БЕСПРЕССОВЫЕ ПЕНОПЛАСТЫ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПАНЕЛЕЙ СО СРЕДНИМ СЛОЕМ ИЗ ПЕНОПЛАСТОВ

В железобетонных и других традиционных конструк­циях толщину слоя пенопластового заполнителя (см pre. 1, а, б) определяют обычно теплотехническим расче­том. Эксплуатационную надежность слоистых конструк­ций со средним слоем из конструкционных пенопластов (рис. 1, в, г, д) устанавливают как статическим, так и теплотехническим расчетом [16, 42, 43].

Целыо статического расчета слоистых конструкций является обеспечение требуемой эксплуатационной на­дежности при минимальных затратах материалов. Рас­чет ведут нехотя из расчетных сопротивлений и мо­дулей пругостн материалов, из которых изготовлена конструкция. Прп расчете слоистых панелей япредеянют оптпмп чьпые параметры, прочность и чеформи гивпость элементов конструкции, рассматривают общую и местную устойчивость и прогиб конструкции. Под потерей общей устойчивости и общим прогибом понимают деформации, связанные с искривлением конструкции в целом; иод по­терей местной устойчивости—-деформации, связанные с местным искривлением топких обшивок панели при сжа­тии или сдвиге.

В слоистых панелях типа «сэндвич» основные нор­мальные усилия воспринимаются обшивками, а сдвигаю­щие— средним слоем Пенопластовый средний слой свя­зывает между собой обшивки панели, обеспечивая жгпм швместную работу элементов конструкции, восприятие местных нагрузок п уетончпвоЛПь сжатой обшивки. В па­нелях, в которых обшивки связаны помимо сплошного среднего слоя также и жесткими ребрами, располагаемы­ми обычно по периметру папелп, сдвигающие усилия частично или полностью воспринимаются ребрами.

Как отмечалось, одной пз особенностей среднего слоя, изготовленного из беспрессовых пенопластов, явтяется его сравнительно высокая деформативность. Характер работы панели с податтнвьтм средним слоем отличается от характера работы однослойной конструкции. В подат­ливом пепоплаото'вом среднем слое могут развиваться значительные деформанпи. В результате происходи. взаимное смещение ooimrlut в направлении, паралле ib - пом срединной поверхности панели При расчете панелей со «-плршпым пенопластовым средним слоем необходимо чнты' п ь эти смещения, сушесп вени? влияющие на ра­боту конструкции и делающие непригодными для ее расче­та формулы, которые выведены для однослойных панелей в предположении, что отсутствует взаимное смешение внешних слоев.

Разрушение панелей с тонкими обшивками (металли­ческими или стеклоплаетнковыми), как правило, насту­пает от потери несущей способности сжатой обшивки. Возможны различные случаи потерн несущей спесобно - стн обшивки [44]:

А) отрыв обшивки от среднего слоя, вызванный раз­рушением пенопластового заполнителя или клеевого сое­динения обшивки со средним слоем (рис. 43,а);

Б) выпучивание обшивки в сторону среднего слвя с образованием складок (рис. 43,6);

В) излом обшивки (рис, 13,1?).

Первые два случая характерны для обшивок из упру­го-пластических материалов (алюминии, сталь), а тре - Д'ип — из хрупких материалов (слоистых и армирован­ных пластиков). В панелях с асбестодементными обшив­ками, сравнительно плохо работающими па растяжение разрушение, «ак правило, происходит от разрыва растя­нутой обшивки.

В панелях без обрамления и ребер, особенно прп большой толщине, возможно разрушение панели и по среднему слою.

Точный расчет слоистых панелей приводит к довольно сложным формулам, которые используют главным обра­зом для оценки точности более простых приближенных решений. Прп выводе упрощенных уравнении принимают ряд допущений, облегчающих их решение, по являющихся более приемлемыми, чем гипотезы сопротивления мате­риалов, используемые при расчете однослойных плэт.

Допускается, что обшизкп и пенопластовый средний слон работают совместно как упругие материалы Слои­стая панель работает как балка сплошного сечам», и

Ее рассчитывают исходя из условия восприятия внешней нагрузки и собственного веса. Одно из основных допуще­ний позволяет пренебречь неравномерностью распределе­ния нормальных напряжений по толщине обшивки. Если толщина обшивок по сравнению с толщиной всей панели мала, то при решении задач, связанных с общим изгибом панели, можно не учитывать изгибиую жесткость обшив­ки.

В случае задачи общего изгиба или устойчивости па­нели не учитывают влияние сближения обшивок. Это до - пущепие*соответствует принятию модуля упругости пено­пластового среднего слоя в направлении, нормальном к поверхности панели, равным бесконечности. Из-за подат­ливости пенопластового среднего слоя принимают, что продольные усилия и моменты, действующие в попереч­ных сечениях панели, воспринимаются только обшивками. Это допущение равносильно принятию модуля упругости пенопластового среднего слоя в плоскости плиты равным нулю. Напряжения сдвига, вызываемые поперечной си­лой, воспринимаются средним слоем, причем податли­вость среднего слоя при сдвиге характеризуется модулем сдвига.

Отмеченные допущения не универсальны. Например, условие равномерности распределения напряжений по толщине обшивок неприемлемо при рассмотрении задач, связанных с местными изгибами обшивок (при действии местной сосредоточенной нагрузки). Применение этого до­пущения ограничено также для случая общего изгиба па­нели, если мзгибная жесткость обшивок достаточно вели­ка (толстые асбсстоцементные обшивки).

Ниже рассмотрен частный случай расчета строитель­ной трехслойной панели со сплошным пенопластовым средним слоем (без ребер и обрамлон-ия),свободно опер­той по двум противоположным сторонам [10, 16].

Сечение таких панелей подбирают исходя из требова­ний жесткости, предъявляемых к конструкции, прочности и устойчивости обшивок, прочности пенопластового сред­него слоя, а также теплотехнического расчета. При расче­те па прочность геометрические параметры панелей вы­бирают так, чтобы напряжения растяжения а,,, сжатия ас и сдвига т в элементах панели не превышали соответст­вующие расчетные сопротивления R:

О,, *с<#г; т < /?сд. (16)

Расчетные сопротивления беспрессовых пенопластов -приведены :в табл. 28.

При проверке прочности обшивок и пенопластового среднего слоя трехслойных панелей используют моменты инерции / и сопротивления W составного сечения. Прп симметричном сечении панели с одинаковыми обшивками величины / и W составляют соответственно

/ = 16 <с + 6>а ; W = № (с+ Ь), (17)

Где B — ширина сечения в см; 3—толщина обшивки в см с — высота среднего слоя в см.

Величину максимальных напряжений в обшивках па­нели определяют по формуле

TOC o "1-3" h z а. ■ Л' , (18)

Ь6 (с -|-б) 4 '

Где М — максимальный момент от расчетной нагрузки в кГ ■ см.

Критическое напряжение при потере устойчивости сжатой плоской обшивки подсчитывают по формуле [42]:

0кр = 0,72/Япр Е , (19)

— ~ ~Ё

Где £пр—приведенный модуль упругости обшивки; Епр=------ (здесь

__ 1—['■ Е— модуль упругости материала обшивки в кГ1см2 у - — коэффи­циент Пуассона); Еп— модуль упругости материала среднего слоя в кГ 1см2.

Величина нормальных напряжений, определенная по формуле (18), не должна превышать акр, вычисленного по формуле (19).

Эффективная работа панели зависит от выбранной деформативноетн пенопластового среднего слоя. При ис­пользовании среднего слоя чрезмерно большой жесткости (а следовательно, и большого объемного веса) панель мо­жет оказаться неэкономичной. При использовании сред­него слоя недостаточной жесткости обшивки могут терять устойчивость и отрываться при небольших нагрузках. В каждом конкретном случае существует оптимальная жесткость среднего слоя, оптимальное соотношение тол­щины обшивки и высоты среднего слоя. В случае мало­жестких средних слоев выгодно выбирать малые отноше­ния толщины обшивки к толщине среднего слоя. В пане­лях с толстым средним ело, ем (более 100 мм) с эконо­мической точки зрения целесообразно применять пено­пластовый средний слой с пустотами или с переменным объемным несом по толщине, убывающим по мере уда­ления от обшивок. Толщина подкрепляющего слоя .'/ зависит от расположения пустот. При продольном рас­положения пустот толщина слоя пенопласта, подкреп­ляющего обшив'ку толщиной до 4 мм, принимается 0,17 размера ширины пустот, а при поперечном расположе­нии пустот — 0,25. Ширину hvctot принимают не более 250 мм [15].

Критическое напряжение в сжатой обшивке панели при пустотном среднем слое, когда обнпшки подкрепляют

Сравнительно тонким слоем пенопласта ( у-<30), опреде­ляют по формуле [42]:

«26П Htcxp (2ай) + Лг-схр (—2-^0+<?!

(Т ------------- 1—---- .------------------------------------------------- (20)

"р 12 й а Bi. схр (2 .1 D) — а В2 ехр (—2 а D) -[- сг

Где А, 2=—£--------------------- а» 5 ± 2а ( ±

В 1,2 = ± За;

Сх = — 2 (~------------------------ 1- а2 S — 2 а2 d (4 — а2 S2) ■

Бпрб

4 а2 D2

' V

С2 = 10 а2 + 8 —---------- 4a*d2;

Л п л „

А= — — при -выпучивании двухслойной пластины

По одной полуволне.

По условиям местной устойчивости сжатой обшивки оптимальные геометрические параметры среднего слоя из пустотного пенопласта выбирают из условия равенства величин критических напряжений на участках с пустота­ми по формуле (20) и на участках со сплошным средним слоем по формуле (19).

В ряде случаев потерТГнесущей способности сжатой обшивки, сопровождающаяся разрушением пенопласто­вого среднего слоя, может происходить при напряжениях,

Которые меньше критических напряжений, определенных по формулам (19) или (20). Преждевременное разруше­ние пенопластового среднего слоя обусловливается на­личием начальной местной погиби (волнистости) обши­вок. При этом в среднем слое возникают напряжения сжатия и растяжения (отрыва), которые приводят к разрушению пенопласта. Необходимо проверять мате­риал среднего слоя на действие напряжений, возникаю­щих вследствие начальной местной погиби тонких обшивок. Величины этих напряжений зависят от геомет­рических параметров начальной погиби обшивки — длины полуволны I и стрелы W„. Бели известна только макси­мальная величина wu, то максимальные напряжения из­гиба ст,, в обшивке и напряжения растяжения — сжатия сгг в материале среднего слоя и клеевом шве определяют по формулам [43]:

6 ЬУ,,

; (21)

П 5 '

О

Ir wn

СПр АКр - °

Где величину сгкр определяют из выражения (19).

При <ти<#с и (тг<Яр, с условие прочности сжатой обшивки папели выразится в виде [16, 43]:

Rc

О, -------------

Да.,

1+6 -f

. 0,72 /Епр Е* А ч< ______ Р -------- _ (24)

1 +0,695 - Ц/X.^L

^р, С ^пр О

Формулы (22) и (24) выведены для линейно-деформи­руемого материала обшивки. При применении их для об­шивок из реальных материалов следует соблюдать усло­вие [43]:

З<аПц-2,09Ог (/(-^ Г. <25)

Максимальные нормальные напряжения в обшивках панели определяют при поперечном изгибе по формулам [13, 16]:

При равномерно распределенной нагрузке Qp

А —

При сосредоточенной ■всю ширину панелей,

- 1,04 кг>Р?1 ~ b 6 (с + б)

Где Кр—коэффициент, зависящий от ординаты точки приложения нагрузки [45]; G — модуль сдвига материала среднего слоя в кГ/см2.

В слоистых панелях следует по возможности избегать сосредоточенных нагрузок. В тех местах, где они мо­гут быть приложены, необходимо предусматривать допол­нительные усиления.

Касательные напряжения в сплошном среднем слое панелей прп поперечном изгибе определяют по формулам:

При равномерно распределенной нагрузке

<Lpl

2 (с + б)

При сосредоточенной нагрузке

3,25/С,, Рр

Ь (с + й)

Прогибы трехслойных панелей при поперечном изгибе F определяют по формулам:

При равномерно распределенной нагрузке

/ = 0,026 ^ _ (1 + 4,94 ЕпрС

(30)

G/3

£„Р а И)8

При сосредоточенной нагрузке

Л'р р» р

£Пр с I

/ = 0,204

G/2

Е B б (с + 6)2

Формулы (27), (29),-(61) являются достаточно точны­ми при одной сосредоточенной силе; при двух и более сосредоточенных силах эти выражения приводят к завы­шенным значениям напряжений и прогибов.

Действительный характер работы трехслойных пане­лей и его соответствие результатам приведенного расчета изучали в работах [13, 16]. Было показано, что экспери­ментальные величины разрушающих напряжений близки расчетным, и отклонения между ними не превышали 150/0. Отклонения экспериментальных величин прогибов пане­лей от расчетных величин составляли 2—15% [16].