Трехслойная ресурсосберегающая железобетонная панель
THREE-LAYER RESOURCE-SAVING REINFORCED CONCRETE PANEL

Трехслойная ресурсосберегающая железобетонная панель
Изобретение относится к строительству, в частности к ограждающим конструкциям промышленных зданий.
Известна трехслойная железобетонная панель (см. патент РФ №2398078 МПК Е04С 2/06, опубл.27.08.2010), включающая теплоизоляционный слой, наружный и внутренний железобетонные слои, связанные между собой жесткими связями, выполненными в виде армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, и армированные бетонные ребра, размещенные по периметру панели, дополнительно снабжена, по меньшей мере, двумя армированными бетонными шпонками, которые размещены на противоположных торцах панели, а армированные бетонные ребра в сечении, параллельном  слоям панели, имеют площадь, определяемую из соотношения площади панели, толщины ее среднего слоя, коэффициентов теплопроводности материалов ребер, слоев панели, арматуры и утеплителя, а также требуемого сопротивления теплопередачи. При этом коэффициент теплопроводности материала бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, в 2,5-3 раза превышает коэффициент теплопроводности материала армированных бетонных шпонок, размещенных на противоположных торцах панели.
Недостатком являются потери тепла через теплоизоляционный слой при суточном изменении температуры воздуха окружающей среды, особенно при ее отрицательных значениях и наличии солнечной радиации.
Известна трехслойная ресурсосберегающая железобетонная панель (см. патент РФ №2558874, МПК Е 04С2/06, опубл. 10.08.2015, бюл.№22), включающая теплоизоляционный слой, наружный и внутренний железобетонные слои, связанные между собой жесткими связями, выполненные в виде армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, и армированные бетонные ребра, размещенные по периметру панели, дополнительно снабжена, по меньшей мере, двумя армированными бетонными шпонками, которые размещены на противоположных торцах панели, а армированные бетонные ребра в сечении, параллельном слоям панели, имеют площадь, определяемую из соотношения площади панели, толщины ее среднего слоя, коэффициентов теплопроводности материалов ребер, слоев панели, арматуры и утеплителя, а также требуемого сопротивления теплопередачи, при этом коэффициент теплопроводности материала армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, в 2,5-3 раза превышает коэффициент теплопроводности материала армированных бетонных шпонок, размещенных на противоположных торцах панели, причем теплоизоляционный слой выполнен из тонковолокнистого материала и расположен в виде витых продольно вытянутых по длине панели пучков.
Недостатком является снижение эксплуатационной надежности при изменяющихся погодно-климатических условиях и особенно в совокупности с вибрационными воздействиями, обусловленных спецификой эксплуатации производственных помещений, например пульсирующие нагрузки на грунт (перемещающийся транспорт, прессы, станки, расположенные в здании), когда сейсмические волны беспрепятственно перемещаются, наряду с температурными напряжениями от одного торца армированной бетонной шпонки, проходящей через изоляционный слой к противоположному торцу, что способствует разрушению ни только самой шпонки, но и панели в целом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных параметров надежной эксплуатации трехслойной энергосберегающей железобетонной панели при изменяющихся погодно-климатических и вибрационных воздействиях за счет снижения концентрационного перемещения продольных температурных напряжений и сейсмических волн путем выполнения на внешней поверхности армированных бетонных шпонок, проходящих через изоляционный слой, криволинейных канавок количеством не менее двух в виде продольно вытянутых синусоид, которые в местах наибольшего сближения между собой, создают узлы, способствующие образованию поперечных стоячих волн, приводящих к частичному как смещению вибрационного воздействия, так и перемещению температурных напряжений в панелях.
Технический результат по поддержанию надежностных параметров при длительной эксплуатации  в условиях погодно-климатических и вибрационных воздействиях достигается тем, что трехслойная ресурсосберегающая железобетонная панель включает теплоизоляционный слой, наружный и внутренний железобетонные слои, связанные между собой жесткими связями, выполненные в виде армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, и армированные бетонные ребра, размещенные по периметру панели, дополнительно снабжена, по меньшей мере, двумя армированными бетонными шпонками, которые размещены на противоположных торцах панели, а армированные бетонные ребра в сечении, параллельном слоям панели, имеют площадь, определяемую из соотношения площади панели, толщины ее среднего слоя, коэффициентов теплопроводности материалов ребер, слоев панели, арматуры и утеплителя, а также требуемого сопротивления теплопередачи, при этом коэффициент теплопроводности материала армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, в 2,5-3 раза превышает коэффициент теплопроводности материала армированных бетонных шпонок, размещенных на противоположных торцах панели, причем теплоизоляционный слой выполнен из тонковолокнистого материала и расположен в виде витых продольно вытянутых по длине панели пучков, при этом  на внешней стороне армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, выполнены количеством не менее двух и/или попарно криволинейные канавки в виде синусоид, продольно вытянутых от одного торца к противоположному, причем участки наибольшего сближения попарно расположенных криволинейных канавок составляют узлы, вызывающие образование поперечных стоячих волн.
На фиг. 1 изображен общий вид трехслойной железобетонной панели с частичными разрезами, на фиг. 2 - распределение температурных и тепловых полей в зонах контакта шпонок как в торце панели, так и в теплоизоляционном слое панели, на фиг.3 - внешняя поверхность армированной бетонной шпонки с парой криволинейных канавок в виде синусоид и узлами, вызывающими образование поперечных стоячих волн.
Трехслойная железобетонная панель включает наружный 1 и внутренний 2 железобетонные слои и средний теплоизоляционный слой 3. Наружный 1 и внутренний 2 железобетонные слои связаны жесткими связями, выполненными в виде армированных бетонных шпонок 4, проходящих через теплоизоляционный слой 3, и армированных бетонных шпонок 5, которые размещены на противоположных торцах панели. Общее количество армированных бетонных шпонок 4 и 5 определяют расчетным путем, при этом количество шпонок 5 должно быть не менее двух. Наружный 1 и внутренний 2 железобетонные слои также связаны армированными бетонными ребрами 6, которые имеют площадь, определяемую из соотношения площади панели, толщины ее среднего слоя, коэффициентов теплопроводности материалов ребер, слоев панели, арматуры и утеплителя, а также требуемого сопротивления теплопередачи. Ребра 6 размещены по всему периметру панели и герметизируют пространство между слоями 1 и 2, тем самым обеспечивая защиту теплоизоляционного слоя 3 от механических повреждений и атмосферного воздействия во время хранения, транспортировки и монтажа панели. При этом материал армированных бетонных шпонок 4, проходящих через теплоизоляционный слой 3, имеет коэффициент теплопроводности, в 2,5-3 раза превышающий коэффициент теплопроводности армированных бетонных шпонок 5, размещенных на противоположных торцах панели. Теплоизоляционный слой 3 выполнен из тонковолокнистого базальтового материала 7 и расположен в виде витых продольно вытянутых по длине панели пучков 8. На внешней стороне 9 армированной бетонной шпонки 4, проходящей через теплоизоляционный слой 3, выполнены количеством не менее двух криволинейные канавки  10 в виде синусоид, продольно вытянутых от одного торца 11 к противоположному торцу 12. Участки наибольшего сближения попарно расположенных криволинейных канавок 10 составляют узлы 13, вызывающие образование стоячих волн 14.
Поддержание надежностных свойств предлагаемой трехслойной ресурсосберегающей железобетонной панели в условиях эксплуатации при изменяющихся погодно-климатических и вибрационных воздействиях проявляются следующим образом.
Жесткая связь наружного 1 и внутреннего 2 железобетонных слоев армированными бетонными  шпонками 4, проходящими через теплоизоляционный слой 3 , приводит к тому, что наружная среда является переменной величиной по теплообменным свойствам. При этом в области контакта армированной бетонной шпонки 4 с наружным 1 и внутренним 2 железобетонными слоями теплота, передаваемая теплопроводностью (коэффициент теплопроводности железобетона λ=1,69 Вт/(м⋅K)), имеет значение  значительно ниже чем в области контакта армированной бетонной шпонки 4 с теплозащитным слоем 3, выполненного из тонковолокнистого материала (коэффициент теплопроводности λ=0,04÷0,072 Вт/(м⋅K)). В результате на границах перехода наружного железобетонного слоя 1 и теплоизоляционного слоя 3, а также на границе перехода теплоизоляционного слоя 3 и внутреннего 2 железобетонного слоя возникают из-за нестационарной теплопроводности термоупругие напряжения (см., например, стр.136. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. М.: Энергия; 1971-384 с., ил.). Термоупругие напряжения, перемещаясь от одного торца 11 к другому  торцу 12, приводят к расслоению компонентов входящих как в армированную бетонную шпонку 4, так и в зоне контакта в трехслойную ресурсосберегающую железобетонную панель.
Если одновременно с термоупругими напряжениями на трехслойную ресурсосберегающую железобетонную панель воздействуют вибрационные нагрузки, то сейсмические волны, перемещаясь вдоль длины армированной бетонной шпонки 4, дополнительно усиливают термоупругие напряжения, что приводит к интенсификации разрушения панели в целом. Расположение криволинейных канавок 10 на внешней поверхности 9 армированной бетонной шпонки 4 в виде продольно вытянутых синусоид приводит к наличию участков 13 наибольшего их сближения для попарно находящихся рядом полостей 15 с концентрированными сейсмическими волнами 16, т.е. создаются узлы 17, вызывающие образование стоячих волн 18 (см., например, Ландау Л.О., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, 1986, 836 с., ил.), перпендикулярно распространяющихся с одинаковой частотой под действием вибрации.
В результате того что на пути продольно перемещающихся сейсмических волн 16 от одного торца 11 к другому торцу 12 по внешней поверхности 9 армированной бетонной шпонки 4 находятся узлы 13, способствующие образованию стоячих поперечных волн 18, наблюдается практически полное гашение вибрационного воздействия и частичное гашение термоупругих напряжений, следовательно, устраняется расслоение компонентов элемента строительной конструкции в виде как армированной бетонной шпонки 4 , так и в целом трехслойной ресурсосберегающей железобетонной панели.
Ресурсосберегающие свойства предлагаемой железобетонной панели по изобретению в условиях эксплуатации при изменяющихся температурных воздействиях окружающей среды проявляются следующим образом.
Воздействие суточных изменений температуры воздуха окружающей здание среды приводит к циклическому воздействию тепловых потоков от наружного 1 и внутреннего 2 слоев к теплоизоляционному слою 3, при этом теплоизоляционный слой 3, выполняя основную функцию устранения прохождения теплового потока, препятствует передаче тепла как от внутреннего 2 слоя к наружному 1 слою, так и, наоборот, включая наличие более высокой температуры, например, под воздействием солнечной радиации, поверхности наружного слоя 1 по сравнению с внутренней поверхностью внутреннего слоя 2 слоя отапливаемого помещения при отрицательных температурах воздуха окружающей среды. Следовательно, энергоемкость отапливаемого здания обусловлена максимально необходимыми ресурсозатратами на высокотемпературный энергоноситель системы отопления, поддерживающий расчетные параметры микроклимата в помещении по условию тепловых потерь через наружные ограждения - трехслойные железобетонные панели (см., например, СНиП 2.04.05-91 Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат, 1997).
Для снижения ресурсозатрат на производство, транспортировку и потребление высокотемпературного (90-150°С) теплоносителя, используемого в системе отопления здания (см., например, СНиП 2.04.07-86 Тепловые сети. М.: Стройиздат, 1987 (с изм. от 21.04.94 г.)), теплоизоляционный слой 3 выполнен из тонковолокнистого базальтового материала 7, расположенного в виде витых продольно вытянутых по длине панели пучков 8. Тогда в светлое время суток при наличии солнечной радиации с отрицательными температурами воздуха окружающей среды поверхность наружного 1 слоя теплопроводностью передает тепло тонковолокнистому базальтовому материалу 7 теплоизоляционного слоя 3, а в связи с тем что тонковолокнистый базальтовый материал 7 расположен в виде витых продольно вытянутых по длине панели пучков 8, наблюдается аккумулирование тепловой энергии по толщине теплоизоляционного слоя 3 (см., например, волокнистые материалы из базальтов. Украина, изд. «Техника» Киев, 1971-76 с ил.).
При отсутствии солнечной радиации и/или в темное время суток саккумулированная в теплоизоляционном слое 3 теплота переходит через внутренний 2 слой в отапливаемое помещение, поддерживая параметры микроклимата в нем, что позволяет снизить расход высокотемпературного теплоносителя системы отопления.
В дневное время суток при отопительном периоде эксплуатации здания тепловая энергия от теплообменного аппарата, преимущественно расположенного у наружного ограждения, например, из трехслойных железобетонных панелей наряду с прогревом внутреннего воздуха теплопроводностью передается внутреннему слою 2 и далее теплоизоляционному слою 3, где аккумулируется на витых продольно вытянутых пучках 8 тонковолокнистого базальтового материала 7, практически устраняя поступление теплового потока в наружный слой 1.
Накопленная путем аккумулирования в теплоизоляционном слое 3 тепловая энергия в наступающее ночное время суток, когда допускается уменьшение нормированной температуры внутреннего воздуха за счет снижения расхода высокотемпературного теплоносителя системы отопления, особенно в офисах и производственных зданиях из-за сокращения наличия людей или их полного отсутствия, теплопроводностью передается через внутренний слой 2 в помещение. В результате обеспечивается ресурсосберегающая эксплуатация здания. Следовательно, выполнение теплоизоляционного слоя 2 из тонковолокнистого базальтового материала 7 в виде витых продольно вытянутых пучков 8 обеспечивает не только защиту от тепловых потерь, но и поддержание нормированного температурного режима в здании за счет отдачи тепла, которое было аккумулировано и в последующем передано внутреннему воздуху отапливаемого помещения.
При отрицательных температурах окружающей среды армированные бетонные ребра определенной толщины представляют собой дополнительные «мостики холода», а устранение данного явления путем уменьшения толщин армированных бетонных ребер по периметру панели (по прототипу), конечно, снижает теплопотери. Но не всегда оправдано по прочности параметрам конструкции.
рас
Выполнение армированных бетонных шпонок, размещенных на противоположных торцах панели из материала с коэффициентом теплопроводности, в 2,5-3 раза меньшим, чем коэффициент теплопроводности материала армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, приводит к местному перераспределению температурных и тепловых полей в местах контакта бетонных шпонок с основным материалом трехслойной панели. Температурное поле внешней окружающей среды с минусовой температурой воздействует на армированную бетонную шпонку на торце панели и температурное поле внутренней с минусовой температурой окружающей среды (например, расположение панели как перекрытия здания) с градиентом температур различной (до трехкратной) интенсивности, обусловленной теплопроводностью соответствующих материалов. В результате в месте контакта (фиг. 1) для торца панели, где возможно появление «мостиков холода», образуется температурно-тепловой пограничный слой (см., например, стр.68-77. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981, 416 с., ил.), обусловленный встречным направлением градиентов температур (grad t) внешней окружающей среды и теплового потока рассеивания (g), определяющих тепловые потери панели от внутренней окружающей среды, например тепла помещения при использовании панели в качестве перекрытия здания. При этом толщина температурно-теплового пограничного слоя увеличивается при периодическом в течение суток разном изменении температуры воздуха окружающей среды от минусовых до нулевых и даже плюсовых. В то же время в месте контакта армированных бетонных шпонок, проходящих через теплоизоляционный слой, также образуется температурно-тепловой пограничный слой, обеспечивающий рассеивание теплового потока, определяющего тепловые потери как по внешнему и внутреннему железобетонному слою, так и теплоизоляционному слою, но со значением температурных градиентов, трехкратно меньшим, чем для наружных условий.
В результате наличия местных зон (армирование бетонных шпонок на торцах панели и в теплоизоляционном слое) перераспределение температурных и тепловых полей обеспечивает повышение теплотехнических свойств трехслойной  ресурсосберегающей железобетонной панели в целом.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение на внешней стороне армированной бетонной шпонки криволинейных канавок количеством не менее двух и/или попарно расположенных в виде продольно вытянутых синусоид обеспечивает поддержание нормированных прочностных параметров трехслойной ресурсосберегающей железобетонной панели при длительной эксплуатации в изменяющихся погодно-климатических условиях и вибрационных воздействиях за счет создания участков наибольшего сближения продольно перемещающихся термоупругих напряжений и сейсмических волн, в которых образуются узлы, вызывающие появление стоячих волн, их гасящие.