Клеефанерные ребристые панели покрытия. Расчет и конструирование.

Ответ:

Клеефанерные панели покрытия относятся к облегченным конструкциям индустриального изготовления.

Панели покрытий состоят из деревянного несущего каркаса и фанерных обшивок, соединенных каркасом водостойким клеем в одно целое, и образующих коробчатое сечение. Для обшивок применяют фанеру повышенной водостойкости марки ФСФ, а для конструкций, не защищенных от увлажнения, - бакелизированную фанеру ФБС.

Целесообразность применения клеефанерных панелей определяется малой массой при высокой несущей способности, что обеспечивается совмещение в фанерной обшивке ограждающих и несущих функций, как поясов панели, так и настила, который воспринимает местную нагрузку.

В качестве утеплителя применяют, как правило, несгораемые и биостойкие теплоизоляционные материалы, например пенопласт или стекломаты. При изготовлении панели на верхнюю обшивку наклеивают один слой рубероида, образующий кровельное покрытие, другие слои кровли приклеивают после монтажа панели.

Клеефанерные панели покрытия находят применение в отапливаемых и не отапливаемых зданиях в условиях эксплуатации А1, А2,А3, Б1,Б2,Б3 [1, табл. 1].

Материал конструкций панели.

Древесина.

Продольные и поперечные ребра панелей изготовляют из древесины преимущественно хвойных пород не ниже 2 – го сорта.

Пиломатериал должен удовлетворять требованиям ГОСТ 24454 – 86, ГОСТ 8486 – 86* и [I, прил., 1].

В зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации влажность древесины составляет 9….15% [I, табл.1]

Плотность древесины принимают по приложению [I, прил., 3].

Фанера.

Наружная и внутренняя обшивка панелей выполняются из строительной и бакелизированной фанеры.

К строительной фанере относится клееная фанера (ГОСТ 3916 – 86) марок ФСФ, ФК сортов не ниже В/ВВ. К бакелизированной фанере относится фанера марок ФБС и ФБСВ.

Внешние слои фанеры называются рубашками, внутренние – серединками. Марку фанеры определяют применяемые смолы (фенолоформальдегидными, карбамидными), сорта фанеры определяют качеством древесины.

Фанера марок ФСФ, ФБС и ФБСВ обладает повышенной водостойкостью.

Фанера марки ФК является средневодостойкой и рекомендуется для изготовления конструкций, устанавливаемых внутри помещений. Клееная фанера имеет толщину (1,5...12)мм; формат листа 725х1220, 725х1625 мм., 1625х1220 мм., 1525х1525 мм., 1825х1220 мм.

Плотность строительной фанеры следует принимать равной плотности древесины шпонов, а бакелизированной – 1000 кг/м³.

Клей

Синтетические клеи для изготовления элементов клееных деревянных конструкций делятся на группы, учитывающие назначение клеев, их свойства; рекомендуемые области применения указаны в приложении 2 табл.1.

Для склеивания древесины и древесины с фанерой, древесноволокнистыми и древесностружечными плитами должны применяться клеи I – IV групп в зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации. Для склеивания фанеры с деревянными ребрами применяют водостойкие и средневодостойкие клеи по [1, табл. 2].

Наиболее распространенными водостойкими клеями являются: алкилрезорциновые ФР–100; фенолоформальдегидные КБ–3, ДФК–1АМ, БфЖ-3016, СФХ; феноло-резорциновые ФРФ-50; резорциновые ФР-12.

В защищенных от увлажнения панелях могут быть применены средневодостойкие клеи: карбамидные КФ-5, КФ-Ж, КФ-БЖ и карбамидно-меламиновые КС-В-СК.

Прочность клеевого шва на скалывание должна быть больше прочности древесины на скалывание.

Классификация клеефанерных панелей.

Трехслойные панели могут быть разделены на четыре конструктивных типа рис. 2.1.

Панели I типа. Нормальные усилия в этих панелях воспринимаются жесткими ребрами (из металла, дерева, пластмасс и т.д.) и обшивками. Для панелей I типа необходимо выполнение условия, чтобы отношение суммарной жесткости ребер к жесткости двух обшивок было больше 0,8а/l, где а – шаг продольных ребер, см; l – расчетный пролет панели, см.

Панели II типа. К этому типу относятся ребристые панели с изгибной жесткостью ребер, для которых отношение жесткостей ребер и обшивок меньше или равно 0,8а/l. При расчете панелей II типа можно принять, что нормальные усилия воспринимаются только обшивками.

Панели III типа. Имеют ребра и сплошной средний слой из пенопласта, приклеиваемый к верней и нижней обшивкам. Средний слой обеспечивает совместность работы обеих обшивок, повышает устойчивость сжатой обшивки из тонких металлических и стеклопластиковых листов, участвует совместно с обшивкой в восприятии местных сосредоточенных нагрузок, выполняет роль тепло- и звукоизоляции.

Панели IV типа. Имеют сплошной средний слой, но выполняются без ребер, поэтому они характеризуются большой деформативностью. Обшивки воспринимают нормальные напряжения, вызванные изгибающим моментом, при этом в панели, работающей по схеме простой балки, верхняя обшивка сжата, а нижняя – растянута.

Рис. 2.2. Типы трехслойных панелей

а – план; г – поперечный разрез панелей III типа;

б – продольный разрез; д – поперечный разрез панели IV типа;

в – поперечный разрез панелей I и II типов;

 

 

Клеефанерные панели могут быть (по назначению):

- холодными (а);

- полутеплыми (б);

- теплыми (в).

 

 

Классификация панелей представлена на рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Классификация клефанерных панелей: а) холодные; б) полутеплые; в) теплые.

Порядок расчета 3-х слойных панелей (на примере клеефанерной панели).

Конструирование панелей.

Панели обычно имеют размеры в плане: ширину (0,5….1,5) м; длину (3….6) м.

При применении клеедощатых ребер клеефанерные панели могут быть изготовлены шириной до 3м и длиной до 12 м.

Толщина панели назначается по теплотехническим расчетам (для отапливаемого здания), а также из условия жесткости в пределах (1/30….1/40) от длины панели.

По теплотехническому расчету определяется толщина утеплителя, из экономических условий и по санитарно-гигиеническим нормам (по СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника»).

 

Теплотехнический расчет.

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим и комфортным условиям [2, формула 1].

(3.1.)

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху. (Определяем по табл. 3* СниП II-3-79*).

t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, принимаемая согласно ГОСТ 12.1.005-88 нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений.

t_н – расчетная зимняя температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 (Определяем по СНиП 2.01.01-82).

t ^н – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемых по [2, табл. 2*];

a_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по [2, табл. 4*].

Найдем требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций по условиям энергосбережения по [2, табл. 1б] методом интерполяции.

Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) следует определять по [2, формула 1а].

ГСОП = (t_в - t_от.пер.) z_от.пер., (3.2.)

где t_в - то же, что в формуле (3.1);

t_от.пер., среднесуточная температура воздуха ниже или равной 8 °С по СНиП 2.01.01-82.

z_от.пер. - средняя температура, °С, и продолжительность, сут, периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8 °С по СНиП 2.01.01-82.

Сравним два значения R^тр₀ и выберем наибольшее и подставим в формулу (3.3.).

Сопротивление теплопередаче R_o, м² × °С/Вт, ограждающей конструкции следует определять по [2, формула 4].

, (3.3.)

где a_в — то же, что в формуле (3.1);

R_к — термическое сопротивление ограждающей конструкции, м²×°С/Вт, определяемое: однородной (однослойной) — по формуле (3.5), многослойной — в соответствии с пп. 2.7 и 2.8 (2);

a_н — коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции. Вт/(м • °С), принимаемый по табл. 6* СНиП II-3-79*

При определении R_к слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой,

вентилируемой наружным воздухом, и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитываются.

Термическое сопротивление R_к, м • °С/Вт, ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоев [2, формула 5].:

R_к = R₁ + R₂ +... + R_n (3.4)

где R₁, R₂,..., R_n — термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м²•°С/Вт;

Термическое сопротивление R, м²•°С/Вт, слоя многослойной ограждающей конструкции, а также однородной (однослойной) ограждающей конструкции следует определять по [2, формула 3].

, (3.5)

где d — толщина слоя, м;

l — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м • °С), принимаемый по [2, прил. 3*].

Конструкция клеефанерной панели представлена на рис. 3.1.

1. слой мягкой кровли; 6. утеплитель на битумной мастике;

2. фанерная обшивка; 7. продольное ребро;

3. поперечное ребро; 8. фанерная обшивка;

4. торцевое ребро; 9. крепежный брус;

5. слой пароизоляции; 10. продольный нащельник;

Рис. 3.1. Конструкция клеефанерной панели.

 

Фанерная обшивка имеет толщину (4...12)мм, в зависимости от размеров панели и нагрузки.

Каркас плит состоит из продольных и поперечных досок – ребер, толщиной не менее 2,5 см. Продольные – рабочие, сплошные по длине ребра ставятся на расстоянии не более 50 см. друг от друга из условий работы обшивок на изгиб от сосредоточенных грузов. Поперечные ребра жесткости ставят на расстоянии не более 1,5 м, как правило в местах стыков фанерных обшивок и прерываются в местах пересечений с продольными ребрами.

Фанера в обшивках принимается по ГОСТ 3916-69 с минимальными отходами при раскрое листов и стыкуется между собой на "ус" (рис. 3.2.).

 

Рис. 3.2. Соединение на "ус".

При стандартной ширине листов фанеры ширину панелей принимают с учетом обрезки кромок фанерных листов так, чтобы между панелями был обеспечен зазор 10 мм.

Зазор перед укладкой рулонного ковра уплотняется теплоизоляционными материалами, а бруски, образующие четверть в стыке соединяются гвоздями диаметром 5 мм через 500 мм. В продольном направлении между панелями оставляют зазор 20 мм.

Теплоизоляционные плиты приклеиваются к нижней обшивке пане­лей. Для сохранения положения теплоизоляционного слоя и предотвращения его смещения при перевозке панелей по верху теплоизоляции укладывается слой картона, края которого отгибаются и прибиваются к ребрам каркаса панели.

В панелях осушающий режим решается конструкцией поперечных ребер, оставляя отверстия между ребрами и теплоизоляцией.

В заводских условиях на панель сверху наклеивается один слой гидроизоляционного рулонного материала для защиты от увлажнения при хранении, транспортировке и монтаже панелей.

 

Расчет верхней обшивки на местный изгиб.(Определение количества продольных ребер).

Верхняя фанерная обшивка при местном изгибе рассматривается как пластинка, загруженная сосредоточенной силой Р = 100 кгс (1кН). Сосредоточенная сила представляет собой монтажную нагрузку от веса человека с инструментом.

В расчетах сосредоточенная нагрузка Р = 100 кгс (1 кН) принимается с коэффициентом надежности по нагрузке 1,2 и распределяется на полосу фанерной обшивки 100 см.

Расчетная схема верхней обшивки представлена на рис. 3.3.

 

 

Рис. 3.3. Расчетная схема верхней фанерной обшивки при действии сосредоточенной монтажной нагрузки Р=1кН. (Вес человека с инструментами).

 

Расчетный изгибающий момент равен

,

где а - расстояние в осях между продольными ребрами.

Таким образом, шаг продольных ребер определяют из условия прочности при изгибе верхней обшивки:

 

, (3.6.)

где W_в.обш= - момент сопротивления обшивки шириной 100 см;

R¹_ф.и - расчетное сопротивление фанеры изгибу поперек шпона;

m_u = 1,2 – коэффициент условия работы, учитывающий монтажную нагрузку.

Решая (3.6.), получим шаг продольных ребер

(3.7.)

Ширину панели делят на равные участки с шагом продольных ребер “а”, не более полученного из расчета по формуле (3.7.).

 

Сбор нагрузок на панель.

Нагрузки, приходящиеся на 1 м² горизонтальной поверхности, оп­ределяют от собственного веса панели и временной (снеговой)нагрузки.

Сбор нагрузок производится согласно СНиП 2.01.07-85. “Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия” и приложению 2 (табл.2) методи­ческих указаний по схеме, приведенной в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Нагрузки, приходящиеся на I м² горизонтальной поверхности, в кН.

Наименование нагрузок	Нормативная	Коэффициент надежности по нагрузке,	Расчет­ная
Кровля		1,2
Продольные ребра		1,1
Обшивки		1,1
Утеплитель		1,2
Итого:
Снег
Всего:		-

 

В приложении 1 к методическим указаниям приведены наиболее распространенные материалы, применяемые в элементах кровли, а также их плотность и коэффициент надежности по нагрузке.

 

Статический расчет

По расчетной схеме панель представляет собой шарнирно - опертую балку, загруженную равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q.

Нагрузка, приходящаяся на 1 метр панели, определяется путем умножения нагрузки, найденной по табл. 3.1 на ширину пане­ли " b ".

Таким образом, нормативная и расчетная нагрузки на 1 м. панели определяются:

q_П ^н = *b, (3.8)

q_П = *b. (3.9)

Расчетная схема панели представлена на рис. 3.4.

 

 

Рис. 3.4. Расчетная схема клеефанерной панели.

 

 

Максимальный изгибающий момент (Мmax) находится в середи­не пролета панели; максимальная поперечная сила (Qmax) находится на опоре.

 

3.5. Определение геометрических характеристик поперечного сечения панели.

 

Фанера и древесина, применяемые в обшивках и ребрах панелей обладают неодинаковыми модулями упругости. Наиболее напряженным материалом в панелях является фанера, расположенная в зоне максимальных нормальных напряжений, возникающих при изгибе панели (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Распределение нормальных напряжений по поперечному сечению клеефанерной панели.

 

Поэтому все геометрические характеристики поперечного сечения панели приводятся к фанере как к наиболее напряженному материалу.

F_пр=F_ф + F_{др ,} (3.10)

где F_ф – площадь сечения сдвигаемой части фанеры относительно центра тяжести панели;

F_др - площадь сечения сдвигаемой части древесины продольных ребер относительно центра тяжести панели;

S_пр=S_ф + S_{др ,} (3.11)

где S_ф – статический момент сдвигаемой части фанеры относительно центра тяжести панели;

S_др - статический момент сдвигаемой части древесины продольных ребер относительно центра тяжести панели

Приведенный момент сопротивления поперечного сечения клееных элементов из фанеры с древесиной следует определять по [1, формула 39]:

, (3.12)

где y _о – расстояние от центра тяжести приведенного сечения до нижней грани обшивки;

y _о = ,

- сумма статических моментов верхней и нижней обшивки, а также продольных ребер относительно нижней грани растянутой обшивки, определяемой по расчетной ширине обшивок “b_расч” и путем приведения к материалу фанеры;

- сумма площадей поперечных сечений обшивок и продольных ребер, определяемых по расчетной ширине обшивок “b_расч” и путем приведения к материалу фанеры;

I _пр – момент инерции сечения, приведенного к фанере [1, формула 39]:

, (3.13)

где I _ф – момент инерции поперечного сечения фанерных обшивок;

I _д – момент инерции поперечного сечения деревянных ребер каркаса;

Е _д / Е _ф – отношение модулей упругости древесины и фанеры [1, п. 3.5 и табл. 11].

Нормальные напряжения при изгибе распределяются неравномерно по ширине обшивки панели. Максимальные напряжения возникают в местах приклейки фанеры к продольным ребрам из-за влияния сдвигающих усилий, возникающих между фанерой и ребрами.

Неравномерность распределения нормальных напряжений по ширине фанерных обшивок учитывается в расчетах введением в геометрические характеристики приведенной ширины “b_расч”, меньшей действительной ширины панели "b" и принимается в зависимости от соотношения длины (l) и шага продольных ребер (а) панели:

b _рас = 0,9 b при l ³ 6 a (3.14)

b _рас = 0,15 b, при l < 6 а (3.15)

Вследствие концентрации нормальных напряжений при изгибе панелей в обшивках (рис.4.2) за расчетные сопротивления принимают в верхней сжатой обшивке R_ф.с и в нижней растянутой обшивке R_ф.р вместо расчетного сопротивления фанеры изгибу R_ф.и.

 

 

Рис. 3.6. Распределение нормальных напряжений при изгибе () по ширине фанерной

обшивки.

Конструктивный расчет.

Расчет на прочность растянутой нижней обшивки.

Прочность растянутой фанерной обшивки плит и панелей следует проверять по [1, формула38]:

, (3.16)

где М – расчетный изгибающий момент;

R _ф.р – расчетное сопротивление фанеры растяжению, принимаемое по [1, таблице 10];

m _ф – коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления в стыках фанерной обшивки, принимаемый равным при усовом соединении или с двусторонними накладками: m _ф = 0,6 для фанеры обычной и m _ф = 0,8 для фанеры бакелизированной. При отсутствии стыков m _ф = 1;

W _пр – момент сопротивления поперечного сечения, приведенного к фанере, который следует определять по формуле [3.12.].

Расчет на устойчивость сжатой верхней обшивки.

Устойчивость сжатой обшивки плит и панелей следует проверять по [1, формула 41]:

, (3.17)

где при ³ 50;

при > 50

(а – расстояние между ребрами в свету; d – толщина фанеры).

, (3.18)

где y^в – расстояние от центра тяжести приведенного сечения до верхней грани обшивки;

R _ф.с – расчетное сопротивление фанеры сжатию, принимаемое по 1, таблице 10;

 

Расчет продольных ребер на скалывание.

Проверку на скалывание ребер каркаса плит и панелей следует производить по [1, формула 42]:

, (3.19)

где Q – расчетная поперечная сила;

S _пр – статический момент сдвигаемой части приведенного сечения относительно нейтральной оси, определяемый по формуле (3.11);

R _ск – расчетное сопротивление скалыванию древесины вдоль волокон, определяемое по 1, табл.3;

b _рас – расчетная ширина сечения, которую следует принимать равной суммарной ширине ребер каркаса.

3.6.4. Расчет на скалывание обшивки по шву в месте примыкания ее к продольным ребрам.

Проверку на скалывание обшивки по шву в месте примыкания ее к ребрам следует производить по [1, формула42]:

, (3.20)

где S _пр= F_общ*(y^в - )– статический момент обшивки относительно нейтральной оси;

F_общ – площадь фанерной обшивки;

b _расч – суммарная ширина приклеиваемой части продольных ребер к обшивке;

 

R _ск.ф – расчетное сопротивление скалыванию фанеры в плоскости листа, определяемое по [1,табл.10];

 

Расчет по деформациям.

Наибольший прогиб клеефанерной панели определяют [I, формула 50]:

, (3.21)

где f _о – прогиб без учета влияния сдвигающих усилий;

(3.22)

l – пролет панели;

k – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения, принимаемый равным 1 для панели постоянного сечения;

с – коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы и принимаемый по [1, табл. 3 прил. 4].

h - полная высота сечения;

q^н - нормативная нагрузка на панель;

Предельное значение относительного прогиба по [1, табл. 16] принимается

.

Примечание. Если принятое сечение панели не удовлетворяет вышеуказанным предельным состояниям, панель необходимо пересчитать, приняв при этом другие (оптимальные) размеры.