автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Стеновые конструкции из арболита на костре конопли

РГ6 од

О 9 ФЕВ 1998 На правах рукописи

ВАЛУЕВА Елена Федоровна

СТЕНОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ АРБОЛИТА

НА КОСТРЕ КОНОПЛИ

Специальность 05.21.05 - "Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1998

На правах рукописи

ВАЛУЕВА Елена Федоровна

СТЕНОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ АРБОЛИТА НА КОСТРЕ КОНОПЛИ

Специальность 05.21.05 - "Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете леса и в институте "Роспроектагропромстройматериалы" (г. Саратов).

Научный руководитель - доктор технических наук,

академик A.C. Щербаков.

Научный консультант

- кандидат технических наук, доцент В.И. Запруднов.

Официальные оппоненты: -доктор технических наук,

профессор В.Е. Цветков; - кандидат технических наук, В.Г. Разумовский.

Ведущая организация

- Краснодарское научно - производственное объединение "СТРОЙИНДУСТРИЯ"

Защита диссертации состоится ЫС Ф^^ф/-' 1998 г. 10 часов на заседании специализированного совета Д.05331.01 в Московском государственном университете леса ( Россия. 141001. Мытищи-1, Моск. обл., МГУЛ ).

Просим Ваши отзывы на автореферат обязательно в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу:

141001. Мытищи-1, Московская обл., Московский государственный университет леса. Ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан

24998 г.

Ученный секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор Ю.П. Семенов

© Московский государственный университет леса, 1998 ЛР№ 020718 от 02.02.1993 г.

Типография Московского государственного университета леса. 141001. Мытищи -1, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важнейших вопросов социальной политики Правительства России является улучшение жилищных условий трудящихся. В связи с этим возникает необходимость существенного увеличения объемов жилищного усадебного домостроения и сельскохозяйственного строительства при одновременном удешевлении и совершенствовании технологии строительства, снижения материалоемкости. Успешному решению этих задач будет способствовать дальнейшее совершенствование применяемых строительных конструкций и изделий за счет использования эффективных материалов, в том числе на основе древесины. Одним из таких материалов является арболит.

Важнейшим резервом расширения производства древесно-цементных композиционных материалов является использование в их. составе в качестве заполнителя таких отходов сельского хозяйства, как костра конопли, льна и солома злаковых культур, которые в настоящее время находят крайне ограниченное применение и в своем большинстве уничтожается. Вышесказанное в первую очередь относится и к костре конопли.

Развитие принципиально нового направления в малоэтажном домостроении - домов монолитной конструкции из арболита с заполнителем на основе костры конопли, потребовало в процессе организации массового производства решения ряда научных и технических вопросов по повышению несущей способности монолитных стен, определению их прочностных и деформационных свойств, а также разработки специальных технологических приемов возведения монолитных стеновых конструкций из арболита.

Разработка наиболее рациональных конструктивных решений стеновых панелей с наименьшим расходом материалов и рациональной технологией их изготовления является актуальной задачей настоящего времени, решению которой будут способствовать настоящие исследования.

Цель и задачи работы. Целью работы являлась разработка трехслойных стеновых конструкции из арболита, исследование их прочностных и деформационных свойств и разработка рекомендаций по технологии изготовления и применения этих конструкций в монолитном малоэтажном домостроении.

Задачи исследований сводились к следующему: разработать аналитическую методику расчета напряженно-деформированного состояния трехслойных стеновых конструкций с внутренним слоем из теплоизоляционного арболита;

разработать и оптимизировать с помощью многофакторных экспериментов составы теплоизоляционного арболита на основе костры конопли;

исследовать основные физико-механические свойства теплоизоляционного арболита, определить расчетные и нормативные характеристики плотного бетона наружных слоев ограждающих конструкций;

провести экспериментальные исследования трехслойных стеновых конструкций на действие кратковременной статической нагрузки;

провести оценку достоверности метода расчета трехслойных конструкций путем сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных;

разработать предложения по расчету трехслойных стеновых конструкций, их проектированию, применению в строительстве;

разработать рекомендации по технологии возведения трехслойных монолитных стен с утепляющим слоем га арболита.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложена методика расчета сжато-изогнутых трехслойных стеновых конструкций с материалом среднего слоя из теплоизоляционного арболита класса В1 и наружными слоями из тяжелого бетона;

получены формулы, позволяющие определять распределение тангенциальных напряжений вдоль продольной оси по толщине стеновой конструкции и выражение для определения прогибов при продольном сжатии;

определено влияние состава и степени уплотнения арболитовой смеси с заполнителем из костры конопли на основные физико-механические свойства арболита;

на основе теоретических и экспериментальных исследований установлен характер напряженно-деформированного состояния панелей;

разработаны эффективные арболитовые стеновые конструкции -внутренние стеновые конструкции с дверным проемом и без проема, наружные стеновые конструкции без проема;

даны общие рекомендации но конструированию и применению панелей в строительстве, а также технологии их изготовления.

Практическое значение работы состоит в том, что разработанная автором методика расчета сжато-изогнутых трехслойных стеновых конструкций с материалом среднего слоя из теплоизоляционного арболита и наружными слоями из тяжелого бетона позволяет в процессе проектирования получать наиболее рациональные конструктивные решения панелей с наименьшим расходом материалов и рациональной технологией их изготовления.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено, что по прочностным и деформационным показателям удовлетворяют требованиям СНиП 2.03.01 - 84 "Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования." и СН 549 -82 "Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций из арболита" следующие, предложенные нами, конструкции стеновых панелей: наружные стеновые конструкции с оконным проемом; внутренние стеновые конструкции с дверным проемом; внутренние стеновые конструкции без проема.

В этом случае наиболее полно используются несущие свойства материалов.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований использованы:

при строительстве сборно-монолитных стен двухквартирного жилого дома в г. Тимашевске Краснодарского края;

при разработке проектов малоэтажных жилых зданий и подборе составов арболита на основе костры конопли в ОАО "ППО "СТРОЙИНДУСТРИЯ";

при расчете напряженно-деформированного состояния трехслойных стеновых конструкций и в технологических процессах монолитного изготовления стеновых панелей на предприятиях ЗАО "СТРОЙМАТЕРИАЛЫ";

при изготовлении мелкоформатных изделий из арболита на ТОО "Фабрика керамических изделий".

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и. обсуждались на четырех научно-технических конференциях МГУЛа (1990 - 1997 гг.). По материалам исследований получен патент № 1813148 на изобретение "Устройство для монтажа панелей" Российской Федерации.

Публикации. По основным результатам исследований, изложенным в диссертации, опубликовано 7 научных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и приложений, содержит 114 страниц машинописного текста, 35 страниц рисунков, 15 страниц таблиц и 31 страницу приложений.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории новых древесно-цементных материалов Московского государственного университета леса, в институте "Роспроектагропромстройматериалы" (г. Саратов), в институте механики АН Украины (г. Киев) и в агропромышленном комбинате "Кубань" (Краснодарский край), сотрудникам которых автор выражает свою искреннюю признательность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цель исследований и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор состояния изучаемого вопроса по применению арболита для изготовления строительных материалов и конструкций, разработке трехслойных стеновых конструкций со средним слоем из арболита, теоретические и экспериментальные исследования в этой области, рассмотрен имеющийся опыт технологии монолитного изготовления трехслойных стеновых арболиговых конструкций.

Отмечается, что возросшие объемы и темпы малоэтажного строительства требуют повышения полносборности и высокой степени заводской готовности строительных конструкций. Дальнейшее совершенствование номенклатуры и технологии изготовления арболитовых изделий

должно быть направлено на увеличение их размеров и разработку более эффективных конструкций панелей.

Анализ применения арболита для изготовления строительных конструкций показал, что на заводах сборного арболита в основном выпускаются рядовые стеновые блоки с максимальным размером 2290 х 1180 мм. Изделия покрываются с обеих сторон защитным слоем из цементно-песчаного раствора марки 100 толщиной 10 - 20 мм. Накоплен положительный опыт заводского изготовления однослойных крупноформатных панелей из арболита класса В2,5 размером "на комнату", предназначенных для строительства в различных климатических районах.

Анализируются работы в области разработки трехслойных стеновых конструкций со средним слоем из арболита, выполненные как отечественными, так и зарубежными исследователями.

За рубежом в сборном домостроении наибольшее распространение получили трехслойные панели, представляющие собой плоскую плиту, в которой наружные несущие слои выполняют из тяжелого армированного бетона, а внутренний теплоизоляционный слой из арболита класса В 1 со средней плотностью 600 кг/м3.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований трехслойных стеновых конструкций показал, что в настоящее время особо актуально стоит вопрос повышения их эффективности, уменьшения расхода дефицитных материалов, снижения массы изделий и улучшения их теплозащитных и прочностных свойств. В значительной степени этим задачам отвечают исследования в области конструирования, создания и совершенствования методов расчета стеновых панелей различной конструкции. Однако формулы, установленные, например, для составных элементов из упругих материалов, дают завышенные результаты значений разрушающей нагрузки для трехслойных бетонных панелей по сравнению с экспериментальными данными.

В настоящее время основными действующим документами по расчету арболитовых конструкций и их конструированию являются "Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита" СН 549 - 82, "Рекомендации по расчету и изготовлению изделий из поризованного арболита" и ВСН 32 - 77.

Анализ рассмотренных методов расчета ограждающих конструкций показал, что в силу конструктивных особенностей и условий работы расчетные положения в вышеназванных строительных нормах, не дают воз-

можности достаточно точно определить несущую способность внецен-тренно-сжатых трехслойных стеновых панелей с утепляющим слоем из арболита.

Проведенные экспериментальные исследования стеновых конструкций из арболита показали, что фактическая несущая способность сжатых элементов из арболита с фактурными слоями из бетона в 2,5 - 3,0 раза выше теоретической.

Все известные методики расчета железобетонных слоистых ограждающих конструкций не учитывают взаимодействия и совместной работы конструктивных слоев панелей.

В настоящее время мало изучена имеющая место в малоэтажном домостроении работа трехслойных железобетонных элементов при вне-центренном и одновременном сжатии всех слоев составной конструкции.

В результате проведенного анализа установлено, что для получения достоверных данных о работе трехслойных железобетонных стеновых конструкций со средним слоем из арболита необходимы дальнейшие экспериментальные исследования и разработка аналитической методики расчета напряженно-деформированного состояния конструкций. Это позволит получать наиболее рациональные конструктивные решения панелей с наименьшим расходом материалов и оптимальной технологией их изготовления.

В заключении главы сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке методики расчета напряженно-деформированного состояния трехслойных стеновых панелей с несущими наружными слоями из плотного бетона и внутренним теплоизоляционным слоем из арболита.

В решении использованы некоторые результаты исследований многослойных пластин на основе линейной теории упругости, выполненных Л.П. Хорошуном и A.C. Щербаковым [106].

Рассмотрены три типа схем конструктивного решения трехслойных стеновых панелей, находящихся под воздействием равномерно распределенной продольной статической погонной нагрузки Р, внецентренно приложенной к одной грани панели. Другая грань покоится на основании, реакция которого определяется из условий статики.

В приводимых ниже выражениях приняты следующие условные обозначения: 2h - толщина стеновой панели, м; а и b - толщина бетонных ело-

ев, м; б - толщина утеплителя из арболита, м; Е] и Ез - модули упругости бетонных слоев, МПа; Е2 - модуль упругости арболитового слоя, МПа; с1 - эксцентриситет, м; Р - равномерно распределенная продольная статическая нагрузка, Н/м.

Для решения задачи использованы уравнения, описывающие связь между тангенциальными напряжениями, изгибающими моментами, деформациями и прогибом, приведенными в работе [106]. Выражения для

тангенциальных напряжении имеют следующий вид: ' /2

сг,, =

°22

1-И

еп + уе22~ух3

1-у2 оп =2 - №,2 -2-Х

<1г\ч

1Щ

с!2 у,Л

<1x1

УХ-1

<1x1;

Л\и>

0)

(2) (3)

с!х | -¿¿с2

При условии, если размер стороны панели, вдоль которой приложена нагрузка Р, намного меньше длины панели ([ «I), можно принять деформации е22 ~ еи -0, а изгиб панели будет происходить вдоль продольной оси (X)), с учетом этих замечаний будем иметь:

(4)

Оп Е г еп ~хз

1 -к2 ¿х2})

ап 1 уЕ -к2 г еи - д:3 \ ЛИ с1х] )

= усу,

(5)

В результате выполнения решения, получены следующие выражения для тангенциальных усилий и моментов:

я?2™

Т —С-е.

К-

М = К - е.. — И

с!х:

сЬ* '

Выражения для определения значений постоянных С, О и К: -к+2 £ -Л-А £ '' Е

с= I + I ТЬ/7-^3 =

-Л 1 _ 'Ч ' - У2 к-ь 1 ~ ^

(6) (7)

а£, | (2И-а-Ь)Е2

1 -V

+ -

у2

ЪЕъ "V?

-л+а г н-ь су. л г v

-А 1 _ -Л+о 1 ~ ^ Л-4 1 ~ ^з

о(а-2й)£, [¿>2-д2 + 2й(а-£)]£2 Ь(2И-Ь)Е3,

2(1 -V?) + 2(1-ф + 2(1-к23) '

д = ^ Е7х\сЬ;ъ | | Е3х^ск3 _

1 ^ Л

^(а2 - Зой+ЗА2 )£■, N ~Ъ1г(а+Ь) + 2И{аг + Ьг)-с?-Ьг]Е2

— —-=—i~l.fi--—--^—+ (10)

3(1-»?) 3(1-^)

Ьф2 -ЪЫ>+ЗИ2)Еъ 3(1-^)

Приняв в выражениях (7) - (9) V! = у2 = у3 = 0 получим значения постоянных С, £> и К для случая/«"/.

Уравнения равновесия относительно тангенциального нормального усилия и изгибающего момента имеют следующий вид:

-^ = 0, (11) сЫх с1хг

Откуда следует: М - А; Т =- В, (12)

где А и В - постоянные, определяемые из граничных условий, т. е. имеем:

Г = Р; М = (13)

Подставляя условия (13) в соотношения (6), (7) приходим к равенствам:

.¿у

¿¿с,2 '

(14)

Р-<1 = К-еп-0~ . (15)

ах.

Решение системы уравнений (13) и (14) имеет следующий вид: Р-с1-к , <12\у _ рК-с1-С К2-С& <к\ ~ К2~Сй Из соотношений (4), (5), используя (15), находим

-тт^тг-^- (16)

о-ц(*з) = г-Г^-Ц^Т—-[^¿^-^-¿-С)]. (17)

3 [1-^(*3)]Ск2-СП)1 1

Формула (16) позволяет определять распределение тангенциальных напряжений вдоль продольной оси (X\ ) по толщине панели.

Наиболее близки к реальным условиям эксплуатации несущих стеновых панелей внецентренпо приложенные продольные нагрузки. Для определения прогиба панели от внецентренпо приложенной продольной нагрузки с учетом влияния начального эксцентриситета (1 и продольной сжимающей силы Р получено выражение

... Р-^-12 Л

(18) ВО Рк - Р

где V - прогиб панели, см;

Рк - критическая сила, Н/м.

Значение величины критической силы для случая шарнирно закрепленных концов панели, используя данные работ, записываются в следующем виде:

где и - так называемый коэффициент длины, равный для случая шарнирно закрепленных концов панели 0,725; (О) - величина средней изгибной жесткости, определяется в зависимости от рассчитываемой схемы конструктивного решения стеновой панели из выражения

— К2

--. (20)

С

Полученные выражения для определения прогибов при продольном сжатии не представляют особых трудностей для вычислений и могут быть использованы в расчетах при проектировании стеновых панелей с материалом среднего слоя из теплоизоляционного арболита.

В третьей главе изложены общие методы и результаты экспериментальных исследований, использованных в работе материалов.

Для оценки точности и достоверности полученных данных их обрабатывали методами вариационной статистики.

На свойства арболита большое влияние оказывают различные технологические факторы. Одним из основных факторов, определяющих прочностные характеристики арболита, является его структура, которая зависит от соотношения компонентов смеси и степени ее уплотнения. Большое значение имеет равномерное обволакивание частиц цементным клеем, которое зависит от истинного водоцементного отношения.

Для оценки влияния технологических факторов на прочность и плотность арболита были составлены и реализованы планы полных четырех факторных экспериментов.

Исследованы влияние расхода и соотношения компонентов смеси на прочность арболита при низком коэффициенте уплотнения, равном 1,1 -1,3, который является достаточным для получения теплоизоляциошюго арболита с заполнителем из костры конопли и достигается при обычном вибрировании арболитовой смеси или при вибрировании с пригрузом, создающим усилие прессования 0,005 - 0,02 МПа.

Экспериментальные данные обработаны на ЭВМ с помощью специальной программы регрессионного анализа. При обработке экспериментальных данных получена начальная математическая модель, связывающая выбранные параметры оптимизации с влияющими на них факторами (р, И) = Г(X], Х2, Хз, ) в виде полинома второй степени.

После оценки достоверности значений и исключения незначащих коэффициентов уравнений регрессии конечные модели плотности и прочности арболита на костре конопли принимают следующий вид:

уравнение регрессии для плотности

р = 483,58 - 106,06хХ1 + 35,17хХ1 + 8,39хХ4 15,03хХ!2 -- 10,02хХ42 - 6,56хХ,хХ2 + 3,69хХ,хХ3; (21)

уравнение регрессии для прочности

Я = 0,579 - 0,057хХ] + 0,103хХ2 + 0,066хХ4 - 0,167х Х32 + + 0,127хХ,хХ3. (22)

Статистическая оценка моделей по критерию Фишера показала, что все уравнения адекватно описывают результаты эксперимента.

Анализ величин и знаков коэффициентов уравнений регрессии (21) и (22) позволил сделать ряд выводов и наглядно отобразить влияние отдельных факторов на прочность и плотность арболита рис. 1 и 2.

Установлено, что в арболите на основе костры конопли требуется повышенный расход вяжущего по сравнению с арболитом на древесной дробленке, в связи с чем его целесообразно применять не как конструкционный материал, а в качестве утеплителя.

а

1,1 1,2. Коэффициент уплотнения, К.,тп.

•1,3 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Соотношение расходов, К/Ц

Рис. 1. Зависимость прочности арболита при сжатии Ксж от:а-Кущ при К/Ц, равном: 0,20;* - 0,29;«-0,38; 5 - КУЦ при К^ равном: !,!;•-1,2; 1,3.

Рис. 2. Зависимость прочности арболита при сжатии Ясж от: а - плотности р при К/Ц, равном: 1 - 0,20; 2-0,245; 3-0,29; 4-0,335; 5-0,38; 5 - В/Ц при К/Ц = 0,245 и Кущ,,равном: ♦ -1,1;» -1,2;* -1,3.

Для арболита на основе костры конопли экспериментально определен оптимальный расход воды затвореиия, выражаемый уравнением В = 0,9Ц - 0,06 К.

Вследствие специфичности заполнителя арболит на основе костры конопли обладает ярко выраженными анизатропными свойствами: прочность арболита при нагружении параллельно направлению прессования при формовании в 5 - 6 раз превышает прочность при нагружении перпендикулярно к направлению формования. При этом совершенно различен и характер разрушения композита.

Чтобы обеспечить достаточную точность исследований напряженно-деформированного состояния экспериментально исследованных трехслойных стеновых панелей, были определены нормативные и расчетные характеристики материалов, использованных при их изготовлении. Для этого проведены испытания контрольных образцов из арболита и бетона, которые были изготовлены одновременно с изготовлением опытной партии трехслойных стеновых панелей и хранились в тех же условиях, что и панели.

В четвертой главе изложены экспериментальные исследования прочности и деформативности трехслойных стеновых панелей, выполненные с целью проверки разработанной методики расчета.

Исследовано шесть трехслойных стеновых панелей при продольном сжатии кратковременной статической нагрузкой. Испытаны панельные конструкции малоэтажных монолитных домов, изготовленных с применением специальной опалубки на базе комбината строительных материалов "Кубань" Краснодарского края по рабочим чертежам и технологии, разработанным в МГУЛа. Панели были изготовлены в натуральную величину по трем схемам конструктивного решения.

Экспериментальными исследованиями установлено, что выдержали испытания по прочности, жесткости и удовлетворяют требованиям строительных норм наружные стеновые конструкции с оконным проемом, внутренние стеновые конструкции с дверным проемом, внутренние стеновые конструкции без проема. При этом опытная разрушающая нагрузка на 33 ... 40 % превышает теоретическую нагрузку.

Большое несоответствие в модулях упругости и коэффициентах линейного растяжения металла и арболита исключает возможность экономично использовать стальную арматуру в сжато - изгибаемых стеновых

панелях. В связи с этим наиболее целесообразно вести проектирование несущих стеновых конструкций из арболита комплексными (трехслойными ), в которых хорошо сочетаются теплофизические свойства арболита и прочностные - железобетона.

Установлено, что решающим фактором при восприятии сдвигающих напряжений, возникающих в результате действия продольных статических нагрузок на стеновую панель, становится величина нормальных напряжений в бетонных наружных слоях. При чем роль источника возмущений в этом случае принадлежит деформациям среднего слоя из плоскости панели, возникающим в результате его продольного сжатия в конструкции. Максимальная величина этих деформаций имеет место в середине пролета.

В пятой главе приведен анализ экспериментально-теоретического исследования напряженно-деформированного состояния трехслойных стеновых панелей.

Для определения расчетных величин напряженно-деформированного состояния панелей были составлены программы для IBM PC на языке Turbo Pascal 7.0 фирмы Borland International. Программами предусмотрена возможность расчета нескольких вариантов панелей на центральное и внецентренное сжатие. Программы отлажены и апробированы.

В работе для проведения сравнения расчетных и экспериментальных данных построены функциональные зависимости: напряжение - нагрузка и деформация - нагрузка ( рис. 3). На рис. 3 сравнение показано на примере панелей IITA - III.

Установлено, что прочностные характеристики материалов использованных для изготовления панелей, имеют значительный разброс данных (от 13 до 19 %), связанный с характерной особенностью древесно-цеменгных композиций и бетона. При сравнении результатов испытаний конкретных конструкций возможны отклонения для отдельных панелей в указанных выше пределах. Поэтому при сопоставлении теоретических и экспериментальных значений были использованы усредненные экспериментальные данные. Надежность результатов сравнения в этом случае обеспечивалась путем усреднения данных с разными прочностными характеристиками материалов при заданных нагрузках.

50 100 150 200 250 300 %

W, мм 6.0

4,0

2,0

50 IDO Í50 200 250 300 p Рис. 3. Изменение в панелях ПТА - III в зависимости от величины продольной нагрузки: а - напряжений; 5 - деформаций:

-- расчетные значения;

—*—к— экспериментальные данные напряжений; -•—•— экспериментальные данные деформаций.

Определены вероятностные характеристики для оценки достоверности методики расчета. В работе оценка достоверности методики расчета проводилась по каждой ступени нагрузки для напряжений и деформаций, при этом определялись абсолютные А и относительные 5 ошибки, средние квадратические отклонения ошибки S.

ПТА -TS/1 - Л Jjtif пта-ц/2

В результате сравнения расчетных данных с экспериментальными установлено: по напряжениям 6 = 10,11 %; Э = 12,45 %; по деформациям 6 =16,2 %; Б = 17,1 %.

В шестой главе изложены предложения по расчету трехслойных стеновых панелей с использованием комплекса программ для 1ВМ РС, позволяющих проектировщикам определять наиболее рациональные варианты конструктивного решения.

Приведены общие рекомендации по конструированию и применению панелей в строительстве.

Результаты диссертационной работы применены:

при изготовлении стеновых панелей на предприятии ЗАО "Стройматериалы";

в технологическом процессе изготовления изделий из арболита с заполнителем на основе костры конопли на ТОО "Фабрика керамических изделий";

при проектировании и экспериментальном строительстве новых домов с применением стеновых арболитовых конструкций Департаментом сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края, по расчетам которого экономический эффект от внедрения в практику строительства стеновых конструкций со средним слоем из арболита на основе костры конопли в жилищном домостроении составляет 882,9 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие наиболее существенные результаты:

1. Предложена методика расчета напряженно-деформированного состояния трехслойных стеновых конструкций с внутренним теплоизоляционным слоем из арболита класса В1 с заполнителем на основе костры конопли.

2. Получены формулы для определения распределения тангенциальных напряжений вдоль продольной оси стеновой панели по ее толщине, а также для определения прогибов панели от действия внеценгренно приложенной продольной нагрузки.

3. Проверена и подтверждена экспериментально предложенная методика расчета панелей. Проведенные испытания трехслойных стеновых

панелей натуральных размеров показали, что экспериментальные данные находятся в пределах точности расчетов. По расчетным данным и результатам испытаний конструкций проведен анализ ошибок, что дало возможность определить границы разброса полученных данных.

4. С применением методов математического планирования экспериментов разработаны составы и определены зависимости прочности арболита от расходов компонентов и его уплотнения. Оптимизированы составы теплоизоляционного арболита на основе костры конопли.

5. Установлено, что для теплоизоляционного арболита на основе костры конопли важнейшими факторами, определяющими его свойства, является содержание вяжущего и заполнителя в смеси. Уплотнение арболи-товой смеси, характеризуемое Куш,= 1,15 - 1,3, является достаточным для получения теплоизоляционного арболита класса Ble заполнителем из костры конопли.

6. Разработан алгоритм численного расчета и программы для IBM РС, позволяющие рассчитать напряженно-деформированное состояние трехслойных стеновых панелей при широком диапазоне варьирования исходных данных и определять наиболее рациональные варианты конструктивного решения.

7. Установлено экспериментально-теоретическими исследованиями, что по прочностным и деформационным показателям удовлетворяют требованиям СНиП 2.03.01 - 84 и СН 549 - 82 конструкции трехслойных панелей по типу:

ПТА-1 - наружные стеновые конструкции с оконным проемом;

ПТА-Н - внутренние стеновые конструкции с дверным проемом;

ПТА-Ш - внутренние стеновые конструкции без проема.

В этом случае наиболее полно используются несущие свойства материалов.

8. Результаты исследований использованы: при строительстве сборно-монолитных стен двухквартирного жилого дома в г. Тимашевске Краснодарского края; при проектировании институтом "Крайколхозпроект", г. Краснодар.

9. Годовой экономический эффект от применения в арболите заполнителя из костры конопли и сокращения внутризаводских и внепроизвод-ственных расходов только по Департаменту сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края составляет 882,9 млн. рублей.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Щербаков A.C., Хорошун Л.П., Бутерин В.М., Левинский К.А., Мирошникова Е.Ф. Разработка методики расчета изгибаёмых трехслойных панелей - перемычек с внутренним слоем из арболита// Научн. тр. -Вып. 225. - М.: Моск. лесотехнический ин - т. - 1990. - С. 149 -159.

2. Давыдова Н.В., Мирошникова Е.Ф. Биоокисление сточных вод после биологической обработки древесины лиственницы// Научн. тр. -Вып. 231. - М.: Моск. лесотехнический ин - т. -1990. - С. 70 - 76.

3. Щербаков A.C., Подчуфаров B.C., Бутерин В.М., Запруднов В.И., Мирошникова Е.Ф., Горев В.51. Определение упругих, влажностноупру-гих, термоупругих свойств арболита с однонаправленными трансверсаль-но-изотропными и с разориентированными в плоскости волокнами// Научн. тр. - Вып. 242. - М.: Моск. лесотехнический ин - т. - 1991. - С. 153 -164.

4. Щербаков A.C., Пасечник С.И., Левицкий К.А., Шержуков Л.Н., Гладченко Д.А., Бутерин В.М., Мирошникова Е.Ф., Мирошников Ф.Ф. Устройство для монтажа панелей. Патент № 1813148 на изобретение, Российская Федерация. Опубл. Бюл. № 16. - 1993.

5. Подчуфаров B.C., Запруднов В.И., Гольцева Л.В., Мирошникова Е.Ф. Исследование влияния отходов хрустального производства на свойства древесно-цементных материалов// Научн. тр. - Вып. 285. - М.: МГУ-Леса, 1996.-С. 5- 12.

6. Щербаков A.C., Запруднов В.И., Кучерявый В.И., Мирошникова Е.Ф. Разработка стеновых панелей из арболита и их внедрение в производство// Научн. тр. - Вып. 293. - М.: МГУЛеса, 1997. - С. 5 - 13.

7. Щербаков A.C., Запруднов В.И., Мирошникова Е. Ф. Испытания трехслойных стеновых панелей для промышленных зданий с внутренним слоем из арболита// Научн. тр. - Вып. 293. - М.: МГУЛеса, 1997. - С. 24 -29.

8. Мирошникова Е.Ф. Стеновые конструкции из арболита на основе костры конопли// Международная научно-техническая конференция "Композиционные материалы на основе древесины, их технология, структура, свойства и конструкции из них", 21-24 otcr. 1997: Тезисы докладов. - М.: МГУЛ, 1997.-С. 38.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи УДК 674. 816. 2 (арб.)

ВАЛУЕВА Елена Федоровна

СТЕНОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ АРВ0ЛИТА НА КОСТРЕ КОНОПЛИ

05. 21. 05 - "Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, академик A.C. ЩЕРБАКОВ

Научный консультант -кандидат технических наук,

доцент В.И. ЗАПРУДНОВ

МОСКВА-1997

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ......9

1.1. Опыт применения арболита для изготовления

строительных материалов и конструкций..........9

1.2. Трехслойные стеновые конструкции со средним слоем

из арболита......................12

1.3. Теоретические и экспериментальные исследования трехслойных стеновых конструкций...........18

1.4. Технология монолитного изготовления трехслойных

стеновых конструкций.................27

1.5. Цели и задачи исследований...............38

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОР-МАТИВНОСТИ СТЕНОВЫХ АРБОЛИТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ.....40

2.1. Общие положения...................40

2.2. Напряженное состояние сжато-изогнутых стеновых

панелей.......................42

2.3. Деформативное состояние сжато-изогнутых стеновых

панелей.......................47

Выводы по главе.......................49

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРБОЛИТА НА ОСНОВЕ

КОСТРЫ КОНОПЛИ И БЕТОНА................50

3.1. Основные положения исследований...........50

3.2. Основные свойства используемого сырья и материалов . . . .55

3.2.1. Вяжущие вещества.................55

3.2.2. Органический заполнитель.............56

3.2.3. Химические добавки и материалы для отделочных

слоев......................60

3.3. Методика исследований физико-механических свойств арболита и бетона...................61

3.4. Влияние состава и степени уплотнения арболитовой смеси

на основные физико-механические свойства арболита .... 63

3.5. Контрольные испытания использованных для изготовления панелей арболита и бетона.............76

3.5.1. Основные положения................76

3.5.2. Результаты кратковременных испытаний арболита

и бетона.....................77

3.5.3. Расчетные характеристики арболита и бетона......78

Выводы по главе........................81

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ

И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ.......83

4.1. Задачи и особенности испытаний.............83

4.2. Методика проведения экспериментов............94

4.3. Результаты испытаний стеновых конструкций........98

Выводы по главе.......................100

5. АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ РАБОТЫ ТРЕХСЛОЙНЫХ СТЕНОВЫХ

ПАНЕЛЕЙ ПОД НАГРУЗКОЙ................109

5.1. Общие положения...................109

5.2. Составление программ расчета для IBM PC........109

5.3. Анализ ошибок расчетных данных............110

5.4. Сравнение расчетных данных с экспериментальными

и оценка достоверности методики расчета трехслойных панелей.......................112

Выводы по главе......................114

6. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ..................... 132

6.1. Предложения по расчету трехслойных стеновых

конструкций.....................132

6.1.1. Расчет стеновых панелей на сжатие........ 134

6.1.2. Предложения по расчету оптимальных вариантов конструкций...................135

6.2. Общие рекомендации по конструированию и применению панелей в строительстве..............138

6.3. Особенности технологии изготовления трехслойных

стеновых панелей из монолитного арболита........142

6.4. Экономическая эффективность внедрения исследований . . .147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................149

ЛИТЕРАТУРА........................151

Приложение 1.........................164

Приложение 2.........................174

Приложение 3.........................184

Приложение 4.........................186

Приложение 5.........................187

Приложение 6.........................189

Приложение 7.........................190

Приложение 8.........................191

Приложение 9.........................192

Приложение 10........................193

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших вопросов социальной политики Правительства России является улучшение жилищных условий трудящихся. В связи с этим возникает необходимость существенного увеличения объемов жилищного усадебного домостроения и сельскохозяйственного строительства при одновременном удешевлении и совершенствовании технологии строительства, снижения материалоемкости.

Успешному решению этих задач будет способствовать дальнейшее совершенствование применяемых строительных конструкций и изделий за счет использования эффективных материалов, в том числе на основе древесины.

Одним из таких материалов является арболит. Арболит изготавливается из имеющихся повсеместно древесных отходов - сучьев, вершин, горбылей, реек, стружки, а также отходов сельскохозяйственного производства. Этот материал обладает рядом положительных свойств: он биостоек и трудносгораем, морозо- и водостоек, имеет хорошие теплофизические и звукоизоляционные свойства. По своим свойствам и экономической эффективности арболит выгодно отличается от традиционных строительных материалов. Эффективность применения конструкций из арболита обусловлена их низкой себестоимостью, высокой индустриальностью, малой средней плотностью.

Важнейшим резервом расширения производства древесно-цементных композиционных материалов является использование в их составе в качестве заполнителя таких отходов сельского хозяйства, как костра конопли, льна и солома злаковых культур, которые в настоящее время находят крайне ограниченное применение и в своем большинстве уничтожается. Вышесказанное в первую очередь относится и к костре конопли.

Достаточно упомянуть, что только в Краснодарском крае имеются значительные запасы таких отходов сельского хозяйства [77]. Наличие больших

запасов местных органических заполнителей для производства арболита и отсутствие острого дефицита минеральных вяжущих позволяет считать названный регион наиболее благоприятным для массового внедрения монолитного усадебного домостроения из арболита. Этому способствует и технология, предложенная Московским Государственным Университетом леса. Утилизация отходов сельскохозяйственного производства (костры конопли) позволяет решать экологическую задачу охраны окружающей среды.

Развитие принципиально нового направления в малоэтажном домостроении - домов монолитной конструкции из арболита с заполнителем на основе костры конопли, потребовало в процессе организации массового производства решения ряда научных и технических вопросов по повышению несущей способности монолитных стен, определению их прочностных и де-формативных свойств, а также разработки специальных технологических приемов возведения монолитных стеновых конструкций из арболита.

Проведенные в этом направлении отечественные и зарубежные исследования относятся к другим материалам среднего слоя. Отличие от работы аналогичных строительных панелей в первую очередь определяется свойствами используемых материалов, другим конструктивным решением. Эти факторы имеют существенное значение как для напряженно-деформированного, так и предельного состояния конструкций.

Разработка наиболее рациональных конструктивных решений стеновых панелей с наименьшим расходом материалов и рациональной технологией их изготовления является актуальной задачей настоящего времени.

Технология монолитного изготовления высококачественных трехслойных конструкций стен позволяет повысить индустриальность домостроения, резко сокращать сроки строительства и в итоге решать важнейшую социальную задачу по обеспечению населения страны благоустроенным жильем.

Поэтому перед нами была поставлена цель - разработать трехслойные стеновые конструкции из арболита, исследовать их прочностные и деформа-тивные свойства и дать рекомендации по технологии изготовления и применения этих конструкций в монолитном малоэтажном домостроении.

В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния трехслойных стеновых панелей с несущими наружными слоями из тяжелого бетона и внутренним слоем из арболита.

Определено влияние состава и степени уплотнения арболитовой смеси на основные физико-механические свойства арболита. Определены нормативные и расчетные характеристики использованных материалов из арболита и бетона.

В результате проведенных исследований предложена методика расчета сжато-изогнутых трехслойных стеновых конструкций с материалом среднего слоя из теплоизоляционного арболита класса В1 и наружными слоями из тяжелого бетона.

Получены формулы, позволяющие определять распределение тангеци-альных напряжений вдоль продольной оси по толщине стеновой конструкции и выражение для определения прогибов при продольном сжатии.

На основе теоретических и экспериментальных исследований установлен характер напряженно-деформированного состояния панелей. Разработаны эффективные арболитовые стеновые конструкции: внутренние стеновые конструкции с дверным проемом и без проема; наружные стеновые конструкции без проема.

Даны общие рекомендации по конструированию и применению панелей в строительстве, а также технологии их изготовления. Результаты исследований апробированы и внедрены в производственных условиях, определена экономическая эффективность применения арболита на основе костры

конопли в строительной индустрии. Опыт эксплуатации стеновых панелей подтвердил результаты проведенных исследований.

Настоящая работа выполнена в лаборатории новых древесноцементных материалов Московского Государственного Университета леса, в лаборатории легких бетонов НИИЖБ, в институте "Роспроектагропромстройматериалы" (г. Саратов), в институте механики АН Украины (г. Киев) и в агропромышленном комбинате "Кубань" (Краснодарский край), сотрудникам которых автор выражает свою искреннюю признательность.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Опыт применения арболита для изготовления строительных материалов и конструкций

Возможности применения в строительстве таких материалов, как деревобетон, ксилолит, фибролит исследуются с начала XX века.

В нашей стране исследования по производству материалов на основе древесных заполнителей и минерального вяжущего были начаты в 30-е годы текущего столетия. Применение нового строительного материала - арболита в жилищно-гражданском, сельскохозяйственном и промышленном строительстве было начато в конце 50-х годов [8, 120].

За прошедшее время научными, проектными и производственными организациями проводились научно-исследовательские, конструкторские и проектные работы по совершенствованию технологии изготовления и улучшению свойств арболита за счет разработки эффективного оборудования, оптимизации составов арболитовой смеси, а также проектирования прогрессивных строительных конструкций [8, 9, 20, 21, 26, 31, 34, 37, 48, 50, 71, 77, 78, 84, 91, 92, 93,110,118,120,121].

Зарубежные фирмы производят древесно-цементные материалы по структуре и свойствам аналогичные арболиту, которые применяются в основном при возведении наружных и внутренних стен, перегородок, покрытий и перекрытий, при изготовлении тепло и звукоизоляционных изделий [12, 19, 51,60,117, 120,126].

Практика применения арболита показала, что изделия из этого материала имеют небольшую среднюю плотность, обладают хорошими теплофи-зическими и звукоизоляционными свойствами, достаточно прочны, био-, мо-розо-, и огнестойки, нетоксичны и хорошо обрабатываются режущим инст-

рументом. Конструкции из арболита эффективно заменяют кирпич, керамзи-тобетон, ячеистые бетоны, а по ряду эксплуатационных свойств даже превосходят их [10, 19, 53, 65, 99, 120]. Важнейшим фактором, определяющим высокую технико-экономическую эффективность применения арболита, является наличие в стране сырьевой базы органических заполнителей, позволяющих широко организовать производство экономичных строительных изделий из арболита. Наряду с древесными отходами сырьем для производства арболита могут служить такие отходы сельскохозяйственного производства, как костра конопли и льна, рисовая солома и другие. [28, 48, 55, 99] .

Благодаря крупнопористой структуре арболита в зданиях со стенами из этого материала обеспечивается хороший воздухообмен, а высокое термическое сопротивление ограждающих конструкций дает возможность тратить меньше энергии на отопление зданий [110].

Многими исследователями определялись основные области рационального применения арболита, где наиболее эффективно используются его прочностные и теплоизоляционные свойства. Это прежде всего малоэтажное жилищное строительство, где изделия из арболита используются во всех конструкциях, за исключением фундаментов. Около 75% производимых изделий и конструкций из арболита используются в сельскохозяйственном и малоэтажном жилищном строительстве [107, 110].

Серия типовых проектов одно- и двухэтажных жилых домов из арболита класса В2,5 со средней плотностью в сухом состоянии 650-700 кг/м разработана для жилищного строительства Гипролеспромом.

Возросшие объемы и темпы малоэтажного строительства требуют повышения полносборности и высокой степени заводской готовности строительных конструкций. Дальнейшее совершенствование номенклатуры и технологии изготовления арболитовых изделий должно быть направлено на

увеличение их размеров и разработку более эффективных конструкций панелей.

На заводах сборного арболита в основном выпускаются рядовые стеновые блоки с максимальным размером 2290x1180 мм, подоконные блоки 1790x810 мм и поясные блоки - перемычки 3580x580 мм. Изделия покрываются с обеих сторон защитным слоем из цементно-песчаного раствора марки 100 толщиной 10-20 мм. Стеновые и подоконные блоки изготовляют без рабочей арматуры, а блоки - перемычки, которые располагаются над оконными или дверными проемами армируют арматурными стержнями класса A-II -s- А-III. Такую конструкцию принято считать однослойной, т.к. при расчете прочности фактурные слои не учитываются [43].

Накоплен положительный опыт заводского изготовления однослойных крупноформатных панелей из арболита класса В2,5 размером "на комнату", предназначенных для строительства в различных климатических районах [9, 11, 20, 99, 111]. Такие панели изготавливают на Домодедовском заводе строительных материалов и конструкций, Дмитровском комбинате арболи-товых конструкций и изделий (Московская обл.), а также на предприятиях Росколхозстройобъединения и Рослеспрома. Вместе с тем, значительная часть арболитовых изделий в стране выпускается в виде неофактуренных или офактуренных с одной стороны мелкоразмерных стеновых блоков.

Натурные обследования зданий из арболита показали, что при действии длительных постоянных нагрузок в однослойных стеновых конструкциях появляются деформации, которые приводят к образованию трещин в вертикальных и горизонтальных стыках и в углах зданий. Различные по величине термовлажностные и усадочные деформации приводят к отслаиванию фактурных слоев из цементно-песчаного раствора [77, 121, 122]. В результате конструкции увлажняются, поражаются дереворазрушающими грибами ле-

том и разрушаются под действием отрицательных температур зимой. Во многих зданиях наблюдаются прогибы стеновых панелей [69].

При проектировании конструкций из арболита для зданий различного назначения следует учитывать свойства этого материала. Как известно арболит обладает высокой теплоизоляционной способностью, но относительно низкой прочностью и высокой деформативностью [99]. Такие отрицательные свойства, как усадка и набухание, ползучесть и высокая предельная сжимаемость не позволяют использовать арболит в сжатой зоне изгибаемых элементов, воспринимающих в процессе эксплуатации длительные нагрузки, так как со временем в них развиваются недопустимые прогибы. В связи с этим целесообразно изгибаемые, а также работающие на внецентренное сжатие конструкции проектировать комплексными, например трехслойными, в которых бы выгодно сочетались теплофизические свойства арболита и прочностные железобетона.

1.2 Трехслойные стеновые конструкции со средним слоем

из арболита

Многослойные ограждающие конструкции со слоями из конструкционных и теплоизоляционных материалов с позиций восприятия комплекса воздействий, которым они подвергаются, более рациональны. В такой конструкции функции материалов разграничены, что позволяет полнее использовать потенциальные возможности отдельных материалов. В трехслойных панелях внутренний теплоизоляционный слой надежно защищен от возгорания и влагопоглощения, что повышает их долговечность и надежность в эксплуатации.

Наружные трехслойные стены можно проектировать с внешними слоями из бетона или листовых материалов. В качестве материалов для

внешних слоев в трехслойных стеновых панелях с утепляющим слоем из арболита применяют главным образом тяжелый или �