Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Анализ мировой практики применения и изучения панелей с деревянным каркасом в составе ограждающих конструкций жилых зданий .12
1.2. Тенденции развития отечественных исследований стеновых панелей с деревянным каркасом .24
1.3. Современные требования к наружным ограждающим конструкциям жилых зданий .39
1.4. Результаты патентных исследований конструкций стеновых панелей с деревянным каркасом 43
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований 45
2. Технические и технологические решения изготовления стеновых панелей и обоснование их применения в строительстве 50
2.1. Конструкция стеновой панели 50
2.1.2. Выбор материала для обшивок деревянного каркаса панелей 53
2.2. Обоснование эффективности применения стеновой панели в составе наружных ограждающих конструкциях 60
2.2.1. Обеспечение пожарных требований .64
2.2.2. Обеспечение тепловой защиты .69
2.2.3. Обеспечение долговечности 84
2.3. Выводы 86.
3. Теоретические исследования прочности, жесткости и устойчивости стеновых панелей 87
3.1. Определение нагрузок действующих на панель 87
3.2. Теоретический расчет стеновой панели на воздействие статических и динамических нагрузок с учетом податливости связей обшивки с деревянным каркасом .91
3.2.1. Конечно-элементное моделирование панели 97
3.3. Аналитический расчёт несущей способности крепления стальных уголков к деревянному каркасу панели и их крепления панели к несущим элементам здания 106
3.4. Выводы 115
4. Методики и результаты экспериментальных исследований 116
4.1. Исследование несущей способности соединений деревянных элементов каркаса и обшивок при помощи металлических скоб и определение их шага..116
4.1.2 Методики экспериментальных исследований 116
4.1.3. Результаты исследований 117
4.2. Испытание стеновой панели на жёсткость при изменении шага крепления обшивок к деревянному каркасу металлическими скобами 120
4.2.1. Методика экспериментальных исследований .120
4.2.2. Результаты исследований 122
4.3. Испытания стеновой панели и узлов её крепления на горизонтальные нагрузки, действующие перпендикулярно обшивкам панели 122
4.3.1. Методика экспериментальных исследований .123
4.3.1. Результаты исследований 127
Выводы .130
5. Совершенствование технологии производства стеновых панелей с деревянным каркасом .131
5.1. Последовательность выполнения технологических операций 131
5.1.1 Технические требования к конструкции панели и применяемым материалам 132
5.1.2. Основные технологические требования 136
5.2. Схемы организация рабочих мест при производстве панелей на позиционном оборудовании и на механизированной линии 140
Основные выводы и рекомендации 145
Список литературы
- Современные требования к наружным ограждающим конструкциям жилых зданий
- Обоснование эффективности применения стеновой панели в составе наружных ограждающих конструкциях
- Конечно-элементное моделирование панели
- Испытание стеновой панели на жёсткость при изменении шага крепления обшивок к деревянному каркасу металлическими скобами
Современные требования к наружным ограждающим конструкциям жилых зданий
По эстетическим и техническим причинам в строительстве за рубежом на протяжении тысячелетий рационально комбинировались самые разнообразные материалы с учетом их специфических свойств. Дерево при этом было и остается одним из наиболее употребляемых строительных материалов, играя одну из важнейших ролей. Первоначально эти комбинации реализовывались по принципу «друг около друга», когда например, стены делались из камня, а крыша – из дерева. Позднее комбинировать стали, в том числе и по принципу «вместе друг с другом», когда самые разнообразные материалы применялись в одних и тех же конструктивных элементах одновременно. В качестве традиционного примера комбинированных технологий строительства можно рассматривать фахверковые постройки, рис.1.1. Принципиальным при этом считалось и считается в настоящее время то, что различные материалы должны комбинироваться так, чтобы усиливать преимущества и компенсировать недостатки. Таким образом, свойства разных материалов должны дополнять друг друга и при правильном применении давать преимущества в функциональном, конструктивном и экономическом отношении.
В начале 2000-х годов во многих странах повысились требования к тепловой защите зданий, это привело к тому, что новым требованиям перестали удовлетворять многие употреблявшиеся строительные материалы и методы возведения внешних стен зданий. В то же время широко распространялось строительство одноквартирных жилых домов из панелей c деревянным каркасом. Такие дома существенно отличались от многоквартирных зданий по уровню потребления энергии. Поэтому за рубежом начали широко применяться комбинированные технологии строительства жилых и административных многоэтажных зданий, в которых каркас здания изготавливается из железобетона, а наружные стены с применением стеновых панелей с деревянным каркасом [1,2,3,4,5,6,7,8]. Рис. 1.1 Дом из фахверка в г. Веймаре (Германия)
Стеновая панель, применяемая в комбинированной технологии строительства, является элементом, состоящим из стоек, соединенных верхним и нижним ригелями (поясами); каркас заполнен утеплителем и имеет наружную и внутреннюю обшивки, а также соединительные элементы, равномерно распределенные и соединяющие обшивку со стойками и ригелями. Соединения элементов деревянной конструкции, стоек и ригелей, выполняется, как правило, с помощью механических соединительных элементов, таких как гвозди, шурупы или скобы. Соединение плит обшивки с деревянной конструкцией иногда выполняется путем склеивания и с применением дополнительных механических соединительных элементов. Широкий обзор конструкционных систем на деревянном каркасе представлен в [2,3,9,10].
Применение комбинированных строительных технологий в европейских странах многообразно, что обусловлено различными строительными традициями стран, а также особенностями рынка. Особенно длительные традиции в комбинации несущих каменных или железобетонных конструкций с ненесущими энергоэффективными деревянными внешними стенами имеют скандинавские страны: Швеция, Норвегия и Финляндия. Причина кроется, с одной стороны, в «прибыли от дополнительной площади», которая возникает из-за конструктивно более тонких внешних стен (для обычного многоквартирного дома полезная площадь увеличивается на 3 - 6%), а с другой стороны - в более высокой производительности изготовления конструктивных элементов. Доля рынка КТС в многоэтажном жилищном строительстве, в котором КТС наиболее применим, в этих странах достигает 90% [3].
Жилищное строительство в Нидерландах, как и в Германии, отличает высокая степень стандартизации и индустриализации. Это облегчает применение комбинированной технологии в многоэтажном жилищном строительстве. Доля комбинированной технологии в жилищном строительстве достигает примерно 50%. При этом применяются комбинации с кирпичными стенами, железобетоном, а в отдельных случаях - со стальными конструкциями.
В Австрии и Швейцарии улучшение тепловой защиты зданий является существенным аргументом для применения стеновых панелей с деревянным каркасом в технологии строительства. К этому подталкивают также экологические требования, усиливающиеся требования по применению возобновляемы х видов сырья, которым идеально соотве тствует древесина и древесные материалы. В частности, в жилищном строительстве, в других областях строительства, реализовываются проекты, которые частично основаны на инновационных технологиях, направленных на рациональное энергопотребление и использование солнечной энергии [3].
Основные аргументы в пользу применения стеновых панелей с деревянным каркасом при строительстве многоквартирных жилых зданий: экономические, экологические и конструкционные преимущества. Следует отметить, что применение таких панелей в строительстве находят всё большее применение и в других странах, например в Финляндии, Швеции, Канаде.
Изготовление стеновых панелей с деревянным каркасом может производиться непосредственно на строительной площадке (рис.1.2) или в заводских условиях (рис.1.3) с последующим их монтажом в строящемся здании (рис.1.4)
Обоснование эффективности применения стеновой панели в составе наружных ограждающих конструкциях
Габаритные размеры панелей определяются в соответствии с проектной документацией, в которой должны быть учтены допустимые зазоры между каркасом панели и элементами наружных проёмов здания. Стойки в каркасе панелей должны располагаться с шагом не более 625 мм между осями стоек. При таком расстоянии обеспечивается рациональный расход листового материала при обшивке панелей (ширина стандартны х листовых ма териалов, как правило, 1200 мм или 1250мм).
Для соединения деталей каркаса применяются строительные гвозди или другие крепёжные элементы. Крепление обшивок к элементам каркаса панели при заводском изготовлении должно производиться оцинкованными металлическими скобами. Шаг скоб устанавливается на основании расчётов и испытаний, результаты которых приведены в 3 и 4 главах диссертации.
Для изготовления основных деталей каркаса панелей используются деревянные заготовки, изготовленные из пиломатериалов хвойных пород (сосна или ель) не ниже 3 сорта. Влажность древесины заготовок и деталей каркаса панели должна быть в пределах от 12% до 18%. Такая влажность обеспечивает стойкость древесины к загниванию в строительных конструкциях регламентируется ГОСТ 11047-90 [64].
Толщина деревянных элементов каркаса должна быть не менее 40мм. При такой толщине обеспечиваются хорошие условия для крепления смежных обшивок к деталям каркаса скобами. Спинки скоб при забивании должны располагаться под углом 40...45 к направлению волокон древесины [65]. Длина деталей в каркасе панелей и размеры проёмов определяются по чертежам. Ширина заготовок устанавливается на основании теплофизических расчётов панели для соответствующего климатического района. Так по результатам теплофизических расчётов, приведённых в разделе 5 для климатического района г. Санкт-Петербург, ширина заготовок должна быть не менее 145мм.
В соответствии с требованиями СП 54.13330.2011 [57 (разд. 1.3)] все поверхности деревянных деталей каркаса должны быть обработаны антисептиком. Для защиты древесины от возможного намокания, например при транспортировке, хранении и монтаже панелей, наружные поверхности боковых стоек, верхнего и нижнего поясов должны быть дополнительно гидроизолированы. В качестве гидроизоляции материала могут быть использованы обмазочные или укрывные материалы строительного назначения. Зазоры межд у смежными листами наружной обшивки панели также должны быть загерметизированы паропроницаемым герметиком.
В качестве утеплителя каркаса следует применять негорючие материалы [66], например минераловатные плиты на синтетическом связующем из сырьевой смеси на основе горных пород базальтовой группы, плотностью не менее 35 кг/м3 и температурой плавления не ниже 1000 0С. Рекомендуется применять базальтовую вату ROCKWOOL Лайт БАТС. Исследованиями, проведёнными ЦНИИСФ, установлено, что долговечность такой ваты составляет не менее 50 лет [67]. В качестве обшивок могут использоваться любые листовые материалы, имеющие группу горючести не ниже Г1 по ГОСТ 30244-94 [68]. Рациональный выбор листового материала для применения в качестве обшивок панелей приводится ниже в разд. 2.1.2 и опубликован
Для обеспечения требований по огнестойкости деревянный каркас должен иметь конструктивную защиту. С помощью номограмм, приведённых в «Инструкции по расчёту огнестойкости лёгких ограждающих конструкций» [69], составленных на основании проведённых огневых испытаний, было определено, что для получения предела огнестойкости стены Е30 толщина конструктивной защиты листовыми материалами группы горючести Г1 должна быть не менее 20мм. При использовании для обшивок листового материала толщиной 10…12 мм, внутренняя обшивка со стороны помещения деревянного каркаса должна быть дополнительно обшита листовым материалом группы горючести не ниже Г1 и толщиной не менее 10мм, например гипсокартонными листами толщиной 12 мм, при этом стыки (зазоры) межд у смежными листами первого обшивочного слоя должны перекрываться листами второго обшивочного слоя. Второй слой обшивки рациональнее устанавливать после монтажа панели и заделки монтажных зазоров, в этом случае вторым слоем перекрываются и заделанные зазоры. Для обеспечения надёжной пароизоляции панели и монтажных стыков перед установкой второго обшивочного слоя вся поверхность панели и заделанные монтажные зазоры по всему периметру панели должны укрываться дополнительным пароизоляционным материалом, например полиэтиленовой плёнкой.
Конечно-элементное моделирование панели
Крепление обшивок в оконном и/или дверном проёме (см.рис. 2.1) должно производиться не только к деревянным элементам каркаса, в которых металлический крепёж при температуре выше 220С вызывает обугливание и утрату удерживающий способности в местах крепления, но и к металлическим закладным элементам - уголкам или пластинам с помощью винтообразного крепежа, обеспечивающим удерживающую способность при температурах выше 1000 С, рис. 2.7.
Крепёж закладных элементов - металлических уголков или пластин к деревянным элементам каркаса защищается огнеупорными обшивками и не вызывает обугливание древесины в течении нормированного времени воздействия высоких температур, что обеспечивает повышение огнестойкости стеновой панели.
Для обеспечения пожарных требований по классу пожарной опасности стеновой панели со стороны помещения, зазор между верхним поясом панели и железобетонным перекрытием должен иметь противопожарную рассечку, которая может выполняться с помощью уголка из оцинкованной стали. Уголок закрепляется к верхнему поясу стеновой панели винтообразным крепежом через другой металический уголок, преварительно закреплённый на кромке верхнего пояса панели, рис. 2.8.
Конструкция крепления обшивок в оконном проёме и уголка, служащего противопожарной рассечкой, запатентована - выдан патент на полезную модель [70].
Повышение класса пожарной опасности с внешней стороны здания возможно с применением противопожарных коробов, устанавливаемых по периметру оконных и дверных проёмов [43]. Элементы короба выполняются из стали с антикоррозионным покрытием толщиной не менее 0,55 мм. Короб формируется из отдельных элементов при монтаже фасада и является противопожарной отсечкой. Элементы короба должны иметь выступы-бортики с вылетом за лицевую поверхность облицовки основной плоскости фасада. Крепление элементов противопожарного короба осуществляется к несущему каркасу стеновой панели после монтажа оконных блоков. Конструкция узлов примыкания оконного блока и противопожарного короба приведена на рис. 2.9. а) (монтажный шов 10:30мм)
Узлы примыкания оконного блока и элемента противопожарного короба в проёме ограждающей конструкции: а)- узел бокового примыкания; б)-узел нижнего примыкания; в) узел верхнего примыкания
В ФГУ ВНИИПО МЧС Росссии прведены огневые испытания многослойной ограждающей конструкции, рис.2.10.
Огневые испытания образца ограждающей конструкции: а)- общий вид образца, закреплённого на испытатльном стенде; б)- общий вид образца в момент проведения огневых испытаний; в)- общий вид образца после огневых испытаний; г)- общий вид образца после демонтажа навесного фасада Образец панели изготавливался с запатентованным креплением обшивок в оконном проёме и противопожарной отсечки. Крепление панели к железобетонным элементам испытательного стенда производилось с помощью стальных усиленных уголков (рис. 2.10), ограждающая конструкция имела наружное утепление панели и навесную фасадную систему с облицовкой из керамоганитных плит. Оконные прёмы защищались противопожарными коробами Металический каркас навесной системы закреплялся к железобетонным элементам стенда. После проведения испытаний отмечено следующее: - тепловой эффект от горения или термического разложения древесины отсутствовал; - возникновения вторичного источника зажигания не произошло; - обрушения в оконном проёме хотя бы одного элемента огнеупорных панелей массой 1,0 кг не произошло; - повреждений конструкции глубиной более 1см не произошло.
По результатам огневых испытаний получены пожарные заключения из которых следует: - огнестойкость по ГОСТ 30247.1- 94 ненесущей стеновой панели на деревянном каркасе, с утеплителем базальтовыми плитами и с обшивками, с наружной стороны цементностружечными плитами, а с внутренней цементностружечными плитами и гипсокартоновыми листами, составляет Е 30; класс пожарной опасности со стороны помещения по ГОСТ 30403-96 - К0 (30); - конструктивное исполнение узлов крепления и сопряжения стеновой панели и перекрытия обеспечивает требуемые пределы огнестойкости ограждающей конструкции стены (Е 30) и перекрытия (ЕI 60); - класс пожарной опасности с внешней стороны по ГОСТ 31251-2008 составляет К0. С позиций пожарной безопасности областью применения стеновых панелей в составе наружных стен с навесной фасадной системой с воздушным зазором, каркасом из стальных профилей с междуэтажным креплением к несущему железобетонному каркасу здания, облицовкой основной плоскости фасада керамогранитными плитами являются здания и сооружения всех степеней огнестойкости и всех классов конструктивной и функционально й пожар ной опасност и. При этом допустимая максимальная высота зданий может быть 75м.
Теплофизические свойства вентилируемых фасадов и их влияние на температурно – влажностный режим ограждающих конструкций многократно исследовались. Этой тематике были посвящены работы В.Д.Мачинского, К.Ф.Фокина, В.Н.Богословского, Ю.А.Табунщикова, Н.Н. Щербака, В.И.Лукьянова, В.И. Гагарина, В.В. Козлова и многих других специалистов по строительной теплофизике.
Основная цель с которой в настоящее время применяются фасады с вентилируемым воздушным зазором – повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий с нормальным температурно-влажностным режимом до уровня нормативных требований. Для стен с воздушн ым зазором характерна взаимосвязь теплового воздушного и влажностного режимов
Испытание стеновой панели на жёсткость при изменении шага крепления обшивок к деревянному каркасу металлическими скобами
Компьютерное моделирование панели на деревянном каркасе производилось в проектно-вычислительном комплексе SCAD [84]. Комплекс реализует конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку устойчивости, выбор невыгодных сочетаний усилий. При выполнении расчета соблюдались требования [48, 85].
К расчетной схеме были приложены следующие нагрузки и воздействия: 1. Собственный вес элементов каркаса и обшивки– монтажные нагрузки, возникающие в процессе погрузочно-разгрузочных работ и при монтаже стеновой панели. Схема строповки панели приведена на рис. 3.4. Рис. 3.4 Схема строповки стеновой панели 2. Пиковая ветровая нагрузка для панели на высоте 28 м – 0,74 кПа (табл. 3.1).
Расчетная схема панели с оконным и дверным проемом. Характеристики использованных типов конечных элементов
Конечные элементы оболочек, геометрическая форма которых на малом участке элемента является плоской (она образуют многогранник, вписанный в действительную криволинейную форму срединной поверхности оболочки). Для этих элементов, в соответствии с идеологией метода конечных элементов, истинная форма перемещений внутри элемента приближенно представлена упрощенными зависимостями. Описание их напряженного состояния связано с местной системой координат, у которой оси X1 и Y1 расположены в плоскости элемента и ось Х1 направлена от первого узла ко второму, а ось Z1 ортогональна поверхности элемента.
Деревянные элементы каркаса моделировались с помощью пластинчатых конечных элементов типа с ортотропными жесткостными хара ктеристиками [84]. Применение конечных элементов такого типа позволяет учесть анизотропию древесины, с допущением до ортотропии. Согласно [85] коэффициенты Пуассона древесины поперек волокон при напряжениях, направленных вдоль волокон, принимаем равным 0,45; а вдоль волокон при напряжениях, направленных поперек волокон – 0,018. Модуль сдвига древесины принимаем равным 500 МПа. Модули упругости вдоль волокон – 10 000 МПа; поперек волокон – 400 МПа.
Обшивки панели из ЦСП моделировались с помощью пластинчатых конечных элементов типа 41 и 42 с изотропными жесткостными характеристиками. Прямоугольный элемент типа 41, который имеет четыре узловые точки, и треугольный элемент типа 42, не являются совместными и моделируют поле нормальных перемещений внутри элемента полиномом 4 степени, а поле тангенциальных перемещений полиномом первой степени. Располагаются в пространстве произвольным образом. Коэффициент Пуассона – 0,2. Модуль упругости – 3000 МПа.
Скобы, скрепляющие листы обшивки и каркас, выполнены в виде конечных элементов типа 55, моделирующих связи конечной жесткости, устанавливаемых между двумя узлами и обеспечивающих взаимную линейную или угловую податливость узлов [75]. Жесткостные характеристики заданы на основе проведенных экспериментов. Жесткость – 100 кН/м. Шаг расстановки скоб – 0,2 м. Коэффициент податливости соединения учитывается с помощью жесткости конечного элемента.
Описание загружений и их характеристики Конструкция рассчитана на 3 вида загружений, из которых 2 являются статическими, а 1 — динамическим. Динамический расчет системы выполнен с использованием разложения по формам собственных колебаний. При этом в расчете использовалось не более, чем приведенное ниже число форм: пульсация ветрового потока по СП 20.13330.2011 — 6 форм.
В динамическом нагружении с использованием модуля №21 «Пульсация ветрового потока по СНиП 2.01.07-85 » выполняется расчет по методике, в которой давление ветра на сооружение рассматривается как сумма статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки. Последняя есть случайная функция времени, обусловленная случайной скоростью пульсаций. Усилия в элементах системы и перемещения ее точек (обобщенно - реакция сооружения Х) находятся раздельно от статической составляющей ветровой нагрузки и от инерционных сил, соответствующих каждой форме собственных колебаний. Суммарное значение реакции определяется по формуле: из которой видно, что колебания совершаются вокруг смещенного состояния равновесия, соответствующего статической (средней) компоненте нагружения. В результатах расчета представлены отдельные составляющие динамической реакции Xid и суммарное значение статической и всех динамических компонент. При этом знак динамической добавки принимается таким же, как и у компоненты Xc.
