Влияние конструкции трехслойной панели на её прочность

УДК 691:175.5

О.А. КИСЕЛЕВА, канд. техн. наук, доцент, кафедра «Конструкции зданий и сооружений»,
А.Р. МАЛЫШКОВ, студент, Тамбовский государственный технический университет

Ключевые слова: пепополистирол, ориентированно-стружечная плита, прочность
Keywords: polystyrene, oriented strand board, strength

В статье рассмотрено влияние конструкции трехслойной панели с обшивкой из плит ОСП и толщины слоя пенополистирола на механические свойства. Подобраны оптимальные варианты для панелей с разной толщиной утеплителя, дан теплотехнический расчет оптимальной конструкции.

В настоящее время большое внимание уделяется энергоэффективности зданий. В стране можно снизить потребление электроэнергии, идущей на отопление зданий, за счет применения теплоизоляционных материалов. Одним из наиболее эффективных утеплителей является пенополистирол. Однако он обладает низкой прочностью, подвержен старению (тепловому и от действия УФ-лучей), что влечет за собой применение защитных слоев [1].

Для расширения границ использования данного материала в строительстве разрабатываются способы повышения его механических свойств: армирование, применение армирующих обойм, модификация полимером.

В предыдущих работах повышения прочности пенополистирола марки ПСБС – М35 достигали путем использования армирующих слоев из стеклохолста и стеклосетки. Оптимальная конструкция армированных пенополистирольных плит подбиралась по механическим характеристикам: прочности при поперечном изгибе и твердости. Полученные результаты представлены на рис. 1 [2].

Из рис. 1 видно, что наибольшего повышения прочности можно добиться при использовании в качестве армирующего материала стеклохолста. При этом конструкция должна состоять из 3-х слоев пенополистирола толщиной 10 мм, между которыми проклеен стеклохолст. Применение такой конструкции позволяет повысить прочность пенопласта на 27%, а также предотвратить его коробление и сохранить целостность (пенополистирол не будет рассыпаться на гранулы) [3].

Наибольшее значение прочности характерно для пенополистирола, когда армирующие слои расположены снаружи, а не помещены внутрь. Но набольшей прочностью обладает конструкция, представляющая собой 2 слоя пенополистирола толщиной 10 мм с прослойкой и наружными слоями из стеклосетки. Прочность такой конструкции почти в 3 раза превышает прочность пенопласта (табл. 1).

Упрочнения мы добились, но при этом пенополистирол остается не защищенным от действия факторов старения. Снизить отрицательное влияние которых можно, используя экранирующие покрытия [5, с. 150], поглощающие большую часть УФ-лучей. Если материал, используемый для экранирующего покрытия, обладает хорошими теплофизическими свойствами, то он также будет защищать пенополистирол от перегрева, замедляя тем самым процесс старения.

Таблица 1. Повышение прочности пенополистирола с помощью армирующих слоев

№ п/п	Вид армирования	Материалармирования	Кол-во слоев пенопласта	Толщина1 слоя, мм	Прочность, МПа	Твердость,МПа
1	Отсутствует	—	1	20	0,39	0,31
2	Снаружи	Сетка (5×5 мм)	1	20	0,96	0,55
3		Сетка (2×2 мм)	1	20	0,89	0,55
4		Стеклохолст	1	20	0,72	0,50

С целью улучшения ряда свойств пенополистирола были разработаны трехслойные панели с обшивкой из плит ОСП. Так как основным компонентом плит является древесная стружка, то материал отличается: во-первых, высокой прочностью, воспринимая основную нагрузку; а во-вторых, достаточно низкой теплопроводностью, защищая пенопласт от перегрева. Кроме того, обшивка способна поглощать большую часть УФ-лучей [3, 4].

Но трехслойные панели тоже не обладают достаточной прочностью. Следующая часть исследований посвящена вопросам повышения прочности трехслойных панелей, состоящих из пенополистирола и плит ОСП. Результаты представлены на рис. 2 и в табл. 2.

Таблица 2. Влияние вида армирования на прочность трехслойных панелей

Вид армирования	Предел прочности (МПа) при толщине утеплителя
	2 см	3 см	4 см	6 см
Клеевой шов	2,8	2,09	1,01	—
Слой ОСП	2,91	—	1,14	1,07
Клеевой шов и слой ОСП	—	—	1,63	0,91
Без армирования	2,45	2,57	—	—

Прочность трехслойной панели с минимальной толщиной утеплителя (1 см) составляет 30% от прочности ориентированно-стружечной плиты, но при этом в 13 раз больше, чем у пенополистирола [2]. Из табл. 2 видно, что с увеличением его толщины прочность снижается и достигает при толщине утеплителя 2 см 2,45 МПа. При толщине утеплителя от 2 до 3 см процесс немного замедляется, но затем прочность панели резко снижается – в 2,7 раза. Это объясняется следующим: при толщине слоя пенополистирола в 4 см и более плиты ОСП начинают работать по отдельности, кроме того, в процессы разрушения вовлекается и сам пенопласт, тогда как при небольшой толщине утеплителя значительная доля нагрузки перераспределяется между отдельными слоями плиты ОСП.

Следовательно, для усиления конструкции в самом слое утеплителя необходимо устроить армирующие слои (дополнительный клеевой шов или дополнительный слой плиты ОСП). При использовании армирующего слоя в виде клеевого шва прочность образцов повышается на 14% для суммарной толщины пенополистирола в 2 см. При разделении пенополистирола клеевым швом на три части (толщина утеплителя 3 см) значительного упрочнения уже не наблюдается, поэтому в конструкцию панелей был введен третий слой плиты ОСП, расположенный посередине образца. Для такой конструкции повышение прочности образцов составило при толщине утеплителя в 2 см – 1,1 раза, а при толщине 4 см – уже в 1,6 раза. При дальнейшем увеличении толщины утеплителя до 6 см и более введение дополнительного слоя ОСП практически не столь эффективно, т.к. прочность образцов в данном случае составляет всего лишь 7% от прочности плиты ОСП и приближается к прочности самого пенополистирола. Следовательно, прослойки плит ОСП должны проходить через каждые 2 см утеплителя.

При сравнении механических свойств трехслойной панели и армированного сетками пенополистирола видно, что в первом случае прочность в 2,5-4,4 раза выше.

Выбрав оптимальные конструкции для каждого слоя пенополистирола, мы получили следующий график зависимости напряжения от толщины слоя утеплителя (рис. 2) Из него видно, что при минимальной толщине теряется порядка 70% прочности панели относительно конструкционного материала, но такая панель не будет удовлетворять по теплофизическим параметрам. Для определения необходимой толщины пенополистирола выполним теплотехнический расчет.

Нормируемое сопротивление теплопередаче из условия энергосбережения рассчитывается по формуле:

, (1)

где mp – коэффициент, учитывающий особенности региона строительства, в данной формуле принимается равным единице; – базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.

Значение следует определять по формуле:

, (2)

где a, b – коэффициенты, значения которых следует принимать по данным таблицы для соответствующих групп зданий [5, табл. 3]; ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, °С·сут/год, для конкретного пункта;

ГСОП=(tb-ton)·Zon, (3)

где ton, Zon – средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут/год, отопительного периода, принимаемые по своду правил для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8°С, а при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых – не более 10 °С, [6, табл. 3.1]; tb – расчетная температура внутреннего воздуха здания, °С.

Выполним расчет для г. Тамбова:

ГСОП = (22 + 3,7) · 201=5166 °С·сут/год,

= 0,00035· 5166 + 1,4 = 3,21

Сопротивление теплопередаче Ro конструкции определим по формуле:

Ro = Rsi + Rk + Rse, (4)

где Rsi = l / αв; Rse = 1 / αн, αн = 23 – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, ограждающей конст­рукций для условий холодного периода; Rk – термическое сопротивление ограждающей конст­рукции, которое следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоев:

Rk = R1 + R2 + … + Rn, (5)

где R1, R2, …, Rn – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, определяемые по формуле:

R = δ / λ, (6)

где δ – толщина слоя, м; λ – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, принимаемый по [5, прил. Д].

Сопротивление теплопередаче трехслойной панели с экструдированным пенополистиролом толщиной 4 см будет равно:

При сравнении нормируемого и фактического сопротивления теплопередаче поэлементное требование не выполнилось, поэтому необходимо произвести невязку по формуле:

, (7)

где – нормируемое cопротивление теплопередаче; Ro – фактическое сопротивление теплопередаче:

Необходимую добавочную толщину утеплителя определим по формуле:

δут = ∆R · λут, (8)

δут = 1,51 · 0,031 = 0,046 м

Данное значение необходимо добавить к имеющимся 4 см утеплителя и произвести расчет фактического сопротивления теплопередаче:

δут = 0,04 + 0,046 = 0,086 м

Принимаем толщину утеплителя, равную 9 см.

,

Из расчета следует, что требуемое сопротивление теплопередаче для Тамбова будет выполняться при толщине слоя пенопласта, равной 9 см. При толщине утеплителя 4 см и более эффективность конструкции повышается, если пенополистирол разделяется на отдельные слои толщиной по 1 см клеевыми прослойками и через каждые 2-3 см будет введен дополнительный слой плиты ОСП. Таким образом, конструкция должна иметь следующий вид (рис. 3). Для нее сопротивление теплопередаче будет равно 3,4 м2·°С/Вт.

Библиографический список

1. Строительные материалы. Учебник / Под общей ред. В.Г. Микульского. – М.: Изд-во АСВ, 1996. – 448 с.

2. Киселева О.А. Влияние конструкции трехслойной панели на их прочность / Киселева О.А., Малышков А.Р. // Перспективы развития науки в современном мире: сборник статей по материалам ХII междунар. науч.-практ. конф. – Уфа: изд-во «Дендра», 2018, часть 1(2), с. 74-78.

3. Киселева О.А. Влияние старения на свойства пенополистирола и методы защиты от него / Киселева О.А., Мамонтов А.А., Мамонтов С.А. // Сборник трудов XIV научной конференции ТГТУ, – Тамбов, 2009, с. 164-167.

4. Киселева О.А. Физические основы работоспособности строительных материалов из древесины / Киселева О.А., Ярцев В.П. // Монография. – Тамбов, 2007, – 236 c.

5. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003.

6. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*.