Штамм, Витте - Многослойные конструкции

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Для снижения затрат труда и сокращения потребности в рабочей силе при изготовлении и монтаже строительных  конструкций важное значение имеет применение полносборных ограждающих конструкций — стеновых и кровельных панелей.

Поиски рациональной конструкции стеновых ограждений приводят к выводу, что ограждающие конструкции должны быть оптимизированы с учетом всего спектра функциональных требований — несущей способности, минимума массы,  долговечности, требуемого термического сопротивления и  звукоизоляции,, низкой стоимости изготовления и быстрого монтажа.

Наиболее полно всем этим требованиям удовлетворяют  трехслойные панели с наружными слоями из листовых  материалов — металле, асбестоцементе и средним слоем из  пенопластов.

В книге австрийских исследователей К. Штамма и X. Витте подробно рассматриваются вопросы расчета трехслойных  панелей, именуемых здесь многослойными. Описанные принципы расчета аналогичны принятым советскими исследователями.

В то же время знакомство с ними расширит наши познания в этой области.

В книге приведены примеры численных решений,  облегчающие изучений теории расчете. Ценным также является и то, что расчет конструкций показан несколькими способами, что позволяет сравнить удобство и применимость того или иного способа в зависимости от расчетной схемы конструкции. 

Интересны также данные по методике расчете многослойных  конструкций на звуковое давление.

Настоящее издание может быть использовано в качестве вспомогательного материале при разработке трехслойных  панелей, а тек же как методический материал дли преподавателей и студентов строительных вузов.

Канд. техн. наук С. Кармилов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Авторы книги уже много лет занимаются разработками и расчетом многослойных конструкций. Рекомендации,  положившие начало опытно-конструкторским работам, исходили от проф. Отто Юнгблюта, сотрудником которого не  протяжении многих лет являлся один из авторов книги IX. Витте). Предлагаемый материал представляет собой обобщение теории расчета и исследовательских работ многих ученых.

Книга предназначена для инженеров-практиков. Поэтому основной упор делается на обстоятельные выводы основных уравнений, наглядные примеры расчетов и схематическое  представление о технологии и конструктивных деталях многослойных конструкций. Некоторые проблемы, например ползучесть, колебания и звукоизоляция многослойных панелей,  рассматриваются кротко. Выборы изделий многослойных  конструкций и способов их производства, изложенные в  конструктивном разделе книги, служат в качества гримера и не претендуют на полноту изложения.

Дортмунд, январь 1974 г. К. Штамм, X, Витте

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. ОБЪЯСНЕНИЕ ПОНЯТИЙ

В последние годы многослойные панели находят все большее  применение в строительстве. Благодаря целесообразному выбору и составу  отдельных слоев могут быть созданы многослойные панели с отличными статическими и конструктивными свойствами. Идея многослойных  конструкций не нова, но все-таки лишь благодаря авиации и полетам в  космос, где требовались легкие и высокопрочные материалы, был дан  толчок к интенсивному развитию облегченных конструкций. Сегодня  принцип многослойных конструкций проник в другие технические области и используется прежде всего в строительстве, при производстве  транспортных средств и в холодильной технике.

Многослойная панель, используемая, в качестве несущего элемента. как правило, состоит из трех слоев: двух внешних и одного внутреннего. Для достижения общей несущей способности этой многослойной  конструкции слои соединены между собой для образования монолитной  системы. В зависимости от формы поперечного сечения, материала и видов опирания существует большое разнообразие комбинационных  возможностей (табл. 1.1). Внешние слои могут быть, например, из стали, на  основе легких сплавов металлов, дерева, армированной волокном  пластмассы, бетона или асбестоцемента, а средний слой — из пробки, резины, древесины бальзы, плотной пластмассы, вспененного полимерного  материала, а также из легкого металла в форме сот, перемычек, гофрировки или другой конструкции. Все типы многослойных панелей  характеризуются способностью внешних слоев воспринимать усилия растяжения и сжатия и низкими прочностными показателями среднего слоя на сдвиг.

1.2. СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ

Свойства многослойной панели в основном зависят от строения ее слоев. Общими для большинства многослойных панелей (благодаря их легкому среднему слою и жестким в большинстве случаев тонким внешним слоям) являются следующие свойства:

большая несущая способность при небольшой собственной массе; высокая усталостная прочность при переменных нагрузках;

хорошая звукоизоляция в сравнении с однородными панелями тех же массы и жесткости;

хорошее звукопоглощение при использовании для среднего слоя материала с высокими поглощающими свойствами;

хорошая теплоизоляция;

незначительное накопление тепла в стенах;

водо- и паронепроницеемость при металлических внешних слоях;

при защищенных поверхностях внешних слоев устойчивость к  погодным воздействиям и агрессивным выделениям промышленных предприятий;

возможность рационального массового производства;

быстрый, независимый от времени года монтаж готовых элементов.

1.3. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ

1.3.1. Сдвиг среднего слоя. Отдельные слои плоской многослойной панели, например с двумя тонкими внешними слоями из стали и средним слоем из жесткого пенополиуретана, обладают каждый в отдельности небольшой несущей способностью. Обе тонкие обшивки из стали из-за своей незначительной жесткости на изгиб могут едва выдержать  собственную массу. Точно так же балка, состоящая только из среднего слоя, из-за низкого модуля упругости жесткого пенополиуретана отличается значительной деформативностью. Но если обшивка и средний слой  соединены между собой, то получается многослойная балка с большой  несущей способностью. Распределение поперечной нагрузки в подобной балке с ровными, тонкими внешними слоями происходит следующим образом: изгибающий момент воспринимают практически одни внешние слои, так как средний слой по сравнению с ними обладает малой  жесткостью при растяжении и сжатии, а поперечное усилие, наоборот,  принимает на себя средний слой, так как внешние слои из-за своей  небольшой толщины не способны воспринимать поперечную нагрузку.

Таким образом, усилие сдвига действует на средний слой, который помогает обеспечить несущую способность многослойной панели. С увеличением его прочности на сдвиг возрастает жесткость  многослойной панели.

В многослойной балке с профилированными внешними слоями  собственная нзгибнан жесткость последних по сравнению с общей изгибной жесткостью всей конструкции не может быть игнорирована, поэтому  поперечная нагрузка распределяется иначе. Одна часть изгибающего  момента и поперечного усилия воспринимается непосредственно внешними слоями, другая часть - всей конструкцией: верхним внешним слоем  воспринимаются усилия сжатия, нижним - растяжения, а средним — сдвига.

1.3.2. Роль среднего слон в работе конструкции. Средний слой  многослойной панели кроме передачи усилия на внешние слои несет еще одну важную функцию: из-за небольшой толщины внешних слоев при изгибе панели возможно выпучивание сжатого внешнего слоя, но благодаря сцеплению между внешним и средним слоями возникновение этого явления затруднено. Чем жестче средний слой, являющийся для внешних слоев подкрепляющим, упругим споем, тем меньше выпучивание  сжатого внешнего слон. Тем самым повышается критическое напряжение при выпучивании. Следовательно, несущая способность многослойной панели возрастает с увеличением жесткости среднего слоя.

Если многослойная панель имеет тонкие, профилированные внешние слои, то еще более возрастает ее несущая способность. Например, при применении трапециевидных стальных листов для внешних сжатых  слоев ширина зоны выпучивания ограничена продольными ребрами.  Поэтому увеличивается уровень критических напряжений.

1.3.3. Требования к соединению слоев. Чтобы средний слой мог  полностью выполнять свою, основную задачу, а именно воспринимать  сдвигающие усилия, а также обеспечивать устойчивость внешних слоев,  соединение между ними должно обладать достаточной прочностью. В  зависимости- от структуры слоев различаются следующие виды соединений: клеевое, непосредственное сцепление после вспенивания среднего слоя. сварное соединение, заклепочное, винтовое или шпоночное. По  возможности прочность соединения на сдвиг и растяжение должна превышать прочность материала среднего слоя, чтобы предельная нагрузка  многослойной панели не определялась качеством соединения.

1.3.4. Причины выхода из строя многослойных панелей. Если  многослойная панель разрушается под действием изгибающего усилия, то это может происходить по следующим причинам разрушение одного из внешних слоев вследствие превышения предела прочности; разрушение внешнего слоя под действием сжимающих напряжений, превышающих критические; разрушение среднего слоя в результате превышения предела прочности его материала на сдвиг; разрушение анизотропного структурного среднего слоя в результате превышения предела прочности или потери устойчивости его элементов, например выпучивания стенок сотообрезного среднего слоя при  слишком большой сдвигающей нагрузке; ослабление соединения между внешними и средним слоями; сильные местные деформации тонких внешних слоев вследствие приложения сосредоточенных или срезающих нагрузок.

Из-за податливости среднего слоя выпучивание внешнего слоя, на который действуют сжимающие напряжения, оказывается в большинстве случаев причиной выхода панели из строя.

1.3.5. Повышение несущей способности многослойных панелей. Если многослойная панель с плоскими тонкими внешними слоями обладает недостаточной несущей способностью, то повысить ее можно: применением профилированных внешних слоев вместо плоских; применением внешних слоев, которые в зоне действия усилий  сжатия при изгиба многослойной панели имели бы ребра; использованием среднего слоя повышенной жесткости для  увеличения критических напряжений потери устойчивости; применением многослойных элементов, образующих крупные складчатые конструкции применением криволинейных многослойных элементов,  образующих цилиндрические или сферические оболочки.

При сферических оболочках, в которых основное значение имеют мембранные напряжения, а напряжения изгиба малы, можно  перекрывать площади значительных размеров. Для увеличения несущей способности можно скомбинировать две или несколько из перечисленных возможностей.