Клеефанерные панели покрытия

1. Конструирование и расчет клеефанерных панелей покрытия

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

Трехслойные панели могут быть разделены на четыре конструктивных типа:

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 0,8аL, где, а — шаг продольных ребер, см; L — расчетный пролет панели, см.

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

3. 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 теплои звукоизоляции.

4. 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.

2. 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 24 454– — 86, ГОСТ 8486– — 86.

В зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации влажность древесины составляет 9…15%.

Фанера.

Наружная и внутренняя обшивка панелей выполняются из строительной 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 725×1220, 725×1625 мм, 1625×1220 мм, 1525×1525 мм, 1825×1220 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.

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.

Наиболее распространенными водостойкими клеями являются: алкилрезорциновые ФР-100; фенолоформальдегидные КБ-З, ДФК-IАМ, БфЖ-З01б, СФХ; феноло-резорциновые ФРФ-5О; 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.

3. Расчет 3-хслойной клеефанерной панели

3.1 Конструирование панели

Конструктивное решение: трехслойная клеефанерная панель покрытия коробчатой формы. Принимаем длину и ширину панели 4,0×1,45 м. Каркас панели — древесина (сосна II сорта); обшивка — плоские листы фанера ФБС. Принимаем для верхней и нижней обшивки семислойную фанеру из лиственницы толщиной д = 8 мм.

Ширину панелей по верхней и нижней поверхностям принимаем равной 1440 мм, что обеспечивает зазор между панелями 10 мм.

В продольном направлении длина панели принимается 3980 мм при зазоре между панелями 20 мм.

Влажность внутреннего воздуха: 75%

Влажностный режим помещения: влажный.

Зона влажности: 3-сухая.

Снеговой район: II.

Температурно-влажностные условия эксплуатации конструкций: А2.

Расчетные сопротивления семислойной фанеры:

R_фс = 280 кгс/см² — расчетное сопротивление сжатию в плоскости листа.

R_фp = 320 кгс/см² — расчетное сопротивление растяжению в плоскости листа.

R_фи = 330 кгс/см² — расчетное сопротивление изгибу из плоскости листа.

R_фи90 = 250 кгс/см² — расчетное сопротивление изгибу из плоскости листа (поперек волокон наружных слоев).

Е_ф90 = 60 000 кгс/см² — модуль упругости, поперек волокон наружных слоев.

3.2 Теплотехнический расчет

Плита покрытия между слоем утеплителя и верхней обшивкой имеет пространство, вентилируемое наружным воздухом, поэтому в расчете учитываем только нижнюю фанерную обшивку и слой утеплителя.

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим и комфортным условиям:

где n = 1 — коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху (СНиП II-3−79*);

Дt^н =0,8 (t_в — t_р) — нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции;

t_р — температура точки росы.

Находим температуру точки росы. Степень насыщения воздуха влагой определяют его относительной влажностью W:

где е — действительная упругость водяного пара в воздухе;

Е = 16,27 мм. рт. ст (при t_в = 18^оС) — упругость водяного пара в воздухе;

W = 75%;

t_р = 13,5 ^оС.

Дt^н =0,8 (18 — 13,5) = 3,6 ^оС;

а_в = 8,7 Вт/м²· ^оС — коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающих конструкций.

Найдем требуемое сопротивление теплопредаче ограждающих конструкций по условиям энергосбережения. Градусосутки отопительного периода:

ГСОП = (t_в — t_от.пер.) z_от.пер. = (18 + 0,2) 175 = 3185,

где t_от.пер. = - 0,2 ^оС — средняя температура отопительного периода;

z_от.пер. = 175 сут. — продолжительность периода со средней суточной температурой водуха ниже или равной 8 ^оС.

Приведенное сопротивление теплопередаче для покрытий:

R₀^тр = 1,637 м²· ^оС /Вт.

Сравним два значения R₀^тр, выберем наибольшее и подставим в формулу.

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R₀ не должно превышать требуемого значения:

где a_n = 23 Вт/м²· ^оС — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции;

R_к — термическое сопротивление ограждающей конструкции:

Термическое сопротивление R_к определяем как для многослойной конструкции:

R_к = R₁ +R₂,

где R₁ и R₂ — термическое сопротивление слоев ограждающей конструкции.

где д₁ = 0,008 м — толщина нижней обшивки плиты покрытия;

л₁ = 0,18 Вт/м· ^оС — коэффициент теплопроводности нижней обшивки плиты.

где д₂ — толщина слоя утеплителя;

л₂ = 0,052 Вт/м· ^оС — коэффициент теплопроводности утеплителя (маты минераловатные прошивные ГОСТ 21 880–76).

Найдем толщину слоя утеплителя:

Толщину утеплителя принимаем равной 70 мм.

Толщину ребра панели принимаем 4 см, ширину доски ребра с учетом острожки 11,4 см. Отсюда высота панели 13 см.

Построим график распределения температуры в ограждающей конструкции:

3.3 Расчет верхней обшивки на местный изгиб

Расчетная нагрузка — сосредоточенная монтажная нагрузка Р = 100 кгс (1кН). Стыки листов вдоль обшивки устраиваются «на ус». При длине стыка l_ус = 10д_ф ослабление фанеры стыком учитывается коэффициентом m_ф = 0,6.

Расстояние, а между ребрами определим исходя из расчетного сопротивления фанеры изгибу поперек волокон для настилов при действии монтажной нагрузки:

где = 250 кгс/см² — расчетное сопротивление фанеры изгибу поперек шпона; m_u = 1,2 — коэффициент условия работы, учитывающий монтажную нагрузку. Шаг продольных ребер, а принимаем равным 430 мм.

3.4 Сбор нагрузок на панель

Таблица 1

3.5 Определение внутренних усилий

Нагрузки, действующие на панель без учёта наклона панели:

q^р = g^р * B = 153,3 кгс/м² * 1,45 м = 222,3 кгс/м

q^н = g^н * B = 114 кгс/м² * 1,45 м = 165,3 кгс/м

3.6 Определение приведённых геометрических характеристик

При определении приведённых моментов инерции и приведённых моментов сопротивления расчётную ширину обшивок следует принимать равной

b_расч = 0,9 b

где b = 144,0 см — полная ширина сечения плиты;

1 = 4,0 м — пролёт плиты;

а = 43 см — расстояние между продольными рёбрами.

b_расч = 0,9 · 144 = 129,6 см Приведённая к фанере верхней обшивки площадь сечения панели:

где — толщина верхней обшивки;

— толщина нижней обшивки;

Е_ф = 90 000 кгс/см² — модуль упругости фанеры;

Е_др = 100 000 кгс/см² — модуль упругости древесины;

с_о = 11,4 см — высота ребра панели с учётом острожки;

Приведённый статический момент сечения относительно нижней плоскости:

3.7 Проверка нижней обшивки на растяжение при изгибе

где ;

m_ф = 0,6 — коэффициент, учитывающий снижение расчётного сопротивления в стыках фанерной обшивки;

m_в = 1 — коэффициент для условий эксплуатации А2;

коэффициент надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности;

М = 44 460 кгс · см

3.8 Проверка верхней обшивки на сжатие и устойчивость при изгибе

где ;

m_в = 1 — коэффициент для условий эксплуатации А2;

коэффициент надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности;

М = 44 460 кг · см

— при — при

3.9 Проверка клеевых соединений фанеры на скалывание

где — расчётное сопротивление скалыванию фанеры вдоль волокон наружных слоёв;

m_в = 1 — коэффициент для условий эксплуатации А2;

коэффициент надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности;

Q = 444,6 кгс

— расчётная ширина сечения (суммарной ширине ребер).

3.10 Проверка рёбер на скалывание

где — расчётное сопротивление скалыванию древесины вдоль волокон;

m_в = 1 — коэффициент для условий эксплуатации А2;

коэффициент надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности;

Q = 444,6 кгс

3.11 Поверка прогиба панели

где — предельный прогиб

— относительный прогиб: — условие выполняется.

3.12 Конструкция стыков панели

При неравномерно приложенной нагрузке может произойти смещение продольных стыков панели относительно друг друга. Для предотвращения повреждения рулонного ковра продольные кромки стыкуются в четверть и сшиваются гвоздями.

Разрыв рулонного ковра может произойти и над стыками панелей в местах их опирания на главные несущие конструкции. Над опорой происходит поворот кромок панелей и раскрытие шва.

где h_оп — высота панели на опоре;

ц — угол поворота опорной грани панели;

Для предупреждения разрыва рулонного ковра опорные стыки панелей необходимо устраивать с компенсаторами в виде отрезков стеклопластиковых волнистых листов толщиной 5 мм при волне 50×167 мм. Отрезки прибиваются гвоздями к опорным вкладышам и сверху покрываются рулонным ковром.

Такие компенсаторы создают каналы, необходимые для вентиляции внутреннего пространства покрытия.

Компенсатор, работая в пределах упругости материала, должен допускать перемещение опорных частей панели, связанные с поворотом торцевых кромок панелей и раскрытием швов.

Произведем расчет компенсатора при а_шв = 0,143 см.

Перемещение конца компенсатора при изгибе панели:

В этой формуле P· r — изгибающий момент в компенсаторе при его деформировании, который выражается через напряжение:

r = 5 см — высота волны;

R_ст = 150 кгс/см² — расчетное сопротивление стеклопластика.

Условие прочности и жесткости панели выполняется. Запас по деформациям составляет 150%. В целях экономного расхода материала панели можно уменьшить высоту сечения деревянных дощатых продольных ребер.

4. Расчет двойного дощатого настила

4.1 Сбор нагрузок

клеефанерный настил покрытие панель Таблица 2

4.2 Определение расчетных усилий и геометрических характеристик сечения

Шаг прогонов 1,5 принимаем из рекомендаций: [0,75 — 1,5] м Расчет ведем на нормальную составляющую нагрузки при б = 20є.

Рабочий настил рассчитывается на следующие сочетания нагрузок:

а) постоянная + временная от снега (расчет на прочность и прогиб).

б) постоянная + временная монтажная (расчет только на прочность).

Для варианта а) Расчетное значение нормальной составляющей для полосы 1 м условно вырезанной вдоль ската:

g_(а)^р = (g^p + s) соs б · 1 м = (28,47 + 120) соs20є = 139,6 кг/м М_{а (мах)} = g_(а)^р · l² / 8 = 139,6· (1,5)²/8 = 39,3 кг· м = 3930 кг· см Для варианта б) Расчетное значение нормальной составляющей для полосы 1 м условно вырезанной вдоль ската:

g_(б)^р = g · соs б· 1 м = 28,47· соs20є = 26,76 кг/м М_{б (мах)} = 0,07· g_(б)^р·l² + 0,21· Р_р·l = 0,07· 26,76 · (1,5)² + 0,21· 120·1,5 = 4061 кг· см Так как М_а < М_б ведем расчет для М_мах = 4061 кг · см (из варианта б).

Проверки прогиба. Величина нормативной нагрузки:

g_(б)^н = (g^н + s^н) соs б · 1 м = (25,4 + 70) соs20є = 89,7 кг/м Определим геометрические характеристики сечения рабочего настила толщиной 2,5 см.

где b = 100· 0,5, где коэффициент 0,5 учитывает перераспределение нагрузки, благодаря наличию сплошного защитного настила.

4.3 Проверка прочности и жесткости принятой конструкции настила

Проверку прочности (I группа предельных состояний) осуществляем согласно формуле:

где — для лиственницы II сорта.

Условие прочности выполнено.

4.4 Проверка прогиба

Для двухпролетной балочной схемы величина относительного прогиба определяется по формуле:

где ;

Принятая конструкция удовлетворяет требованиям II-ой группы предельных состояний.

1. СНиП 11−25−80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции. М.: Стройиздат. — 65 с.

2. Зубарев Г. Н. Конструкции из дерева и пластмасс. — М.: Высш. Школа, 2008. — 302 с., ил.

3. Шишкин. В. Е. Деревянные конструкции. — М.: Стройиздат, 2005. — 354 с.

4. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП 11−25−80). М.: Стройиздат, 1986.-216 с.

5. СНиП 2.01.07−85*. Нагрузки и воздействия.

6. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс». Разработал: Политов С. И., Курбатова Е. Г. ПГТУ.