Трехслойный изгибаемый элемент

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при создании перекрытий и покрытий гражданских и промышленных зданий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является трехслойный изгибаемый элемент [1] в виде плиты или балки, включающий верхний и нижний несущие слои и скрепленный с ними средний слой из арболита.
При работе элемента на изгиб верхний и нижний несущие слои, выполняемые согласно [1] из бетона, воспринимают нормальные напряжения, а средний слой обеспечивает совместность работы несущих слоев и работает в основном на сдвиг. Данная конструкция обладает достаточной прочностью и жесткостью для восприятия изгибающих моментов от эксплуатационных нагрузок в составе перекрытий и покрытий, однако бетонные несущие слои имеют большую плотность и существенно утяжеляют элемент, при этом бетонный слой, воспринимающий растягивающие напряжения должен иметь продольное армирование (поскольку бетон плохо работает на растяжение), что усложняет и удорожает конструкцию. Также бетон обладает высоким коэффициентом теплопроводности, что ухудшает теплоизолирующие свойства рассматриваемой конструкции, которая может применяться в покрытиях и полах, контактирующих с окружающим холодным воздухом.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении веса трехслойного изгибаемого элемента, улучшении его теплоизолирующих характеристик, упрощении его конструкции из-за отсутствия необходимости обязательного армирования растянутого несущего слоя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в трехслойном изгибаемом элементе в виде плиты или балки, включающего верхний и нижний несущие слои и скрепленный с ними средний слой из арболита, согласно полезной модели, несущие слои выполнены из клееной древесины.
3
3
Снижение веса трехслойного изгибаемого элемента достигается за счет выполнения несущих слоев из клееной древесины, имеющей низкую плотность (500…700 кг/м) по сравнению с бетоном (2200…2500 кг/м) при сопоставимой прочности при сжатии и жесткости. Так, согласно [2] расчетное сопротивление сжатию тяжелого бетона класса по прочности В20 составляет 11,5 МПа, а согласно [3] расчетное сопротивление при сжатии вдоль волокон сосновой древесины I-го сорта с учетом коэффициента длительности составляет от 21⋅0,53=11,13 до 24⋅0,53=12,72 МПа. Модуль упругости бетона класса В20 с учетом продолжительного действия нагрузки [2] составит 27500 МПа / (1+2,8)=7236 МПа, модуль упругости древесины с учетом длительного действия нагрузки составит [3] 10000 МПа⋅0,75=7500 МПа. Таким образом, при замене материала несущих слоев с бетона на клееную древесину для обеспечения аналогичной прочности и жесткости трехслойного элемента толщина несущих слоев существенно не изменится, при этом вес их снизится в 3,5…5 раз.
Улучшение теплоизолирующих характеристик является важным в случае применения в конструкциях покрытий или полов, контактирующих с окружающим холодным воздухом, и достигается за счет того, что коэффициент теплопроводности древесины поперек волокон в 6,5 раз ниже, чем у бетона.
Упрощение конструкции из-за отсутствия необходимости обязательного армирования растянутого несущего слоя достигается благодаря высокой прочности клееной древесины на растяжение по сравнению с бетоном. Так, согласно [2] расчетное сопротивление растяжению тяжелого бетона класса по прочности В20 составляет 0,9 МПа, а согласно [3] расчетное сопротивление при растяжении вдоль волокон клееной сосновой древесины I-го сорта с учетом коэффициента длительности составляет 18⋅0,53 = 9,54 МПа (что более, чем в 10 раз превышает прочность на растяжение бетона). Таким образом, растягивающие напряжения в несущем слое будут восприниматься непосредственно клееной древесиной без необходимости устройства дополнительного продольного армирования, что снизит трудоемкость изготовления и стоимость элемента.
Древесина обладает высокой огнестойкостью (значительно более высокой, чем у металла, а в некоторых случаях и чем у бетона), снижение горючести достигается предварительной пропиткой несущих слоев антипиренами, арболит относится к трудногорючим материалам, поэтому заявляемый трехслойный изгибаемый элемент будет соответствовать требованиям пожарной безопасности.
На фиг. 1 показано продольное сечение трехслойного изгибаемого элемента, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А трехслойного изгибаемого элемента, выполненного в виде плиты, на фиг. 3 - поперечное сечение А-А трехслойного изгибаемого элемента, выполненного в виде балки.
Трехслойный изгибаемый элемент (фиг. 1, 2, 3) состоит из несущих слоев 1 и 2, и среднего, скрепленного с ними, слоя 3. При схеме нагружения распределенной нагрузкой 5 (см. фиг.1, 2, 3), несущий слой 1 является сжатым, несущий слой 2 - растянутым. Несущие слои 1 и 2 выполнены из клееной древесины и соединены с арболитовым средним слоем 3 при помощи клеевых швов 4. Несущие слои 1 и 2 в заявляемом элементе при его исполнении в виде балки выполняются из клееного бруса, а при его исполнении в виде плиты из клееных древесных щитов либо из клееных древесных панелей типа CLT [4]. Такой состав заявляемого элемента обеспечивает простоту его изготовления за счет отсутствия необходимости армирования растянутого несущего слоя 2, высокие теплоизолирующие характеристики за счет низкого коэффициента теплопроводности несущих слоев 1 и 2, малый вес, за счет низкой плотности несущих слоев 1 и 2 в сочетании с их высокими прочностными и жесткостными характеристиками.
Трехслойный изгибаемый элемент работает следующим образом.
При изгибе заявляемого элемента по схеме, показанной на фиг. 1, 2, 3, несущий слой 1 воспринимает сжимающие нормальные напряжения, а несущий слой 2 - растягивающие, при этом благодаря высокой прочности на растяжение ему не требуется дополнительное продольное армирование, малый вес при высоких прочностных и жесткостных характеристиках позволит воспринимать значительные эксплуатационные нагрузки и перекрывать большие пролеты. Совместность работы несущих слоев 1 и 2 обеспечивается работой на сдвиг среднего арболитового слоя 3, соединенного с ними при помощи клеевых швов 4. Соответствие требованиям пожарной безопасности обеспечивается высокой огнестойкостью древесины, из которой выполняются несущие слои 1 и 2, ее предварительной пропиткой антипиренами и тем, что арболит среднего слоя 3 относится к трудногорючим материалам.
По сравнению с прототипом заявляемый трехслойный изгибаемый элемент обладает меньшим весом за счет облегчения в 3…5 раз несущих слоев 1 и 2, более простой конструкцией за счет отсутствия необходимости армирования растянутого несущего слоя 2, улучшенными теплоизоляционными характеристиками за счет низкого коэффициента теплопроводности несущих слоев 1 и 2.
Заявляемый трехслойный изгибаемый элемент может быть выполнен в виде плиты или балки.
3
2
Пример использования. Предлагаемая полезная модель может быть применена в качестве панели межэтажного перекрытия или покрытия. Панель имеет пролет 6 м, ширину 1 м и состоит из несущих верхнего и нижнего слоев 1 и 2 толщиной по 20 мм каждый и выполненных из клееной древесины (например, из щитов или панелей типа CLT). Несущие слои выполнены из клееной древесины I-го сорта с расчетным сопротивлением на сжатие 11,13 МПа, на растяжение 9,54 МПа и модулем упругости 7500 МПа (характеристики приняты с учетом длительного действия нагрузки). Между несущими слоями 1, 2 располагается средний арболитовый слой 3 толщиной 300 мм, скрепленный с ними при помощи клеевых швов 4. Средний слой 3 изготавливается из теплоизоляционного арболита класса B 0,75 плотностью 400 кг/м с модулем упругости 300 МПа, модулем сдвига 120 МПа. Арболитовый средний слой 3 склеивается с несущими слоями, при этом для склеивания может использоваться то же самое прессовочное оборудование, что используется для изготовления клееных панелей CLT. Расчет методом конечных элементов плиты перекрытия на действие ее собственного веса и равномерно распределенной нагрузки интенсивностью 800 кг/м (на такое значение рассчитаны железобетонные многопустотные плиты с предварительно напряженной арматурой) показал, что прогиб панели составит 21 мм при предельно допустимом прогибе на пролете 6 м 30 мм. Максимальные растягивающие и сжимающие напряжения составят 6,8 МПа, что не превышает длительную прочность на растяжение 9,54 МПа. Таким образом, прочность и жесткость панели будет обеспечена с запасом, и она может быть применена в конструкциях перекрытий и покрытий гражданских или промышленных зданий.
Заявка подготовлена в рамках проекта FENU-2020-0019 (2020073ГЗ).
Источники информации
1. Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита / Госстрой СССР, М.: Стройиздат, 1983. - 47 с.
2. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.
3. СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Многослойные_клеёные_деревянные_панели