автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование конструкций и методики расчетов трехслойных стеновых панелей с дискретным заполнителем для условий Польши

Ленинградский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт

На правах рукописи .

СТШЕЗЛЕ1ВД МАРЛЕЙА

УДК 624.075.4.016:539.4

ООВЕИПЕНСТВОВАШЕ КОНСТРУКЦИЯ II МЕТОДИКИ РАСЧЁТОВ ТРЁХСЛОШШХ СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЕЙ С ДИСКРЕТНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛИ»! ДЛЯ УСЛОВИЯ ПОЛЬШИ

05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

автореферат

диссертации на сЬисканив учёной степени кандидата технических наук

Ленинград - 1991

У . ^/у

Работа выполнена в Ленинградском ордэна Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени инкенерно-сгронтельном института. .

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Б.К.Михайлов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Г. Ч.Сгавров - кандидат технических наук, • . - доцент Б.В.Лабудия

Ведущая организация - ЛенЗНИИЭП

Зашта состоится " {к^ФЬЛ^ . 199/г. в ¡0 .чао. ОР. .мин. на заседании специализированного совета К 063.31.01 в Ленинградском ордена Октябрьской Революции и, ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте по адресу: 1930015, Ленинград, 2-я Красноармейская" ул., д.4, Ленинский зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Лендамвитальной библиотеке института. '

Автореферат разослан "<Ш" Ои^лм 199^ -г.

Учений секретарь

специализированного совета

к.т.н., доцент ' /—-^В.И.Морозов

- а -

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большой объем инвестиций в Польском строительстве и разнообразные локальные требования пооуждают к создании простых и эффективных конструкций, а также методов их расчетов, доступных широкому кругу инженеров-проектировщиков. Одним из эффективных путей решения этой проблема является использование трехслойных стеновых панелей из материалов о сазлячнымя физико-ыеханическими свойствами слоез.

Трехслойные стеновые панели позволяют строить здания и сооружения о тонкостенными покрытшпи, перекрытиями и ограждающими конструкциями. При это ; по технологическим требованиям эти панели изготавливают с различными видам мекслоевых соединений - гибкими связями, дискретным заполнителем в виде ребер и т.п. Эти соединения - связи-могут существенно влиять нэ прочность и устойчивость, как отдельной панели, так и всей кикпт-рукции здания.

Сборный элемент в виде трехслойной чанегот с легким теплоизоляционным слоем и двумя нарунннмя несутяга слоями широко используется при строительстве ашлых и общественных зданий. В

о

соответствии с назначением ему присущи различные конструктивные особенности я дополнения. К таковым кошм отнести не только дискоетные межслоевые связи, а такяе способы крепления по контуру, частичные и сквозные разрезы, отверстия для окон, дверей, и т.п.

В настоящее время практически отсутствуют простые и удобные для инженерных расчзтов методы, учитывающие различные конструктивные особенности, в том числе дискретные меяслоевыа со-

- ч -

единения ь ввде внутренних ребер.

В связи с этим настоящая работа, посвященная совершенствование конструкций в разработке методов расчета на прочность и устойчивость трехслойных стеновых данелей с дискретным заполнителем, применительно к условиям польского строительства, является актуальной.

Содержание работы также входит в основное научное направление ЛИСИ 18 04-67.11 "Создание новых строительных конструкций, включал подземные сооружения, основания и фундаменты, исследование их'надежности, оптимизации и совершенствование теории методов их расчета".

Целью рабе гк является теоретическое и экспериментальное исследование статическоь работы трехслойных стеновых панелей с дискретнны заполнителе» и разработка рекоыевдаций по их расчету и конструированию.

ра.учиая новизна:

- усовершенствованы конструкция и узлы трехслойной стеновой панели с дискретным заполнителем'в виде стеклоплаотиковых ребер и гибких связей;

- разработаны нов*"* вгтианты аналитического метода расчетг не прочность я устойчивость прямоугольных трехслойных плит с дискретным заполнителем, приводящие к относительно простым алгоритмам я прог^мма»-;

- исследована отепею- влияния мехслоевых связей на теплоизоляционные своиотвапане.'ча;

' Драктячьская ценность., На осевзнии раьработанного увте раоч-та на прочность а устойчивость трехслойных пласт'ш с дискретном заполнителем реиены практические задачи по определена:

напряженно-деформированного состояния конкретных панелей, используемых в качестве сборных элементов для строительства жилых зданий и сооружений. Алгоритм и процра; ха, реализующая предложенную методику, представляют штерео для проектных организаций, связанных с проектированием пространственных конструкций из ^ре.:слойных элементов.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы в рекомендациях для граектних организаций строительного объединения Ченстоховсного воеводства в Польше. Экон-ыический эффект от предложенной методики решения ..овпй ынструкции трехслойной панели в ко ллексе для условий польского строительства, в частности на I м^ эксплуатации жилой площади, составляет 196 злотых.

Аппробация работы,« Основные положения диссертационной работы дспаднвалиоь на 45, 46 , 47 , 48 научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЛИСИ, в 1987-1991 гг; на международной конференции в Белостокском Политехническом институте "Актуальные проблемы строительства" (Белосток, Польша, 1989 г.), а также на научных семинарах кафедры ".еоретичес;сой механики" и кафедри "Конструкции из дерева л плготмасс" ЛИСИ.

Публикации. По тзме диссертации опублжевано 3 статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она сопр-жит 160 страниц машинописного текста, 49 рисунков, В таблиц, 110 наименований литературы, из них 22 на иностранных языках, II страниц приложения.

гСОДЕРШИЕ РАБОТЫ • В ведении обосновывается актуальноо-ь работы, сфорадули-

рована цел» диссертации.

В первой главе дан аяапз причин нарушения теплоизоляции в существующих конструкциях стеновых панелей. Составлена классификация стеновых панелей, анализируются факторы, влияющие на теплотехнические характеристики отен.

Проведен анализ pi.Jot, посвященных методам расчета пластин о различщши особенностями. Расчет трехслойных пластин сво-дигвд к определению налряженнг -деформированного состояния и критических нагрузок, вызывающих потерю устойчивости.

Среди чиоленнгх методов расчета (работы Масленникова A.M., Александрова A.B., Лэаенкова Б.Я., Прчткина И.А., Мечникова В.И., Дпугача М.И., Шь-Ючникова H.H. и др.) и аналитических (работы. Гребня Б.С., Королева В.И., Преображенского И.Н., Михайлоп Б.К., Йриголюкг Э.И., Кулакова "М.А. и др.) наиболее приемлемым является аналитический метод расчета рсбристих пластин с применением аппарата разрывных импульсных функций, предложенный Михайловым

Б.К., легко алгоритмизирующийся на ЭВМ, компактный, требующий

*

минимального машинного времени и объема памяти.

Также рассмотрены работы, касающиеся экспериментальных исследований прочности и устойчивости'пластинок с различными особенностями (работы Ы.Скрелл,'З.Терезксгвского, А.Скала, В Л.Агамирова, А.Н.Логинова, К.Г.Хацкевича и др.).

Вторая глава ' посгящвна конструктивным разработкам трехслойных стеновг: панелей о диокгзтниы заполнителем и исследованию их теплоизоляционных свойств. Предлояены конструкции трехслойных crei.панелей, которые состоят из внутреннего несущего слоя, : ipymuorc фактурного слоя и среднего изоляционного. Слои •оедянегч ыевду огЧоЯ, дискретными связями.

В первом варианте (риоД.а) слои соединены между собой как минимум двумя гибкими связями, изготовленными из нержавеющей стали марки Н 13 № 69 диаметром 8-12 мы. Изоляционный слой из минеральной ваты, пенопласта или другого материала соединен о конструкционными слоем специальными шпильками, изготовленными также из нержавеющей стали диаметром 2-4,5 мм. Шгалыш устанавливаются вдоль определенных вертикальных сечений.

Во втором варианте (рно.1.6) вместо гибких связей предлагается ввести1 во ййгутренний изоляционный слой ребра, изготовленные из стеклопластика, типа АГ-4нС толщиной 16 ш и ви-оотой 120 мм. Ребра связаны о наружными олоями пооредотвом специальных гребешков. Гребешки крьлятоя к арматуре с помощью специальных самозажимов.

Модернизированы стыковые соединения панелей, что позволило улучиить их теплоизоляционные свойства.

• Проведена теоретические иэкопериментальныо исследования теплоизоляционных свойств отеновых панелей. Разработана методика определения температур в разрезе стены. Дм правильной оценки'качества перегородки о точки зрения тепловых свойств необходимо эяать не только ее сопротивление теплопередача, температуру яа внешней и внутренней поверхности стены, а также температуру в любой точке разреза. Это необходимо для определения температуры, при которой выступает конденсат водяного пара внутри или на поверхности перегородки. Экспериментальные исследования тепловых свойств сводились к определению температуры внутри стены на разных уровнях о помощью термнсто-ро"ых термометров, оснащенных датчикам!». На основе измерения

с дискретнны заполнителем

л расчетов определены коэффициента теплопередачи трех вариантов изоляции стеновой трехслойной панели.

Разработана методика экспериментального определения месторасположения арштур! в элементах панели магнитным методом.

В .третьей главе разработаны новые варианты аналитического катода расчета на прочность и устойчивость трехслойных стеновых панелей с дискретным заполнителем .в виде ребер и гибких с вязе;!, в случае дискретных езязей в виде ребер, в расчетной схеш конструкция заменяется двумя ребристыми пластинам?, загруженными внешней нагрузкой я яеизвестнима усилиям! п моментам пгь-^у), приложенными по линиям разделения ребер (рис.2.а). Система уравнений равповесня икос? епд:

Е»*!!«п • ' = п •

Все Эу 1 Зу Зх • (I)

аХ + 0а*ц ,

Гле: За1 йхйу '

Т, ,Т„, 5 - тангенциальный я сдвигающие усилия з пластине; - изгибающие п кру-тящив моменты. С учетом ребер и нагрузок, приложенных по линиям лх рас-

ТА М ^

г и моменту Пг представляется в виде а Л л

где: ~ модуль упругости, площадь п момент инерцяи

¿ -го ребра; £„84 компоненты деформации срединной поверхности пластины; дельта функция Дитека; ширина ] -го реб'_"1а.

Введем функции усилий р по условиям:

ТГ^фЛ; <з»

- и -

тогда первые два уравнения (I) удовлетворяются тондественно. Подставляя (2) в (I) и зыракая изменение кривизн через функцию нормальных перемещений получаем:

б" (4)

Второе уравнение относительно функций ш и Т получаем из соотношений неразрывности деформаций. Для рассматриваемого класса задач оно принимает вид

(5)

4т _ Вг Ь> в 0 .

Зсс.4 а^ау

При подстановке (3) в. (5) получаем

Трзвнения (3.4) и (3.7) составляют полную систему дифференциальных уравнений конструкции из двух пластин, скрепленных дискретной системой ребер, относительно нормальных перемещений и! и функции усилий Г . Так как уравнения имеют в левой части одинаковые операторы, эту систему удобно свести к одному уравнению о.носятельно комплексной фунг щи 9 = Для этого умножим второе уравнение на1п/ЕЬ, где П = '

и складывая его с первим получим уравнение вида

. Ц^ВЧа-а^ . (7)

Представим искомую функция ^ и функцию внепней нагрузки в виде одинарных тригонометрических рядов:

Подставляя (В) в (7) и используя процедуру Буйнова-Галерклна, задачу своди..! к системе обыкновенных ди^еренциальних уранне-

ний вида

Решение уравнения (9) представим в ввде

. . (Ю)

zwe: ij>® - решение уравнения L^U^» ^

Ф^ - решение уравнения

Ч* . - решение уравнений

KXI » 4

Используемые еппроксиьшруюаив функции строятся в ввде суммы общих решений однородных дифференциальных уравнений, соот-

" «

ветствуодих уравнению (3.13) и частных решений, т.е. • У* ^ "¿V . KKJ <*j 4J \ К<] 4xj (II)

u, ~ ^+sh J>K<!t-3$ H U-Яд");

- единичная функция ЗСевисдйда.

Вторая ребристая пластинка воспринимает только нагрузки "t j и nij /поэтому решэниэ для нее примет вид '

ip- -i: Af. ^.-I: us)

M "i Jit VJ "i

Неизвестные коэффициенты, входящие в (10) и (12), определяются из условия совместности переыещаип!! ребер и обшивки, . а тагам ребер по линии разделения. Випслнял &тя условия получаем систевд иэ 4N алгебраических уравнений.

Выражения для. перемещений уоилий моментов и напряаений строятся разделением действительной и мнимой частей (10) и (12) с использованием известных соотношений :еорин пластин.

При исследовании устойчивости, заменив в (7) функцию нагрузи! сушей проекции внешних усилив, де"ствугцих в гт.чгс.хогл, касательной к де;.ср!.з:руемсН яоверхнеем, в резуль-

тате ее выпучивания, на нормаль

получим в общем случае уравнение устойчивости или уравнение критического состояния. Тозсда имеем (для каждой пластины)

Так как критичебкая нагрузка при потере устойчивости всей пластинки или всей конструкции является некоторой интегральной характеристикой, т.е. мало чувствительна к локальным возмущениям напрякенно-дефсрмнрованного состояния и определяется,, в основном, характером распределения перемещений, которые являются функциями достаточно плавными. В связи о этим следует ожидать получение вполне удовлетворительной, сходимости процео-. са при определении критической нагрузки да&е при аппроксимации искомых величин функциями вполне регулярными, например, триго-^ неметрическими функциями,-

Яредставим функцию ф в виде двойного ряда

где 13ГД , КЖ/а .

Подставив (15) в (14), используя процедуру Бубнова-Галж^р-кина, и составляя условия совместности перемещений по линщзагф&з-целения ребер получим систем из 4-М однородных алгебраичй.епих; уравнений. Такая система, как известно, имеет нетривиальное.^ро-цение, если ее определитель равен нуло. Условие :авенстЕа;нулп зпределителя система уравнений дает уравнение для определения шя критической нагрузки Т^. В общем случае имеем

а44 а» аД1)

а», аи а„

а.п а«

а«- а. и

Решая систему (16) находим .

(16)

При действии сдвигаюшх нагрузок принимается с^а= В этом случае (15) целесообразно представить в виде ряда

При этом из системы определяется величина 5Кр .

При расчете трехслойных пластин с дискретным заполнителем в вида гибких связей (рис.2.б) будем полагать, что жесткость на изгиб стерженьков на изгиб существенно меньше, чем на растяжение сжатие. При таком предположении сдвигающие силы ., вызывающие изгиб стерженьков, выражаются по формулам

\iiajv

(В)

где

1= ЕЗ/1 - погонная жесткость стержня;

с!,, - углы взаимного поворота концов стерженька а результа

изгиба всего пакета.

Если принять в качестве характеристики изгибной деформация трехслойного пакета среднюю кривизну , то углы вэьишого поворота <£,. можно предотавить так

гд9 Ж,. - координата прикрепления К -го стерженька.

Суммарная сдвигающая сила из условия равновесия равна усилию Т , возникающему в оамом олое. Соогветогвуший изгиба о-лий момент будет, равен

М-Т-Ь-Х-иья^НС«-«^ .. т

Воли использовать аналогию о изгибом оплошной пластинки и. ввести понятие приведенной жесткости, то приравнивая ыакоималь-шй изгибающий момент в сплошное пластинка и а грехолойноы пакете, получим

Если стерженьки прикрепляются о различным шагом в направ-шнии осей ОХ и ОУ , т.е. во взаишоперпендикулярных направ-;ениях, то трехслойный пакет, приведенный по жесткости к сплошай пластине, будет обладать анизотропией. Уравнение изгиба та-,ой пластин^ будет иметь вид .

(22)

ъ а4цу ■л.-п-аУд п

Из уравнешщ (22) используя извос?шо метода рваопт опро-еляются функция прэгкйа, иэгцбашпх мэмшгоя а перерезшзйю-лх сил. < ',

Еэсло регаеивя уршюпт {22) л определяли лрэгида, как окоторэЛ обоб45И1!о»'! хэронтерястика исходной шо*емк - трех- .

слойной пластины с усреднении,ж физико-геометрическими параметрами, может быть определено местное напряженно-деформированное оостояние для каядого из внешних слоев. При этом каждый из этих слоев, может рассматриваться как пластинка под действием внешней поверхностной нагрузки и системы сосредоточенных сил и моментов от жестко присоединенных стерженьков. Уравнение изгиба одного слоя примет вид:

При этом сосредоточенные изгибающие моменты могут быть определены по формулам - (20). Рвпшпе уравнения (23) монет быть ьнполнено в виде рядов с ведением разрывных функций типа (II):

-I'1- ^ 14»

где - коэффициенты, определяемые из уравнения (23),

в результате применения к нему вариационного метода..

При исследовании устойчивости 'заменив в (22) функцию нагрузки р суммой проекции внешних усилий, действующих в плос кости, касательной к деформируемой поверхности в результате ее выпучивания на нормаль в виде (13) получим уравнение устой чивости шш уравнение критического состояния I) ре- 4. + и^—т, иг; -

гдо Т+ , Тй , 5 - компонента контурной нагрузки.

Решение (25) строится по аналогии с решением (14), т.е.

Подотааиа это выражение в уравнение (25) и используя свойство ортогональности аппроксимирующих функций имеем:

откуда

^ 1 1 Ц

, . (23)

Наименьшее значение Т*^ будет

т^жЧ^+ат^Ч^Уа4, (29>

аде л=ау&.;

В четврртоД главе приведены результаты экспериментальных исследований. Дано описание программы расчета трехслойных пластин с дискретным заполнителем. Приведены рекокэндация по .проектированию трехслойных отеновнх панелей.

Основной целью проведенных экспериментальных испытаний явилось изучение действительной картины работы трехслойных стеновых панелей с дискретным заполнителем в составе стены, которое давало бы. во зыожносгь сравнения фактических результатов о теоретическими, определенными по' методике гл.З. К сравниваемым величинам относятся: распределение перемещения, напряжений, влияние -гибких связей на распределение перемещений и напряжений.

Объектом исследования были - трехслойные панели о дискретным заполнителем в виде гибких связей, предотавленныв на рис.Ха. Испытания производились на специальном стенде' на базе завода по производству стеновых панелей Ченстоховокого воеводства Соби-ВД8-1 (Польша).

Нагрузка на панели создавалась гидравлическими домкратами, которая передавалась на несущий слой через расщ: дцаяителыше 1алки. Испытания по жесткости связей между слоями производились

натрукениец пару иного олоя нагрузкой веса о помощью специальной рычажной системы при предварительном эадеиленив панели 2 отенде воздействием домкратов, установленным на несущем слов простенков, Испытания производилась в следующей 0оследоваге.шпсп нооти:

- производился ыонтав рычажной системы иагружевия наружного слоя вертикальной контрольной нагрузкой;

- панель защемаялаоь г стенде путем создания среднего давленая доамаратама соответотяуодого половине контрольной нагрузки;

- устанавливалась приборы;

- снимался нулевой отсчет по приборам;

- производилось испытание в соответствии о программой.

Результаты экспериментальных исследования обрабатЕдашаоь

ш пользованием методов математической статистики и теория < изроятпостей., Для всех схем производились оравнения о «корети-часкяыа разработка по методике гл.Э. Некоторые наиболее характерные численные результаты приведены не рао.З.

Сопоставление результатов показало, что экспериментальные данные в целом совпадаю с. расчетными /наибольшие расхождения из прогибам - 752, по напряжениям - 15%, что подтверждает? достоверность методики расчета, разработанной в гл.З. Имеющшш1 расхождения объясняется:

- ке полным соответствием идеальных граничных условий, принимаемых в теории, реалышм граничным условиям спирания

* панелей в эксперимента;

- тем, что реальная панель практически всегда имеет некоторые несовершенства геометрических форм, что особенно сказывается ва напряжению.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствована конструкции трехслойных стеновых панелей о дискретным заполнителем для условий Польши.

2. Разработаны конструкции узловых соединений панелей, улучшающие эксплуатационные качества стенового сгравдения.

'3. Теоретически и ei.заериментально исследованы теплоизоляционные свойства панелей. Предложена методика теплотехнического расчета.

4. Разработаны -свае варианты аналитического метода расчета трехслойных пластин с дискретным заполнителем в виде ребер и гибких связей на прочность и устойчивость с помощью разрывных функций, поэволягаге существенно усилить сходимость процесса последовательных приближений и приводят к простому алгоритму.

5. Составлены программы расчет, трехслойных пластин с дискретным заполнителем на языке FOftTftMl применительно ЭШ серий ВС и IBM..

6. Экспериментальные исследования подтвердили приемлемость разработанной методики расчета трехслойных стеновых панелей с дискретным заполнителей и целесообразность предложенных конструктивных решений. Испытания натурных образцов стеновых панелей позволили улучшить их конструктивное решение для тесового применения.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. ЗЪггьшеска 11« Ковсерс^а го!ао *ео1шо1о£11 Ьи<кхго1с^»а *1е1кор1у1о*е£о я аврекс1е овхсгейповсХ ввег£1 г а овгге«ао1е//

"гвв*у!у ца<'ко«в в»<1о«га1сг1го" роИЛес1ш1к1 Сеев^сЬошвк!«.). 1990.

2. З^гетеска II. Таийвпс^в гогио^и ЪгоЗиагвгнояусЬ ас1ах> ге1Ьего«усЬ о аерекс1е оЪ11ег«п1а епвгво 1 ша4ег1а1осЫоппово1 // осМапо <1о гвйакс^1ягввгу.у иаиксше Ро11Лескш1к1 Czeвtocho^rakiej . 1991.

3. Михайлов Б., Кипиани Г., Стшеиецка М. Устойчиво ть элементов строительных конструкций в веде трехслойных пластин

С разрезами// &е4гупаго<1<жа КопГегеш^а Наиксига "На^оявге Па-икоса Вздаяогв РгоЫвщу ви^от»1с*»а 1 Хпгуг \erll Зго<1о1»1вка" 1>о11Чес1ш1ка В1а1овЪоска. 1989.