автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и технологии производства стеновых панелей с деревянным каркасом

На правах рукописи

ЧЕРНЫХ Андрей Станиславович

Совершенствование конструкции и технологии производства стеновых панелей с деревянным каркасом

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ФЕВ 2015

Архангельск 2015

005559517

005559517

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель:

Черных Александр Григорьевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Онегин Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой технологии деревообрабатывающих производств ФГБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова

Ведущая организация:

Бызов Виктор Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент кафедры конструкции из дерева и пластмасс ФГБУ ВПО «Санкт-петербургский государственный

архитектурно-строительный университет»

ФГБУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Защита состоится « 18» марта 2015г. в «10.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд. 1220

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru.

Тел. (8182) 21-61-49, e-mail: a.zemtsovsky@narfu.ru

Автореферат разослан « 13» февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Земцовский А.Е.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аетуальность темы.

Древесина, как природный возобновляемый ресурс, является основой для производства конструкционных пиломатериалов, широко применяемых в различных отраслях промышленности и строительства. Основными достоинствами древесины являются высокие физико-механические характеристики, доступность, экологичность, технологичность обработки и др.

В мировой практике наметилась тенденция применения древесины в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в столярно-строительных деталях, элементах и изделиях.

Особый интерес представляют конструкции панелей с деревянным каркасом с обшивками из древесно-композитных и других материалов. Такие панели нашли широкое применение в Скандинавских странах, Центральной Европе, Северной Америке и др. Они обладают высокой технологичностью и энергоэффективностью. Отечественный опыт показал, что это направление востребовано в условиях пионерного освоения территорий, при ликвидации последствий чрезвычайных техногенных и природных ситуаций. В то же время стоит отметить, что технология производства деревянных элементов таких панелей в отечественной практике требует совершенствования. Отсутствуют научно-обоснованные конструктивные и технологические решения, обеспечивающие эксплуатационную надежность панелей. Поэтому вопросы совершенствования конструкции и технологии изготовления стеновых панелей с деревянным каркасом являются актуальными и своевременными.

Цель работы: разработка конструкции и технологии производства стеновых панелей с деревянным каркасом, предназначенных для применения в составе многослойных ограждающих конструкций для каркасного домостроения.

Объектом исследования являются конструкции панелей с деревянным каркасом и технология их производства.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

- выполнить анализ конструкций панелей на деревянном каркасе и технологии их производства;

- разработать технические и технологические решения панели с деревянным каркасом и обосновать технологию её изготовления;

- представить теоретическое обоснование физической и математической модели панели с деревянным каркасом;

- провести экспериментальные исследования прочности, жесткости и устойчивости панелей с деревянным каркасом при использовании дискретных связей крепления обшивок к каркасу;

- предложить конструктивно-технологическое решение крепления унифицированной панели на деревянном каркасе;

- разработать технологию производства многоэлементной конструкции панелей с деревянным каркасом;

V

- разработать научно-обоснованные рекомендации по технологии изготовления панелей на деревянном каркасе.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- разработаны методики расчета и испытания на прочность и жесткость панели с деревянным каркасом как составных элементов на упруго-податливых связях;

- установлены взаимосвязи между статическими и динамическими воздействиями на панель с прочностными и жесткостными характеристиками;

- определены параметры конечно-элементного моделирования панелей на деревянном каркасе и соединений при статических и динамических воздействиях;

доказана эффективность крепления обшивок к деревянному каркасу металлическими дискретными связями, разработана методика их распределения и установки.

На защиту выносятся:

- новая конструкция унифицированных панелей на деревянном каркасе с высокими эксплуатационными свойствами;

- результаты теоретических исследований, математическая модель панели не деревянном каркасе, адекватно отражающая физические и механические характеристики материала древесины и связей;

- результаты экспериментальных исследований прочности, жесткости и устойчивости панелей на деревянном каркасе с упругоподатливыми связями;

- научно-обоснованные решения по совершенствованию технических и технологических операций при заводском производстве панелей.

Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием научных положений строительной механики и теплофизики, применением стандартных методик прочностных и теплотехнических расчётов; применением современных средств проведения научных исследований с использованием соответствующего инструментария; приемлемой сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований; заключениями научно-исследовательских институтов и организаций, аккредитованных в системе ГОСТ Р.

Практическое значение. Разработана технология заводского изготовления панелей, предусматривающая выполнение технических требований к стеновым панелям, регламентированных стандартом ГОСТ Р 55658-2013 «Панели стеновые с деревянным каркасом. Технические условия». Результаты исследований внедрены в технологический процесс при производстве панелей в ООО « ДСК «Славянский» и применены в составе многослойных наружных ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий (СПб, г. Пушкин).

Результаты исследований включены при разработке ГОСТ Р 55658-2013 «Панели стеновые с деревянным каркасом. Технические условия».

Личный вклад. Автором выполнен аналитический обзор состояния вопроса, разработаны теоретические положения, методики проведения экспериментальных исследований, спроектированы испытательные стенды для экспериментальных исследований при статическом и динамическом

воздействиях, выполнена математическая обработка результатов исследований и проведен их анализ, разработаны конструктивные решения и предложения по совершенствованию технологии заводского производства панелей на деревянном каркасе.

Апробация н публикация работы. Основные результаты докладывались: на научно-практической юбилейной конференции «Теория. Практика. Эксперимент» кафедры конструкции из дерева и пластмасс СПбГАСУ, 2010г.; на международной конференции Лонглайф 2010 г. «Энергосберегающие, жизнеустойчивые жилые здания, возведенные с учетом европейских стандартов и инновационных технологий в странах региона Балтийского моря»; на IV съезде-конгрессе ассоциации деревянного домостроения 25-26 ноября 2010г.; на международном семинаре девятой Домашней Выставки «ФАЭТОН'11» 10 февраля 2011г.; на V Международном съезде ассоциации деревянного домостроения 15-16 декабря 2011г.; на международной научно-практической конференции студентов аспирантов, молодых учёных и докторантов «Актуальные проблемы строительства и архитектуры», СПбГАСУ, 2012г; на международном конгрессе, посвященном 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве -2012»; на научно-технической конференции «Фасады зданий - проблемы долговечности, ремонт, обслуживание», Жилищный Комитет Правительства Санкт-Петербурга, ООО «Центр европейских строительных технологий, 28-29 октября, 2014г, на научно-техническом семинаре в САФУ, г. Архангельск, 2014г.

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах, в том числе 1 монографии, 3 работах в изданиях по перечню ВАК, трех патентах на изобретение и на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация представлена на 151 странице и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цели и задачи исследования, объект исследования, научная новизна работы, практическая значимость и реализация результатов научных исследований, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ мирового опыта применения панелей с деревянным каркасом в составе ограждающих конструкций зданий, рассмотрены конструкции стеновых панелей и узлы их крепления к несущим элементам, проведён анализ зарубежных и отечественных исследований, приведены современные требования к наружным ограждающим конструкциям по пожарной опасности, тепловой защите, защите от шума, долговечности и безопасности, результаты патентных исследований.

Разработкой и исследованием панелей с деревянным каркасом для жилищного строительства начали заниматься в начале 60-х годов прошлого века научно-исследовательские, проектные, учебные и производственные

организации, ЦНИИСК, ЦНИИПромзданий и ЦНИИЭПжилища. Большой вклад в развитие теории расчета и практики применения стеновых панелей на деревянном каркасе внесли Линьков И.М., Казаков И.В., Ковальчук Л.М. и др. На основании результатов этих исследований были разработаны нормативные документы и рекомендации на проектирование и производство панелей с деревянным каркасом. В различных регионах страны было построено несколько экспериментальных жилых зданий из железобетона с применением таких панелей. Однако дальнейшего широкого применения они не нашли из-за сложной, нетехнологичной и недолговечной конструкции панелей, а также несовершенства технологии их изготовления. В качестве обшивок деревянного каркаса применялись преимущественно асбестоцементные листы, которые в настоящее время запрещены для домостроения.

С развитием малоэтажного домостроения конструкции из панелей с деревянным каркасом приобрели актуальность. Исследованиями древесины, конструкционными пиломатериалами, конструкцией и технологией производства стеновых панелей на деревянном каркасе занимались: Е.К.

Ашкенази, Ф.П. Белянкин, В.В. Большаков, В.Н. Быковский, А.Б.Губенко, В.И. Жаданов, Е.М. Знаменский, В.А. Иванов, Ю.М. Иванов, И.С. Инжутов,

A.C. Кавелин, Г.Г. Карлсен, В.Б. Касаткин, Л.М. Ковальук, М.Е. Коган, A.M. Копейкин, С.А. Корзон, В.М. Коченов, Д.А. Кочетков, Н.Л. Леонтьев, Б.К. Михайлов, А.Я. Найчук, Р.Б. Орлович, К.П.Пятикрестовский, А.Р. Ржаницын, Е.И. Светозарова, E.H. Серов, В.Я.Терентьев, Е.К. Тисевич, С.Б. Турковский,

B.Г. Турушев, Д.В. Украинченко и другие.

Зарубежный опыт показал, что возведение ограждающих конструкций зданий с применением унифицированных стеновых панелей с деревянным каркасом заводского изготовления более эффективно по сравнению со сборкой их в строящемся здании. В этом случае сокращаются сроки закрытия теплового контура во время и после сборки несущего каркаса здания и снижаются затраты на его возведение. Упрощается заделка монтажных швов, более эффективно обеспечиваются требуемые противопожарные рассечки, теплофизические характеристики, защита от шума и требуемая долговечность ограждающей конструкции.

В то же время, комплексных исследований, направленных на повышение эффективности стеновых панелей с деревянным каркасом, предназначенных для применения в составе многослойных ограждающих конструкций жилых зданий, в нашей стране не проводилось. Не обоснован выбор современных плитных материалов для обшивок панелей. Отсутствуют исследования по оценке прочности, жесткости и устойчивости панелей от воздействия динамических и статических нагрузок при соединении обшивок к древесине каркаса крепежными элементами, не обоснован шаг установки крепежных скоб. Отсутствуют рекомендации по технологии заводского изготовления панелей с применением современного оборудования, нормативно-технологические документы на изготовление панелей с деревянным каркасом. Это определило направление комплексного диссертационного исследования.

Во второй главе рассмотрены технические и технологические решения изготовления панели с деревянным каркасом, дано обоснование её применения в строительстве.

1 - внутренняя обшивка; 2 - пароизоляция; 3 - стойка деревянного каркаса: 4 - гидроизоляция; 5- минераловатный утеплитель; 6 - наружная обшивка; 7 - обшивки проема

Панели могут быть глухими или с проёмами под оконные и/или дверные блоки, которые обуславливают конструкцию каркаса панели (рис.2) 4

- ппп

Рис.2. Конструкции каркасов панелей 1- боковая стойка; 2 - внутренняя стойка; 3 - нижний пояс; 4 - верхний пояс; 5 - верхняя перемычка над проёмом; б - проставочный брусок межу верхним поясам панели и верхней перемычкой над проёмом; 7 - нижняя перемычка под проёмом; 8 - проставочный брусок между нижним поясом и нижней перемычкой под проёмом

Крепление обшивок к элементам каркаса панели производится оцинкованными металлическими скобами. Разработаны требования к качеству древесины (пиломатериала) и утеплителю для обеспечения долговечности и огнестойкости стеновой панели. Каркас панели изготавливается из древесины хвойных пород влажностью 12... 16%. Детали каркаса покрываются антисептиком. Наружные поверхности древесины каркаса укрываются гидроизоляцией. Поверхность древесины в оконных и дверных проёмах имеет

конструктивную огнезащиту: огнеупорные обшивки, которые выполняются из тех же листовых материалов, из которых изготавливаются обшивки каркаса панели. При этом крепление огнеупорных обшивок в оконном и/или дверном проёме должно производиться не только к деревянным элементам каркаса, в которых металлический крепёж при температуре выше 220°С вызывает обугливание и утрату удерживающий способности в местах крепления, но и к металлическим закладным элементам - уголкам или пластинам, с помощью винтообразного крепежа, обеспечивающего удерживающую способность при температурах выше 1000 °С (рис. 3).

1 - деревянный элемент проёма стеновой панели; 2 - огнеупорные панели (обшивки);

3 - винтообразный крепёж; 4 - металлические уголки или пластины

Крепёж закладных элементов - металлических уголков или пластин к деревянным элементам каркаса защищается огнеупорными обшивками и не вызывает обугливание древесины в течение нормированного времени воздействия высоких температур. На конструкцию стеновой панели с креплением огнеупорных обшивок к деревянным элементам каркаса получен патент №.116525. По результатам огневых испытаний установлены следующие пожарные характеристики ограждающей конструкций: класс пожарной опасности с внешней стороны- КО, предел огнестойкости - ЕЗО, класс пожарной опасности с внутренней стороны - К0(30), что соответствует пожарным требованиям для зданий I степени огнестойкости и допустимой высотой 75м.

Одним из этапов при обосновании конструкции панели является выбор листового материала для изготовления наружной и внутренней обшивок стеновых панелей. В качестве возможных материалов были рассмотрены материалы, которые имеют группу горючести не ниже Г1. Они могут использоваться как с внешней, так и с внутренней стороны помещения, выпускаются по нормативно-техническим документам и широко представлены на отечественном рынке: гипсоволокнистые листы влагостойкие (ГВЛВ); гипсостружечные плиты (ГСП); цементностружечные плиты (ЦСП); фибролитовые плиты Огееп-Ьогс! марки йВЗ (ФП) и стекломагнезитовые листы (СМЛ). Рациональный выбор материалов проводился методом экспертной оценки. Для сравнения материалов выбраны показатели, которые имеют существенное отличие в значениях и в большей степени определяют рациональный выбор с точки зрения как эксплуатационных свойств наружной и

внутренней обшивок деревянного каркаса, так и технологичности их изготовления (табл.1).

Таблица 1

Показатели, принятые для рационального выбора листового материала и

их весомость

№ Наименование показателя Весомость,

п/п балл**

1 Прочность при изгибе в обоих направлениях, МПа 5

2 Разбухание по толщине через 24 ч, % 6

3 Водопоглощение за 24 ч по массе, % 6

4 Твердость, МПа 3

5* Удельное сопротивление выдергиванию шурупов 05мм, Н/см 8

6 Биостойкость 10

7 Технологичность 7

8 Экономичность 7

* - Значение определялось испытаниями по ГОСТ 10637-78 (с шурупами 05мм).

**-Значение определялось по результатам экспертного опроса специалистов по десяти бальной шкале.

Комплексные оценки (приоритеты) каждого материала по совокупности показателей: ГВЛ - 0,180; ГСП - 0,203; ЦСП - 0,237; ФП - 0,182; СМЛ - 0,202. Установлено, что рациональным материалом для обшивок панелей являются цементностружечные плиты (ЦСП).

Применение стеновых панелей с деревянным каркасом предлагается в составе многослойных ограждающих конструкций с вентилируемым зазором. Отдельные слои таких конструкций располагаются следующим образом: ограждающая стена, наружная теплоизоляция, воздушный промежуток, защитный экран, который может выполняться с облицовкой декоративными плитами (рис.4а). Такая схема является оптимальной, т.к. слои различных материалов располагаются по мере уменьшения показателей их теплопередачи, а сопротивление паропроницаемости возрастает снаружи внутрь помещения, что способствует выполнению нормативных требований к тепловой защите зданий. Наружный слой теплоизоляции позволяет выровнять неоднородные свойства стеновой панели на деревянном каркасе, заполненном внутренним утеплителем, у которого коэффициент теплопроводности почти в четыре раза ниже, чем у древесины. Стеновые панели эффективнее устанавливать с частичным опиранием на железобетонные перекрытия, что способствует выполнению требований по шумоизоляции и пожарной безопасности ограждающей конструкции. Опирание стеновой панели от края железобетонного перекрытия должно быть не менее 60 мм по деревянному каркасу. Кроме того, при наружном утеплении стеновой панели одновременно утепляются и торцы железобетонных конструкций (рис.4б).

Для крепления панелей предлагается использовать металлические оцинкованные уголки, закреплённые к деревянным элементам каркаса (нижнему и верхнему поясам) саморезами и к железобетонным плитам перекрытий с помощью анкеров.

акж/'

! V ГКЛВ 12.5мм., устанавливается

после заделки монтажных зазоров

Противопожарная рассечка

Уголок из оцинк. стали

а)

Рис.4, а) - Многослойная ограждающая конструкция зданий, б) - Наружное утепление стеновой панели и несущих элементов здания

1 - железобетонное перекрытие здания; 2 - стеновая панель на деревянном каркасе; 3 -дополнительный слой внутренней обшивки (устанавливается после монтажа панели) 4 - наружное утепление; 5 - воздушный вентилируемый зазор; 6 - облицовка плитными материалами; 7 - металлическая подсистема

Инженерные расчёты по обеспечению тепловой защиты подтвердили эффективность применения стеновой панели с деревянным каркасом в составе ограждающей конструкции. Обоснована её долговечность - не менее 50лет (нормативный показатель).

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований прочности, жесткости и устойчивости конструкции панелей.

Представлена математическая модель панели, адекватно отражающая статико-геометрические параметры, физические и механические свойства материалов (древесины, древесно-композитных и др.), а также крепежных элементов (скоб).

Панели воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, а также монтажные воздействия, которые значительно ниже совместных вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Конструкция панелей предусматривает крепление обшивок из ЦСП к древесине каркаса панели с помощью скоб, поэтому такое соединение обладает податливостью. Поскольку в работе панели участвует не только деревянный каркас, но и обшивки, то доля их участия может быть оценена путем введения соответствующих коэффициентов, учитывающих сдвиговую деформативность связей. Шаг установки скоб определялся по результатам исследования несущей способности соединений деревянных элементов каркаса и обшивок при помощи металлических скоб экспериментально.

Коэффициенты податливости соединения обшивки с древесиной каркаса устанавливались в зависимости от геометрических и физических параметров панели. Исходя из предпосылок к расчёту изгибаемых элементов, сделанных В.М. Коченовым, определены и введены в расчет прочности и жесткости: коэффициент кж — к моменту инерции для расчёта прогиба и коэффициент kw -к моменту сопротивления для расчета на прочность при воздействии горизонтальной (ветровой) нагрузки. Коэффициенты рассчитывались по формулам:

J г 1 + В —— J. 2 с-

, 1 + В~ М J, B_ Jc =л snmEoc

** / = = + ~f°~°-<-cTc (!)

J JoWc

где: Jo - момент инерции центрального коробчатого сечения панели; Jc - момент инерции отдельных слоев, равный сумме моментов инерции слоев обшивки и каркаса; S - статический момент одного листа обшивки; пш — число швов в составном элементе; Е - модуль упругости при изгибе, принимаемый с учетом длительной работы материалов; 5С -деформации соединений при полном их использовании; е - расстояние между нейтральными осями листов обшивки; I - расчетный пролет панели; лш> пс - число связей в одном шве на весь пролет; Гс - расчетная несущая способность одной связи.

Для инженерного расчета получены следующие величины коэффициентов: кж =0,22 и kw=0,25, которые вводятся в формулы общего вида:

/= ^ ■ = ^ + (2) 384EaJnpkx ' W W„pK

где: / - прогиб от горизонтальной ветровой нагрузки, Упр - приведенный момент инерции поперечного сечения панели относительно оси у, ст — краевое напряжение в обшивке панели, Mi — расчетный изгибающий момент в середине пролета от собственного веса, М2 - расчетный изгибающий момент от ветровой нагрузки, IV - момент сопротивления относительно оси х листов обшивки, Wnp — приведенный момент инерции относительно оси поперечного сечения панели.

Проводилась оценка несущей способности панели по I группе предельных состояний по результатам анализа возникающих напряжений. Для их определения в ПК SCAD была задана модель панели в конечных элементах, на которой была выполнена имитация ветровых воздействий, различных по знаку и величине, рис.5а. Деревянные элементы каркаса моделировались с помощью пластинчатых конечных элементов с ортотропными характеристиками жесткости. Применение конечных элементов такого типа позволяет учесть анизотропию древесины. Коэффициенты Пуассона, модули упругости и модуль сдвига древесины задавались в соответствии СП 64.13330.2011. Листы обшивки панели из ДСП моделировались с помощью пластинчатых конечных элементов с изотропными характеристиками жесткости. Скобы, скрепляющие листы обшивки и каркас, были выполнены в виде конечных элементов, моделирующих связи конечной жесткости с разным шагом, устанавливаемых между двумя узлами и обеспечивающих взаимную линейную или угловую податливость узлов. Закрепление панели было условно принято как шарнирно-неподвижное в трех точках верхней и нижней частей конструкции.

В расчетной схеме учитывались: собственный вес элементов каркаса и

Рис. 5.

/■" < Г = Ш1п

< Т = гшп

Несущая способность узловых креплений рассчитывается на воздействие положительного ветрового давления /•"+ и нагрузки ветрового отсоса И_ описывается следующими общими уравнениями:

КГ

^выОер п изг (сж )

(3)

^ срез 7

^ выОер ^ изг (напр )

где: Яс*п — расчетное сопротивление всех шурупов соединения срезу, Н; Я™дер — расчетное сопротивление всех шурупов соединения выдергиванию, Н; Я'"г,сж) — расчетное сопротивление усиленного стального крепежного уголка изгибу при сжатии его, Н; - расчетное сопротивление анкера

^срез

ДСР» ■■

^п.'Пшг/р)

обшивки, пиковая горизонтальная нагрузка. Горизонтальные нагрузки на стеновую панель рассматривалось как сумма статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки. Усилия в элементах системы и перемещения ее точек находились раздельно от статической составляющей ветровой нагрузки и от инерционных сил, соответствующих каждой форме собственных колебаний.

Результаты конечно-элементного моделирования (рис.56) показали, что напряжения в элементах каркаса не превышают предельных при наиболее невыгодном сочетании воздействий. Деформации не превысили предельных значений.

При расчёте узлов крепления металлических уголков к древесине каркаса панели и к несущим элементам здания (железобетонным перекрытиям) работа конструкции в центральном сечении представляется как однопролётная балка с жестким закреплением концов, испытывающих равномерно-распределенную положительную нагрузку ветрового давления или отрицательную нагрузку ветрового оттг.я

а) б)

Конечно-элементное моделирование стеновой панели: а) - общий вид модели; б) - результаты КЭ-моделирования: нормальные напряжения Ых, кН/м2

срезу, Н; д»*"''''- расчетное сопротивление анкера выдергиванию, Н.

Расчёты базируются на применении отечественных норм и методики Еигосос1е 5:

пизг{сж-,напр) г

где: щ>лсж-"апР> _ нормативное сопротивление стального крепежного уголка сжатию/напряжению разжатием, кН;

kmoj - коэффициент модификации табл. 3.1 Eurocode 5; ум - коэффициент надежности по материалу табл. 2.3 Eurocode 5. По результатам расчётов определяется сортамент уголков для крепления панелей.

В четвёртой главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. Определена несущая способность соединений деревянных элементов каркаса и обшивок при помощи дискретных связей по методикам EN 1381:1999 и EN 1383:1999. Приводится методика по EN 594:1995 испытания панели на жёсткость при изменении шага их крепления скобами к деревянному каркасу, методика испытания жёсткости панели на горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно обшивки панели, методика конечно-элементного моделирования панели на воздействие нагрузок и методика статистической обработки результатов экспериментов.

Для крепления листов ДСП к деревянному каркасу исследованы металлические оцинкованные скобы длиной 40мм, с шириной полки 10мм и толщиной прутка 1,5мм. Такие скобы широко применяются при производстве панельно-каркасных малоэтажных домов. Шаг крепления скоб устанавливался на основании определения жесткостных характеристик скоб. В расчете использована конечно-элементная модель конструкции на деревянном каркасе с обшивками. По результатам получены зависимости «нагрузка - деформации» от нагрузки одной скобы и распределение напряжений в рёбрах жёсткости каркаса (рис.6).

По результатам проведённых численных исследований установлен шаг скоб - 200мм.

Жёсткость панелей оценивалась по величине деформаций возникающих при приложении горизонтальных нагрузок, прикладываемых к ребру панели каркасу панели ступенями с шагом 200кг и выдержкой после нагружения 10 мин. Испытание проводилось циклами до нагрузки, после которой начинали увеличиваться деформации без ее увеличения. Всего было испытано шесть панелей (по две панели с шагом установки скоб 100, 150 и 200мм). Испытания проводились лаборатории предприятия по производству строителных конструцкции ООО «ДСК» «Славянский». Было испытано 6 панелей (каркас изготавливался размером 1000x2000мм из заготовок древесины сосны сечением 45x145мм, толшина обшивок из ЦСП 12мм). Полученные результаты позволяют заключить, что шаг скоб в диапазоне 100...200 мм не оказывает существенного влияния на изменение жёсткости панели при действии горизонтальных нагрузок, приложенных перпендикулярно ребру панели (рис. 7). Поэтому

рассчитанный шаг установки 200 мм является предельным, обеспечивающим прочность и жесткость соединения.

кН/н2

—П<

0.00 1.00 2.00 3.00 1.00 Деформация, мм|

а) б)

Рис.6. Результаты исследований крепления обшивки к деревянному каркасу а) Зависимость нагрузка - перемещение в соединении; б) Распределение напряжений в рёбрах жёсткости каркаса: 1- сдвигающие усилия в плоскости XZ; 2-сдвигающие усилия в плоскости YZ.

1.012 кН/м2

кН/м2

30

20

Деформация, мм

Рис.7. Деформация деревянного каркаса панелей при воздействии кратковременных циклических нагрузок. Шаг установки скоб: 1- 100мм. 2- 150мм, 3-200мм.

Испытания узлов крепления на действие расчетных значений нагрузок, а также собственного веса панели проводились в лаборатории. В результате

испытаний были определены значения фактических узловых деформаций и значения перемещений панели. Общий вид испытательного стенда приведен на рис. 8.

По результатам исследований получены зависимости перемещений центра панели от нагрузки и остаточные деформации (рис.9), позволяющие судить о жесткости конструкции.

Проведена оценка прочности конструктивных элементов панели по I группе предельных состояний в ПК SCAD. Результаты КЭ-моделирования приведены на рис.10 и в табл. 2, в сравнении с инженерным расчётом.

Результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования показали удовлетворительную сходимость (до 15%).

Рис. 8. Общий вид экспериментальной установки

0.80

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 Деформация, мм

Рис.9. Зависимость «нагрузка-перемещение» центра панели 1- нагружение; 2 - разгрузка

а) б)

Рис.10. Результаты КЭ - моделирования а) - вертикальные перемещения, мм; б) - нормальные напряжения Л» кН/м2.

Таблица 2

Результаты аналитических расчётов и КЭ-моделирования

Параметр Ветровое давление, кПа

Отрицательное р Положительное \у+р

-0,69 | -0,91 1-1,26 1-1,67 0,74 | 0,97

Результаты аналитических расчётов

Напряжение 0,124 0.160 0,218 0,286 0,134 0,17

Прогиб /, мм -2,10 -2,77 -3,84 -5,09 2,29 2,96

Результаты КЭ-моделирования

Напряжение, МПа обшивка 0,11 0,15 0,16 0,27 0.12 0.15

каркас 1,47 1,95 2,71 3,6 1,58 2,08

Прогиб /, мм -1,883 -2,483 -3,438 -4,557 2,188 2,647

В пятой главе рассматриваются вопросы совершенствования технологии производства стеновых панелей с деревянным каркасом с учетом результатов проведенных исследований.

Основополагающим результатом является разработка и утверждение ГОСТ Р 55658-2013 «Панели стеновые с деревянным каркасом. Технические условия». На основании этого разработаны новые конструктивно-технологические решения, защищенные патентами РФ.

Технологический процесс заводского изготовления панелей включает следующие операции:

- сушка пиломатериалов до влажности 12...15% по второй категории качества;

- формирование сечения деревянных заготовок продольным фрезерованием;

- поперечный раскрой пиломатериалов на заготовки деталей каркаса панелей;

защитная обработка всех поверхностей деревянных заготовок антисептированием;

- сборка оконных и дверных модулей с установкой металлических уголков на наружных гранях проёмов с креплением огнеупорных элементов на деревянном каркасе;

- форматный раскрой плитных и листовых материалов на заготовки наружных и внутренних обшивок;

- стапельная сборка деревянного каркаса панели;

- установка монтажных петель в верхнем поясе деревянного каркаса;

- гидроизоляция наружных поверхностей боковых деревянных стоек каркаса панели полиэтиленовой плёнкой толщиной 400 мкм;

- формирование наружной обшивки каркаса из плитных заготовок и её крепление к деревянному каркасу металлическими скобами;

- переворот деревянного каркаса на 180°;

- заполнение каркаса минераловатными плитами;

- укладка полиэтиленовой плёнки (пароизоляции) по всей поверхности панели с выпуском для укрытия (гидроизоляции) верхнего пояса панели;

- установка металлического уголка на верхнем поясе каркаса (для крепления дополнительной внутренней обшивки панели после её установки в проём здания и заделки монтажных швов;

- установка внутренней обшивки каркаса из плитных заготовок и крепление к деревянному каркасу металлическими скобами;

- герметизация зазоров между плитными заготовками наружной обшивки; -гидроизоляция наружной поверхности нижнего пояса строительным герметиком;

- крепление к нижнему поясу опорных деревянных прокладок (для сохранения целостности гидроизоляции при транспортировке и монтаже);

- приведение панели в вертикальное положение и крепление огнеупорных обшивок на наружных поверхностях проёмов;

- установка монтажной оснастки на внутренней стороне панели;

- складирование изделий.

На выполнение всех операций разработаны технологические требования. Приводятся схемы организации рабочих мест при производстве панелей на позиционном оборудовании и на поточной линии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Представлены результаты анализа отечественного и мирового опыта производства панельных конструкций с применением древесины и древесно-композитных материалов.

2. Разработаны научно-обоснованные решения по совершенствованию конструкций и технологии производства стеновых панелей с деревянным каркасом.

3. Выполнены теоретические исследования и предложена методика инженерного расчета конструкции панелей с учетом податливости дискретных связей.

4. Теоретически обосновано представление физической и математической модели панели с деревянным каркасом как конструкции из разнородных ортотропных материалов на упруго-податливых дискретных связях.

5. Определены для использования в инженерных расчетах коэффициенты приведения к моменту сопротивления kw=0.25 и к моменту инерции кж=0,22.

6. Проведены экспериментальные исследования прочности и жесткости панелей. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает по нормальным напряжениям, касательным напряжениям и перемещениям 12...15%.

7. Разработаны технические и технологические решения, защищенные патентами (№ 102646, № 116525, № 2448223).

8. Разработанный ГОСТ Р 55658-2013 «Панели стеновые с деревянным каркасом. Технические условия» рекомендован для применения при организации промышленного производства панелей с деревянным каркасом.

9. Разработанное конструктивно-технологическое решение рекомендуется использовать на предприятиях лесопромышленного и строительного комплекса.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монография:

1. Черных А.Г., Черных A.C., Песков A.B., Каратаев С.Г. Наружные ограждающие конструкции жилых и общественных зданий из железобетона с применением панелей на деревянном каркасе /под общей ред. д.т.н., проф. А.Г. Черных; СПбГАСУ,- СПб., 2012.-151с.

Статьи в изданиях по перечню ВАК РФ:

2. Черных, A.C. Рациональный выбор листового материала для изготовления стеновых панелей на деревянном каркасе для зданий из железобетона / A.C. Черных // Вестник гражданских инженеров. -2012. -№2. -С. 86-90

3. Прочность и жесткость стеновых панелей на деревянном каркасе / Черных А.Г., Черных A.C., Коваль П.С. [и др.] // Современные проблемы науки и образования. -2012. -№ 3. URL: www.science-education.ru/103-6527

4. Черных, A.C. Стеновые панели на деревянном каркасе в составе ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий из железобетона /. Черных, А.Г., Черных A.C. //Жилищное строительство. -2012. -№7. -С. 19-23.

Патенты:

5. Стеновая теплоизолирующая панель с вентилируемым фасадом заводской готовности «Рослав» и опорный кронштейн для её установки: патент на полезную модель. 102646 Российская Федерация: МПК E04F 13/07 (2006/01)/ C.B. Архангельский, С.Г. Каратаев, Д.А. Тепляков, A.C. Черных. - № 2010140218/03; заявл. 01.10.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. №7: 1 ил.

6. Комбинированная строительная конструкция с деревянным каркасом: патент на полезную модель. 116525 Российская Федерация: МПК В04В 1/00, 2/70, 1/94 (2006.01)/А.С.Черных, A.B. Песков, С.Г. Каратаев; заявитель и патентообладатель ООО «ДСК «Славянский).- № 2011152308/03; заявл. 19.12.2011; опубл. 27.05.2012. Бюл. №15: 1 ил.

7. Стеновая теплоизолирующая панель с вентилируемым фасадом заводской готовности «Рослав» и опорный кронштейн для её установки: патент на изобретение. 2448223 Российская Федерация: МПК E04F 13/07 (2006/01)/ C.B.

Архангельский, С.Г. Каратаев, Д.А. Тепляков, A.C. Черных, В.В. Барышев, A.B. Песков. -№ 2010140213/03; заявл. 01.10.2010; опубл. 20.04.2012. Бюл. №11: 5 ил.

Статьи в других изданиях:

8. Черных A.C. Комбинированная технология строительства многоквартир-ных жилых домов / A.C. Черных // Современные деревянные конструкции. Теория. Практика. Эксперимент: сб. материалов научно-практической конференции /СПбГАСУ. -СПб., -2010. -С.4-7.

9. Черных A.C. Ограждающие конструкции жилых зданий с применением стеновых панелей на деревянном каркасе / A.C. Черных // Федеральный строительный рынок. -2012. -№1. - С. 38-39.

10. Черных A.C. Применение стеновых панелей на деревянном каркасе для жилых и общественных зданий / A.C. Черных // Светопрозрачные конструкции. -2012. -№ 1. -С.4-8.

П.Черных A.C. Современное состояние и тенденции развития комбинированной технологии строительства жилых зданий / A.C. Черных // Актуальные проблемы современного строительства и архитектуры: международная научно-практическая конференция студентов аспирантов, молодых учёных и докторантов/ СПбГАСУ.- В 2ч. 4.1.- СПб., 2012. - С.112-

Отпечатано в авторской редакции с готового оригинал-макета

Подписано в печать 26.01.15. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Заказ №742. Уч.-изд. л. 1,25. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз.

ТИПОГРАФИЯ ООО «ГАЛАНИКА» г. Санкт-Петербург, Институтский пер., 3, лит. 3. Тел.: (812) 294-3776, galanika@list.ru, www.galanika.com