Механика разрушения трехслойной стеновой панели на основе каркасного бетона

Полный текст

1. Введение Стены здания являются одним из основных конструктивных элементов, обеспечивающих восприятие нагрузок, а также пространственную жесткость и устойчивость всего сооружения [1]. Наружные стены помимо несущей функции выполняют также и функцию ограждающую, создавая в помещениях здания благоприятный для человека микроклимат. Поэтому для их изготовления все чаще используются эффективные материалы и технологии, обеспечивающие прочность и устойчивость изделий к агрессивным средам и внешним нагрузкам [2], достаточные теплозащитные и звукоизоляционные свойства [3]. Требуемые значения несущей способности и термического сопротивления конструкций зданий определяются исходя из различных критериев, включая экономические [4]. Известно, что наиболее экономичными по расходу материала и по технологии возведения являются стены из сборных однослойных и многослойных железобетонных панелей. Однослойные панели достаточно прочны и технологичны, однако их теплозащитные свойства недостаточны для жилых зданий в регионах с холодными климатическими условиями. Поэтому в настоящее время такие стены применяются в регионах с теплым климатом или при строительстве производственных и сельскохозяйственных зданий. По сравнению с однослойными, многослойные панели значительно более эффективны с теплотехнической точки зрения. Такая панель представляет собой вкладыш (утеплитель) из материала с низкими теплопроводностью, плотностью и прочностью [5], например, из минеральной ваты или стекловаты, заключенный между наружным и внутренним слоями. Наружный слой, изготовленный из конструкционного бетона, защищает утеплитель от внешних воздействий. Внутренний слой является несущим и предназначен для восприятия нагрузки от перекрытий; к нему же посредством гибких связей, железобетонных ребер или шпонок крепятся слой утеплителя и наружный фактурный слой. Однако наряду с преимуществами слоистые панели обладают существенными недостатками [6; 7]: § недолговечность утеплителя и гибких связей, требующих антикоррозионной защиты; § отсутствие надежного соединения вкладыша с бетонными слоями, обусловленное дискретностью расположения гибких связей; § образование мостиков холода между наружным и внутренним слоями за счет высокой теплопроводности гибких металлических связей; § неравномерное распределение теплоты в ограждении и образование конденсата в межслойном пространстве вследствие различия в теплотехнических характеристиках слоев. Следствиями этих недостатков служат исключение совместной работы бетонных слоев при восприятии внешних нагрузок, склонность к значительным сдвиговым деформациям за счет деформирования среднего слоя и недолговечность подобных панелей. Альтернативой слоистым панелям являются трехслойные стеновые панели на основе каркасных бетонов с монолитной связью между слоями, изготавливаемые по специальной технологии [8]. Такие изделия состоят из двух слоев плотного керамзитобетона, между которыми расположен средний слой крупнопористого керамзитобетона. Использование последнего из упомянутых бетонов в качестве утеплителя позволяет создавать материалы с повышенными показателями прочности и жесткости и пониженной теплопроводностью, а также устраняет конструктивные недостатки, присущие трехслойным панелям с вкладышами. Например, слой из крупнопористого бетона способен эффективно отводить сконденсированную влагу [9]. В эксплуатационных условиях с биологически активными средами панели на основе каркасных бетонов в меньшей степени подвержены биодеградации [10; 11]. В свою очередь, биостойкость способствует сохранению физико-механических свойств строительных изделий [12]. Крупнопористый бетон имеет надежное сцепление с внешними бетонными слоями и способен оказывать сопротивление сдвигу. Жесткий контакт слоев позволяет рассматривать панель как монолитную, в то время как панели с вкладышами являются составными объектами. Совместная работа бетонов различных видов, образующих единое сплошное сечение, исследована, например, в работах [13; 14]. Известны методы расчета и дополнительные гипотезы, учитывающие особенности деформирования трехслойных конструкций [15]; в России они также регламентируются с помощью государственных стандартов. Тем не менее поведение этих конструкций при разных режимах деформирования все еще недостаточно изучено, что сдерживает их внедрение в строительство. Широкие возможности в изучении подобного рода конструкций предоставляет компьютерное моделирование с использованием CAE-систем. В данной статье такому моделированию подвергается поведение под нагрузкой трехслойной стеновой панели, изготовленной на основе каркасного композита по технологии, описанной в [8] и реализованной на ОАО «ЖБК-1» в г. Саранск (Российская Федерация). Цель исследования - проверка гипотезы о том, что внутренний слой крупнопористого бетона выступает не только как эффективный утеплитель, но и способен участвовать в восприятии части нагрузки, приходящейся на наружный несущий слой. 2. Методы 2.1. Геометрия и физико-механические характеристики панели Панель моделируется прямоугольным параллелепипедом длиной l = 6 м, высотой h = 1,2 м и суммарной толщиной всех слоев b = 0,4 м. Слои выполняют следующие функции: § внутренний слой 1 является несущим и предназначен для восприятия силовых воздействий от опирающихся конструкций перекрытия здания; толщина этого слоя равна d1 = 80 мм; § Рис. 1. Фрагмент сечения трехслойной стеновой панели И с т о ч н и к: выполнено Ю.А. Макаровым. средний слой 2 является теплоизоляционным, предназначенным для эффективной теплозащиты здания; его толщина рассчитывается исходя из теплотехнических свойств применяемых материалов и требований теплоизоляции к конструкциям зданий различных типов; в настоящем исследовании она принята равной d2 = 240 мм; § наружный слой 3 является защитно-декоративным; он защищает утеплитель от внешних климатических воздействий и создает архитектурную выразительность конструкции; толщина этого слоя d3 также равна 80 мм. Физико-механические характеристики слоев различны и приведены в табл. 1, схема поперечного сечения панели показана на рис. 1. Коэффициент Пуассона для всех конструктивных слоев одинаков и составляет ν = 0,18, теплопроводность указана при условиях эксплуатации ограждающих конструкций А согласно действующим в России нормативным документам - сводам правил[35]. Применение таких технологий, как дисперсное армирование и т.п., позволяет получать бетоны, у которых прочность на срез RS близка к призменной прочности Rb. Поэтому далее принято допущение, что для слоев изучаемой панели RS = Rb. Таблица 1 Физико-механические характеристики слоев стеновой панели Номер и наименование конструктивного слоя Материал слоя Плотность ρ, кг/м3 Призменная прочность Rb, МПа Начальный модуль упругости Е, МПа Теплопроводность λ, Вт/(м·°С) · 1 - внутренний (несущий) слой Плотный бетон 1800 40 10000 0.483 · 2 - средний (теплоизоляционный) слой Крупнопористый бетон 700 10 3500 0.206 · 3 - наружный (декоративный) слой Плотный бетон 1800 40 10000 0.483 И с т о ч н и к: данные по механическим свойствам В.Т. Ерофеева. 2.2. Проверка теплоизоляционных свойств панели Сначала была проверена гипотеза о том, что изучаемая трехслойная панель является эффективным теплоизолятором. Для этого ее термическое сопротивление сравнивалось с аналогичной характеристикой однородной панели стандартной однослойной конструкции той же толщины. Сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции определяется по формуле R0 = 1/αB + å(di/li)+ 1/αH, (1) где αB = 8,7 Вт/(м2×°С) и αH = 23 Вт/(м2×°С) - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции соответственно, а di и li - толщина и теплопроводность i-го слоя ограждения. При данном расчете характеристики слоев многослойной панели были взяты из табл. 1; толщина и теплопроводность однослойной панели были приняты равными d = 400 мм и λ = 0,58 Вт/(м×°С) соответственно. 2.3. Моделирование нагружения панели В рамках исследования рассмотрено несколько вариантов нагружения панели из каркасного бетона и из них был выбран тот, который обеспечивает максимальную погонную нагрузку, воспринимаемую панелью без разрушения. При моделировании считалось, что нижняя и обе боковые грани панели жестко закреплены, причем ширина полосы закрепления иными словами, жестко заделанными являются несущий и (частично) теплоизоляционный слой. Сверху к выделенному таким образом участку панели приложено нормальное усилие (давление) P; кроме того, на конструкцию действует сила тяжести G (рис. 2). Рис. 2. Схема нагружения панели И с т о ч н и к: выполнено А.О. Сыромясовым. Описанные способы заделки и нагружения моделируют взаимодействие панели с ее соседями снизу и сбоку (через слой цементного раствора), а также опирание на панель межэтажного перекрытия. Методика компьютерного моделирования трехслойных панелей из каркасного бетона под действием такого рода нагрузок подробно описана в [16]. В связи с тем, что в настоящем исследовании нагруженным является не только несущий, но и теплоизоляционный слой, в нее потребовалось внести незначительные уточнения. Методика учитывает тот факт, что вследствие нагружения панели только по части площади поперечного сечения ее материал находится в сложном напряженном состоянии, и описать критериальные параметры прочности моделью одноосного напряженного состояния нельзя. Поэтому при оценке несущей способности панели используются несколько критериев прочности, значения которых проверяются в нескольких разных точках. При расчетах применялся конечно-элементный пакет ANSYS Workbench, установленный по лицензии на вычислительном кластере Мордовского государственного университета. На рис. 3 приведен один из результатов расчета - общая картина распределения эквивалентных напряжений (по Мизесу) на наружной поверхности панели при нагрузке P = 4,55 МПа и ширине нагруженного слоя b0 = 200 мм. Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений по поверхности панели И с т о ч н и к: выполнено А.О. Сыромясовым в пакете ANSYS Workbench. Разрушение панели наиболее вероятно в области концентрации напряжений, то есть вблизи двух симметрично расположенных ребер e и e’, по которым боковые закрепленные грани соприкасаются с верхней нагруженной. Поэтому внутренние напряжения в панели следует рассчитывать вдоль отрезка контрольной прямой L, проходящей на расстоянии 1 см от боковой и 1 см от верхней грани параллельно ребру e. Если говорить более конкретно, вычислялись главное нормальное напряжение s1 и эквивалентное напряжение seq в соответствии с четвертой теории прочности (Хубера - Мизеса). 3. Результаты и обсуждение При расчете теплоизоляционных свойств панели из (1) было получено, что термическое сопротивление однослойной конструкции R0 = 0,848 м2×°С/Вт, а для предлагаемой трехслойной R0 = 1,655 м2×°С/Вт. Таким образом, использование многослойных ограждений на основе каркасных бетонов взамен стандартных однослойных панелей такой же толщины позволяет существенно снизить потери тепла в зданиях. Общее представление о распределении напряжений внутри панели дают графики величин s1 и seq вдоль отрезка L. Так, на рис. 4 приведен график seq при b0 = 200 мм и P = 4,55 МПа. Значение x = 0 соответствует внутренней границе несущего слоя, а x = 400 мм - внешней грани панели. При других величинах b0 и P графики s1 и seq выглядят аналогичным образом. Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений (по Мизесу) вдоль контрольной прямой И с т о ч н и к: выполнено А.О. Сыромясовым. Два пиковых значения критерия разрушения достигаются при x = d1 и x = b0, т.е. на границах несущего и теплоизоляционного, а также нагруженного и ненагруженного слоев. Судя по результатам расчетов, напряжения, возникающие в наружном слое, многократно меньше, чем во внутреннем. Отсюда следует, что нагрузки в наружном слое можно не принимать во внимание. Действительно, механические характеристики двух указанных слоев одинаковы, а значит, разрушение быстрее начнется в более интенсивно нагруженном внутреннем слое. Исходя из вышесказанного, критерием разрушения панели в рамках данного исследования считается выполнение хотя бы одного из условий: § на границе несущего и теплоизоляционного слоев (со стороны несущего слоя) главное нормальное напряжение s1 превышает призменную прочность Rb несущего слоя или эквивалентное напряжение seq превышает значение 1,15Rb; § на границе несущего и теплоизоляционного слоев (теперь со стороны теплоизоляционного слоя) напряжение s1 превосходит величину Rb теплоизоляционного слоя или эквивалентное напряжение seq превосходит величину 1,15Rb этого же слоя; § на границе нагруженной и ненагруженной областей (внутри теплоизоляционного слоя) s1 > Rb или seq > 1.15Rb, при этом вновь рассматривается призменная прочность теплоизоляционного слоя. Тем самым значения s1 и seq проверяются в трех точках , и , лежащих на пересечении прямой L и границ указанных выше слоев. Чтобы исследовать влияние вклада теплоизолирующего слоя на величину разрушающих напряжений и несущую способность конструкции, панель нагружалась с увеличением общей ширины нагруженной полосы b0 от 80 до 200 мм с шагом 40 мм. Результаты расчета приведены в табл. 2. Таблица 2 Зависимость разрушающего напряжения от ширины нагруженного слоя Тип критерия Критическое значение, МПа Значение, МПа (b0 = 80 мм) Значение, МПа (b0 = 120 мм) Значение, МПа (b0 = 160 мм) Значение, МПа (b0 = 200) P = 9,04 МПа P = 5,78 МПа P = 5,15 МПа P = 4,55 МПа 30 30,77 22,99 22,47 21,22 34,5 34,17 27,50 26,37 24,62 10 9,92 8,23 8,01 7,62 11,5 12,10 10,16 9,53 8,80 10 - 9,55 9,85 10,01 11,5 - 11,49 11,47 11,36 - 7,03 8,86 8,69 8,14 - - 2,65 2,72 2,57 И с т о ч н и к: получено А.О. Сыромясовым с помощью пакета ANSYS Workbench. В качестве P указаны давления, при которых происходит разрушение панели. При каждом b0 значения критериев, близкие к максимально допустимым или превысившие их, выделены шрифтом. Для справки приведены также сдвиговые напряжения txz на границах слоев; как видно, их значения находятся достаточно далеко от критической величины Rb. Данные табл. 2 показывают, что разрушение всегда происходит на границе нагруженного и ненагруженного слоев - в точке (при b0 = 80 мм она совпадает с P1). С увеличением ширины b0 значение разрушающего давления P падает. Однако ключевую роль играет не величина P сама по себе, а максимально допустимая воспринимаемая панелью погонная нагрузка f = Pb0. Значение f в зависимости от ширины нагруженного слоя приведено в табл. 3. Таблица 3 Зависимость погонной нагрузки от ширины нагруженного слоя b0, мм P, МПа f = Pb0, кН/м 80 9,04 723,2 120 5,78 693,6 160 5,15 824,0 200 4,55 910,0 И с т о ч н и к: получено А.О. Сыромясовым с помощью пакета ANSYS Workbench. Тем самым опирание межэтажных перекрытий на полосу шириной 200 мм вместо стандартных 80 мм способно увеличить максимально допустимую нагрузку более чем на 25 % - с 723,2 кН/м до 910,0 кН/м. Многослойные панели с вкладышами подобного свойства не имеют, поскольку их теплоизоляционные слои выполнены из материалов, которые не могут быть несущими. Вся нагрузка в таких панелях воспринимается исключительно узким внутренним несущим слоем. Дальнейшее повышение несущей способности изделий на основе каркасных бетонов может быть достигнуто, например, путем модификации цементного вяжущего полимерными соединениями [17; 18], тонкодисперсными наполнителями [19; 20] и наночастицами [21; 22]. 4. Заключение Иизучено поведение нагруженной трехслойной панели, изготовленной по каркасной технологии. Взаимодействие панели с соседними моделировалось путем жесткого закрепления трех ее граней, приложенное к верхней грани давление отражало воспринимаемую панелью нагрузку. В ходе исследования проверялось предположение, что внутренний (теплоизоляционный) слой каркасного изделия способен частично участвовать в восприятии внешних усилий. Требовалось выяснить, при каких нагрузках изделие начнет разрушаться и где именно это разрушение начнется. Для вычислений применялся программный комплекс ANSYS Workbench, в котором реализован метод конечных элементов. Особое внимание уделялось расчету критериев разрушения вблизи ребер, вдоль которых нагруженная грань «стыкуется» с закрепленными. В качестве таких критериев были выбраны главное и эквивалентное (по Мизесу) напряжения; предполагалось, что разрушение начнется, если хотя бы один из них превысит «опасное» значение. Величина приложенного давления и ширина нагруженной части в расчетах варьировались. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1. Разрушение панели происходит на границе нагруженного и ненагруженного слоев вблизи ребра - концентратора напряжений. 2. При увеличении ширины нагруженной части величина разрушающего давления может падать за счет того, что нагружению подвергается менее прочный теплоизоляционный слой. Однако разрушающая погонная нагрузка при этом растет за счет увеличения площади участка, эту нагрузку воспринимающего. 3. Из предыдущего вывода следует, что путем частичного нагружения теплоизоляционного слоя несущая способность панелей, изготовленных по каркасной технологии, может быть существенно повышена по сравнению с панелями, содержащими вкладыш из минеральной ваты или иного теплоизолятора, поскольку такие вкладыши нагружать нельзя. Кроме того, в исследовании показано, что трехслойные панели на основе каркасного бетона по сравнению со стандартными однослойными панелями той же толщины обладают вдвое большим термическим сопротивлением, что делает использование каркасных изделий эффективным методом сохранения тепла.

Об авторах

Алексей Олегович Сыромясов

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева

Автор, ответственный за переписку.
Email: syal1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6520-0204
SPIN-код: 7617-8578

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики

Российская Федерация, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1

Юрий Алексеевич Макаров

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева

Email: makarov.yira75@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6242-4138
SPIN-код: 4679-9363

кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики

Российская Федерация, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1

Татьяна Федоровна Ельчищева

Тамбовский государственный технический университет

Email: elschevat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0241-3808
SPIN-код: 9764-3898

кандидат технических наук, заведующий кафедрой архитектуры и градостроительства

Российская Федерация, 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106/5

Владимир Трофимович Ерофеев

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: erofeevvt@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-8407-8144
SPIN-код: 4425-5045

доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения

Российская Федерация, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Дмитрий Александрович Кожанов

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Email: pbk996@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8443-1291
SPIN-код: 8722-2173

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теории сооружений и технической механики

Российская Федерация, 603000, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65

Список литературы

Дополнительные файлы