Пример 4. Светопроницаемая трехслойная стеновая панель для общественного здания [1968 Иванов А.М., Алгазинов К.Я., Мартинец Д.В., Мартемьянов В.И. - Строительные конструкции с применением пластмасс]

Задание. Запроектировать светопроницаемую панель размерами 118×298 см с опиранием по контуру для плавательного бассейна. Каркас здания — железобетонный. Здание отапливаемое. Район строительства — Ростов-на-Дону.

Выбор материалов и конструкции. В качестве светопроницаемого пластмассового материала выбираем полиэфирный стеклопластик с соотношением стекловолокна к смоле 20: 80.

Для получения необходимого сопротивления теплопередаче панель конструируем трехслойной (рис. 35); обшивки плоские из листового стеклопластика толщиной 1,5 мм, обрамление из сосновых антисептированных брусков 2,5×5 см. В качестве среднего слоя используем кольцевые отрезки труб диаметром 29 см из полиэфирного стеклопластика, получаемых путем намотки на дорн стекловолокна под углом 45° [1].

Применение колец обеспечивает устойчивость и жесткость тонких листов обшивки и самого среднего слоя. Поскольку на пути светового потока находятся только два тонких листа обшивок, светопроницаемость конструкции очень велика. Замкнутые воздушные объемы, создаваемые кольцами, обеспечивают хорошую теплоизоляцию.

Для изготовления панели предусматривается склеивание обшивок с обрамлением и с кольцами с помощью полиэфирного клея. По контуру панель оклеивается алюминиевой фольгой.

Нагрузки. Нормативный скоростной ветровой напор для района Ростов-на-Дону согласно СНиП П-А. 11—62, табл. 7 q₀ = 30 кГ/м².

Рис. 35. Светопроницаемая трехслойная стеновая панель из стеклопластика с плоскими обшивками и средним слоем из колец (ПС-К): 1 - обшивка из плоского стеклопластика; 2 - кольцо из стеклопластика; 3 - обрамление из древесины; 4 - деревянные подкладки на клею; 5 - алюминиевая фольга

Продолжительность разового непрерывного действия ветровой нагрузки принимаем равной 3 суткам.

Определение прогиба и несущей способности панели при изгибе. Расчетной схемой панели является ребристая плита, свободно опертая по контуру, что обеспечивается соответствующим креплением панели к железобетонному каркасу здания. При соотношении сторон плиты 118:298 = 0,4 влияние изгиба в направлении большого пролета незначительно, поэтому расчет производим по схеме свободно опертой плиты шириной 100 см с пролетом 115 см (рис. 36).

Проверка прогиба панели. Прогиб вычисляем по формуле (16).

Момент инерции поперечного сечения определяем при учете только обшивок. Коэффициент неравномерности k распределения нормальных напряжений изгиба по ширине расчетной полосы, при относительно малом диаметре колец, может быть принят равным единице

Модуль деформаций полиэфирного стеклопластика с учетом продолжительности действия ветровой нагрузки, оцениваемой временным коэффициентом n_вр = 0,94 (рис. 96), и с учетом эксплуатации в атмосферных условиях Ростовской области, относящейся к южным районам (табл. 6), равен

Прогиб меньше допускаемого (см. приложение 4).

Проверка прочности панели. 1) По нормальным напряжениям. Расчет производим в предположении, что средний слой нормальных напряжений не воспринимает

где h - расстояние до крайнего волокна обшивки от нейтральной оси.

Расчетное сопротивление изгибу полиэфирного стеклопластика с учетом продолжительности действия ветровой нагрузки в 3 суток, оцениваемой коэффициентом длительного сопротивления k_дс = 0,6 (рис. 96), с учетом атмосферных условий южных районов (табл, 6) равно

Расчетное сопротивление во много раз превосходит напряжение от действующей ветровой нагрузки.

Рис. 36. Расчетные схемы трехслойной панели ПС-К: а - расчетная схема и сечение панели; б - расчетная схема при местном изгибе обшивки; в - расчетная схема для проверки местной устойчивости обшивки

2) По напряжениям сдвига. Проверяем наиболее опасное место- сопряжение колец с обшивками, осуществляемое склеиванием полиэфирным клеем. Рассматриваем полосу шириной 100 см. Поперечная сила на опоре

Рис. 37. Схема расположения колец среднего слоя и деталь сопряжения колец: 1 - плоский лист стеклопластика: 2 - кольцо из стеклопластика; 3 - обрамление из древесины; 4 - деревянная подкладка; 5 - алюминиевая фольга толщиной 50÷100 микрон

Статический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси

Ширина клеевого шва между обшивками и кольцами зависит от числа колец и их размещения. В местах сопряжения колец между собой по образующим колец снимается фаска толщиной 0,5 мм. Наружный габарит кольца +, при толщине стенки 3 мм и внутреннем диаметре 290 мм составит при этом

Для удобства конструирования из геометрических соображений находим модуль размещения колец М (рис. 37)

В направлении длинной стороны панели В укладывается n₂ + 1 колец. При этом

Число n₂ = 6 определилось подбором из соображения наибольшего приближения к заданному размеру панели. При длине ее 298 см разницу в 298-279=19 см погашаем за счет толщины обрамления 2×4,5 = 9 см и деревянных прокладок 2×5= 10 см. Таким образом, вдоль панели размещается 6+1=7 колец.

В поперечном направлении А аналогичным образом находим

Разница между заданной шириной панели и размером А: 118-112,7 = 5,3 см погашается за счет толщины продольных обрамляющих ребер 2,65×2 = 5,3 см. В поперечном размере панели разместилось n₁+1=2+1=3 кольца.

Всего в панели размещается 3×7 + 2×6 = 33 кольца, а на 1 м длины панели 33 : 3 = 11 колец. В расчетной полосе шириной 1 м в сечении близ опоры имеется в среднем 100:41,6 = 2,4 кольца с толщиной стенок t = 0,3 см.

Ширину клеевого шва принимаем равной сумме толщин стенок колец

Полиэфирный клей на срез имеет расчетное сопротивление (табл. 23, 24, рис. 115) при учете повышения в летнее время температуры до 80° аналогично эпоксидному клею

Расчет обшивки панели на местный изгиб. 1) Проверка прогиба. Обшивку рассматриваем в этом случае как круглую плиту, защемленную по контуру при радиусе r = 14,5 см и загруженную по всей площади равномерно распределенной нагрузкой (рис. 36,6).

Относительный прогиб обшивки при ее местном изгибе меньше допускаемого (см. приложение 4)

2) Проверка устойчивости обшивки. Для определения критической нагрузки на сжатую обшивку воспользуемся с некоторой погрешностью формулой для защемленной по всему контуру квадратной плиты, сжатой в одном направлении (рис. 36, в) [6]

Сжимающее усилие, действующее на единицу ширины обшивки при изгибе панели

Таким образом, решающим условием для панели является местная устойчивость обшивки. Толщина обшивок может быть уменьшена при условии, что диаметр колец среднего слоя будет соответственно меньшим.

Рис. 38. Светопроницаемая трехслойная стеновая панель из стеклопластика размером 300×100×5,5 см с плоскими обшивками и средним слоем из колец (ПС-К)

Заключение. На рис. 38 представлена фотография панели рассмотренного типа ПС-К, изготовленная из материалов Северо-Донецкого завода стеклопластиков. На рис. 39 показан светопроницаемый элемент. Расположение колец среднего слоя может быть различным. Диаметры колец предлагается принимать в пределах 15-40 см при толщине стенки кольца 3-5 мм.

Панели ПС-К чрезвычайно легки, их вес составляет 8-12 кг/м², а приведенная толщина материалов 5-8 мм.

Рис. 39. Светопроницаемый трехслойный элемент из стеклопластика размером 100×70×5,5 см с плоскими обшивками и средним слоем из колец