СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ
METHOD OF DETERMINATION OF STRUCTURAL PARAMETERS OF COMPOSITE STRUCTURAL PANELS

ПРИОРИТЕТ
Настоящая заявка является частично продолжающей заявкой заявку на патент США 12/544707, поданную 20 августа 2009 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к композиционным строительным панелям. В частности, оно относится к способу определения структурных параметров гипсовых стеновых плит.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Композиционные строительное панели, такие как гипсовые стеновые плиты, хорошо известны в области конструирования внутренних стен и потолков. Некоторыми из основных преимуществ стеновой плиты над другими материалами являются меньшая стоимость, огнестойкость строительных плит, а также легкость в обращении в строительных целях. При монтаже стеновые плиты обычно закрепляют на деревянных или металлических опорах каркасных стен и потолков с использованием крепежных элементов, таких как гвозди или шурупы. Поскольку стеновая плита относительно тяжелая, она должна быть достаточно прочной для предотвращения протаскивания крепежных элементов через стеновую плиту и отхода от или выпадения стеновой плиты из опор.
Протаскивание гвоздя (Nail pull) является промышленным методом измерения количества силы, необходимой для отрыва стеновой плиты от связанной опоры и через шляпку такого крепежного элемента. Предпочтительные значения протаскивания гвоздя для стеновой плиты находятся в приблизительном диапазоне от 65 до 85 фунт-сил. Протаскивание гвоздя представляет собой показатель комбинации прочности среднего слоя стеновой панели, прочности облицовочной бумаги и связи между указанной облицовочной бумагой и указанным средним слоем. Испытания на протаскивание гвоздя проводят в соответствии со стандартом C473-00 Американского общества по испытаниям материалов (ASTM) и применяют машину, которая надавливает на шляпку крепежного элемента, вставленного в указанную стеновую плиту, для определения максимальной нагрузки, необходимой для протаскивания шляпки крепежного элемента через стеновую плиту. Поскольку значение протаскивания гвоздя является важным показателем прочности стеновой панели, для стеновых панелей были установлены минимальные значения протаскивания гвоздя. Соответственно, производители производят стеновые панели, соответствующие или превышающие минимальные требуемые значения протаскивания гвоздя.
Чтобы гарантировать соответствие стеновых панелей требуемым значениям протаскивания гвоздя, обычные производители стеновых плит регулируют структурные параметры стеновых плит. В частности, для приведения в соответствие с требуемыми значениями протаскивания гвоздя производители, как правило, регулируют массу облицовочной бумаги стеновой плиты или массу стеновой плиты, в зависимости от экономического расчета процесса. В ходе производства, стеновую плиту испытывают для определения ее соответствия требуемому значению протаскивания гвоздя. Если тестовое значение протаскивания гвоздя меньше требуемого значения протаскивания гвоздя, производители увеличивают массу облицовочной бумаги на стеновой плите и/или массу стеновой плиты. Этот процесс повторяют до достижения требуемого значения протаскивания гвоздя.
Такой процесс является неточным и обычно приводит к превышению тестовыми значениями протаскивания гвоздя требуемых значений протаскивания гвоздя вследствие добавления стеновой плите лишней массы облицовочной бумаги и/или массы всей плиты. Также лишняя масса облицовочной бумаги и/или среднего слоя утяжеляет стеновую плиту и, таким образом, повышает производственные и транспортные расходы для стеновых плит. Кроме того, на производственной линии стеновых плит существует вероятность потери времени и материала до достижения требуемых значений протаскивания гвоздя.
Таким образом, существует потребность в улучшенной технике регулирования систем производства стеновых плит для получения стеновых плит, соответствующих установленным значениям протаскивания гвоздя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эти и другие проблемы, легко определяемые специалистами в данной области техники, решены посредством способа определения структурных свойств композиционных строительных панелей, таких как стеновая плита.
Настоящий способ разработан для определения структурных параметров гипсовых стеновых плит до производства с целью снижения производственных и транспортных расходов, а также значительного снижения времени производства.
В частности, настоящий способ позволяет определить структурные параметры стеновой плиты и включает обеспечение значения прочности среднего слоя указанной стеновой плиты, определение требуемого значения протаскивания гвоздя и вычисление значения жесткости облицовочной бумаги на основании обеспеченного значения прочности среднего слоя и определенного значения протаскивания гвоздя. Вычисленное значение жесткости облицовочной бумаги выводят на устройство вывода для использования производителем.
Согласно другому варианту реализации, способ получения стеновой плиты включает определение требуемого значения протаскивания гвоздя, обеспечение значения прочности среднего слоя указанной стеновой плиты и определение значения жесткости облицовочной бумаги на основании требуемого значения протаскивания гвоздя и обеспеченного значения прочности среднего слоя. Указанный способ включает определение массы облицовочной бумаги на основании определенного значения жесткости облицовочной бумаги, выбор типа облицовочной бумаги на основании определенной массы облицовочной бумаги и получение стеновой плиты с использованием выбранного типа облицовочной бумаги и обеспеченного значения прочности среднего слоя.
Определение структурных параметров до процесса производства позволяет производителям сэкономить значительные производственные и транспортные расходы благодаря удалению излишней массы облицовочной бумаги или массы стеновой плиты, которая обычно применяется для приведения стеновой плиты в соответствие со значениями протаскивания гвоздя. Кроме того, значительное количество производственного времени экономится благодаря тому, что меньше времени требуется для испытания полученной стеновой плиты для определения композиционной структуры и массы конечного продукта, необходимых для соответствия значениям протаскивания гвоздя. Кроме того, сохраняется структурная целостность и прочность стеновой плиты, а также снижается дополнительная масса и нагрузка, добавляемая лишней облицовочной бумагой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ.1 представляет собой таблицу, иллюстрирующую сравнение измеренных данных по протаскиванию гвоздя и прогнозируемых данных по протаскиванию гвоздя для различных типов стеновых плит с использованием различных значений жесткости облицовочной бумаги с различными массами облицовочной бумаги и областью показателей жесткости на растяжение (TSIA), а также с различными значениями прочности среднего слоя при различных плотностях плиты.
3
ФИГ.2 представляет собой график, иллюстрирующий протаскивание гвоздя как функцию жесткости облицовочной бумаги от различных значений прочности среднего слоя при плотности плиты 37 фунтов/фут.
3
ФИГ.3 представляет собой график, иллюстрирующий протаскивание гвоздя как функцию прочности среднего слоя от различных значений жесткости облицовочной бумаги при плотности плиты 37 фунтов/фут.
3
ФИГ.4 представляет собой график, иллюстрирующий связь межу жесткостью облицовочной бумаги и прочностью среднего слоя при различных требуемых значениях протаскивания гвоздя при плотности плиты 37 фунтов/фут.
3
ФИГ.5 представляет собой график, иллюстрирующий связь межу массой облицовочной бумаги и значениями области показателей жесткости на растяжение, необходимых для достижения требуемого значения протаскивания гвоздя 77 фунт-сил при различных значения прочности среднего слоя при плотности плиты 37 фунтов/фут.
3
ФИГ.6 представляет собой таблицу с некоторыми значениями массы облицовочной бумаги и значениями области показателей жесткости на растяжение (TSIA), необходимыми для достижения требуемого значения протаскивания гвоздя 77 фунт-сил при различных значения прочности среднего слоя при плотности плиты 37 фунтов/фут на основании графика на Фиг.5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Значения протаскивания гвоздя важны для прочности и применимости гипсовой стеновой плиты. Если значение протаскивания гвоздя конкретной стеновой плиты слишком низкое, крепежный элемент, удерживающий указанную стеновую плиту на каркасе или другой опоре, может пройти сквозь стеновую плиту и вызвать трещины, разлом или отрыв стеновой плиты от каркаса или другой опоры. С другой стороны, если значения протаскивания гвоздя слишком высоки (т.е. значительно превышают требуемые значения протаскивания гвоздя), производственные ресурсы для стеновой плиты тратятся неэффективно и в ходе производства деньги тратятся впустую.
Одной из проблем производства гипсовых стеновых плит является точное определение массы облицовочной бумаги, которая коррелирует с требуемым значением протаскивания гвоздя для стеновой плиты, и способа, позволяющего более эффективно использовать производственные и транспортировочные расходы, а также производственное время. Как указано выше, производители стеновых плит проводят испытания стеновых плит с целью определения их соответствия требуемым значением протаскивания гвоздя. Если требуемое значение протаскивания гвоздя не достигнуто, производители обычно увеличивают или массу облицовочной бумаги стеновой плиты и/или массу плиты. Указанные стадии повторяют до достижения требуемого значения протаскивания гвоздя стеновых плит. Это способ не точен и часто приводит к получению стеновой плиты с чрезмерной массой облицовочной бумаги или массой плиты, что таким образом увеличивает производственные и транспортировочные расходы, а также производственное время.
Упомянутая ранее модель протаскивания гвоздя соотносит протаскивание гвоздя гипсовых плит со значением жесткости облицовочной бумаги и значением прочности среднего слоя для небольших гипсовых плит (полудюймовых гипсовых плит). Согласно другому варианту реализации, указанная модель протаскивания гвоздя была расширена до обобщенной модели протаскивания гвоздя, которая соотносит значение протаскивания гвоздя со значением жесткости облицовочной бумаги и значением прочности среднего слоя некоторых различных типов гипсовых плит, включая, но не ограничиваясь ими, полудюймовые гипсовые плиты, гипсовые плиты в три четверти дюйма и легкие гипсовые плиты.
3
В частности, обобщенная модель протаскивания гвоздя, приведенная ниже, соотносит значение протаскивания гвоздя со значением жесткости облицовочной бумаги и значением прочности среднего слоя гипсовых плит, имеющих плотность от 28 до 48 фунтов/фут.
Указанную обобщенную модель протаскивания гвоздя можно использовать для определения значения жесткости облицовочной бумаги стеновой плиты до производства, которая будет соответствовать требуемому значению протаскивания гвоздя. В указанном способе используют Уравнение (1), приведенное ниже, для соотнесения требуемого значения протаскивания гвоздя со значением жесткости облицовочной бумаги и значением прочности среднего слоя стеновой плиты. Уравнение (1) представляет собой следующее:
где b=0.009490606731 и c=0.073937419 представляют собой константы, полученные из данных испытаний, которые лучше всего подходят для показанных данных. Константу "a" определяют на основании следующего Уравнения (2):
где a1=6.7441271, a2=20.870959, a3=43.718215 и
a4=2.1337464, и плотность плиты определяют с помощью:
На Фиг.1 показаны прогнозы значений протаскивания гвоздя из обобщенной модели протаскивания гвоздя по сравнению с измеренным значением протаскиванием гвоздя с использованием различных типов образцов плит с конкретной плотностью плит с различной облицовочной бумагой и прочностью среднего слоя.
В некоторых случаях изменение жесткости облицовочной бумаги экономически более оправдано. До производства уточняют требуемое значение протаскивания гвоздя для стеновой плиты при заданной массе и толщине (т.е. полудюймовой, легкой, пять восьмых дюйма и т.д.). Указанные значения вводят в Уравнение (1), приведенное выше, с получением значения жесткости облицовочной бумаги стеновой плиты. Например, для плотности плиты в 37 фунтов на куб. фут, Уравнение (1) выглядит как:
Протаскивание гвоздя (фунт-сила) = 7.602932+[0.009490606731 × (жесткость облицовочной бумаги (кН/м))]+[0.073937419 × (прочность среднего слоя (фунтов на кв. дюйм))]
Указанное значение жесткости облицовочной бумаги для стеновой плиты, имеющей плотность плиты 37 фунтов на куб. фут, определяют с использованием значения прочности среднего слоя 450 фунтов на квадратный фут (фунтов на кв.дюйм) и требуемого значения протаскивания гвоздя 77 фунт-сил следующим образом:
77 фунт-сил = (7.602932)+[(0.009490606731) × (жесткость облицовочной бумаги (кН/м))]+[(0.073937419)×(450 фунтов на кв. дюйм)]
где значение жесткости облицовочной бумаги = 3805.37 килоНьютонов/метр (кН/м).
Значение жесткости облицовочной бумаги представляет собой результат массы облицовочной бумаги и значения области показателей жесткости на растяжение (TSIA), как показано в следующем уравнении:
С учетом приведенного выше примера масса облицовочной бумаги для приведенной выше стеновой плиты, имеющей значение прочности среднего слоя 450 фунтов на кв. дюйм, требуемого значения протаскивания гвоздя 77 фунт-сил и TSIA 18 килоНьютонов-метр/грамм (кНм/г), является следующей:
2
Масса облицовочной бумаги (г/м) = Жесткость облицовочной бумаги (кН/м)/TSIA (кН/г)
=(3805.37 кН/м)/(18 кН/г)
2
=211.41 грамм/квадратный метр (г/м)
2
=43.3 фунтов/1000 фут
=43.3 фунтов/тысячу кв. футов.

В приведенном выше уравнении значение TSIA является показателем нормализованной жесткости облицовочной бумаги до производства. В частности, ультразвуковая испытательная машина ориентации жесткости на растяжение (TSO) измеряет показатель жесткости на растяжение (TSI) во всех направлениях облицовочной бумаги с определением TSIA. Чем жестче облицовочная бумага, тем больше значения TSIA. Приблизительный диапазон значений TSIA для стеновых плит составляет от 12 до 26 кНм/г.
Значение жесткости облицовочной бумаги и значение TSIA используют для определения массы облицовочной бумаги, необходимой для достижения требуемого значения протаскивания гвоздя для стеновой плиты, обладающей заданным значением прочности среднего слоя при конкретной плотности плиты. Следовательно, расчет для определения указанной массы облицовочной бумаги представляет собой двух стадийный процесс, включающий сначала определение жесткости облицовочной бумаги и затем определение массы облицовочной бумаги для производимой стеновой плиты.
Уравнения (1), (2) и (3) предпочтительно хранят в памяти компьютера, карманного персонального компьютера или другого подходящего устройства. Требуемые значения протаскивания гвоздя, значения прочности среднего слоя и константы также хранят в памяти в базе данных или другом формате данных, доступном для поиска. Память может представлять собой постоянное запоминающее устройство (ROM), запоминающее устройство с произвольным доступом (RAM), постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CD ROM) или любую другую подходящую память или устройство памяти. Пользователь или производитель вводит требуемое значение протаскивания гвоздя и заданное значение прочности среднего слоя для конкретного продукта стеновой плиты в компьютер с помощью клавиатуры или другого подходящего устройства ввода. Альтернативно, требуемое значение протаскивания гвоздя и заданное значение прочности среднего слоя для стеновой плиты можно загрузить и хранить в файле или папке в памяти. Процессор, такой как микропроцессор или центральный процессор (CPU), вычисляет массу облицовочной бумаги для стеновой плиты с помощью Уравнений (1), (2) и (3), введенного значения протаскивания гвоздя и введенного значения прочности среднего слоя. Вычисленная масса облицовочной бумаги или, альтернативно, значение жесткости облицовочной бумаги, показывается пользователю на дисплее, таком как компьютерный экран, монитор или другое подходящее устройство вывода, или печатается с помощью принтера. Пользователь применяет вычисленную массу облицовочной бумаги для подбора облицовочной бумаги или типа облицовочной бумаги, которая будет присоединена к среднему слою в ходе получения стеновой плиты. Облицовочная бумага, выбранная с помощью настоящего способа, как правило, удовлетворяет жесткости облицовочной бумаги и массе, необходимым для достижения требуемого значения протаскивания гвоздя в сравнении с традиционными методиками получения стеновых плит. Кроме того, настоящий способ позволяет снизить общую массу полученной стеновой плиты, что позволяет снизить производственные и транспортные расходы. Настоящий способ также позволяет значительно снизить время производства, связанное с получением стеновой плиты, поскольку больше не требуется промежуточное тестирование стеновой плиты для определения соответствия указанной стеновой плиты требуемым значениям протаскивания гвоздя.
Фиг.1 представляет собой таблицу, иллюстрирующую данные сравнения между измеренными данными по протаскиванию гвоздя и прогнозируемыми данными по протаскиванию гвоздя для различных стеновых плит согласно Уравнению (1). Как показано в таблице прогнозируемые средние данные по протаскиванию гвоздя согласно Уравнению (1) хорошо согласуются с тестовыми или измеренными средними данными по протаскиванию гвоздя. Уравнения (1), (2) и (3) можно также использовать для прогнозирования различных структурных параметров или величин стеновой плиты для улучшения производственного процесса.
3
Для плотности плиты 37 фунтов/фут , из Уравнения (1) данные по протаскиванию гвоздя в Уравнении (1) могут быть выражены в виде линейной функции жесткости облицовочной бумаги от различных значений прочности среднего слоя в диапазоне от 200 фунтов на кв. дюйм до 800 фунтов на кв. дюйм, как показано на Фиг.2. Значение прочности среднего слоя стеновой плиты изменяется в зависимости от типа производимой стеновой плиты. Обычный диапазон значений прочности среднего слоя для стеновой плиты, рассматриваемой на Фиг.1, составляет от 300 до 800 фунтов на кв. дюйм.
Данные по протаскиванию гвоздя можно также наносить на график в виде линейной функции прочности среднего слоя от значений жесткости облицовочной бумаги в диапазоне от 2000 кН/м до 5000 кН/м, как показано на Фиг.3. Предпочтительно, значения жесткости облицовочной бумаги составляют от 3000 до 5000 кН/м для стеновой плиты. Из Фиг.2 и 3 видно, что увеличения либо значения жесткости облицовочной бумаги либо значения прочности среднего слоя стеновой плиты увеличивает значение протаскивания гвоздя.
На Фиг.4 показан график значения жесткости облицовочной бумаги в виде функции значения прочности среднего слоя от множества различных значений протаскивания гвоздя. В частности, линия "A" иллюстрирует взаимосвязь между значениями жесткости облицовочной бумаги и значениями прочности среднего слоя при целевом минимуме значения протаскивания гвоздя в 77 фунт-сил. Кроме того, с помощью Уравнения (2), более высокие значения жесткости облицовочной бумаги могут быть получены либо посредством увеличения массы облицовочной бумаги, либо TSIA.
На Фиг.5 показана взаимосвязь между массой облицовочной бумаги и TSIA, которая соответствует требуемому значению протаскивания гвоздя в 77 фунт-сил. Требования по массе облицовочной бумаги для различных значений TSIA обобщены в таблице на Фиг.6. Следует понимать, что увеличение значения TSIA с 12 до 20 кНм/г снижает требуемую массу облицовочной бумаги в среднем на 40% при прочности среднего слоя 450 фунтов на кв. дюйм, сохраняя требуемое значение протаскивания гвоздя 77 фунт-сил.
Обобщенная модель протаскивания гвоздя позволяет пользователю определить оптимальную массу облицовочной бумаги, которая будет соответствовать заданному значению протаскивания гвоздя при конкретном значении прочности среднего слоя для всех типов стеновых плит, таких как стеновая плита, имеющая следующие составы:
ПРИМЕР A
2
Строительный гипс: 850-950 фунтов на 1000 фут
2
HRA (Термостойкий ускоритель): 12-16 фунтов на 1000 фут
2
Стекловолокно: 0-2 фунтов на 1000 фут
2
Диспергатор (по влажной массе): 0-8 фунтов на 1000 фут
2
Прежелатинизированная кукурузная мука (по сухой массе): 20-40 фунтов на 1000 фут
2
STMP (МСМ) (по сухой массе): 2-3 фунта на 1000 фут
Соотношение вода - Строительный гипс: 0.8-1.1.
ПРИМЕР B
2
Строительный гипс: 1100-1300 фунтов на 1000 фут
2
HRA: 8-11 фунтов на 1000 фут
2
Диспергатор (по влажной массе): 0-8 фунтов на 1000 фут
2
Кислотно-модифицированный крахмал (по сухой массе): 0-5 фунтов на 1000 фут
2
Прежелатинизированная кукурузная мука (по сухой массе): 0-10 фунтов на 1000 фут
2
STMP (МСМ) (по сухой массе): 0.7-1.5 фунта на 1000 фут
Соотношение вода - Строительный гипс: 0.7-0.88.
ПРИМЕР C
2
Строительный гипс: 1800 фунтов на 1000 фут
2
HRA: 5-10 фунтов на 1000 фут
2
Стекловолокно: 4.5-5.3 фунта на 1000 фут
2
Диспергатор (по влажной массе): 0-12 фунтов на 1000 фут
2
Кислотно-модифицированный крахмал (по сухой массе): 4-6 фунтов на 1000 фут
2
Прежелатинизированная кукурузная мука (по сухой массе): 0-2 фунтов на 1000 фут
2
STMP (МСМ) (по сухой массе): 0-0.7 фунта на 1000 фут
Соотношение вода - Строительный гипс: 0.63-0.75.
Приведенные выше варианты реализации настоящего способа позволяют производителям стеновых плит до производства определить важные параметры и свойства стеновых плит, такие как масса облицовочной бумаги, необходимая для достижения требуемого значения протаскивания гвоздя. Получение указанных значений до производства помогает значительно сократить время производства, а также производственные расходы и транспортные расходы. Настоящий способ также позволяет производителям сохранить структурную целостность и эксплуатационные характеристики стеновой плиты без увеличения массы облицовочной бумаги или общей массы стеновой плиты.
Хотя были показаны и описаны несколько конкретных вариантов реализации настоящего способа, специалистам в данной области техники будет понятно, что в него могут быть внесены изменения и модификации без выхода за рамки изобретения в наиболее широких аспектах и в том виде, в котором оно заявлено в следующей формуле изобретения.