Введение к работе
Актуальность работы Трехслойные кровельные панели с минераловатным средним слоем нашли в настоящее время широкое применение. При достаточной прочности, малой трудоемкости монтажа и легкости они позволяют уменьшить вес ограждающих конструкций в 10-20 раз по сравнению с железобетонными аналогами. Это, в свою очередь, ведет к снижению нагрузок на несущие конструкции и, соответственно, к уменьшению расхода материалов. Применение в качестве среднего слоя минераловатного утеплителя на основе базальтового волокна позволяет улучшить огнестойкость панели, а также ее долговечность и экологическую безопасность, сохранив при этом необходимые показатели по теплопроводности.
В отличие от достаточно изученного опыта использования таких панелей за рубежом, их эксплуатация в российских условиях имеет ряд особенностей, которые вызваны следующими факторами: большой перепад температур в течение года, значительные снеговые нагрузки, длительность их воздействия и многократное повторение за время эксплуатации сооружения.
Следует иметь в виду, что при производстве трехслойных панелей в России используются отечественные утеплители из базальтовой ваты и клеи, свойства которых отличаются от зарубежных аналогов, что также накладывает отпечаток на характер поведения ограждающих конструкций. Кроме того, отсутствует методика расчета таких панелей, которая учитывала бы особенности их работы. Поэтому для обеспечения безопасной эксплуатации панелей требуются дополнительные исследования их поведения в условиях российского климата и отечественного производства.
Цель работы заключается в анализе напряженно-деформированного состояния трехслойных кровельных панелей с утеплителем из базальтовой ваты и с различными по профилю металлическими обшивками с последующей разработкой методики их расчета, позволяющей обеспечить достаточно надежную эксплуатацию конструкции.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Экспериментальное исследование прочностных и деформационных свойств утеплителя из ориентированной базальтовой ваты;
Экспериментальное исследование прочностных и деформационных характеристик материала обшивок;
Экспериментальное исследование поведения контактного слоя «утеплитель-клей-обшивка» при нагружении;
Создание и анализ расчетной модели с использованием метода конечных элементов (МКЭ) с учетом свойств утеплителя и обшивок;
Натурные испытания кровельных панелей с различными схемами опирання при действии равномерно распределенной нагрузки;
Сравнительный анализ результатов, полученных при проведении натурных экспериментальных и теоретических исследований;
Разработка методики расчета кровельных панелей с минераловатным средним слоем по однопролетной и многопролетной схемам работы;
Разработка практических рекомендаций по выбору кровельных панелей при проектировании.
Методы исследования При выполнении работы использовались следующие методы: исследование прочностных и деформационных характеристик материалов (утеплителя, обшивок) с использованием современной измерительной техники, натурные испытания панелей при различных схемах нагружения, сравнение результатов с данными, полученными другими исследователями. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния панелей осуществлялся с использованием ЭВМ и расчетных программ, основанных на методе конечных элементов (МКЭ).
На основе анализа полученных данных предложена инженерная методика расчета трехслойных кровельных панелей с минераловатным средним слоем.
Научная новизна
1) Разработана расчетная модель трехслойной панели, основанная на
МКЭ. На основе исследования этой модели и выполнения расчетов с ее
использованием получены следующие результаты:
при построении модели учтены конструктивные особенности панели, разбивка сетки, разрезка утеплителя на ламели, различная жесткость обшивок, изменение модуля деформации среднего слоя по длине панели, определены типы конечных элементов;
определено НДС панели, соответствующее разрушению, и величины допустимых нагрузок при различных схемах работы.
Разработана силовая установка для испытания кровельных панелей, позволяющая моделировать различные схемы работы.
Разработана установка для определения свойств минеральной ваты на сжатие, обеспечивающая необходимую длительность и стабильность приложения нагрузки.
4) Разработаны методики испытания материалов и кровельных
панелей.
5) На основе экспериментальных и численных исследований выявлены
следующие особенности работы трехслойных панелей с маложестким
средним слоем и с различными по профилю металлическими обшивками:
нижняя плоская обшивка работает как мембрана (при различных схемах нагружения);
верхняя обшивка работает как балка на упругом основании, с изменяющимся коэффициентом постели по длине;
при величине соотношения пролета панели к ее ширине менее 1,5 критическим состоянием для панели является обжатие утеплителя на опорах;
при величине соотношения пролета панели к ее ширине более 1,5 происходит сдвиг обшивок относительно среднего слоя с последующей потерей устойчивости верхней профилированной обшивки.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований
1) Выполненные расчеты и исследования НДС трехслойных панелей с минераловатным средним слоем позволили получить новую информацию об их прочностных и жесткостных характеристиках. 2) В результате проведенных исследований построены экспериментально обоснованные графики и таблицы зависимости несущей способности кровельных панелей от их толщин и пролетов, предназначенные для практического использования при проектировании. 3) Разработана и экспериментально проверена методика расчета панелей, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать поведение конструкций под влиянием нагрузки.
Исследования по теме диссертации ведутся с 2003 года, выполнялись при заинтересовашюсти и поддержке заводов-изготовителей данных панелей. По результатам проведешгой работы получен грант в «III Областном конкурсе 2006 года на предоставление грантов студентам, аспирантам и молодым ученым» в номинации «Строительство и архитектура».
По результатам экспериментальных исследований составлены и переданы отчеты о несущей способности и характере работы кровельных панелей заводам «Термостепс - МТЛ» и «Электрощит». Результаты исследований, таблицы несущих способностей и методики расчета используются проектными организациями Самарской области, а также в учебном процессе Самарского государственного архитектурно-строительного университета. В подтверждение этого в приложении представлено девять справок о внедрении результатов исследования на производственных предприятиях, а также акт об их внедрении в учебный процесс СГАСУ.
Публикации и апробация Основные результаты содержания диссертационной работы нашли отражение в двадцати пяти публикациях в отечественных и международных изданиях, в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК РФ и одна - в рекомендованном ВАК Украины. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях в городах Омске, Новосибирске, Одессе, Самаре.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (101 наименование), включает 37 таблиц, 155 рисунков. Основное содержание диссертации изложено на 163 страницах машинописного текста.
