Размещено на http://allbest.ru

Филиал РУП “Институт БелНИИС” - Научно-техничес-кий центр

УДК 624.014:621.792

Анализ методик расчета трехслойных металлических панелей со средним слоем из пенопласта и минераловатных плит

Левчук А.А., м.н.с.

г. Брест, Беларусь

Систематическое изучение проблем прочности и устойчивости трехслойных панелей и оболочек началось уже в 1940-х годах. С тех пор проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования, посвященные общим вопросам теории этих конструкций и решению практических задач.

Многие задачи расчета трехслойных панелей рассмотрены в справочных пособиях [1, 2]. Хотя широкое применение трехслойных панелей в строительстве началось уже в 60-х годах, в течение длительного времени не было работ, содержащих систематическое и достаточно полное изложение вопросов расчета этих конструкций при проектировании. Первой работой такого вида является изданная в 1974 году монография Штамма и Витте [3].

Расчетные модели для трехслойных панелей сложнее, чем для однослойных. Это связано с тем, что каждая обшивка рассматривается как тонкая пластинка, а заполнитель, имеющий значительно большую толщину, в общем случае может быть представлен как трехмерное тело. При изгибе трехслойных пластин основным видом деформации заполнителя, обеспечивающим совместную работу несущих слоев, является сдвиг.

Для трехслойных панелей оказывается неприемлемой гипотеза Кирхгоффа-Лява о прямой нормали, которая обычно используется при расчете однослойных пластин и оболочек.

Использование аналитических методов теории упругости приводит к громоздким выкладкам, поэтому приходится прибегать к различным допущениям, позволяющим значительно упростить решение задачи, не внося при этом существенной погрешности в результат.

Применительно к проблеме прочности изгибаемых трехслойных панелей можно выделить два основных направления исследований: первое направление связано с разработкой методики расчета деформаций и усилий в панелях при различных видах нагрузок; второе - с разработкой методики оценки прочности (местной устойчивости) элементов панелей и более конкретно - прочности (местной устойчивости) тонких обшивок.

Характеризуя работы первого направления, отметим, что применяемые в строительстве панели с заполнителем из пенопласта и минеральной ваты относятся по классификации, принятой в теории трехслойных конструкций, к конструкциям с легким заполнителем. Такой заполнитель практически не воспринимает нормальных усилий, действующих в плоскости панели. В случае цилиндрического изгиба расчет панели сводится, по существу, к расчету трехслойного стержня (балки).

Существенное значение для трехслойных панелей, применяемых в ограждающих конструкциях, имеют температурные воздействия. Деформации и усилия (напряжения) в панелях от этих воздействий могут быть определены на основе общих уравнений изгиба.

Методика расчета многопролетных (неразрезных) трехслойных панелей содержится в работах А.П. Прусакова, Н.Г. Тамурова, Хартсона, Штамма и Витте [3].

Среди работ второго направления центральное место занимают исследования местной устойчивости и несущей способности обшивок трехслойных панелей. В панелях с заполнителем из пенопласта и минераловатных плит обшивка может рассматриваться как пластинка, подкрепленная сплошным упругим основанием. Поэтому исследования данного направления в значительной степени базируются на классических работах по устойчивости стержней и пластинок на упругом основании, принадлежащих С.П. Тимошенко и А.Н. Диннику.

Первое фундаментальное исследование устойчивости обшивок при цилиндрическом изгибе выполнили в 1940 г. Гаф, Элем и Дебройн, используя решения плоской задачи теории упругости для заполнителя. Шире известна более поздняя работа Хоффа и Маутнера, авторы которой, применив энергетический метод, получили простые приближенные выражения для критических напряжений.

Во многих работах рассматривается несущая способность сжатой обшивки в случае разрушения заполнителя от растягивающих напряжений при наличии начальной погиби обшивки. Такие исследования выполняли Уильямс, Вэн, Норрис, А.П. Воронович, А.Я. Александров, Юсуф и др. Для расчета несущей способности обшивок из упруго-пластических материалов (металлов) различные авторы рекомендуют корректировать значения критических напряжений, найденные в предположении упругой работы материала, с использованием полуэмпирических зависимостей [3].

Группа работ посвящена вопросам расчета среднего слоя трехслойной пластины на прочность с учетом начальных несовершенств обшивки в пределах упругости.

Величину начальной волнистости обшивки предлагается учитывать эмпирическим коэффициентом, установленным из экспериментов на конкретной серии образцов, который не может быть распространен на другие типы панелей (изготовленных на другом технологическом оборудовании и из других материалов).

В ряде работ сделана попытка учесть пластическую работу обшивки введением приведенного модуля Энгессера-Кармана или тангенциального модуля упругости. Этот прием может быть применен только к идеально ровной обшивке.

При применении в панелях профилированных обшивок существенное значение имеет обеспечение местной устойчивости плоских участков профиля, которые можно рассматривать как пластинки конечной ширины, подкрепленные сплошным упругим основанием.

Решения задач устойчивости таких пластинок даны в работах С.Б. Ермолова, А.М. Гусева и В.А. Иванова, Лэнгли, Штамма и Витте [3].

Благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам многослойной панели между внешними слоями могут возникать значительные разности температур. Они приводят или к очень большим деформациям панелей (в однопролетных панелях) или, если возникновению этих деформаций препятствуют опоры, к большим внутренним напряжениям во внешних и среднем слоях.

При расчете изгибаемых трехслойных панелей учитывают следующие варианты потери несущей способности конструкции: разрушение заполнителя и потеря несущей способности обшивок. Разрушения клеевого соединения заполнителя с обшивкой, как правило, не происходит, так как соединение выполняют, как минимум, равнопрочным с заполнителем.

Необходимо отметить, что в 1969…1978 годах, когда разрабатывались существующие методики расчета металлических трехслойных панелей [4, 5], использовались преимущественно панели со средним слоем из пенопласта. В настоящее же время в основном применяются панели со средним слоем из минераловатных плит. Прочностные характеристики минераловатных плит в 4…8 раз ниже аналогичных характеристик пенопластов. Кроме того, в выпускаемых в настоящее время панелях металлических с утеплителем из минераловатных плит используются стальные обшивки толщиной 0.5 мм вместо применявшихся раньше в типовых панелях со средним слоем из пенопласта обшивок толщиной 1.0 мм. Изменилась и технология изготовления панелей.

В связи с этим, применимость методик расчета панелей со средним слоем из пенопласта не представляется бесспорной при расчете панелей с утеплителем из минеральной ваты.

В соответствии с методиками расчета панелей со средним слоем из пенопласта [4, 5], были выделены следующие критерии обеспечения прочности конструкций:

· действующие в растянутой обшивке напряжения не должны превышать расчетного сопротивления стали при растяжении;

· напряжения сжатия в подкрепленных средним слоем плоских или профилированных обшивках не должны превышать критических напряжений потери устойчивости;

· касательные напряжения в среднем слое не должны превышать расчетного сопротивления материала при сдвиге.

По результатам проведенных нами испытаний панелей с утеплителем из минераловатных плит можно заметить, что для обеспечения безопасной работы панелей этих критериев недостаточно. Данные критерии можно использовать только для проверки прочности однопролетных панелей. При расчете многопролетных панелей необходимо выполнение дополнительной проверки по обеспечению прочности конструкции на опорах.

Кроме того, в существующих методиках расчета трехслойных панелей бескаркасного типа с металлическими обшивками [4, 5] рассмотрен очень узкий класс задач:

· внешние нагрузки могут быть только двух видов - силовая равномерно распределенная по всей длине панели и температурная с одинаковым перепадом на наружной и внутренней обшивках (перепад температур по всей длине панели одинаков);

· расчетная схема панели только равнопролетная (один, два или три пролета);

· крепление панели к несущим конструкциям жесткое из плоскости и допускает свободные деформации в плоскости панели.

Указанные выше ограничения не позволяют производить статический расчет конструкций по более сложным расчетным схемам (отличающиеся длины пролетов; нежесткое крепление панелей к ветровым ригелям, колоннам, стропильным конструкциям и др.) с учетом требований [6] по приложению нормируемых нагрузок (линейное изменение нагрузки в зоне расположения снеговых мешков для кровельных панелей или ветровой нагрузки по высоте для стеновых панелей; наличие силовой нагрузки не во всех пролетах; приложение сосредоточенных сил).

При значительной длине панели (до 12 м) и наличии помещений с различным температурным режимом, для которых она является единой ограждающей конструкцией (например, холодильник и помещение для обслуживающего персонала) задача становится неразрешимой по существующим методикам [4, 5].

В странах Евросоюза для расчета трехслойных металлических панелей с плоскими и профилированными обшивками и утеплителем из жесткого полиуретана, пенополистирола, пенофенопласта, пеностекла и минеральной ваты используется [7]. Этот документ регламентирует порядок проведения испытаний трехслойных панелей, определения расчетных характеристик материалов и порядок расчета панелей на силовые и температурные воздействия.

В [7] приведены формулы для статического расчета равнопролетных (однопролетных, двухпролетных и трехпролетных) панелей с тонкими (плоскими или мелкопрофилированными) обшивками при силовых и температурных воздействиях. Для таких панелей не учитывается собственная изгибная жесткость обшивок. В этом же документе приведены формулы для статического расчета однопролетных панелей с толстыми (профилированными) обшивками с учетом их собственной изгибной жесткости. минераловатный трехслойный панель деформация

Для статического расчета в более сложных случаях предлагается использовать численные методы. В документе [7] предусмотрены проверки обеспечения прочности панелей на опорах, которые не приведены в [4, 5].

Выводы

На основании выполненного анализа можно сделать следующие выводы:

Для расчета металлических панелей при проектировании ограждений зданий и сооружений предлагается использовать численные методы статического расчета трехслойных бескаркасных панелей с металлическими обшивками. При этом значительно расширится круг решаемых задач.

Для оценки прочности панелей металлических с утеплителем из пенопласта и минераловатных плит недостаточно указанных в [4, 5] критериев. Необходимо проведение дополнительных экспериментально-теоретических исследований работы панелей на опорах и на участках с одновременным действием изгибающих моментов и сосредоточенных сил.

Библиография

1. Кобелев В.Н. и др. Расчет трехслойных конструкций: Справочник / В.Н. Кобелев, Л.М. Коварский, С.И. Тимофеев; Под общ. Ред. В.Н. Кобелева. - М.: Машиностроение, 1984. -304 с.

2. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник под общей ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. т. 2. «Машиностроение», М., 1968, с. 245-346.

3. Штамм К., Витте Г. Многослойные конструкции / Пер. с нем: Т. Н. Орешкиной; Под ред. С.С. Кармилова - М.: Стройиздат, 1983. - 300 с.

4. Рекомендации по расчету трехслойных панелей с металлическими обшивками и заполнителем из пенопласта. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1976.

5. Рекомендации по применению трехслойных панелей с профилированными металлическими обшивками и средним слоем из пенопласта. Свердловск, УПИ им. Кирова, 1978.

6. ДБН В.1.2-2:2006. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования / Минстрой Украины. - К.: 2006. - 78 с.

7. EN 14509. Self-supporting double skin metal faced insulating panels - Factory made products - Specifications / CEN. - Brussels: 2006. - 145 p.

Аннотация

УДК 624.014:621.792

Анализ методик расчета трехслойных металлических панелей со средним слоем из пенопласта и минераловатных плит. Левчук А.А., м.н.с. (Филиал РУП “Институт БелНИИС” - Научно-технический центр, г. Брест, Беларусь)

Приведены результаты теоретических исследований изгибаемых трехслойных панелей с заполнителем из пенопласта и минеральной ваты, выделены критерии обеспечения прочности конструкций, предложены численные методы статического расчета трехслойных бескаркасных панелей с металлическими обшивками

Размещено на Allbest.ru