Download - НИР

Transcript
Page 1: НИР

ВВЕДЕНИЕ

Сэндвич-панель – это определение для целого класса ограждающих конструкций. Сэндвич-панель (англ. sandwich – многослойный бутерброд) – это крупноразмерная строительная ограждающая конструкция, имеющая многослойную структуру, в которой каждый слой выполняет определенные функции (обеспечение прочности и жесткости конструкции, теплоизоляция, пароизоляция). Сочетание нескольких материалов с различными свойствами в одной конструкции позволяет получить ограждающую конструкцию, отвечающую всем современным требованиям, при наименьшем расходе материалов.

По конструкции сэндвич-панели подразделяются на каркасные и бескаркасные.

Наибольшее распространение получили бескаркасные сэндвич-панели, имеющие трехслойную структуру, состоящие из двух наружных слоев жесткого материала и слоя утеплителя между. В бескаркасных панелях слои соединяются с помощью специального полимерного клея. Жесткость и прочность такой панели зависит не только от свойств и конструкции наружных слоев, но и от свойств внутреннего слоя.

Строительные сэндвич-панели

Внешние слои сэндвич-панели предназначены для защиты внутренних слоев от неблагоприятного воздействия окружающей среды, а так же для обеспечения прочности и жесткости конструкции, и для придания декоративных свойств. Материалом для внешнего слоя может быть профилированный металл, ПВХ, древесные плиты, гипсокартон, асбестоцементные плиты.

Внутренние слои обеспечивают сэндвич-панели теплоизоляционные свойства. Материалы для внутреннего слоя: минеральная вата, стекловолокно, пенополиуретан, пенополистирол.

По функциональному назначению сэндвич-панели делятся на стеновые и кровельные.

В настоящей научно-исследовательской части дипломного проекта рассматривались строительные сэндвич-панели, имеющие следующую структуру.

Page 2: НИР

Типовая структура стеновой сэндвич-панели

Типовая структура кровельной сэндвич-панели

Сэндвич-панели состоят из облицовки 1 (она может быть совершенно разная, но самая распространенная - два стальных профилированных листа, оцинкованных или окрашенных) и из теплоизоляционного слоя 3 из минераловатного утеплителя либо пенополистирола. Слои соединяются двухкомпонентным синтетическим клеем (2) на полиуретановой основе. Теплоизоляционный слой состоит из ламелей 3, расположенных в шахматном порядке. В кровельных панелях кроме прямоугольных ламелей используются трапециевидные ламели 5, которые располагаются в ребрах наружного профилированного листа. Для соединения панелей между собой применяется лабиринтное замковое соединение 4.

Page 3: НИР

Свойства многослойной панели определяются ее конструкцией и свойствами отдельных слоев.

Основными свойствами сэндвич-панелей являются:- большая несущая способность при небольшой собственной массе;- высокая усталостная прочность при переменных нагрузках;- хорошие теплоизоляционные характеристики;- незначительная тепловая инерция;- хорошие звукоизоляционные характеристики;- водо- и паронепроницаемость;- устойчивость к неблагоприятным воздействиям окружающей среды и

агрессивным выделениям промышленных предприятий;- хорошие декоративные качества;- высокая степень заводской готовности;- возможность рационального и массового производства;- низкая себестоимость;- быстрый и независимый от времени года монтаж.

Основными характеристиками сэндвич-панелей являются несущая способность (кгс/м2) и приведенное сопротивление теплопередаче (м2∙°С/Вт).

Сэндвич-панели используются для строительства зданий и сооружений промышленного и складского сектора, сельско-хозяйственных объектов, торгово-развлекательных и спортивных комплексов, гаражей, станций технического обслуживания и автомоек. Перспективным направлением является использование сэндвич-панелей в технологии быстровозводимых зданий и модульном строительстве. Быстровозводимые здания из сэндвич-панелей являются наиболее перспективным направлением на рынке строительства и строительных материалов. Наиболее востребованы на рынке быстровозводимых зданий бытовки и блок-модули из сэндвич-панелей. В последнее время сэндвич-панели нашли широкое применение в жилищном строительстве. Сэндвич-панели широко используются при реконструкции и утеплении уже существующих зданий и обладают широкими возможностями для архитектурного проектирования объектов различного назначения.

Использование сэндвич-панелей позволяет проектировать объекты промышленного и гражданского назначения любой сложности в соответствии с требованиями и тенденциями современной архитектуры. Сэндвич-панели обладают превосходными техническими характеристиками, отличаются долговечностью, а также позволяют свободно реализовать творческие замыслы при проектировании.

Анализ продукции (сэндвич-панелей), производимой современными предприятиями, и патентно-информационные исследования показали наличие большого количества разнообразных вариантов сэндвич-панелей, различающихся как конструктивно, так и по применяемым материалам.

В номенклатуру продукции любого предприятия, выпускающего сэндвич-панели, входит множество вариантов панелей с различными видами профиля

Page 4: НИР

металлических облицовок, различными видами замковых соединений, а также с различной конструкцией среднего слоя (слоя утеплителя). Кроме того каждый завод изготовитель устанавливает свои конструктивные решения для того или иного узла здания, возводимого с применением сэндвич-панелей.

Такое разнообразие вариантов конструктивных решений, как самих панелей, так и узлов зданий, обусловлено стремлением предприятий к постоянному улучшению качества своей продукции и обеспечению ее конкурентоспособности на рынке строительных материалов.

Существующие методики проектирования и расчета многослойных ограждающих конструкций, используемые предприятиями, выпускающими сэндвич-панели, не отвечают современным требованиям и тенденциям, и не позволяют создавать конкурентоспособную продукцию. Данные методики требуют проведения сложных математических расчетов, создания большого количества образцов и проведения испытаний на сложном дорогостоящем оборудовании, что связано со значительными материальными и временными затратами.

Поэтому необходимо внедрение и применение специальных программных комплексов для ЭВМ, позволяющих значительно ускорить и удешевить процесс разработки и запуска в производство новых видов продукции.

В настоящем дипломном проекте, в рамках научно-исследовательской работы, были проведены исследования возможностей программного комплекса ANSYS для анализа и расчета строительных материалов, изделий и конструкций, а так же проведена оптимизация свойств строительных сэндвич-панелей и приведены результаты.

Page 5: НИР

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Предприятия по производству строительных сэндвич-панелей, как предприятия промышленности строительных материалов и строительной индустрии, относятся к развивающейся отрасли, так как требования к качеству и теплоизоляционным характеристикам ограждающих конструкций зданий постоянно возрастают, следовательно, требуется постоянное усовершенствование технологий производства для улучшения качества изделий, снижения их стоимости, а следовательно, увеличения спроса. Кроме того любое современное предприятие должно постоянно расширять номенклатуру и улучшать характеристики своей продукции для обеспечения её конкурентоспособности на рынке.

До сих пор в инженерном деле проектирование строительных изделий и конструкций и их производство часто рассматривались как две раздельные дисциплины. Рациональное развитие многослойных строительных элементов возможно лишь при тесном взаимодействии между конструкторами и технологами.

Специфика данного вида строительных изделий заключается в большом разнообразии возможных конструктивных решений и используемых для изготовления материалов. Поэтому разработка сэндвич-панелей является оптимизационной задачей, при решении которой должны одновременно учитываться многие аспекты: предназначение панели, требуемая несущая способность и прочность, требуемые теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства, огнестойкость и т.д.

Разработка сэндвич-панели заключается в проектировании ее конструкции, а также выборе материала для каждого слоя, в соответствии с функциями, которые выполняет тот или иной слой. Особое внимание уделяется конструкции соединения панелей, так как в местах соединений должны быть сохранены хорошие свойства многослойной конструкции в целом (теплоизоляционные свойства, прочность, герметичность, декоративные свойства), а также должна обеспечиваться легкость монтажа.

При проектировании конструкции сэндвич-панели возникает необходимость проведения сложных математических расчетов на прочность, деформативность, потерю устойчивости (общую и местную), расчетов температурных деформаций и температурных напряжений и т.д. Также производится расчет толщины теплоизоляционного слоя, необходимой для обеспечения требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.

Расчеты многослойных конструкций выполняются по соответствующим методикам, изложенным в специальной литературе. Но расчетные значения тех или иных показателей не всегда точны. Достоверные результаты могут быть получены экспериментально. Для проверки степени соответствия расчётных значений реальным величинам требуется создание большого числа образцов и

Page 6: НИР

проведение лабораторных испытаний, что связано со значительными материальными и временными затратами.

Ускорение научно-технического прогресса в разработке и производстве строительных материалов, изделий и конструкций тесно связано с сокращением сроков научных исследований, проектирования, расчетов и лабораторных испытаний. Это обусловливает широкое использование ЭВМ во всем комплексе научных исследований, а также при проектировании, расчетах и лабораторных испытаниях.

Внедрение современных компьютерных технологий на российских промышленных предприятиях позволяет им выжить и преуспеть на рынке строительной продукции в условиях жесткой конкуренции.

Автоматизация проектирования дает возможность предприятиям быстро реагировать на изменение спроса, в короткие сроки выпускать новые виды продукции, быстро модернизировать выпускаемую продукцию, отслеживать жизненный цикл изделий, эффективно повышать качество изделий.

Современные мировые тенденции развития диктуют свои условия. Уже закончилось то время, когда потребности конструкторско-технологических отделов ограничивались CAD-системами, действующими по образу и подобию кульмана. Современный подход к автоматизации проектирования характерен комплексностью решений. Поэтому все чаще предпочтение отдается продуктам, интегрированным между собой. Это позволяет сохранять ассоциативные связи между документами по всей цепочке подготовки производства и исключить таким образом "случайное" несоответствие в документации.

Подобные программные комплексы состоят из множества отдельных систем, предназначенных для решения разных задач, таких как: проектирование и конструкторская подготовка (CAD), технологическая подготовка (CAM), инженерный анализ и расчеты (CAE) и другие.

CAD/CAM/CAE-системы занимают особое положение среди других приложений, поскольку представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства.

CAD-системы (сomputer-aided design – компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР).

CAM-системы (computer-aided manufacturing – компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования технологических процессов, технологического нормирования и проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства.

САЕ-системы (computer-aided engineering – поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых

Page 7: НИР

позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

Среди средств CAE важное место занимают программные комплексы метода конечных элементов (МКЭ, FEA), позволяющие проводить имитационное моделирование работы исследуемой конструкции на основе подробного описания ее геометрии, физики моделируемых процессов, свойств применяемых материалов, эксплуатационных характеристик и иных указываемых пользователем исходных и начальных данных. Метод конечных элементов (МКЭ) является мощным и надежным средством исследования поведения конструкций в условиях разнообразных воздействий.

За последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность). В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может выявить недостатки конструкции и ошибки и сэкономить на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого относительно несложного изделия, как сэндвич-панель, стоимость прототипа может составлять до нескольких десятков тысяч рублей.

Page 8: НИР

2 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ НАУЧНОЙ РАБОТЫ

Анализ ситуации с легкими ограждающими конструкциями показал отсутствие достаточной теоретической базы для расчетов и проектирования трехслойных конструкций и практического опыта использования современных специализированных компьютерных программ.

Отсюда вытекают следующие задачи работы:I. Исследование возможностей современных специализированных

компьютерных программ, в частности ПК ANSYS, для расчета многослойных строительных ограждающих конструкций.

II. Исследование и оптимизация прочностных свойств сэндвич-панели.1) Исследование приоритетности параметров разрушения, влияющих на

несущую способность панели и, соответственно, определение величины критической нагрузки при различных схемах работы.

2) Исследование характера распределения напряжений в элементах трехслойной конструкции.

3) Исследование характера перемещений.4) Исследование влияния геометрических характеристик обшивок на НДС

панели.5) Исследование влияния толщины утеплителя на НДС панели.6) Исследование влияния величины пролета на НДС панели.7) Исследование влияния схемы работы панели (однопролетная,

двухпролетная) на НДС панели.8) Расчет на устойчивость сжатой обшивки.

III. Исследование и оптимизация теплоизоляционных свойств сэндвич-панели.

Page 9: НИР

3 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛИ

Для создания расчетной модели многослойной ограждающей конструкции необходимо знать физико-механические свойства всех материалов её элементов.

Экспериментального определения физико-механических свойств не проводилось. Физико-механических свойства были взяты из справочников по свойствам материалов, а так же из опубликованных результатов лабораторных исследований проводимых предприятиями, выпускающими сэндвич-панели.

Необходимыми параметрами для реализации расчетной модели и описания характера работы являются следующие показатели:

1) для обшивки:- предел текучести, [σт];- временное сопротивление, [σвр];- модуль упругости (модуль Юнга), [E];- относительное удлинение [ε];- плотность [ρ];- коэффициент теплопроводности [λ];

2) для среднего слоя:- предел прочности и модуль деформации на сжатие в трех направлениях,

[σx], [σy], [σz], [Ex], [Ey], [Ez];- предел прочности и модуль деформации на изгиб, [σут], [Eут];- предел прочности на сдвиг и модуль сдвига, [τyz], [Gyz];- плотность [ρ];- коэффициент теплопроводности [λ];

3) для элемента панели:- прочность и модуль деформации на растяжение;- прочность на сдвиг и модуль сдвига в составе панели.

Прочность на сдвиг и растяжение клеев, применяемых для соединения среднего слоя с обшивками, обычно в несколько раз превышает прочность материала среднего слоя. Поэтому прочность клеев оценивается косвенно по результатам испытания элементов панели.

3.1 Сталь тонколистоваяДля обшивок трехслойных панелей отечественные производители

применяют следующие виды тонколистовой стали:- сталь тонколистовая групп ХШ, ХП и ОН с цинковым покрытием 1 и 2

класса по ГОСТ 14918-80;- прокат тонколистовой холоднокатаный и холоднокатаный горяче-

оцинкованный с полимерным покрытием по ГОСТ Р 52146-2003;- прокат тонколистовой рулонный с защитно-декоративным лакокрасочным

покрытием по ГОСТ 30246-94.

Page 10: НИР

Применяется малоуглеродистая сталь марки СтЗкп. Предел текучести данного материала по ГОСТ 14918-80 не нормируется, временное сопротивление разрыву составляет 255-410 МПа, относительное удлинение – не менее 20%.

При изготовлении трехслойных панелей на заводе требуемый профиль получают путем гибки рулонной стали. Это является одним из технологических процессов производства панелей. При профилировании листов в местах изгиба происходит упрочнение стали. Эта величина непостоянна и зависит от толщины листа, угла изгиба, радиуса закругления и т.п. Толщина листов, как правило, составляет 0,6-0,7 мм для верхней, гофрированной, обшивки и 0,5-0,6 мм – для нижней. По длине и ширине панели толщина обшивок может варьироваться в пределах 5% (0,7±0,035 мм) в соответствии с ГОСТ 19904-90.

Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали приведена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

От начала нагружения до определенного значения растягивающей силы имеет место прямая пропорциональная зависимость между удлинением образца и силой. Эта зависимость на диаграмме выражается прямой ОА. На этой стадии растяжения справедлив закон Гука.

Сила, при которой нарушается закон пропорциональности обозначена Fпц. На диаграмме этому значению силы соответствует точка А. Напряжение σпц, вызванное силой Fпц, называется пределом пропорциональности.

Page 11: НИР

Через Fуп обозначено наибольшее значение силы, при котором образец при разгрузке еще не дает остаточной деформации. Этому значению на диаграмме соответствует точка В, а упругой стадии растяжения образца – участок диаграммы ОВ. Наибольшее напряжение σуп, до которого остаточная деформация при разгрузке не обнаруживается, называется пределом упругости. Предел упругости является характеристикой, не связанной с законом Гука. Точка В может располагаться как выше, так и ниже точки А.

После точки А при дальнейшем растяжении образца кривая растяжения становится криволинейной и плавно поднимается до точки С, где происходит переход к горизонтальному участку CD, называемому площадкой текучести. На этой стадии растяжения удлинение образца растет при постоянном значении растягивающей силы, обозначенной через Fт. Такой процесс деформации, называемый текучестью материала, сопровождается остаточным (пластическим) удлинением, не исчезающим после разгрузки. Таким образом, пределом текучести σт называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии.

Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого критического состояния металла, которое может быть обнаружено не только по остаточным деформациям, но и по ряду других признаков. При пластической деформации повышается температура образца; у стали изменяются электропроводность и магнитные свойства; на полированной поверхности образцов, особенно плоских, заметно потускнение, являющееся результатом появления густой сетки линий, носящих название линий Чернова (линий Людерса). Последние наклонены к оси образца приблизительно под углом 45˚ и представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов, где действуют наибольшие касательные напряжения. В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец получает остаточные деформации.

После стадии текучести материал вновь приобретает способность увеличивать сопротивление дальнейшей деформации и воспринимает возрастающее до некоторого предела усилие. Этому отвечает восходящий участок DE (рис.3.1) кривой растяжения, называемый участком упрочнения. Точка Е соответствует наибольшему усилию, которое может воспринять образец. Напряжение, соответствующее максимальной силе Fmax, называется временным сопротивлением σвр или пределом прочности σпч.

До этого момента удлинения распределяются равномерно по всей длине образца, поперечные сечения расчетной части образца изменяются незначительно и также равномерно по длине.

После достижения усилия Fmax при дальнейшем растяжении образца деформация происходит, главным образом, на небольшой длине образца. Это ведет к образованию местного сужения в виде шейки и к падению силы F, несмотря на то, что напряжение в сечении шейки непрерывно растет. Падение растягивающей силы F наблюдается лишь при испытании образца в разрывной машине, ограничивающей скорость нарастания деформации. При нагружении

Page 12: НИР

путем подвешивания грузов разрушение произойдет при постоянной нагрузке, но со все возрастающей скоростью деформации.

Определяемое таким образом напряжение при разрыве образца весьма условно и не может быть использовано в качестве характеристики механических свойств стали. Условность состоит в том, что получено оно делением силы в момент разрыва на первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной вследствие образования шейки.

Основными характеристиками упругости и прочности материалов, используемыми в практических расчетах, являются предел упругости σуп, предел текучести σт и временное сопротивление (предел прочности) σвр.

Основные характеристики малоуглеродистой стали марки СтЗкп приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1Основные характеристики малоуглеродистой стали марки СтЗкп

Показатель Значение

Предел упругости (σуп), МПа 200,0Предел текучести (σт), МПа 290,0Предел прочности (σвр), МПа 340,0Модуль упругости в пределах линейной работы (E), МПа

2,082·105

Относительное удлинение (ε), % 24,2Плотность (ρ), кг/м3 7850,0Теплопроводность (λ), Вт/(м∙К) 58,0Удельная теплоемкость (C),кДж/(кг∙К) 0,486Температурный коэффициент линейного расширения (α), 10-6 °С-1

13,0

3.2 Плиты минераловатныеДля слоя утеплителя трехслойных панелей отечественные производители

применяют минераловатные плиты со средней плотностью 90-150 кг/м3 на синтетическом связующем (ГОСТ 9573-96).

Минераловатные плиты изготавливаются из минерального волокна, связанного синтетическим связующим.

Минераловатные плиты – анизотропный материал. По внешнему виду плиты рыхлые, имеют волокнистую структуру. Ориентация волокон – пространственная с преобладающей четырехосной ориентацией в одной плоскости.

Page 13: НИР

Свойства плит зависят от их геометрии и ориентации волокон в пространстве. Ориентация волокон влияет не только на теплопроводность, но и на механические и прочностные характеристики минераловатных изделий.

Прочность плит на сжатие возрастает с ростом количества вертикально ориентированных волокон.

Теплопроводность минераловатных изделий складывается из трех составляющих: теплопроводности волокон, теплопроводности воздушной среды и влаги, находящихся между волокнами, а также передачи тепла лучеиспусканием. Теплопроводность зависит от ориентации волокон. При хаотическом расположении волокон обеспечивается наименьшая теплопроводность.

При направлении теплового потока поперек волокон теплопроводность минимальная. В случае направления теплового потока вдоль волокон теплопроводность максимальная.

Принято следующее направление осей: оси X и Y совпадают со сторонами плиты; ось Z направлена перпендикулярно плоскости плиты.

При лабораторных испытаниях минераловатных плит на сжатие критерием предельного состояния считается нагрузка, соответствующая 10% деформации образца от первоначального размера. Критерием разрушения образцов считается нарастание деформаций и неспособность материала сопротивляться внешнему воздействию (расслоение).

Минераловатные плиты обладают свойством больших деформаций без разрушения с последующим восстановлением прежних геометрических размеров.

Прочностные характеристики минераловатных плит приведены в таблице 3.2.Таблица 3.2

Прочностные характеристики минераловатных плит

ПоказательЗначение

x y zПредел прочности на сжатие (σсж), кПа 20,0 28,0 65,0Модуль деформации при сжатии, МПа 0,089 0,385 0,238Предел прочности на растяжение (σр), кПа 8,0 11,0 35,0Модуль деформации при растяжении, МПа 1,8 1,9 2,4Предел прочности на изгиб (σизг), кПа 38,0 42,0 55,0Модуль деформации при изгибе, МПа 2,5 2,7 3,2Предел прочности на сдвиг (τ), кПа 31,0 33,0 45,0Модуль деформации при сдвиге, МПа 2,4 2,5 2,2

Практически все минераловатные изделия характеризуются вязкоупругими свойствами, поэтому для описания их упругих свойств, применяется динамический модуль упругости, учитывающий упругость воздуха в порах материала. Динамический модуль упругости Eд = 0,35 Мпа.

Упругие характеристики минераловатных плит приведены в таблице 3.3.

Page 14: НИР

Таблица 3.3Упругие характеристики минераловатных плит

ПоказательЗначение

x y zУсловный модуль упругости (Eу), Мпа 4,9 5,2 7,0Условный модуль сдвига (Gу), МПа 0,45 0,47 0,55Условный коэффициент Пуассона (µу) 0,30 0,30 0,31

Основные характеристики минераловатных плит приведены в таблице 3.4.Таблица 3.4Основные характеристики

Показатель Значение

Плотность (ρ), кг/м3

- для стеновых панелей 90-120 - для кровельных панелей 130-150Теплопроводность (λ), Вт/(м∙К)при направления теплового потока: - вдоль оси X 0,036 - вдоль оси Y 0,039 - вдоль оси Z 0,044Удельная теплоемкость (C),кДж/(кг∙К) 0,84

3.3 Элемент панелиКлей должен обеспечивать прочность сцепления металлических листов

обшивки с минераловатным утеплителем не менее:- при равномерном отрыве – 0,3 МПа (3,0 кгс/см2);- при сдвиге – 0,2 МПа (2,0 кгс/см2).

Прочностные характеристики минераловатных плит приведены в таблице 3.5.Таблица 3.5Прочностные характеристики элемента панели

Показатель Значение

Предел прочности на отрыв (σотр), кПа 73,0Модуль деформации при отрыве, МПа 15,0Предел прочности на сдвиг (τ), кПа 34,0Модуль деформации при сдвиге, МПа 0,55

4 РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ

Page 15: НИР

В подавляющем большинстве методов расчет трехслойных панелей рассматривается как плоская задача. Наиболее точная модель слоистых конструкций может быть построена с помощью трехмерных уравнений теории упругости.

Однако их практическое применение для расчета слоистых конструкций представляет большие вычислительные трудности и не всегда оправдано.

Конструктивные особенности слоев панели учесть в уравнениях весьма сложно. К таким особенностям относятся:

- верхняя, гофрированная обшивка по своим свойствам является ортотропной, свойства слоя вдоль и поперек гофров различны (для кровельных панелей);

- утеплитель имеет модуль упругости в 30000-100000 раз меньший, чем у обшивок;

- утеплитель имеет разрезку на отдельные бруски (ламели), нарушающие целостность среднего слоя;

- нижняя обшивка, изготовленная из тонкого металлического листа (0,4-1,0 мм), практически не имеет изгибной жесткости.

Совершенствование численных методов расчета и развитие программных комплексов на их основе позволяют рассмотреть объемную модель трехслойной сэндвич-панели и оценить влияние отмеченных особенностей на ее несущую способность.

Для численного моделирования в современной практике расчета используют различные комплексы, такие, как Мираж, Scad, Lira-Windows, Cosmos, Ansys и другие. Данные программы для расчета используют метод конечных элементов, который является мощным и надежным средством исследования поведения конструкций в условиях различных воздействий.

Использование в исследовании компьютерных программ имеет ряд преимуществ:

- экономия средств и времени;- возможность варьирования исходных данных (способа закрепления,

величины пролета, схемы работы панели, геометрических параметров панели, физических характеристик элементов панели);

- возможность создания различных моделей для решения задач, связанных с оценкой местной устойчивости, локального воздействия нагрузки и т.п.

4.1 Выбор и описание программного комплексаСегодня среди множества программных комплексов МКЭ популярностью

среди инженеров-исследователей пользуется комплекс ANSYS. ПК ANSYS имеет широкие возможности для численного моделирования и анализа сложных конструкций. В данной научной работе для создания расчетной модели и её анализа использовался программный комплекс ANSYS версии 12.0.

Программный комплекс аттестован Госатомнадзором РФ (рег. номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ №490 от 10.09.2002, рег. номер паспорта аттестации №145 от

Page 16: НИР

31.10.2002). Ранее и позже сертифицирован многими авторитетными зарубежными органами (ISO-9001, ISO 9000-3, British standard BS 5750, Lloyd’s Register’s software certification, NAFEMS QA certification и др.). Сертификат Lloyd’s Register’s эквивалентен сертификации Морским Регистром РФ.

Программный комплекс ANSYS позволяет проводить имитационное моделирование работы исследуемой конструкции на основе подробного описания ее геометрии, физики моделируемых процессов, свойств применяемых материалов, эксплуатационных характеристик и иных указываемых пользователем исходных и начальных данных.

ANSYS Mechanical – универсальный многоцелевой программный комплекс, позволяющий решать стационарные и нестационарные задачи теории поля (теплопроводность, фильтрация и др.), выполнять расчет статического, температурного и динамического напряженно-деформированного состояния и оптимизации произвольных пространственных комбинированных конструкций, зданий и сооружений с учетом эффектов физической, геометрической, структурной (контакты с трением) и генетической (история возведения и нагружения) нелинейностей на основе метода конечных элементов.

ПК ANSYS Mechanical может быть использован для решения таких инженерных задач как:

1) решение стационарных и нестационарных задач теории поля (теплопроводность, фильтрация и т. п.);

2) статические расчеты конструкций (в т.ч., “монтаж” и расчет на прогрессирующее обрушение);

3) расчет собственных частот и форм колебаний в энергетически значимом частотном диапазоне и решение задач линейной устойчивости (частичная проблема собственных значений);

4) гармонический анализ (установившиеся вынужденные колебания);5) решение задач линейно-спектральной теории сейсмостойкости (на спектры

ответа);6) спектральный динамический анализ (с разложением по собственным

формам колебаний);7) спектральный анализ случайных колебаний;8) переходные динамические процессы (прямое интегрирование уравнений

движения);9) решение задач оптимизации геометрической формы и структуры.

Программный комплекс содержит множество специальных опций, которые позволяют получить решение с учетом нелинейных эффектов, таких как анизотропия материала, пластичность, трещинообразование, гиперупругость, ползучесть, большие деформации и(или) перемещения, контакт, изменение жесткости, температурная зависимость.

Широкий спектр возможностей ПК ANSYS позволяет инженерам-исследователям моделировать произвольные пространственные

Page 17: НИР

комбинированные (массивно-оболочечно-плитно-стержневые из различных материалов-сред) строительные конструкции, здания и сооружения, включая:

- наземные и подземные, высотные и большепролетные, монолитные и панельные, вантовые;

- металлические (стальные, чугунные, сплавы), бетонные, железобетонные, сталежелезобетонные, каменные и кирпичные, деревянные, резиновые и резинометаллические, грунтовые;

- сложные конструктивные узлы.Основной задачей конечноэлементного расчета конструкций является

исследование ее поведения в условиях приложения разнообразных внешних нагрузок и воздействий. ПК ANSYS дает возможность приложения следующих видов нагрузок (применительно к строительной тематике):

- заданные тепловые и фильтрационные потоки (теория поля);- статические объемные, поверхностные, линейные и узловые силы и

моменты, включая температурные, весовые, снеговые, средние ветровые и др.;

- пульсационная (динамическая) составляющая ветровой нагрузки;- сейсмические, заданные трехкомпонентными спектрами ответа и акселеро-

граммами;- силовые динамические, заданные временной реализацией;- вибрационные, заданные амплитудами и частотами воздействия;- случайные динамические, заданные спектрально (PSD).

ПК ANSYS широко применяется в аэрокосмической, автомобильной, строительной, электронной, энергетической, производственной, ядерной, пластмассовой, нефтяной и сталелитейной промышленности. Кроме того, многие консалтинговые фирмы и сотни университетов используют ПК ANSYS для расчетов, научных исследований и в образовательных целях. ПК ANSYS признается во всем мире как один из наиболее широко используемых.

Практические ограничения по размерности решаемых задач определяются размерами доступной оперативной памяти, дискового пространства и времени счета. Вычислительные возможности компьютера зависят от размера используемых моделей также как и от вида анализа, выбора решателя и используемых при расчете конечных элементов.

4.2 Описание исследуемой конструкцииВ данной научной работе объектом исследования являлись стеновые и

кровельные трехслойные панели со стальными обшивками и минераловатным средним слоем. Расчет соединений панелей, локальные воздействия (сосредоточенная сила на верхнюю обшивку, опирание на прогон и т.п.) и конструкции узлов не рассматривались.

Геометрические параметры поперечного сечения панелей были взяты из каталогов продукций предприятий, выпускающих панели данного типа.

Геометрические характеристики сэндвич-панелей приведены на рисунках 4.1, 4.2, 4.3.

Page 18: НИР

Рис. 4.1. Стеновая панель с замком Z-Lock

Рис. 4.2. Стеновая панель с замком Secret-Fix

Page 19: НИР

Рис. 4.3. Кровельная панель с замком Roof-Lock

Page 20: НИР

Длина панелей варьируется в диапазоне 1000-14000 мм. Ширина панелей (по утеплителю) составляет 1000 мм и 1190 мм. Толщина панелей (по утеплителю) варьируется в диапазоне 50-300 мм. Обшивки панелей представляют собой профилированный металлический лист толщиной 0,4-1,0 мм. Кромка листа с обеих сторон сформирована замковое соединение. Верхняя обшивка кровельных панелей толщиной 0,4-1,0 мм – гофрированная, имеет 5 гофров с шириной гофра 60 мм, высотой 38 мм (толщина листа и высота гофра между собой не связаны). Крайний гофр выходит за пределы утеплителя, обеспечивая замковое соединение.

Металлические обшивки имеют следующие виды микропрофилирования (приведены только самые распространенные): трапеция (рис. 4.4), микроволна (рис. 4.5), гладкая (рис. 4.6), клиновая канавка (рис. 4.7).

Рис. 4.4. Трапеция

Рис. 4.5. Волна

Рис. 4.6. Гладкая поверхность

Рис. 4.7. Клиновидная канавка

Физико-механические характеристики материалов приведены в главе 3 настоящей научной работы.

Панели в несущих конструкциях могут работать по одно- и многопролетной схеме. С увеличением нагрузки единственным способом увеличения несущей способности панели (без изменения конструкции панели)

Page 21: НИР

является уменьшение величины ее пролета и увеличение числа прогонов. Общепринятый размер между прогонами составляет 3000 мм, в зоне снеговых мешков расстояние между прогонами может составлять 1500 мм и менее.

Крепление панели к прогону осуществляется с помощью длинного самореза, проходящего сквозь всю толщину панели. Данное закрепление обеспечивает отсутствие линейного смещения (х,у,z). Поэтому в расчетной модели приняты следующие закрепления узлов:

- для однопролетной схемы с одной стороны узлы закреплены от линейных смещений (х,у,z), с другой стороны – от смещений по ширине панели и по высоте (х,z);

- для двухпролетной схемы средняя опора закреплена от линейных смещений (х,у,z), крайние узлы - от смещений по ширине и по высоте панели (х,z).

При этом площадка опирания на прогон составляет минимум 50-60 мм (по конструктивным требованиям).

Схемы нагружения панелей приведены на рисунке 4.8.

Рис. 4.8. Схемы нагружения кровельных и стеновых (справа) панелей

В схеме нагружения кровельных панелей предусмотрена сосредоточенная нагрузка F = 100 кгс (в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»), приложенная к элементу в неблагоприятном положении, т.е. по центру панели.

Несущая способность определяется максимальной распределенной нагрузкой q, кгс/м2, при воздействии которой величина прогиба не более L/200.

Page 22: НИР

4.3 Составление и описание расчетной моделиВ программном комплексе ANSYS можно выделить две основные среды,

где производятся решения: Mechanical APDL (традиционный пользовательский интерфейс, возможность использования языка APDL) и Workbench. Программная платформа ANSYS Workbench позволяет в едином информационном пространстве интегрировать модули для проведения связанного многодисциплинарного анализа. Тем самым ликвидируются затраты как на передачу данных из одного приложения в другое на уровне текстовых файлов, так и на интерпретацию файлов результатов при переходе из одной системы в другую. Графический интерфейс, построенный на основе объектно-ориентированного принципа управления процессом работы с модулями; под этим понимается структурное представление этапов работы в выбранном конкретном модуле в виде структурной схемы, в которой каждому этапу отвечает раздел, содержащий соответствующие объекты расчетной модели. Для каждого объекта возможен ввод и редактирование свойств.

Расчетная модель составлялась в среде ANSYS Workbench.Решение задачи в комплексе ANSYS включает следующие этапы:

1. Выбор типа анализа (статический структурный анализ, стационарный тепловой анализ и др.).

2. Определение и назначение свойств материалов.3. Построение 3D-модели конструкции.4. Разбиение модели на сетку конечных элементов.5. Задание граничных условий, приложение нагрузок и воздействий.6. Численное решение системы уравнений (автоматически).7. Обзор результатов.

3D-модели конструкций создавались в двух приложениях: ANSYS DesignModeler и AutoCAD.

ANSYS DesignModeler – специальный модуль для 3D-моделирования, редактирования CAD-геометрии и присвоения атрибутов модели.

3D-модели в обоих приложениях создавались с использованием возможностей параметризации. Параметризация позволила существенно сократить время создания моделей.

Параметризация в DesignModeler реализована на основе ядра Parasolid. AutoCAD, начиная с версии 2010, также поддерживает параметризацию моделей.

На рисунках 4.9 и 4.10 приведены примеры 3D-моделей сэндвич-панелей.Как следует из основной концепции МКЭ, вся модель конструкции (или

отдельной ее части) делится на множество конечных элементов, соединенных между собой в вершинах (узлах). Таким образом, модель сэндвич-панели представляет собой совокупность конечных элементов различных типов. Библиотека конечных элементов ПК ANSYS содержит более шестидесяти типов элементов для задач статического и динамического анализа, более двадцати – для задач теплопередачи, а также включает в себя многочисленные магнитные элементы, элементы теории поля и специальные элементы.

Page 23: НИР

Рис. 4.9. 3D-модель кровельной сэндвич-панели

Рис. 4.10. 3D-модель стеновой сэндвич-панели

Page 24: НИР

Имеются несколько типичных форм конечных элементов: элементы связей, балочные (стержневые элементы), плоские (двумерные) элементы, оболочечные элементы, объемные элементы, суперэлементы, контактные элементы, специальные элементы, комбинированные элементы. Конечные элементы могут быть линейными (элементы первого порядка) и параболическими (элементы второго порядка).

Конечный элемент не является «абсолютно жестким» телом. При разбивке панели на конечные элементы был принят наиболее рациональный размер элемента (шаг сетки) из условия наименьшего количества элементов при обеспечении достаточной точности результатов. Шаг сетки на слое утеплителя выбран более крупным, чем на наружных обшивках. Такой выбор обусловлен большими размерами и простой геометрией среднего слоя, в отличие от обшивок, имеющих сложную геометрию (из-за профиля и замковых соединений) и малую толщину.

На рисунках 4.11 приведен пример разбиения модели на сетку конечных элементов.

Рис. 4.11. Разбиение модели на сетку конечных элементов

Принято следующее направление осей для среднего слоя и панели: направление оси X совпадает с короткой стороной (шириной) панели; направление оси Y совпадает с длинной стороной (длиной) панели; направление оси Z совпадает с высотой панели.

Page 25: НИР

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ

5.1 Местная устойчивость профилированного листаПри работе трехслойной конструкции с тонкими металлическими

обшивками особое внимание следует уделить местной устойчивости сжатых элементов. Существует ряд различных методик расчета на устойчивость элемента гофрированной обшивки.

Рассматривая верхнюю полку гофрированной обшивки как бесконечно длинную пластинку, сжатую по короткой стороне, с шарнирным закреплением сторон, критические напряжения будут равны:

σ кр=3,6 ∙E ∙( δb )2

=3,6 ∙2,082∙105 ∙( 0,00070,020 )

2

=918,16 МПа .

где E – модуль упругости стали в пределах линейной работы, МПа; E = 2,082·105;

δ – толщина гофрированной обшивки, м;b – ширина сжатой полки гофра, м.

При работе гофрированной обшивки с утеплителем, средний слой обеспечивает дополнительную поддержку обшивки, поэтому критические напряжения потери устойчивости должны быть выше по сравнению с расчетом без основания. При расчете по «Рекомендации по расчету трехслойных панелей с металлическими обшивками и заполнителем из пенопласта» критическое напряжение местной устойчивости сжатых полок профиля обшивки определяется по формуле:

σ кр=φ ∙E ∙( δb )2

,

где φ – коэффициент, принимаемый по графику в зависимости от параметраbδ∙

3√ E утEст= 0,0200,0007

∙ 3√ 7,0

2,082∙105=0,922 ,

при данном значении φ = 4, тогда:

σ кр=4 ∙2,082 ∙105 ∙( 0,00070,020 )

2

=1020,18 МПа .

По методике, предложенной Ф.Ф. Тамплоном, сжатая грань трапецеидального профилированного листа рассматривается как пластинка с упруго защемленными продольными краями. Степень упругого защемления зависит от соотношения размеров наклонной и горизонтальной граней. Проверка на местную устойчивость горизонтальных сжатых граней производится по следующей зависимости:

σ кр=3,6 ∙ ς ∙ E ∙( δb )2

,

Page 26: НИР

где ς – коэффициент, учитывающий отклонение кривой диаграммы σ – ε материала листа от закона Гука; ς = 0,76;

σ кр=3,6 ∙0,76 ∙2,082 ∙105 ∙( 0,00070,020 )

2

=697,80 МПа .

Результаты анализа предложенных методик расчета местной потери устойчивости свидетельствуют, что при данных параметрах гофра потеря устойчивости происходит за пределами упругой работы материала.

В соответствии с данными, приведенными в главе 2, σвр = 340 Мпа, соответственно, напряжения в гофре, при которых произойдет потеря устойчивости, не превысят 340 МПа.

С помощью метода конечных элементов можно оценить напряжения в гофре с учетом всех особенностей конструкции панели.

Исследование проводилось на расчетной модели кровельной панели (рис. 5.1) длиной 3000 мм, шириной 1000 мм и толщиной 100 мм.

Рис. 5.1. Схема нагружения панели

Панель нагружена по однопролетной схеме.К панели были приложены следующие нагрузки:

- сосредоточенная сила 100 кгс;- гравитация g = 9,81 м/с2;

Page 27: НИР

- равномерно распределенная нагрузка, соответствующая наступлению предельного прогиба панели (15 мм); Q = 160,0 кгс/м2.

На рисунке 5.2 приведен результат расчета – распределение напряжений в верхней обшивке панели.

Рис. 5.2. Распределение напряжений в обшивке панели

Красный цвет соответствует сжатым участкам обшивки (полки гофров), а синий – растянутым участкам. Гофры сжаты только в центре панели, причем наиболее сжат средний гофр. Полка гофра растянута только на торце панели. Максимальные напряжения в растянутом участке полки гофра составили 31,4 МПа.

Максимальные напряжения в сжатой полке гофра составили 175,0 МПа. Напряжения в сжатой полке гофра гораздо меньше расчетных, следовательно, при предельном прогибе панели потери устойчивости гофра не происходит.

Эпюра распределения напряжений в гофре приведена на рисунке 5.3.

Page 28: НИР

Рис. 5.3. Эпюра напряжений в гофре

5.2 Исследование характера распределения напряжений в элементах трехслойной конструкции

В результате анализа панели был установлен характер распределения напряжений в элементах трехслойной конструкции (5.4). По длине панели напряжения распределяются в виде стандартной эпюры.

Рис. 5.4. Распределение напряжений

Page 29: НИР

Наиболее нагруженными элементами гофрированной обшивки являются верхние полки гофров в середине пролета. Гофры сжаты только в центре панели, причем наиболее сжат средний гофр. В районе опор верхние полки гофров растянуты. Нижние полки гофров растянуты.

С увеличением высоты гофра увеличиваются напряжения в верхней полке гофрированной обшивки.

В пролете панели имеются скачки напряжений, связанные с разрезкой ламелей и составляют 1-3% по сравнению с напряжением в соседних элементах.

При рассмотрении нижней обшивки панели было установлено, что обшивка по всей длине пролета растянута.

Опирание панели на прогон требует более детального изучения с изменением сетки конечных элементов, варьированием величины пролетов и толщины панелей. В рамках данной работы этот вопрос не изучался.

Сравнивая уровень напряжений в обшивках с допустимым можно сделать вывод, что обшивки нагружены слабо (15%).

Средний слой в конструкции панели обеспечивает передачу нагрузки от верхней обшивки на нижнюю. Минеральная вата с клеем обеспечивает целостность конструкции и, как следствие, совместность деформации обшивок. Наиболее нагруженными являются слои, примыкающие к плоской обшивке. В месте разрезки утеплителя на ламели имеется скачек напряжений.

Разрезка утеплителя на ламели не сказывается на работе конструкции при рассмотрении касательных напряжений.

Изгибающий момент в середине пролета панели практически полностью воспринимается обшивками. Усилия от момента одинаково распределяются между обшивками. Утеплитель в середине пролета загружен всего на 1 %.

Изменение толщины обшивок практически не сказывается на прогибе панели.

Увеличение высоты гофра приводит к увеличению напряжений в верхней полке гофра, однако, в нижней обшивке напряжения не изменяются, при этом усилия в элементах панели в сечении панели уменьшаются.

Толщина утеплителя влияет на распределение усилий и напряжений в обшивках панели. С увеличением толщины напряжения и усилия уменьшаются.

При уменьшении толщины утеплителя критическим параметром для панели являются касательные напряжения, то есть возможно разрушение панели вследствие расслоения.

С увеличением толщины утеплителя прогиб конструкции уменьшается.Уменьшение пролета панели способствует уменьшению напряжений в

обшивках и в утеплителе, и уменьшению прогибов конструкции.При двухпролетной схеме в середине пролета момент воспринимается

обеими обшивками (верхняя сжата, нижняя растянута), а над средней опорой нижняя обшивка «выключается» из работы и момент воспринимается верхней, гофрированной, обшивкой и утеплителем.

Page 30: НИР

5.3 Исследование характера деформаций и перемещенийПри нагружении панели распределенной нагрузкой возникает деформация

панели – прогиб (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Прогиб панели

Величина прогиба определяется пролетом, толщиной среднего слоя и высотой гофра. Толщина обшивок практически не сказывается на прогибе панели.

В участке опирания панели на прогон возникают максимальные деформации среднего слоя, а также нижней обшивки. В результате может наступить смятие нижней обшивки на опоре.

Верхняя обшивка стеновых панелей не имеет гофров. При рассмотрении верхней обшивки стеновой панели было установлено, что обшивка по всей длине пролета сжата. При определенном значении прогиба может наступить сморщивание обшивки.

Предельным состоянием панели также является расслоение на торце (рис. 5.6), наступающее в результате больших касательных и нормальных напряжений, возникающих на торце панели при больших прогибах.

Page 31: НИР

Рис. 5.6. Перемещения на торце панели

Page 32: НИР

6 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ

Теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций оцениваются по значению сопротивления теплопередаче (R0, м²·ºC/Вт). Величина сопротивления теплопередаче зависит от толщины и вида утеплителя, а также от конструкции панели.

В соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» нормативное значение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Rreq для Новосибирска составляет:

- для стен – 3,71 м²·ºC/Вт для стен жилых зданий и 2,35 м2∙°С/Вт для стен производственных зданий;

- для покрытий – 5,50 м²·ºC/Вт для покрытий жилых зданий и 3,05 м2∙°С/Вт для стен производственных зданий.

Требование по которому определяется необходимая толщина слоя утеплителя R0≥R req.

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0, м²·ºC/Вт:

R0=Rв+Rк+Rн=1α в

+tв−t нq

+ 1α н

,

где α в – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м²·ºC); αв = 8,7 Вт/(м²·ºC);

α н – коэффициент теплопередачи наружно поверхности ограждения, Вт/(м²·ºC); αн = 23,0 Вт/(м²·ºC);

t в – температура внутренней поверхности ограждающей конструкции, ºC;t н – температура наружной поверхности ограждающей конструкции, ºC;q – плотность теплового потока, Вт/м²;

Для проведения теплового анализа использовались расчетные модели стеновых сэндвич-панелей размерами 1000х1000 мм (рис. 5.4). Теплопроводность утеплителя принята 0,045 Вт/(м·ºC).

Расчетная модель построена следующим образом. На наружной поверхности панели создан конвективный теплообмен – температура наружного воздуха -42 ºC, коэффициент теплопередачи αн = 23,0 Вт/(м²·ºC). На внутренней поверхности панели также создан конвективный теплообмен – температура внутреннего воздуха +20 ºC, коэффициент теплопередачи αв = 8,7 Вт/(м²·ºC). Таким образом создается тепловой поток проходящий через панель. По величине этого теплового потока и значениям температур поверхностей вычисляется сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции.

На рисунке 5.5 изображено температурное поле панели толщиной 50 мм. Температура внутренней обшивки имеет максимальную температуру +14,13 ºC. Температура наружной обшивки имеет минимальную температуру -39,79 ºC.

Page 33: НИР

Рис. 5.4. Расчетная модель

Рис. 5.5. Температурное поле

Page 34: НИР

Рис. 5.6. Тепловой поток

Тепловой поток проходящий через слой утеплителя примерно одинаков по всей его площади (рис. 5.6).

Полученные результаты для различных толщин утеплителя приведены в таблице 6.1 и на рисунке 5.7.

Таблица 6.1Результаты расчета

h, мм q, Вт/м² tв, ºC tн, ºC Rк, м²·ºC/Вт R0, м²·ºC/Вт

50 51,16 +14,13 -39,79 1,05 1,21100 26,69 +16,97 -40,87 2,17 2,33150 18,05 +17,99 -41,25 3,28 3,44200 13,64 +18,49 -41,44 4,39 4,55250 10,96 +18,79 -41,55 5,51 5,66

В соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» разница температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждающий конструкции не должна превышать 6 ºC.

Page 35: НИР

Рис. 5.7. Зависимость сопротивления теплопередаче сэндвич-панели от толщины слоя утеплителя

Минераловатные плиты – материал с ярко выраженными анизотропными свойствами.

Полосы ламелей в сэндвич-панелях необходимо располагать таким образом, чтобы волокна минеральной ваты находились в плоскости, перпендикулярной плоскости обшивки. Это обеспечивает максимальную несущую способность панели.

Расположение полос ламелей в сэндвич-панелях таким образом, чтобы тепловой поток был направлен поперек волокон обеспечивает наименьшую теплопроводность. Однако в этом случае снижается несущая способность панели.

Расчетная толщина утеплителя, необходимая для обеспечения установленного СНиП 23-02-2003 сопротивления теплопередаче составляет:

- для стен жилых зданий – 168 мм;- для стен производственных зданий – 102 мм;- для покрытий жилых зданий – 241 мм;- для покрытий производственных зданий – 134 мм.

Принятая конструкция замкового соединения обеспечивает отсутствие «мостиков холода» в местах стыков панелей.

Page 36: НИР

7 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Предложенная инженерная методика расчета трехслойных панелей с маложестким утеплителем и обшивками разной изгибной жесткости при однопролетной и многопролетной схемах работы может успешно применяться для проектирования сэндвич-панелей.

Была создана расчетная модель на основе МКЭ с учетом конструктивных особенностей панелей, а так же не ее основе проведены исследования прочностных и теплоизоляционных свойств сэндвич-панелей.

Результаты расчетов по предложенной модели на основе МКЭ удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (полученными лабораториями действующих предприятий), при этом разница значений в пределах линейной работы не превышает 10%. Это говорит о достоверности результатов, полученных на основе модели, разработанной на методе конечных элементов.