими в них усилиями. Расчет выполнялся энергетическим методом для выделенной полосы единичной ширины.

Для определения критической силы потери местной устойчивости подкрепляющего элемента "в большом" использовался метод Рица с аппроксимацией упругого прогиба и начальной погиби подкрепляющего элемента рядами синусов.

После подстановки рядов в функционал энергии и интегрирования по длине пластины с учетом ортогональности тригонометрических функций, было получено уравнение энергии для случая расположения промежуточных связей в третях пролета:

'оп

+

(2)

где О,, - изгибные жесткости полосы единичной ширины соответственно подкрепляющего элемента и профилированного листа; А„„ -общий прогиб многослойной панели; А,„ - прогиб подкрепляющего элемента; \Л/0 - начальная погибь подкрепляющего элемента; Ь - пролет панели; Ы, - продольная фактически действующая сила в подкрепляющем элементе на 1 см ширины панели; Ме - изгибающий момент от вне-центренного приложения продольной нагрузки; Т, - суммарное сдвигающее усилие в ¡-той связи, - расстояние от опоры до ¡-той связи при симметричной расстановке последних; X, - реакция связи в точке ¡=1,2...к...т выделенной полосы единичной ширины; т - число промежуточных связей по длине пролета выделенной полосы.

Используя (2), Мсг можно определить обычным путем из условия с!Э/с1М = 0. Но в данном случае это связано с громоздкими, неудобными вычислениями. Проще это сделать путем численного расчета по графику зависимости Э(Ы) (рис. 4).

Для проверки местной устойчивости полок и наклонных граней профилированного листа, подкрепленного припененным пенопластом, были использованы формулы, предложенные Ф.Ф.Тамплоном для расчета двухслойных панелей.

Одним из исходных данных для выполнения расчета многослойных стеновых панелей по разработанной методике является значение коэффициента жесткости связей сдвига Учитывая, что численные значения этого коэффициента можно получить только на основании экспериментальных исследований в работе, предложена методика проведения таких испытаний.

Исходя из условий работы материалов (тонкий металлический лист и фанера) в узлах соединений на болтах и саморезах, было изготовлено и испытано шесть различных групп образцов.

В образцах групп 1-111 и V, VI для соединения стального профилированного листа толщиной 0,7 мм с фанерой толщиной 10 мм были использованы саморезы диаметром 5 мм. Соединение элементов в образцах типа IV выполнялось на болтах диаметром 6 мм.

По итогам проведенных испытаний была определена несущая способность соединений и установлена зависимость деформаций от величины приложенной нагрузки.

Сравнение данных испытаний с результатами поверочных расчетов, выполненных по действующим методикам, показало, что фактическая несущая способность предложенных групп соединений значительно выше полученных по расчету (почти в 1,75 раза для соединений на са-морезах; более чем в 1,3 раза для соединений на болтах повышенной точности).

Оценка состояния образцов после их разрушения позволила выявить основные причины, приведшие к исчерпанию несущей способности соединений. На основании анализа результатов испытаний были даны рекомендации по выбору типа соединения.

В соответствии с поставленными задачами были проведены статические испытания на продольно-поперечный изгиб серии натурных образцов панелей. Образцы состояли из стального профилированного листа Н75-750-0.8 и прикрепленного к нему на болтах листа фанеры толщиной 4 мм.

Соединение листа фанеры по длине образца осуществлялось с помощью односторонней фанерной накладки толщиной 4 мм на клею ПВА.

Образцы имели размеры в плане 2870x560 мм. Испытания натурных образцов производились в Научно-техническом центре Министерства архитектуры РБ (г. Брест) на специально изготовленном оборудовании, позволяющем создавать изгибающий момент. Загружение натурных образцов выполнялось ступенями до 100 кг до исчерпания несущей способности.

Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить характер работы конструкции при продольно-поперечном изгибе. По результатам данных испытаний были построены графики зависимости стрелы прогиба от величины приложенной нагрузки (рис. 5).

Определен максимальный изгибающий момент, который может быть воспринят многослойной стеновой панелью при эксплуатации здания.

4 з г

/- 1 у т 1 1 I

и

2/ 2} М 1 750

М

Рис. 3. Расчетная схема многослойной стеновой панели - а; схема деформации панели - б.

Рис.2. Схемы устройства ограждающих конструкций: а - покрытие с кровлей из полимерного материала; б - покрытие с металлической кровлей; в - несущая стена; 1 - стальной профилированный, оцинкованный и окрашенный лист; 2 - трудногорючий пенопласт; 3 - полимерная гидроизоляция; 4 - полимерная накладка для заделки стыка; 5 - несущая конструкция; 6 - фосфостек-лопластик, водостойкая строительная фанера, цементностружечные или гипсо-волокнистые плиты; 7 - штукатурка «под шубу»; 8 - кирпич; 9 - саморез.

Э/Эшах

1.0 0.5 О

-0.5 -10 -1.5

-г. о

-2.5

г

Л X

Л

/

0.1 N. кН/см

Рис. 4. Определение критического усилия местной потери устойчивости «в большом» подкрепляющего элемента: 1 - характер энергетического барьера; 2 - теоретическое значение критического усилия; 3 - экспериментальное значение критического усилия.

мм

Я7Т

о. г

N. кН/см

Рис. 5. Зависимость стрелы проги нагрузки: 1,2- для панели в целом периментальная и теоретическая к соответственно; 3, 4 - для пoдкpeпля^ элемента между точками его присое ния к профилированному листу - экс ментальная и теоретическая кривая ветственно.

О

Исследования показали, что местная потеря устойчивости подкрепляющего элемента "в большом" произошла при нагрузке 0,16 кН/см, что близко к теоретическому значению критического усилия.

Четвертая глава посвящена разработке предложений по конструктивному решению узлов соединения многослойных стеновых панелей с каркасом здания, а также технологии производства монтажных работ.

Представлены архитектурно-планировочные решения зданий коттеджного типа на основе многослойных панелей, учитывающие как традиционный образ жизни в северной и южной России, так и западный образ жизни. Учитывая неблагоприятную экологическую ситуацию в крупных городах и вокруг них, предложено в возводимых зданиях применять эффективные вентиляционные системы жизнеобеспечения. Для этих целей планируется прокладку коммуникаций осуществлять в межлистовом пространстве.

Рассмотрены основные конструктивные решения узлов соединения многослойной стеновой панели с каркасом. В целях рационального использования внутреннего каркаса предложено использовать его в качестве несущих элементов встроенной мебели. Это позволит снизить затраты на отделку помещений, уменьшить нагрузку на межэтажные перекрытия, повысить устойчивость элементов внутреннего каркаса.

Разработана технология производства работ при возведении общественных и жилых зданий с использованием многослойных стеновых панелей.

Рассмотрены основные варианты защиты пенопласта от механических и температурно-влажностных воздействий. Дана технология устройства защитно-декоративной отделки зданий наиболее перспективными материалами:

декоративно-защитными штукатурными массами йгууй ("Драйвит");

- декоративно-отделочным материалом Ваугагтпх ("Байрамикс");

- отделочный кирпич производства Италии;

- штукатуркой "под шубу".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана конструкция многослойной стеновой панели, включающая: профилированный стальной лист, внутренний подкрепляющий элемент и слой трудногорючего пенопласта, обращенный наружу. Установлено, что введение в конструкцию монопанели подкрепляющего элемента позволяет: улучшить теплотехнические характеристики многослойной конструкции; увеличить на 7...30% несущую способность панели; использовать ее для несущих стен общественных и жилых зданий.

2. Разработана инженерная методика расчета многослойных панелей на продольно-поперечный изгиб.

3. Построен график зависимости Э(ы), позволяющий определить

величину критической силы потери местной устойчивости "в большом" подкрепляющего элемента. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчета, расхождение не превышает 14%.

4. Выполненные статические испытания шести групп болтовых и винтовых (на саморезах) соединений, предложенных для использования в качестве дискретных связей тонкого металлического профилированного листа с листом фанеры, позволили на основании полученных зависимостей податливости соединений от величины приложенной нагрузки выбрать наиболее эффективные из них.

5. Установлено, что наибольшую несущую способность имеют рекомендуемые соединения с использованием болтов повышенной точности или саморезов, поставленных со стороны подкрепляющего элемента. Увеличение несущей способности по отношению к расчетному значе нию составило: для болтового соединения - более 35%; для соединена на саморезах - почти 70%.

6. Статические испытания натурных образцов многослойных пане лей показали, что форма местной потери устойчивости "в большом" под крепляющим элементом является определяющей для эксплуатационно! способности конструкции.

7. Отсутствие видимых дефектов защитно-декоративного слоя на ружного ограждения экспериментального объекта (павильон), построен ного с использованием многослойных панелей, после эксплуатации в те

чение года позволяет рекомендовать для отделки фасадов зданий по принципу "шубой наружу" как специально разработанные составы на основе акриловых смол и наполнителей, так и традиционные материалы (древесина, кирпич, профилированный металл).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Чистяков A.M., Черноиван В.Н., Мухин A.B., Черноиван Н.В. К оценке податливости соединений разномодульных обшивок несущих стеновых монопанелей.// Проблемы и перспективы современных строительных конструкций и технологий: труды XXV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов. Брест: БПИ, 1998. - с.8-13.

2. Черноиван Н.В. Исследование несущей способности двухслойных стеновых панелей./Брестский политехнический институт. - Брест, 1998. - 7 е.: Библиогр.: 3 назв. Рус. Деп. в БелИСА.

3. Зинкевич И.В., Мухин A.B., Лебедь В.А., Черноиван Н.В. К определению зависимости податливости узлов рам из прямоугольных трубы и двутавров при действии изгибающего момента в ригеле.// Проблемы и перспективы современных строительных конструкций и технологий: труды XXV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов. Брест: БПИ, 1998. -с. 13-18.

4. Игнатюк В.И., Черноиван Н.В. О влиянии сдвиговых и продольных деформаций на величины усилий и напряжений в бесшарнирно-арочных системах.// Материалы научно-технической конференции, посвященной 30-летию института. Брест: БПИ, 1996. - ч. 2, с.134.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНЫЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЕГКИХ

КОНСТРУКЦИЙ

БРЕСТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ЧЕРНОИВАН НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УДК 691.714-405.8-419.3

РАБОТА МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ НА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНЫЙ ИЗГИБ

(Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания

и сооружения)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор, академик РИА ЧИСТЯКОВ А.М.

Москва -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................11

1.1. Актуальность разработки многослойных панелей.................................11

1.2. Развитие методов расчета и экспериментальных исследований многослойных панелей на продольно-поперечный изгиб....................40

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНОГО РЕШЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ ПАНЕЛИ И БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ ЗДАНИЙ

НА ЕЕ ОСНОВЕ...............................................................................................46

2.1. Разработка конструктивного решения многослойной панели..............46

2.1.1. Выбор основного несущего элемента многослойной

панели..................................................................................................46

2.1.2. Обоснование конструктивного решения многослойной

панели..................................................................................................51

2.2. Конструктивные решения основных элементов быстро-возводимых зданий ................................................................................... 59

2.2.1. Конструкция покрытия...................................................................... 61

2.2.2. Конструкция несущей стены................................................................................................64

2.2.3. Конструкция полов и перекрытий....................................................69

2.2.4. Конструкция внутренних стен..........................................................70

3. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОМ

ИЗГИБЕ..............................................................................................................76

3.1. Разработка инженерной методики расчета многослойных

панелей....................................................................................................... 76

3.2. Экспериментальные исследования работы соединений стального профилированного листа и подкрепляющего элемента...............85

3.2.1. Разработка методики испытаний на податливых

дискретных связей............................................................................87

3.2.2. Испытания соединений на податливых дискретных связей..........88

3.3. Экспериментальные исследования прочности и дефор-мативности многослойной панели, работающей на продольно-поперечный изгиб................................................................103

4. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ УЗЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖА БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ ЗДАНИЙ......................................116

4.1. Архитектурно-планировочные решения быстровозводимых

зданий.......................................................................................................116

4.2. Конструктивное решение узлов.............................................................117

4.3. Технология производства работ при монтаже конструкций...............123

4.4. Технология нанесения защитно-декоративных покрытий..................127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.....................................134

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из задач, стоящих перед строительной отраслью, является использование отечественных конструкций для улучшения качества возводимых объектов, сокращения сроков их возведения, повышения уровня индустриальное™ строительного производства. Одним из путей, позволяющим решить эти проблемы, является широкое внедрение в практику строительства наружных ограждений, выполненных из слоистых панелей заводского изготовления на основе трудногорючих пенопластов и тонколистовых материалов отечественного производства.

Легкие ограждающие конструкции отличаются малой собственной массой

•у

(до 23 кг/м ), высокой технологичностью изготовления (до 6 м/мин.), простотой монтажа (коттедж площадью свыше 100 м собирает бригада из четырех человек за пять рабочих дней), эксплуатационной надежностью.

Известно, что при возведении зданий доля ограждающих конструкций составляет более 45% общей трудоемкости работ надземной части. В общем объеме транспортных процессов перевозка элементов ограждающих конструкций составляет около 8% [58].

Ограждающие конструкции наиболее материалоемки и существенно влияют на стоимость возводимых зданий и сооружений. Кроме того на отделку внутренних поверхностей стен, выполненных из традиционных материалов, также необходимы большие материальные и финансовые затраты. Поэтому вполне закономерно, что в настоящее время в странах СНГ и за рубежом вопросам разработки, исследования и внедрения в практику строительства легких ограждающих конструкций уделяется большое внимание [6, 8, 9, 14, 17, 20, 32, 35, 40, 46, 55, 87, 102, 103].

Разработка и внедрение в практику строительства новых технологических методов изготовления слоистых панелей с использованием заливочных композиций, позволило начать производство слоистых ограждающих конструкций на высокопроизводительных линиях, в том числе и непрерывного действия [13, 20, 22, 55,

56, 75, 102 ]. Изготовление слоистых ограждающих конструкций на специализированных технологических линиях позволило:

- снизить трудоемкость изготовления конструкций;

- повысить качество выпускаемой продукции;

- уменьшить расход полимерного сырья;

- добиться конкурентной способности таких панелей по сравнению с конструкциями полистовой сборки.

Основные принципы технологии изготовления слоистых панелей на высокопроизводительных линиях непрерывного действия, обусловили наиболее широкое применение таких конструкций с обшивками из рулонных материалов - сталь и алюминиевые сплавы.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве легкого стенового ограждения получили трехслойные панели со стальными профилированными обшивками. Такие конструкции в больших объемах применены для объектов промышленного назначения, предприятий технического обслуживания автотранспорта, складских зданий и сооружений (типовые проекты 400-0-12, 400-0-20-83). Кроме зданий производственного назначения слоистые ограждающие конструкции могут эффективно использоваться при строительстве административных зданий, выставочных павильонов и спортивных сооружений (типовой проект 400-0-21-83).

Разработкой, исследованием и внедрением трехслойных стеновых панелей в странах СНГ занимаются многие организации и фирмы. Но основной вклад в создание базы фундаментальных исследований внесли ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко, ЦНИИПСК им.Н.П.Мельникова, ЦНИИпромзданий, ЦНИИПроектлегконструкция, НИИСФ, КиевЗНИИЭП и др.

После распада СССР, в связи с практическим свертыванием строительства объектов промышленного назначения в странах СНГ, введенные мощности по производству трехслойных панелей с металлическими обшивками и заполнителем из пенопласта, оказались загруженными не полностью.

Учитывая, что жилищная проблема в странах СНГ далека от разрешения, видимо, целесообразно производственные мощности по изготовлению слоистых па-

нелей перепрофилировать на выпуск ограждающих конструкций для возведения жилых и общественных зданий. Следует отметить, что опыт использования трехслойных панелей в качестве стенового ограждения жилых сборно-разборных зданий уже имеется [105]. Однако повышенная деформативность типового стенового ограждения при сезонных и суточных температурных перепадах, обусловленная высоким коэффициентом линейного температурного расширения металла (а=12х10"6 град"1), не позволяет обеспечить комфортные условия проживания в таких зданиях.

В связи с этим можно считать актуальными исследования, направленные на разработку конструкции стеновой панели, не подверженной влиянию температурных перепадов и воздействиям солнечной радиации.

Основываясь на положительных результатах исследований, выполненных в ЦНИИПроектлегконструкции [104] в качестве базовой для разработки несущей стеновой панели для жилых зданий была принята конструкция монопанели, состоящая из профилированного оцинкованного листа и припененного к нему трудногорючего пенопласта марки "Пенорезол". Использование этой панели для конструктивного решения зданий по принципу "шубой наружу" позволяет снизить отрицательные воздействия температурных перепадов.

Для повышения несущей способности разработанной стеновой панели, с целью использования ее в качестве несущей конструкции, целесообразно подкрепляющий элемент, предусмотренный со стороны помещения включить в работу, используя для этих целей плоский лист из недефицитных отечественных материалов (фанера, фосфостеклопластик, ЦСП и др.).

Новизна конструктивного решения несущей стеновой панели, работающей на продольно-поперечный изгиб, обусловила необходимость проведения статических испытаний конструкции с целью определения ее несущей способности и напряженно-деформированного состояния.

Для расчета предлагаемой многослойной панели не могут быть использованы выражения, приведенные в нормативной литературе и научных статьях [3, 10, 11, 66, 67, 68], так как с точки зрения статической работы конструкция представля-

ет собой сжато-изогнутую составную пластину с двумя несущими слоями, соединенными между собой дискретными связями. Эти связи упругоподатливы при сдвиге и абсолютно жестки в направлении нормали к срединной плоскости пластины.

Естественно, что полученные в процессе исследований результаты необходимо внедрить в практику строительства. Поэтому, разработка узлов крепления (сопряжения), рассматриваемых несущих стеновых панелей с фундаментами и плитами перекрытия (покрытия) для проектируемых зданий является неотъемлемой частью работы.

Учитывая изложенное, автор при выполнении настоящей работы, поставил следующие задачи:

- разработать конструктивное решение несущей многослойной панели, предназначенной для применения в жилых и общественных зданиях;

- экспериментально определить несущую способность панелей при продольно-поперечном изгибе;

- разработать методику расчета конструкции;

- экспериментально исследовать несущую способность, характер статической работы и податливость дискретных связей соединения стального профилированного листа и подкрепляющего элемента многослойной панели;

- разработать предложения по конструктивному решению узлов соединения многослойных панелей с каркасом здания;

- предложить и проверить способы защиты пенопласта (при ограждениях "шубой наружу") от механических и температурно-влажностных воздействий.

Указанные задачи рассматриваются в четырех главах диссертационной работы.

В первой главе дано состояние вопроса по применению легких ограждающих конструкций в нашей стране и за рубежом. Приведен обзор существующих методик расчета и экспериментальных исследований слоистых конструкций, работающих на продольно-поперечный изгиб. Установлено, что исследования, касающиеся определения несущей способности многослойных панелей, включающих ме-

таллический профилированный лист, соединенный с подкрепляющим элементом на дискретных связях, отсутствуют. На основании анализа литературных источников показано, что сформулированные задачи диссертационной работы актуальны.

Во второй главе рассмотрены вопросы конструирования многослойной стеновой панели. Исследован вопрос выбора эффективного несущего элемента стеновой панели. На основании расчетов с использованием предложенного критерия оценки эффективности поперечного сечения (со) рекомендовано в качестве несущего элемента стеновой панели использовать профилированные листы Н57-750-0,7 и Н75-750-0,7.

Рассмотрен вопрос выбора эффективного базового элемента многослойной панели. Наличие производственной базы и преимущества, заложенные в конструктивном решении "шубой наружу", позволили в качестве базового элемента принять двухслойную панель, разработанную в Центральном научно-исследовательском, проектном и конструкторско-технологическом институте легких конструкций (г. Москва, Россия).

Был рассмотрен вопрос использования в качестве подкрепляющего элемента наиболее перспективных материалов: фосфостеклопластика, фанеры, гипсокартона, гипсоволокнистых и цементно-стружечных плит.

На основании проведенных поисковых исследований рекомендовано использовать в качестве подкрепляющего элемента листы фанеры клееной березовой марки ФСФ.

С целью упрощения технологических операций по прикреплению подкрепляющего элемента (листа фанеры) к стальному профилированному листу предложено использовать болтовые соединения или соединения на самонарезающих винтах (саморезах).

Также представлены эффективные решения конструктивных элементов бы-стровозводимых зданий общественного и жилого назначения на основе многослойных панелей.

Третья глава посвящена разработке методики расчета и экспериментальным исследованиям несущей способности многослойной стеновой панели на дискретных связях, работающей на продольно-поперечный изгиб.

В работе уделено особое внимание рассмотрению потери устойчивости подкрепляющего элемента в форме перескока на несмежную форму равновесия, т.е. прощелкивания, т.к. в исследуемой слоистой системе она обычно является определяющим.

Одним из исходных данных для выполнения расчета многослойных панелей по разработанной методике является значение коэффициента жесткости связей сдвига (£,). Учитывая, что численные значения этого коэффициента можно получить только на основании экспериментальных исследований в работе, предложена методика и проведены испытания соединений на болтах и саморезах.

По итогам проведенных испытаний была определена несущая способность соединений и установлена зависимость деформаций от величины приложенной нагрузки и даны рекомендации по выбору типа соединения.

В соответствии с поставленными задачами были проведены статические испытания на продольно-поперечный изгиб серии натурных образцов панелей.

Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить характер работы конструкции при продольно-поперечном изгибе. По результатам испытаний были построены графики зависимости стрелы прогиба от величины приложенной нагрузки.

Четвертая глава посвящена разработке предложений по конструктивному решению узлов соединения многослойных стеновых панелей с каркасом здания, а также технологии производства монтажных работ.

Представлены архитектурно-планировочные решения зданий коттеджного типа на основе многослойных панелей. Учитывая неблагоприятную экологическую ситуацию в крупных городах и вокруг них, предложено в возводимых зданиях применять эффективные вентиляционные системы жизнеобеспечения. Для этих целей планируется прокладку коммуникаций осуществлять в межлистовом пространстве.

Рассмотрены основные конструктивные решения узлов соединения многослойной стеновой панели с каркасом. В целях рационального использования внутреннего каркаса предложено использовать его в качестве несущих элементов встроенной мебели.

Разработана технология производства работ при возведении общественных и жилых зданий с использованием многослойных стеновых панелей.

Рассмотрены основные варианты защиты пенопласта от механических и температурно-влажностных воздействий. Дана технология устройства защитно-декоративной отделки зданий наиболее перспективными материалами.

Диссертационная работа выполнялась автором на кафедре строительных конструкций Брестского политехнического института Министерства образования Республики Беларусь и в Центральном научно-исследовательском, проектном и конструкторско-технологическом институте легких конструкций Госстроя России под руководством доктора технических наук, профессора, академика РИА А.М.Чистякова.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Актуальность разработки многослойных панелей

На долю легких ограждающих конструкций приходится более 45% общей трудоемкости возведения зданий. Ограждающие конструкции наиболее материало-емки и существенно влияют на стоимость зданий и сооружений. Исследованиями установлено, что, например, на изготовление несущих конструкций (структурных блоков и рам) металла расходуется в 2,5...4 раза меньше, чем на изготовление ограждающих конструкций. Стоимость применяемых совмещенных кровельных покрытий колеблется от 18,4 до 23,8%, а стен и перегородок (без учета проемов) - от 19,7 до 42,8% от общей сметной стоимости зданий [2].

Таким образом, исходя из изложенного можно сформулировать основные требования, которым должны отвечать ограждающие конструкции: невысокая стоимость, малая масса, простота монтажа, высокая индустриальность изготовления, транспортабельность.

Поэтому вполне закономерно, что в настоящее время в странах СНГ и за рубежом вопросам разработки, исследования и внедрен�