Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1. Требования к древесине как к конструкционному и строительному материалу 10
1.2. Исследования узловых соединений стеновых ограждающих конструкций из панелей на деревянном каркасе 17
1.3. Требования к узлам стыковки наружных ограждающих конструкций жилых зданий 21
1.4. Результаты патентных исследований конструкций узловых соединений стеновых панелей с деревянным каркасом 25
1.5. Цель и задачи исследований 35
ГЛАВА 2. Расчётно-теоретическоеобоснование конструктивных решений узлов соединения стеновых панелей на деревянном каркасе 37
2.1 Обоснование выбора физической и математической моделей 37
2.2 Выбор конструктивного решения узла сопряжения стеновых панелей на деревянном каркасе 2.3 Численные исследования узловых соединений 52
ГЛАВА 3. Основные методические положения выполнения экспериментальных исследований 59
3.1 Описание экспериментальной установки 59
3.2 Методика и планирование эксперимента з
3.3 Методика определения плотности теплового потока в узлах сопряжения стеновых панелей на деревянном каркасе 71
3.4 Методика определения теплофизических характеристик материалов в опытных образцах 75
3.5 Статистическая обработка экспериментальных данных 79
ГЛАВА 4. Результаты и экспериментальных исследований 82
4.1 Исследование теплофизических характеристик узлов стыковки деревянных стеновых панелей 82
4.2 Определение теплофизических характеристик применённых материалов 89
4.3 Сравнительный анализ результатов исследований 91
ГЛАВА 5. Технологические решения изготовления каркасно-панельных деревянных элементов 94
5.1 Технологический процесс производства наружных деревянных стеновых панелей 94
5.2 Технические и технологические требования к деревянным стеновым панелям 98
5.3 Схемы организации рабочих мест на производственном предприятии при изготовлении панелей 105
Выводы и рекомендации 114
Список литературы
- Требования к узлам стыковки наружных ограждающих конструкций жилых зданий
- Выбор конструктивного решения узла сопряжения стеновых панелей на деревянном каркасе
- Методика определения плотности теплового потока в узлах сопряжения стеновых панелей на деревянном каркасе
- Технические и технологические требования к деревянным стеновым панелям
Требования к узлам стыковки наружных ограждающих конструкций жилых зданий
Наша страна является первой в мире по количеству лесных площадей, которые занимаю почти половину территории России- примерно 12,3 млн. км . Преобладающими породами являются хвойные: 37% лесов занимает лиственница, 19% - сосна, 20% - ель и пихта, 8% - кедр.
Хвойную древесину используют для изготовления основных элементов деревянных конструкций и строительных деталей. Прямые высокие стволы хвойных деревьев с небольшим количеством сучков позволяют получать прямолинейные пиломатериалы с ограниченным количеством пороков. Хвойная древесина содержит смолы, благодаря чему она лучше сопротивляется увлажнению и загниванию, чем лиственная.
Достоинства и недостатки древесины как строительного материала Древесина, как и другие строительные материалы, имеет свои достоинства и недостатки. Достоинства: - наличие широкой, постоянно возобновляемой сырьевой базы; - относительно малая плотность; -высокая удельная прочность - отношение предела прочности при растяжении вдоль волокон к плотности: 100/500 = 0,2 (примерно равная стали); - стойкость к солевой агрессии, к воздействию других химически агрессивных сред; - биологическая совместимость с человеком и животными - в зданиях из древесины наилучший микроклимат; - высокие эстетические и акустические свойства - лучшие концертные залы страны облицованы древесиной; - малый коэффициент теплопроводности поперек волокон - стена из бруса шириной 200 мм эквивалентна по теплопроводности кирпичной стене шириной 640 мм; - малый коэффициент линейного расширения вдоль волокон - в деревянных зданиях нет необходимости устраивать температурные швы и подвижные опоры; - меньшая трудоемкость механической обработки, возможность создания гнутоклееных конструкций. Недостатки: - анизотропия строения древесины; - подверженность загниванию и поражению жуками-древоточцами; - сгораемость в условиях пожара; - изменение физико-механических характеристик под воздействием различных факторов (влаги, температуры); - усушка, разбухание, коробление и растрескивание под влиянием атмосферных воздействий; - наличие пороков (сучки, косослой и других), существенно снижающих качество изделий и конструкций; - ограниченность сортамента лесоматериалов. Лесоматериалы, получаемые строительством, делят на круглые и пилёные.
Пиломатериалы получают в результате продольной распиловки бревен на лесопильных рамах или круглопильных станках. Пиломатериалы подразделяются по характеру обработки: на обрезные (опиленные с 4 сторон по всей длине); обзольные (часть поверхности не опилена по всей длине из-за сбега бревна); необрезные (не опилены две кромки).
Пиломатериалы прямоугольного сечения делятся на доски, бруски и брусья. Более широкие стороны пиломатериалов называют пластами, а узкие -кромками. Пиломатериалы имеют стандартную длину 1- 6,5м с градацией через каждые 0,25м. Ширина пиломатериалов колеблется от 75 до 275 мм, толщина - от до 250 мм. По качеству древесины и обработки доски и бруски разделяют на пять сортов (отборный, 1, 2, 3, 4-й), а брусья на четыре (1, 2, 3, 4-й).
Плотность. Древесина относится к классу легких конструкционных материалов. Ее плотность зависит от относительного объема пор и содержания в них влаги. Стандартная плотность древесины должна определяться при влажности 12%. Свежесрубленная древесина имеет плотность 850 кг/м . Расчетная плотность древесины хвойных пород в составе конструкций в помещениях со стандартной влажностью воздуха 12% принимают равной 500 кг/м ., в помещении с влажностью воздуха более 75% и на открытом воздухе -600 кг/м3.
Температурное расширение. Линейное расширение при нагревании, характеризуемое коэффициентом линейного расширения, в древесине различно вдоль и под углами к волокнам. Коэффициент линейного расширения а вдоль волокон составляет (3- 5)- 10 6, что позволяет строить деревянные здания без температурных швов. Поперек волокон древесины этот коэффициент меньше в 7 - 10 раз.
Теплоемкость древесины значительна, коэффициент теплоемкости сухой древесины составляет С = 1,6КДЖ/кг-С.
Еще одним ценным свойством древесины является ее стойкость ко многим химическим и биологическим агрессивным среда. Она является химически более стойким материалом, чем металл и железобетон. При обычной температуре плавиковая, фосфорная и соляная (низкой концентрации) кислоты не разрушают древесину. Большинство органических кислот при обычной температуре не ослабляют древесину, поэтому она часто используется для конструкций в условиях химически агрессивных сред.
Механические свойства древесины характеризуются: прочностью -способностью сопротивляться разрушению от механических воздействий; жесткостью - способностью сопротивляться изменению размеров и формы; твердостью - способностью сопротивляться проникновению другого твердого тела; ударной вязкостью - способностью поглощать работу при ударе.
Выбор конструктивного решения узла сопряжения стеновых панелей на деревянном каркасе
Известно, что такие тепло физические свойства как теплопроводность, изменяются с изменением направления, т.е. древесина анизотропна в отношении этих свойств. Если в древесине пренебречь различиями в величине теплопроводности по направлениям, перпендикулярным направлению волокон, то её можно рассматривать как транстропный материал [98].
Транстропными материалами (трансвенсально анизотропными) называют материалы, у которого все оси, лежащие в одной из плоскостей, эквивалентны друг другу в смысле симметрии. Плоскость, проходящая через эти оси, является плоскостью изотропии. Такие материалы называют поперечно (аксиально) изотропными или транстропными. Для транстропных материалов продольная ось является осью симметрии бесконечного порядка, т.к. поворот транстропных материалов на бесконечно малый угол вокруг такой оси приведёт к смещению всех точек.
Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dt прямо пропорционально температурному градиенту 5t/5n, поверхности dF и времени dt:
Так как в левой части уравнения у нас находится функция зависящая только от t, а в правой — только от х, то, фиксируя любое значение х в правой части, получаем, что для любого t значение левой части уравнения постоянно. Таким же образом можно убедиться, что и правая часть постоянна, то есть равна некой константе —Л(минус взят для удобства). Таким образом, мы получаем два обыкновенных линейных дифференциальных уравнения:
Теперь всё готово для того, чтобы записать решение исходной задачи: (х, t) = XJx)TJt) = Cnsm (s) exp (-a2 (y)M , n=\,2,... 225) В результате у нас получилось бесконечное количество частных решений уравнения. Все эти частные решения линейно независимы, то есть линейная комбинация любого количества решений равна нулю, только если все коэффициенты при них равны нулю. Поэтому логично предположить, что суммируя все частные решения по тгот единицы до бесконечности, мы получим общее решение исходной задачи.
В курсе математической физики доказывается, что полученный ряд удовлетворяет всем условиям данной задачи, то есть функция u[xi Ч дифференцируема (и ряд сходится равномерно), удовлетворяет уравнению в области определения и непрерывна в точках границы этой области.
Применяемые в современной практике узлы стыковки стеновых панелей имеют различные конструктивные решения. Подвергнем анализу наиболее часто встречаемые типовые решения. Рассматривать каждый узел будем всесторонне, согласно требованиям, изложенным в п. 1.3.
Прямой вертикальный узел сопряжения стеновых панелей Простой в изготовлении, так как торцевые стойки выполнены из того же пиломатериала, что и промежуточные стойка каркаса. С точки зрения теплопроводности спаренная стойка является линейной неоднородностью материала панели. При расчёте приведённого сопротивления теплопередаче (2.2.1) необходимо учитывать влияние таких тепловых мостов: RQCJI - осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, м2 С/Вт; lj - протяженность линейной неоднородности j -го вида, приходящаяся на 1 м фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м2; ipj - удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-oro вида,Вт/(мС); пк - количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт/м2; Хк - удельные потери теплоты через точечную неоднородность к-го вида, Вт/С; щ - площадь плоского элемента конструкции і - го вида, приходящаяся на 1 м фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной 9 9 ограждающей конструкции, м /м . Согласно нормам величина ipj вычисляется путём расчёта двумерных тепловых полей. Такие расчёты можно выполнить в программе Heat2D.
Воздухопроницаемость такого узла так же будет достаточно высокой. Процессы температурно-влажностных перепадов будут вызывать деформации древесины деталей узлового сопряжения, что в свою очередь будет способствовать образованию зазоров и щелей. Кроме того прохождение сквозь конструкцию тёплого воздуха может осуществляться и через места примыкания обшивки к торцевым стойкам каркаса. Потери тепла в данном случае возможно учесть при использовании теории переноса массы газа в канале при наличии параллельного стенкам градиента температуры:
Как мы видим из графика, инфильтрация воздуха через ограждающие конструкции оказывает существенное влияние на тепловой баланс здания.
У стыка, показанного на рисунке 2.2.1, следует отметить низкую технологичность монтажа. При сборке здания необходимо использовать много дополнительного оборудования в виде струбцин, уровней и т.д. для выставления конструкций в одной плоскости. Так же следует заметить, что при различных горизонтальных нагрузках на смежные панели крепёжные элементы будут испытывать действие поперечных сил, что со временем может привести к разбалтыванию деталей стыка.
Дальнейшее развитие конструктивных решений было в основном направлено на повышение технологичности монтажа и исключение «продуваемости» узловых соединений. Вопрос повышения теплофизических характеристик на современных производствах решается установкой дополнительного слоя утеплителя с наружной стороны панелей, что в целом повышает теплотехническую однородность панели, но приводит к усложнению технологии изготовления и монтажа конструкций и удорожанию строительства в целом.
Методика определения плотности теплового потока в узлах сопряжения стеновых панелей на деревянном каркасе
Согласно сетке опытов изготавливаются образцы для испытаний. Торцевые рёбра стеновых панелей изготавливаются из древесины сосны 2-го сорта. Применяются стандартные материалы по [10] сечением 200x50 мм. Сначала отобранные для испытаний доски разрезаются на заготовки длиной 945 мм. Затем полученные заготовки строгаются и подаются на станок горизонтального фрезерования для изготовления шипа/паза. Формируем сквозной паз вертикальным фрезерованием для установки теплоизолирующих вставок.
Готовые образцы пазогребневого соединения панелей Заготавливаем из теплоизолирующего материала вставки и монтируем их в сквозные пазы торцевых рёбер. Материалом вставок служит экструдированый пенополистирол марки Технониколь Carbon Есо толщиной 50 мм и пенофол. Ещё один вариант узлового соединения испытывается с воздушным заполнением пазов.
Производят раскрой плитного материала обшивки выполняемой из плит OSB-3. Раскрой производится на циркулярном станке. На один образец узлового соединения выполняется 4 заготовки обшивок размерами 945x470 мм.
Далее обшивка закрепляется на торцевых рёбрах самонарезающими винтами 2.5x47 мм с шагом 250 мм. После этого две части узлового соединения закрепляются между собой при помощи самонарезающих винтов. Устанавливается утеплитель между обшивками и при необходимости закрепляется с торцов клейкой лентой.
Устанавливаем на подготовленный образец датчики теплового потока. Для этого участки поверхности ограждающих конструкций, на которые утанавливают датчик теплового потока, зачищают до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей.
Датчик плотно прижимают по всей его поверхности к ограждающий конструкции и закрепляют в этом положении, обеспечивая постоянный контакт датчика теплового потока с поверхностью исследуемых участков в течение всех последующих измерений.
При креплении датчика не допускается образование воздушных зазоров. Для исключения их на участке поверхности в местах измерений наносим тонкий слой теплопроводной пасты КПТ-8, перекрывающей неровности.
Кабель, соединяющий датчик с электронным блоком, крепим к объекту контроля клеящей лентой вблизи датчика.
Устанавливаем изготовленный фрагмент стеновой панели в тепловую камеру, заполняем образованные зазоры по периметру утеплителем и заклеиваем клейкой лентой для исключения теплогазообмена. Размечаем на горизонтальной оси в центре установленного образца шкалу замеров температуры на «внутренней» поверхности с шагом 50 мм.
К работе с климатической камерой допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Перед началом работ необходимо изучить инструкции по работе с приборами и оборудованием.
Проведение испытания начинается с установления климатических условий в соответствии с планом проведения эксперимента. После запуска климатической камеры и установления заданной температуры образец выдерживается в созданных условиях 18.. .22 часа. Далее производился замер плотности теплового потока и распределение температуры по «внутренней» поверхности обшивки.
Измеритель измеряет тепловой поток и температуру, индицируя их текущее значение в течение 3... 10 минут, до появления на дисплее измерителя мигающего символа (символов) «Ф» и кратковременного звукового сигнала, свидетельствующих о наступлении установившегося режима теплообмена под датчиком теплового потока и возможности фиксации теплового потока и температур для дальнейшего определения RoffliHRK.
Фиксируем плотности тепловых потоков qi, q2 и q3 нажатием кнопки ВВОД в момент стабилизации показаний (повторяемость результатов измерений плотности тепловых потоков должна быть в пределах ±(3...5)%), на дисплее при этом вместо символа «Ф» появится знак « = ».
Фиксируем наружную температуру tH нажатием кнопки I и внутреннюю температуру tB нажатием кнопки в момент их стабилизации (повторяемость результатов измерения температур должна быть в пределах ± 0,2 С), на дисплее при этом вместо символов «Ф» после обозначения температур tHn tB появится знак « = ».
По окончании фиксации плотностей тепловых потоков и температур производится Одновременно фиксируется время и дата измерения. При проведении измерений с подключением к блоку электронному одного из датчиков, например ПЗ, дисплей имеет вид: т.е. индикация плотности теплового потока, измеряемого каждым из датчиков, производится в своей строке: qi(IIl) - в верхней, q2(II2) - в средней и дз(ПЗ) - в нижней. Производим замеры температуры в обозначенных точках с фиксацией результатов инфракрасным термометром с лазерным указателем.
Все результаты заносим в журнал проведения испытаний для последующей обработки. Методика определения теплофизических характеристик материалов в опытных образцах Определение теплофизических характеристик материалов применённых для изготовления экспериментальных образцов необходимо для уточнения численного расчёта выполняемого в программе Heat2D.
Технические и технологические требования к деревянным стеновым панелям
Механическая обработка деталей из древесины должна производиться до пропитки антисептиком. Допускается механическая обработка деталей после пропитки с последующей обработкой обнажившихся поверхностей теми же составами.
По требованию заказчика для изготовления панелей могут использоваться другие материалы, отвечающие требованиям нормативных документов на них и имеющие сертификаты гигиенической и пожарной безопасности, предусмотренные законодательством Российской федерации, оформленные в установленном порядке. Перед использованием материалы должны пройти входной контроль в соответствии с порядком, установленным на предприятии, исходя из требований ГОСТ 24297-87. Требования безопасности Требования безопасности при производстве стеновых наружных панелей, а также порядок их обеспечения должны быть установлены в технологической документации. При монтаже (сборке) конструктивных элементов и деталей необходимо руководствоваться требованиями [23].
Применяемость панелей и объектов с их применением в условиях с повышенными (специальными) требованиями к сейсмичности, пожароопасности, агрессивности среды должна подтверждаться заключением соответствующих органов в установленном порядке. Изделия должны выдерживать ветровую нагрузку по [18]. Изделия являются безопасными в течение всего срока службы, при условии правильной сборки конструктивных элементов и правильной эксплуатации изделий. Изделия должны укомплектовываться эксплуатационной документацией, содержащей требования (правила), предотвращающие возникновение опасных ситуаций при подготовке к эксплуатации.
Элементы конструкции изделий не должны иметь острых углов, кромок и заусенцев, представляющих опасность травмирования пользователя. Отходы производства подлежат утилизации. Лица, допущенные для работы при производстве изделий, должны иметь профессиональную подготовку, соответствующую характеру работ. Условия производства должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12.1.003, ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.005. Рабочие места должны быть оборудованы в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.032 и ГОСТ 12.2.033.
Выполнение требований охраны труда и техники безопасности должно обеспечиваться соблюдением соответствующих утвержденных инструкций и правил по охране труда при осуществлении работ.
Все работающие должны пройти обучение безопасности труда по ГОСТ 12.0.004. Все работы, связанные с обработкой древесины должны производиться в помещении, оснащенном вентиляцией по ГОСТ 12.4.021, обеспечивающей состояние воздушной среды в соответствии с ГОСТ 12.1.005 и ГОСТ 12.3.002. Помещения должны быть оснащены средствами пожаротушения по ГОСТ 12.4.009. При выполнении работ необходимо обеспечить меры и способы уборки образовавшихся пыли и опилок. Производственный персонал должен применять средства индивидуальной защиты по ГОСТ 12.4.011. Общие требования к элетробезопасности - по ГОСТ 12.1.019. Контроль требований электробезопасности - по ГОСТ 12.1.018. Требования пожарной безопасности - по ГОСТ 12.1.004. Пожарная безопасность должна обеспечиваться как в нормальном, так и в аварийном режимах работы. Работы по техническому обслуживанию должны выполняться в соответствии с Требованиями эксплуатационной документации.
В соответствии с [24] несущие и ограждающие конструкции должны иметь группу горючести Г- 3. Деревянные элементы, детали и изделия должны быть экологически безопасными для окружающей среды. Материалы и комплектующие, используемые для производства внутренних и наружных стеновых панелей, должны иметь соответствующие документы, предусмотренные действующим законодательством РФ (санитарно-эпидемиологические заключения, сертификаты пожарной безопасности, технические свидетельства или сертификаты соответствия).
Сточные воды в процессе производства отсутствуют. Размещение и обезвреживание отходов, образующихся при очистке оборудования, осуществляют согласно СанПиН 2.1.7.1322-03. Правила приемки Внутренние и наружные стеновые панели должны быть приняты представителями технического контроля предприятия - изготовителя в соответствии с требованиями технического регламента.
При серийном изготовлении изделий ведутся следующие виды испытаний: - приемо-сдаточные испытания; - периодические испытания; - входной контроль покупных материалов и комплектующих изделий; - технический (операционный) контроль изготовленных изделий; - типовые (квалификационные) испытания. Приемо-сдаточные испытания внутренних и наружных стеновых панелей производят комплексно для конкретного объекта. При этом приемо-сдаточному контролю подвергают все детали, конструктивные элементы, материалы и изделия, входящие в комплект поставки.
Если при приемке окажется, что отдельные детали и конструктивные элементы внутренних и наружных стеновых панелей не удовлетворяют требованиям качества, то они подлежат замене. После устранения дефектов и повторной приемки представителями технического контроля комплект панелей для объекта отгружается заказчику. По договоренности сторон приемка комплекта внутренних и наружных стеновых панелей для объекта потребителя может производиться на складе изготовителя, на строительной площадке или в ином месте.
При приемо-сдаточном контроле (сплошной контроль) проверяют соответствие: - упаковки и маркировки; - геометрических размеров конструктивных элементов рабочим чертежам; - влажность деревянных деталей; - наличие антисептических и огнезащитных покрытий деревянных деталей, конструкций и изделий согласно проекту; - внешнего вида деревянных деталей и конструкций (пороки древесины и обработки); - комплектации изделия. Входной контроль материалов Входной контроль материалов покупных и изготовленных комплектующих изделий осуществляется исходя из требований ГОСТ 24297 в порядке, установленном на предприятии-изготовителе.
Проверка соответствия покупных материалов и изделий требованиям распространяющихся на них нормативных документов осуществляется по документации, подтверждающей их качество (сертификаты, паспорта, формуляры).
Методы контроля Качество материалов, комплектующих и деталей, используемых в производстве внутренних и наружных стеновых панелей, определяют при входном контроле по нормативной документации на эти материалы, комплектующие и конструкции. Номинальные размеры и предельные отклонения от номинальных размеров панелей и их элементов определяют универсальным материальным инструментом по ГОСТ 7502, ГОСТ 427 и ГОСТ 166 и (или) другими пригодными инструментами, обеспечивающими необходимую точность конкретного измерения.