Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Анализ существующих конструктивных решений трехслойных панелей с легким средним слоем 10
1.2 Анализ современного состояния и существующих методов расчета трехслойных панелей с легким средним слоем 45
1.3 Цель и задачи исследования 56
ГЛАВА 2. Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей без стыков среднего слоя 57
2.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 57
2.2 Методика проведения испытания 59
2.3 Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей без стыков среднего слоя на поперечный изгиб 66
2.3.1 Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей со средним слоем из пенополиуретана 66
2.3.2 Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей со средним слоем из пенополистирола 71
2.4 Выводы по главе 2 78
ГЛАВА 3. Особенности конструктивных решений, технологии изготовления и результаты экспериментальных исследований на поперечный изгиб трехслойных панелей со стыками среднего слоя 80
3.1 Особенности конструктивных решений трехслойных панелей со стыками среднего слоя з
3.2 Исследование технологии изготовления трехслойных панелей со стыками среднего слоя и причины возникновения технологических дефектов 83
3.2.1 Технология непрерывного изготовления трехслойных панелей со стыком среднего слоя из пенополистирола 83
3.2.2 Технология стендового и непрерывного изготовления трехслойных панелей со стыками среднего слоя из минеральной ваты 89
3.2.3 Причины возникновения технологических дефектов 95
3.3 Результаты экспериментальных исследований на поперечный изгиб трехслойных панелей с технологическими стыками среднег
слоя 101
3.3.1 Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей с технологическим стыком среднего слоя из пенополистирола 101
3.3.2 Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя из минеральной ваты 111
3.4 Выводы по главе 3 121
ГЛАВА 4. Разработка методики расчета на поперечный изгиб трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя 123
4.1 Выбор расчетной схемы и принятые допущения 123
4.2 Численные исследования работы трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя 128
4.2.1 Численные исследования работы трехслойных панелей со стыком на всю ширину панели (со средним слоем из пенополистирола) 128
4.2.2 Численные исследования работы трехслойных панелей с перекрытыми стыками среднего слоя (из ламелей минеральной 134 ваты)
4.3 Критическая сила для обшивки трехслойной панели как балки на упругом основании 136
4.4 Исследование прочности трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя вблизи опоры 155
4.5 Сравнение результатов экспериментальных, численных и аналитических исследований 160
4.6 Методика расчета трехслойных панелей со стыками среднего слоя на поперечный изгиб 162
4.7 Выводы по главе 4 164
ГЛАВА 5. Разработка новых конструктивных решений трехслойных панелей и их численные исследования 166
5.1 Новые конструктивные решения 166
5.2 Численные исследования новых конструктивных решений трехслойных панелей 172
5.2.1 Численные исследования панелей с вертикальными армирующими элементами 172
5.2.2 Численные исследования панелей со вставкой в месте стыка 177
5.3 Выводы по главе 5 182
Общие выводы 183
Литература
- Анализ современного состояния и существующих методов расчета трехслойных панелей с легким средним слоем
- Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей со средним слоем из пенополиуретана
- Исследование технологии изготовления трехслойных панелей со стыками среднего слоя и причины возникновения технологических дефектов
- Численные исследования работы трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя
Введение к работе
Актуальность темы. Требования рационального использования тепловой энергии в зданиях, сооружениях и объектах транспорта, обеспечения высокого качества строительства, а также строительства в отдаленных и сейсмоопасных районах, создают, в настоящее время, условия для широкого применения легких индустриальных ограждающих конструкций с высокими теплотехническими показателями. Одними из наиболее эффективных конструкций ограждения, отвечающих этим требованиям, являются трехслойные панели с металлическими обшивками и средним слоем из пенопластов и поперечно-ориентированных ламелей минеральной ваты.
В последние годы, в связи с широким внедрением поточного производства трехслойных панелей, повсеместное применение находят панели, изготавливаемые из сплошных металлических тонколистовых обшивок и среднего слоя из отдельных листов или ламелей ограниченной длины. Однако существующими методиками расчета не предусматривается деление среднего слоя на сплошной и имеющий стыки. В связи с этим становятся актуальными работы, направленные на исследование различных конструкций панелей, средний слой которых не сплошной, а состоит из отдельных листов или ламелей, т.е. имеет поперечные стыки.
Очевидно, что по сравнению с уже традиционными трехслойными панелями, имеющими сплошной средний слой, панели, имеющие поперечные стыки, представляют собой измененную конструктивную схему, для которых требуется проведение исследований, направленных на уточнение их действительной работы и методики расчета несущей способности.
Цель работы: Уточнение особенностей действительной работы и характера исчерпания несущей способности трехслойных панелей с металлическими обшивками и поперечными технологическими стыками среднего слоя, с разработкой методики их расчета на поперечный изгиб и новых конструктивных решений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ конструктивных решений существующих трехслойных панелей и методик их расчета на поперечный изгиб;
исследовать технологию изготовления трехслойных панелей и показать влияние поперечных стыков среднего слоя на образование конструктивных несовершенств, и, как следствие, на напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции;
провести экспериментальные исследования натурных образцов трехслойных панелей с различными физическими характеристиками и конструктивными особенностями среднего слоя и выявить характер исчерпания несущей способности трехслойных панелей, имеющих поперечные технологические стыки среднего слоя;
разработать конечно-элементные модели трехслойных панелей и провести численные исследования их НДС;
разработать методику расчета несущей способности трехслойных панелей с учетом различного расположения поперечных технологических стыков среднего слоя по длине панели;
предложить новые конструктивные решения трехслойных панелей со стыками среднего слоя, обеспечивающие повышение их несущей способности и эксплуатационных свойств.
Научная новизна:
определены основные характерные технологические несовершенства панелей с заполнителем из отдельных листов или ламелей, и выявлено их влияние на НДС трехслойных панелей;
на основе численных и экспериментальных исследований работы трехслойных панелей со стыками среднего слоя, расположенными в средней и при-опорной частях, исследовано их НДС и выявлен характер исчерпания их несущей способности, заключающийся в местной потере устойчивости сжатой обшивки в месте стыка и разрушении среднего слоя в локальной зоне у стыка;
впервые получены аналитические зависимости для определения критических сил потери устойчивости сжатой обшивки, с учетом различного расположения места стыка и величины непроклея;
впервые получены аналитические зависимости для определения напряжений в среднем слое в локальной зоне у стыка.
Практическая значимость
Разработана и экспериментально проверена инженерная методика расчета трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя из листов пено-полистирола и ламелей минеральной ваты.
Разработаны и экспериментально исследованы новые конструктивные решения трехслойных панелей со стыком среднего слоя, направленные на повышение эффективности их применения, защищенные 5-ю патентами РФ.
Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, обеспечена использованием научно-обоснованных методик испытаний, тарированных измерительных приборов и сертифицированного оборудования. Достоверность результатов теоретических исследований обеспечена использованием классических методов сопротивления материалов и строительной механики и хорошей сходимостью с результатами расчетов конечно-элементных моделей на ПК "ЛИРА" и с данными экспериментов. Расхождение составляет с данными экспериментальных исследований от 1 до 30%, с численными - до 12%.
Внедрение результатов. По результатам экспериментальных исследований выполнены и переданы научно-технические отчеты о несущей способности и характере работы трехслойных панелей следующим производителям: ОАО «Ти-мер», ООО «Технострой», 000 «ТЕМ-ПО». Выполнена разработка и внедрение в производство новых конструкций трехслойных панелей с минераловатным средним слоем и армирующими элементами, что расширило область применения конструкций данного типа.
Прилагаются справки о внедрении результатов исследований на производственных предприятиях.
На защиту выносятся:
Результаты численных и экспериментальных исследований НДС трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя.
Методика расчета местной устойчивости сжатой обшивки в панелях имеющих поперечные стыки среднего слоя.
Методика проверки прочности среднего слоя в локальной зоне у стыка.
Новые конструктивные решения трехслойных панелей.
Апробация работы: Основные результаты выполненных исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава КГ АСУ 2001 - 2012 годов, итоговой конференции республиканского конкурса научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.И. Лобачевского, г. Казань, 2002, международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов», г. Йошкар-Ола, 2004, международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте», г. Самара, 2005.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 3 научные статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 5 патентов на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 199 листах машинописного текста, содержит 8 таблиц и ПО рисунков. Список литературы включает 126 наименований.
Автор выражает признательность и благодарит д.ф.-м.н., проф. Каюмова Р.А. за ценные советы и помощь в теоретических исследованиях.
Анализ современного состояния и существующих методов расчета трехслойных панелей с легким средним слоем
Конструкция трехслойной панели, объединяющая в себе наружные несущие слои с высокой прочностью, называемые обшивками, и связывающий их легкий, менее прочный средний слой, называемый заполнителем или утеплителем, была разработана, по-видимому в 30-х годах XX века [108]. Однако сама идея трехслойной конструкции возникла давно. Зарубежные исследователи относят возникновение этой идеи к 1820 г., когда А. Даллау, исследуя закрепленные стержни, установил, что при достаточно близком размещении скрепляющих болтов их жесткость меняется как разность кубов общей толщины и пространства. Областью техники, где впервые, в самом начале второй мировой войны, были применены эти высокопрочные конструкции относительно малого веса, была, прежде всего, авиация. Так, например, первой большой наглядной конструкцией, состоящей из трехслойных элементов, был самолет «Mosquito», разработанный перед Второй мировой войной. Обшивка фюзеляжа этого самолета - "сэндвич", образованный бальзовой прослойкой, обклеенной с обеих сторон фанерой. Направление слоев фанеры в средней части - вдоль фюзеляжа (работа на изгиб); в хвостовой части - диагональное (на изгиб и кручение) [44]. Позже трехслойные конструкции стали применяться в ракето- и судостроении Трехслойная панель состоит из двух тонких обшивок из достаточно прочного материала (несущих внешних слоев), соединенных между собой сравнительно легким и малопрочным средним слоем (заполнителем), обеспечивающим совместную работу обшивок. Его толщина значительно больше толщины обшивок. Эти конструкции при достаточно малом весе обладают сравнительно высокими характеристиками прочности и жесткости, при соответствующем выборе материалов несущих слоев и заполнителя могут обладать хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, иметь необходимые вибропоглощающие характеристики, при этом обладая требуемой свето- и радиопрозрачностью. Исходя из большого числа теоретических и экспериментальных исследований, были выявлены следующие основные преимущества трехслойных конструкций: - небольшой удельный вес по сравнению с традиционными типами конструкций. Массовая эффективность трехслойных конструкций тем выше, чем больше удельная жесткость несущих слоев. Уменьшение веса ограждения позволяет соответственно уменьшить вес несущих конструкций; - высокие тепло- и звукоизоляционные свойства; - высокая усталостная прочность при переменных нагрузках; - незначительное накопление тепла в стенах из таких конструкций; - невысокая трудоемкость возведения вследствие высокой степени заводской готовности и простоты монтажа по сравнению с обычными конструкциями. Небольшая трудоемкость и легкость монтажных (демонтажных) работ позволяют обходиться без применения тяжелой грузоподъемной техники; - экономичность по сравнению с другими конструкциями; - низкие транспортные затраты на единицу поверхности стенового ограждающего контура; - короткие сроки строительства возводимых объектов; - возможность рационального массового производства; - привлекательный внешний вид, не требующий дополнительной отделки. Вместе с тем трехслойные панели, в зависимости от применяемых материалов, могут иметь и некоторые недостатки: - невысокая огнестойкость; - повышенная деформативность; - жесткие требования к технологическому процессу производства и его стабильности; - изменение механических свойств материала с течением времени, в том числе старение клеев. В зависимости от назначения, условий эксплуатации, способа изготовления и стоимости трехслойной конструкции существует большое разнообразие применяемых для их изготовления материалов. Обшивки трехслойных панелей выполняются из оцинкованной стали, алюминия и алюминиевых сплавов, строительной фанеры, асбестоцемента, различных стеклопластиков. В качестве заполнителя применяются неармированные и армированные пенопласты (полистирольный, полиуретановый, поливинилхлоридный, фенолформальдегидный), минеральная вата, пористая резина, древесина бальзового дерева, пеностекло, металл в виде тонкого гофрированного или профилированного листа, а также бумажные соты. Возможны и смешанные варианты заполнителей, когда, например, ячейки гофра заполняются пористым материалом. При этом оказывается, что трехслойная конструкция получается наиболее эффективной, если вес заполнителя примерно равен суммарному весу обшивок [100].
По мере совершенствования конструктивных решений, начиная с середины 50-х годов прошлого века, в США, Канаде, а позднее и в Европе стали применять слоистые конструкции в строительстве - в основном, в виде навесных стеновых панелей и панелей покрытия, а также перегородок. Уже в конце 50-х годов только в США свыше 20 фирм производили трехслойные панели для строительства.
В других странах трехслойные конструкции также нашли широкое применение: их выпускают как массовую продукцию десятки фирм в различных странах, в том числе Англии, Франции, Канаде, Италии, Германии, Бельгии, Австралии. Некоторые из предприятий имеют в настоящее время многолетний опыт производства и применения трехслойных панелей, например американская фирма «Кери» - свыше 60 лет, французская фирма «Соба» -свыше 40 лет. Испытания различных типов трехслойных панелей вели многие производящие их фирмы. Исследования трехслойных конструкций проводились Национальным центром по строительству и Экспериментальной станцией во Франции, Исследовательским центром национальной ассоциации жилищного строительства в США. Панели, проверенные последней организацией, были одобрены Федеральным управлением по жилищному строительству США [26].
Результаты экспериментальных исследований трехслойных панелей со средним слоем из пенополиуретана
Теоретические проблемы, изучаемые в данной работе, исходят из опытных данных. Поэтому в связи с недостаточной изученностью до настоящего времени работы трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя на поперечный изгиб необходимо, с целью выявления действительной работы конструкции и дальнейшей проверки разработанной методики расчета, провести экспериментальные исследования серии трехслойных панелей, имеющих технологический стык в среднем слое -заполнителе. Для более корректного сравнения, а также для подтверждения полученных результатов необходимо провести испытания аналогичных панелей без стыка среднего слоя с теми же геометрическими и физико-механическими характеристиками обшивок и среднего слоя. Данная конструкция панелей была выбрана в связи с тем, что технология непрерывного или стендового изготовления трехслойных панелей с заполнителем из листов пенополистирола и поперечно-ориентированной минеральной ваты уже предполагает наличие произвольно расположенных по длине панели поперечных стыков заполнителя. Необходимо было также проверить эффективность предложенных новых конструктивных решений и надежность таких трехслойных панелей с минераловатным средним слоем, а именно панелей, армированных полимерными сетками, а также панелей, армированных плоскими армирующими элементами, расположенными ортогонально к обшивкам вдоль пролета.
Экспериментальное исследование трехслойных панелей, в том числе с технологическими стыками заполнителя, преследовало следующие цели: - Изучение действительной работы, несущей способности, деформативности и характера исчерпания несущей способности трехслойных панелей без стыков среднего слоя; - Изучение действительной работы, несущей способности, деформативности и характера исчерпания несущей способности трехслойных панелей с технологическим стыком среднего слоя как конструкций, надежность которых еще не подтверждена практикой, и сравнение их с панелями без стыка; - Оценку влияния технологических дефектов на действительную работу, несущую способность, деформативность и характер исчерпания несущей способности трехслойных панелей, появление которых вызвано технологией непрерывного или стендового изготовления трехслойных панелей со средним слоем из отдельных листов пенополистирола или ламелей минеральной ваты; - Проверку и сравнение данных эксперимента с результатами изложенной в главе 4, разработанной методики расчета трехслойных панелей со стыком заполнителя; - Проверку эффективности и надежности разработанных трехслойных панелей с минераловатным средним слоем с новыми конструктивными решениями, а именно панелей армированных полимерными сетками, а также панелей армированных плоскими армирующими элементами, расположенными ортогонально к обшивкам вдоль пролета.
Программа эксперимента включала: 1. Отбор образцов в виде серийно изготовленных трехслойных панелей разных толщин, материала заполнителя и с различным расположением стыка заполнителя по длине панели и без стыка; 2. Изготовление панелей с новыми конструктивными решениями; 3. Разработку методики испытаний трехслойных панелей со стыком заполнителя на поперечный изгиб; 4. Выбор оборудования и разработку установки и приспособлений для проведения экспериментальных исследований трехслойных панелей со стыком заполнителя на поперечный изгиб.
В соответствии с поставленными целями экспериментальные исследования предусматривали решение следующих задач: - изучение напряженно-деформированного состояния трехслойных панелей различных типов при равномерно распределенных статических нагрузках; - изучение технологии производства трехслойных панелей различных типов и выявление возможных технологических несовершенств и причин их появления; - выявление влияния начальных технологических несовершенств (наличие и расположение стыков заполнителя) трехслойной панели на ее несущую способность и деформативность, а также на характер исчерпания несущей способности панели; - изучение характера исчерпания несущей способности трехслойных панелей различных типов и выявление их предельных состояний; сравнение характера исчерпания несущей способности панелей различных типов в зависимости от их конструктивных особенностей; - изучение характера потери устойчивости сжатых обшивок панелей, подкрепленных упругим слоем заполнителя; получение величин предельных напряжений и сравнение их с теоретическими.
Трехслойная панель с заполнителем из легких материалов является сложной в статическом отношении конструкцией, достоверность расчета которой даже с применением ЭВМ нуждается в экспериментальной проверке. К тому же практически приемлемая теоретическая методика расчета содержит в себе идеализированные предпосылки, упрощения и пренебрежения. Поэтому вероятно, что результаты испытаний точнее и больше соответствуют действительности, нежели результаты, полученные теоретическим путем. Однако для получения надежных экспериментальных данных образцы должны проектироваться не только с соблюдением законов подобия, но и таким образом, чтобы в них нашли отражение основные особенности натурной конструкции и силового на нее воздействия.
Наиболее полно этим условиям отвечают образцы, изготовленные из серийных трехслойных панелей, выпускаемых специализированными предприятиями на промышленном оборудовании. Именно поэтому для проведения испытаний были использованы опытные образцы в виде серийных трехслойных панелей с реальными размерами и конструктивными особенностями, применяемые в строительстве в качестве ограждающих конструкций. Эти образцы были изготовлены на предприятиях по производству панелей с заполнителем из пенополиуретана (ОАО «Тимер» г. Заинек), пенополистирола (ОАО «Тимер» г. Казань) и минеральной ваты на основе базальтового волокна (ООО «Технострой» г. Набережные Челны, ООО «Тэм-по» г. Набережные Челны). Также совместно с одним из заводов-изготовителей панелей были изготовлены и испытаны трехслойные панели новой конструктивной формы, разработанной автором и коллективом соавторов. Применение реальных отношений геометрических и физико-механических характеристик испытываемых трехслойных конструкций позволило избежать влияния масштабного фактора. Это особенно важно для выявления влияния начальных технологических несовершенств, вызванных наличием поперечных стыков, на несущую способность трехслойных панелей. Кроме того, для подтверждения полученных результатов были проведены контрольные испытания трехслойных панелей, заполнитель которых состоял из материалов с различными физико-механическими свойствами (пенополиуретан, пенополистирол, минеральная вата с поперечно-ориентированными волокнами).
Исследование технологии изготовления трехслойных панелей со стыками среднего слоя и причины возникновения технологических дефектов
Минераловатные плиты на синтетическом связующем представляют собой изделия из волокон минеральной ваты, ориентированных преимущественно в горизонтальной плоскости и скрепленных между собой отверженным синтетическим связующим. В качестве связующего при производстве плит применяются композиции, состоящие из водорастворимых фенолформальдегидных смол, модифицирующих, обеспыливающих, гидрофобизирующих и других добавок. Из минераловатных плит нарезаются ламели, которые предназначены для использования в качестве теплоизоляционного слоя в трехслойных панелях с металлическими обшивками. При производстве панелей полосы (ламели) располагают таким образом, чтобы составляющие их волокна находились в плоскости, перпендикулярной плоскости обшивки. Принципиальное отличие современной минваты - небольшое количество фенольных смол, которое не превышает 5 %.
Существуют два способа производства трехслойных панелей типа сэндвич с заполнителем из минеральной ваты, отличающиеся, главным образом, методом прессования: стендовый и непрерывный. Несмотря на существенные различия в этих технологиях, основные принципы производства сэндвич-панелей в обоих случаях практически одинаковы. И тот и другой способы позволяют выпускать панели любой заданной толщины и размера с традиционными замковыми соединениями типа «шип-паз» или с особо огнестойкими «Z-lock».
Стендовая технология предполагает периодическое прессование сэндвич-панелей. Технологический цикл работы стендового оборудования (рис. 3.2.3, 3.2.4) включает ряд последовательных и дискретных операций, главные из которых: - резка и профилирование листов стали (обшивок панелей) и формирование замковых соединений - выполняется на прокатном стане; - разрезка минераловатной плиты на отдельные ламели - выполняется на устройстве разрезки ламелей, как правило, с автоматической подачей утеплителя и автоматическим приемом нарезанных ламелей; - сборка ламелей среднего слоя с ориентацией волокон в вертикальном направлении и их перекрытием по длине с шахматной раскладкой ламелей внутри сердечника, нанесение клеевого состава, совмещение утеплителя с обкладками - выполняется на сборочном столе и при помощи устройства автоматического нанесения клея; - прессование панелей на термопрессе.
В качестве клея могут применяться одно- и двухкомпонентные полиуретановые составы импортного и отечественного производства. По стендовой технологии производится около 30-40% используемых в строительстве сэндвич-панелей. Периодические линии непритязательны к большим размерам производственного помещения и вполне рентабельны при выполнении небольших и средних заказов.
Для производства трехслойных панелей типа сэндвич стабильного качества используют технологию, основанную на применении непрерывного способа. Указанная технология обеспечивает выпуск широкого спектра строительных сэндвич-панелей международного стандарта. В настоящее время этим типом оборудования производится не менее 60% от суммарного объема сэндвич-панелей. Рис. 3.2.3. Стенд для изготовления трехслойных панелей
Рис. 3.2.4. Прокатный стан для изготовления обшивок трехслойных панелей; устройство разрезки ламелей; сборочный стол; устройство автоматического нанесения клея; термопресс Технологический цикл таких линий (рис. 3.2.5, 3.2.6) непрерывен: сталь подается из двух рулонов в секцию профилирования, используемый быстроотверждающийся двухкомпонентныи полиуретановый клей наносится на стальной лист через форсунки; одновременно с этим происходит разрезка листов минеральной ваты на отдельные ламели, укладка теплоизолирующего сердечника из подготовленных ламелей минеральной ваты с ориентацией волокон в вертикальном направлении, механизированная подача сформированного полотна сердечника будущей панели в автоматический загрузочный модуль технологической линии, после чего осуществляется стадия поточного прессования с параллельным формированием замковых соединений; в прессе, под воздействием температуры и равномерного давления, полиуретановый клей отверждается и формируется прочный «сэндвич»; после операции прессования панели нарезаются с заранее заданной длиной дисковой или ленточной пилой (рис. 3.2.6).
Как при стендовой, так и при непрерывной технологии производства в качестве теплоизоляционного слоя в трехслойных панелях используются плиты теплоизоляционные из минеральной ваты, производимой из сырьевой смеси на основе горных пород базальтовой группы, скреплённых между собой синтетическим связующим. Из минераловатных плит нарезаются ламели с вертикальной ориентацией волокон, которые составляют основу среднего слоя панели. Ламели - это плиты из минеральной ваты, нарезанные на бруски с шагом, равным будущей толщине панели. Нарезка на ламели происходит на многопильном станке, который оснащен специальной кареткой, на которой крепятся быстросменяемые кассеты с набором режущего инструмента. Кассеты предназначены для нарезки ламелей толщиной 50 - 200 ммю, и соответствуют толщинам сэндвич-панелей. На ленточном транспортере происходит ориентирование волокна минеральной ваты вертикально для обеспечения большей конструкционной прочности. Далее происходит сборка утеплителя вручную или следует запуск ламелей на линию в автоматическом режиме.
Профилирование обшивок; нанесение клея; разрезка матов минеральной ваты на ламели и их автоматическая сборка; прессование; разрезка готовых панелей 3.2.3 Причины возникновения технологических дефектов Первоначально дефекты поверхности готовых листов ППС появляются уже на этапе термической резки. Назовем причины появления этих дефектов. 1. Человеческий фактор, т.е. обслуживающий персонал неровно установил нихромовые нити. 2. При применении для резки нихромовых проволок разной толщины (в частности 0,4 и 0,5 мм) происходит их неравномерный нагрев. Более тонкая проволока нагревается сильнее и происходит большее оплавление материала, т.е. получается толще рез. 3. При резке блока ППС нихромовыми проволоками они нагреваются в толще пенополистирольного блока, и происходит выжег (оплавление) какой-то незначительной части материала. Замер толщины блока ППС до резки и толщины пакета листов ППС после резки позволил обнаружить, что средняя толщина реза составила 1,11 мм. (см. табл. 3.2.1).
Численные исследования работы трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя
Сравнивая с таблицей 4.3.1, видим, что до величин кприв 0,\ можно пользоваться решением вида (4.3.31) (затухающее решение), а при кприв 0,1 решение вида (4.3.58). Их отличие при к„рив=0,1 составляет 1,9%. С 5% погрешностью формулу (4.3.65) можно использовать до значений кпрт = 1. Поскольку для инженерных расчетов пользоваться решением вида (4.3.31) затруднительно, то удобно выполнить аппроксимацию этой функции, которую получим по значениям таблицы 4.3.1. Запишем зависимость ц от к„рив Коэффициенты а, Ъ, с, d определены из условия минимума квадратичной невязки между известными из таблицы 4.3.1 значениями \/fx и значениями, полученными по формуле (4.3.77): Максимальное отличие А составило 1,3 % при кприв =1010. Таким образом, для расчета критической силы в упругой области можно пользоваться формулами: Численное решение задачи о сжатии обшивки с непроклеем Для решения задачи используем метод конечных разностей. Для этого рассмотрим правую часть балки, начиная с середины непроклеенной части. Рассмотрим сначала задачу, изображенную на рис. 4.3.6.
Весь отрезок BD разобьем на п отрезков, причем, L-CD выбирается так, чтобы в ВС укладывалось целое число отрезков (1/2)п0. Искомыми неизвестными будем считать перемещения v в узлах, т.е. величины vK.
Здесь под v0 подразумевается перемещение в т. В, а под v_/, v_2, vn+l,-перемещения в законтурных точках. С учетом этих условий первые два и последние два уравнения в конечных разностях запишутся в виде:
Решать это уравнение будем методом минимизации его невязки А = / (Р), стандартными методами в пакете "Математика-3". Для проверки полученного алгоритма сначала была решена задача об отыскании Ркр для простой шарнирно-опертой балки. Численные эксперименты показали, что уже при п 10 погрешность вычисления Ркр много меньше 1%. При решении задачи об изгибе балки с непроклеем также были проведены исследования скорости сходимости. Оказалось, что, например, при L=2l и и 153 решение также изменяется не более, чем на 1%, при увеличении числа п (рассматривались варианты п=20, 40, 80, 120, ...800). Однако при решении конкретных примеров всегда проводились численные исследования по выявлению nmin, при превышении которого Ркр принимали значения, мало отличающиеся друг от друга.
Результаты расчета показали, что для достаточно длинных балок при Крт Л численные решения практически совпадают со значениями Ркр, вычисляемого с помощью соотношения Ркр = 2-у] El bkt , а при кпрт 0,1 - с результатом решения, полученного из уравнений (4.3.34) и (4.3.56). Численное решение для случая жесткой заделки по краям трехслойной панели Таблица 4.3. Itnpue 300 250 150 100 50 10 1 0,1 0,01 0,001
Таким образом, вместо уравнения (4.3.20) с постоянными коэффициентами мы получим уравнение с переменным коэффициентом а : Граничные условия не изменятся и запишутся в том же виде (4.3.88). Вновь получаем однородную систему, ненулевое решение которой будет иметь место тогда, когда её детерминант равен нулю: detA2 = 0 (4.3.102) Решая это уравнение относительно Р0 найдем (Ро)тт, которое и будет (Ро)крит-Из формулы (4.3.96) получим значение qKpum. АА Исследование прочности трехслойных панелей с технологическими стыками среднего слоя вблизи опоры
При изготовлении трехслойных панелей с металлическими обшивками и с заполнителем из отдельных листов пенополистирола или ламелей минваты по непрерывной технологии в готовых панелях возникают поперечные стыки заполнителя.
Для случая предельного состояния трехслойной панели выше была предложена формула для определения критических сил потери устойчивости сжатой обшивки в зоне поперечного стыка утеплителя, расположенного в средней части панели.
Схема перехода от трехслойной панели к полубесконечной балке на упругом основании Ввиду того, что заполнитель в области стыка разрезан, он не может воспринять поперечную силу Q, как в обычном сечении. Поэтому вся поперечная сила в сечении, где расположен стык, воспринимается обшивками. Т.к. имеется две обшивки, то на каждую обшивку приходится половина величины поперечной силы, вычисленной, как для сплошной балки (0/2).
Для решения поставленной задачи о разрушении заполнителя от действия поперечных сил представим обшивку в области стыка в виде полубесконечной балки, лежащей на упругом винклеровском основании, загруженной внешней нагрузкой, роль которой выполняет поперечная сила и изгибающий момент в области стыка. Разрежем панель на две части по стыку и, отбросив одну из них, поместим начало координат на уровне разреза.
Обшивка в области стыка как полубесконечная балка на упругом основании Пусть в начальном сечении такой балки заданы изгибающий момент М и поперечная сила Q/2. Равномерно распределенная нагрузка на всей длине балки действует только на верхнюю обшивку, поэтому для нижней обшивки ее не учитываем.
Модель Винклера и получаемые с ее помощью решения отличаются сравнительной простотой, но имеют существенный недостаток -необходимость дополнительного анализа конструкции для определения коэффициента упругого основания. В случае трехслойных конструкций полное соответствие между моделью Винклера и упругим основанием среднего слоя наблюдается только при очень малой толщине этого слоя, то есть когда толщина заполнителя имеет тот же порядок, что и толщина обшивок [126]. В этом частном и довольно редком случае коэффициент упругого основания определяется как:
