СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПОЗИТНЫХ СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЕЙ
METHOD TO DETERMINE STRUCTURAL PARAMETERS OF COMPOSITE WALL PANELS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к композитным стеновым панелям. В частности, оно относится к способу определения конструктивных параметров гипсовой стеновой плиты.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Композитные стеновые панели, такие как гипсовая стеновая плита, часто применяются в жилищном строительстве в качестве внутренних стен и потолков. Некоторые из основных преимуществ стеновой плиты над другими материалами заключаются в том, что стеновая плита является менее дорогостоящей, антипиреном и легкой в обращении при применении в строительстве. В строительстве стеновая плита обычно крепится к деревянным или металлическим опорам каркасных стен и потолков крепежными деталями, такими как гвозди или винты. Поскольку стеновая плита является относительно тяжелой, она должна быть достаточно прочной, чтобы предотвратить вытягивание крепежных деталей через стеновую плиту, приводящее к тому, что стеновая плита ослабляется или отпадает от опор.
Сопротивление протягиванию гвоздей - это используемый в отрасли показатель количества силы, необходимой для того, чтобы оторвать стеновую плиту от соответствующей опоры и через головку этой крепежной детали. Предпочтительные значения сопротивления протягиванию гвоздей для стеновой плиты находятся в приблизительных пределах 65-85 фунтов-сил. Сопротивление протягиванию гвоздей - это показатель сочетания прочности сердцевины стеновой плиты, прочности бумажной облицовки и сцепления между бумажной облицовкой и сердцевиной. Испытания на протягивание гвоздей выполняют в соответствии со стандартом С473-00 Американского общества по испытанию материалов (ASTM) и используют машину, которая протягивает головку крепежной детали, вставленной в стеновую плиту, для определения максимальной силы, необходимой для протягивания головки крепежной детали через стеновую плиту. Поскольку значение сопротивления протягиванию гвоздей является важным показателем прочности стеновой плиты, для стеновой плиты установлены минимальные требуемые значения сопротивления протягиванию гвоздей. Соответственно, предприятия-изготовители выпускают стеновую плиту, которая имеет минимальные требуемые или более высокие значения сопротивления протягиванию гвоздей.
Для обеспечения того, чтобы стеновая плита имела минимальные требуемые значения сопротивления протягиванию гвоздей, предприятия-изготовители обычных стеновых плит подбирают конструктивные параметры стеновой плиты. В частности, предприятия-изготовители обычно регулируют массу бумажной облицовки стеновой плиты, имеющей известное значение прочности сердцевины, чтобы обеспечить требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей. При изготовлении стеновую плиту испытывают, чтобы определить, имеет ли она требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей. Если определенное при испытании значение сопротивления протягиванию гвоздей стеновой плиты меньше, чем требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей, предприятия-изготовители увеличивают массу бумажной облицовки на стеновой плите. Этот процесс повторяют до тех пор, пока не получат требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей.
Такой процесс неточен и обычно приводит к тому, что определенные при испытании значения сопротивления протягиванию гвоздей превышают требуемые значения сопротивления протягиванию гвоздей из-за избыточной массы бумажной облицовки, добавленной на стеновую плиту. Кроме того, избыточная масса бумажной облицовки придает массу стеновой плите и тем самым повышает стоимость производства и затраты на транспортировку стеновой плиты. Кроме того, есть вероятность непроизводительной растраты времени и материала до достижения требуемых значений сопротивления протягиванию гвоздей на линии по производству стеновых плит.
Таким образом, есть необходимость в усовершенствованном способе регулирования систем по производству стеновых плит, чтобы получать стеновую плиту, имеющую оговоренные значения сопротивления протягиванию гвоздей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эти и другие задачи, понятные специалистам, решаются предлагаемым способом определения конструктивных свойств композитных стеновых панелей, таких как стеновая плита.
Предлагаемый способ предназначен для определения конструктивных параметров гипсовой стеновой плиты до начала процесса изготовления с целью уменьшить стоимость производства и затраты на транспортировку, а также значительно сократить время изготовления.
В частности, по предлагаемому способу определяют конструктивные параметры стеновой плиты, и он включает стадию, на которой берут значение жесткости сердцевины стеновой плиты, стадию, на которой определяют требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей, и стадию, на которой рассчитывают значение жесткости бумажной облицовки, исходя из взятого значения жесткости сердцевины и определенного значения сопротивления протягиванию гвоздей. Рассчитанное значение жесткости бумажной облицовки отображают на устройстве отображения для использования изготовителем.
В другом варианте осуществления способ изготовления стеновой плиты включает стадию, на которой определяют требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей, стадию, на которой берут значение жесткости сердцевины стеновой плиты, и стадию, на которой определяют значение жесткости бумажной облицовки, исходя из требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей и взятого значения жесткости сердцевины. Способ включает стадию, на которой определяют массу бумажной облицовки, исходя из определенного значения жесткости бумажной облицовки, стадию, на которой выбирают тип бумажной облицовки, исходя из определенной массы бумажной облицовки, стадию, на которой изготавливают стеновую плиту, используя выбранный тип бумажной облицовки и взятое значение жесткости сердцевины.
Определение конструктивных параметров до начала процесса изготовления позволяет предприятиям-изготовителям добиваться значительного снижения стоимости производства и расходов на транспортировку благодаря исключению избыточной массы бумажной облицовки, которая обычно добавляется в стеновую плиту, чтобы получить требуемые значения сопротивления протягиванию гвоздей. Кроме того, значительно сокращается время на изготовление, поскольку требуется меньше времени на испытание готовой стеновой плиты, чтобы определить массу бумажной облицовки, необходимой для получения требуемых значений сопротивления протягиванию гвоздей. Кроме того, сохраняются конструктивная целостность и прочность стеновой плиты, даже притом, что уменьшились дополнительная масса и напряжение, вносимые избыточной бумажной облицовкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ.1 представляет собой таблицу, иллюстрирующую сравнение измеренных данных сопротивления протягиванию гвоздей и расчетных данных сопротивления протягиванию гвоздей для одних и тех же типов стеновой плиты, в которых использованы разные бумажные облицовки.
ФИГ.2 представляет собой график, иллюстрирующий сопротивление протягиванию гвоздей как функцию жесткости бумажной облицовки при разных значениях жесткости сердцевины.
ФИГ.3 представляет собой график, иллюстрирующий сопротивление протягиванию гвоздей как функцию жесткости сердцевины при разных значениях жесткости бумажной облицовки.
ФИГ.4 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость между жесткостью бумажной облицовки и жесткостью сердцевины при разных требуемых значениях сопротивления протягиванию гвоздей.
ФИГ.5 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость между массой бумажной облицовки и значениями площади индекса временного сопротивления разрыву (TSIA), необходимыми для достижения требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил при разных значениях жесткости сердцевины.
ФИГ.6 представляет собой таблицу, в которой приведены некоторые значения массы бумажной облицовки и значения площади индекса временного сопротивления разрыву (TSIA), необходимые для достижения требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил при разных значениях жесткости сердцевины, составленную по графику на фиг. 5.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Значения сопротивления протягиванию гвоздей являются критическими для прочности и пригодности гипсовой стеновой плиты. Если значение сопротивления протягиванию гвоздей для конкретной стеновой плиты слишком низко, крепежная деталь, удерживающая стеновую плиту на каркасе или иной опоре, может продернуться сквозь стеновую плиту и привести к тому, что стеновая плита растрескается, разломается или отпадет от каркаса или опоры. Альтернативно, если значения сопротивления протягиванию гвоздей слишком высоки (т.е., значительно превышают требуемые значения сопротивления протягиванию гвоздей), это означает, что ресурсы на производство стеновой плиты используются неэффективно, и при изготовлении напрасно расходуются деньги.
Одна из задач при изготовлении гипсовой стеновой плиты - как точно определить массу бумажной облицовки, коррелирующую с требуемым значением сопротивления протягиванию гвоздей для стеновой плиты, и как уменьшить стоимость производства и затраты на транспортировку, а также сократить время на изготовление. Как уже отмечалось, предприятия-изготовители стеновых плит проводят испытания на стеновой плите, чтобы определить, имеет ли она требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей. Если нет, предприятия-изготовители обычно увеличивают массу бумажной облицовки стеновой плиты. Эти операции повторяют, пока не будет достигнуто требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей стеновой плиты. Этот процесс неточен и часто приводит к тому, что стеновая плита имеет излишнюю бумажную облицовку, что увеличивает общую массу стеновой плиты и тем самым повышает стоимость производства и затраты на транспортировку стеновой плиты, а также время на изготовление.
В соответствии с предлагаемым способом до начала процесса изготовления определяют массу бумажной облицовки или - альтернативно - значение жесткости бумажной облицовки для стеновой плиты, которая или которое соответствует требуемому значению сопротивления протягиванию гвоздей. В соответствии с предлагаемым способом используют следующую формулу, которая коррелирует требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей со значением жесткости бумажной облицовки и значением жесткости сердцевины стеновой плиты. Эта формула выглядит следующим образом:
где а=4,2126759, b=0,009490606731, с=0,092421774 - постоянные, определенные по данным испытаний, наиболее соответствующие данным, показанным на фиг. 1.
До начала процесса изготовления определяют значение жесткости сердцевины стеновой плиты и стеновой плиты, подлежащей изготовлению (т.е., четверть дюйма, полдюйма и т.д.), определяют требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей. Эти значения подставляют в вышеприведенную формулу (1), чтобы определить значение жесткости бумажной облицовки стеновой плиты. Например, значение жесткости бумажной облицовки для стеновой плиты, имеющей значение жесткости сердцевины 400 фунтов-сил/кв. дюйм и требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил, определяют следующим образом:
77 (фунт-сила) = (4,2126759 (фунт-сила) + [(0,009490606731 (фунт-сила/(кН/м)) × (жесткость бумажной облицовки (кН/м))] + [(0,092421774 (фунт-сила/(фунт-сила/кв. дюйм)) × (400 фунты-сила/кв. дюйм)],
где значение жесткости бумажной облицовки=3774 килоньютонов/метр (кН/м).
Значение жесткости бумажной облицовки - это произведение массы бумажной облицовки и значения площади индекса временного сопротивления разрыву (TSIA), как показано в следующей формуле:
В вышеприведенном примере масса бумажной облицовки для вышеуказанной стеновой плиты, имеющей значение жесткости сердцевины 400 фунтов-сил/кв. дюйм, требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил и TSIA 26 килоньютонов на метр/грамм (кНм/г), равна:
2
Масса бумажной облицовки (г/м) = Жесткость бумажной облицовки (кH/м)/TSIA (кНм/г)
=(3774 кН/м)/(26 кНм/г)
2
=145,15 грамм/метр квадратный (г/м)

В вышеприведенной формуле значение TSIA - это результат измерения нормализованной жесткости бумажной облицовки во всех направлениях на стеновой плите. В частности, для определения TSIA ультразвуковым тестером ориентации жесткости при растяжении (TSO) измеряют индекс жесткости при растяжении (TSI) во всех направлениях на стеновой плите. Чем жестче бумажная облицовка, тем больше значения TSIA. Приблизительный диапазон значений TSIA для стеновой плиты - 12-20 кНм/г.
Значение жесткости бумажной облицовки и значение TSIA используют для определения массы бумажной облицовки, необходимой для достижения требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей для стеновой плиты, имеющей указанное значение жесткости сердцевины. Таким образом, расчет для определения массы бумажной облицовки - это двухступенчатый процесс, в котором вначале определяют жесткость бумажной облицовки, а затем массу бумажной облицовки для стеновой плиты, подлежащей изготовлению.
Формулы (1) и (2) предпочтительно хранят в памяти компьютера, персонального цифрового ассистента или иного подходящего устройства. Требуемые значения сопротивления протягиванию гвоздей, значения жесткости сердцевины и постоянные также хранят в памяти в базе данных или в иной форме данных, доступной для поиска. Память может представлять собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CD ROM) или любую иную подходящую память или запоминающее устройство. Пользователь или изготовитель вводит требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей и указанное значение жесткости сердцевины для стеновой плиты в компьютер с помощью клавиатуры или иного подходящего устройства ввода. Альтернативно, требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей и указанное значение жесткости сердцевины для стеновой плиты могут загружать и хранить в файле или папке в памяти. С помощью процессора, такого как микропроцессор или центральный процессор (ЦП), рассчитывают массу бумажной облицовки для стеновой плиты, используя формулы (1) и (2), введенное значение сопротивления протягиванию гвоздей и введенное значение жесткости сердцевины. Рассчитанную массу бумажной облицовки или, альтернативно, значение жесткости бумажной облицовки отображают пользователю на устройстве отображения, таком как экран компьютера, монитор или иное подходящее устройство вывода, или распечатывают на принтере. Пользователь использует рассчитанную массу бумажной облицовки, чтобы выбрать бумажную облицовку или тип бумажной облицовки для приклеивания к сердцевине при изготовлении стеновой плиты. Бумажная облицовка, выбранная по предлагаемому способу, обычно уменьшает жесткость и массу бумажной облицовки, необходимые для достижения требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей, по сравнению с обычными способами производства стеновых плит. Кроме того, предлагаемый способ позволяет уменьшить общую массу готовой стеновой плиты, что снижает стоимость производства и расходы на транспортировку. Кроме того, предлагаемый способ позволяет значительно сократить время на изготовление стеновой плиты, поскольку больше нет необходимости в промежуточном испытании стеновой плиты для определения, имеет ли стеновая плита требуемое значения сопротивления протягиванию гвоздей.
На фиг.1 приведена таблица, которая иллюстрирует сравнение измеренных данных сопротивления протягиванию гвоздей и расчетных данных сопротивления протягиванию гвоздей для разных стеновых плит (образцы №№1-11), полученных по формуле (1). Как показано в этой таблице, расчетные средние данные сопротивления протягиванию гвоздей, полученные по формуле (1), хорошо коррелируют с испытанными или измеренными данными сопротивления протягиванию гвоздей стеновой плиты. Например, среднее испытанное или измеренное значение сопротивления протягиванию гвоздей для образца №4 было 83 по сравнению с расчетным значением сопротивления протягиванию гвоздей 82 по формуле (1). Подобным образом, испытанные или измеренные средние значения сопротивления протягиванию гвоздей для образца №5, образца №6 и образца №11 также отличались на единицу по сравнению с соответствующим средним расчетным значением сопротивления протягиванию гвоздей по формуле (1) (например, 82,81; 80,79; 81,80). Кроме того, расчетные значения сопротивления протягиванию гвоздей для образца №8 и образца №10 стеновой плиты были точно такими же, как и соответствующие испытанные или измеренные значения сопротивления протягиванию гвоздей (например, 80,80 и 77,77). Таким образом, предлагаемый способ позволяет рассчитывать значения сопротивления протягиванию гвоздей для стеновой плиты с высокой степенью точности.
Формулы (1) и (2) могут использоваться и для расчета разных конструктивных параметров или значений стеновой плиты, чтобы усовершенствовать производственный процесс.
Например, из формулы (1) данные сопротивления протягиванию гвоздей можно выразить линейной функцией жесткости бумажной облицовки при разных значениях жесткости сердцевины в пределах от 100 фунтов-сил/кв. дюйм до 700 фунтов-сил/кв. дюйм, как показано на фиг.2. Значение жесткости сердцевины стеновой плиты варьирует в зависимости от типа изготавливаемой стеновой плиты. Типичный диапазон значений жесткости сердцевины для стеновой плиты, рассмотренной на фиг.1, - 400-500 фунтов-сил/кв. дюйм.
Данные сопротивления протягиванию гвоздей можно также показать на графике как линейную функцию жесткости сердцевины при значениях жесткости бумажной облицовки в пределах от 1000 кН/м до 6000 кН/м, как показано на фиг.3. Предпочтительно, значения жесткости бумажной облицовки находятся в пределах от 2500 до 4000 кН/м для стеновой плиты. Как видно на фиг.2 и 3, увеличение либо значения жесткости бумажной облицовки, либо значения жесткости сердцевины стеновой плиты приводит к увеличению значения сопротивления протягиванию гвоздей.
Фиг.4 представляет собой график значения жесткости бумажной облицовки как функции значения жесткости сердцевины при различных значениях сопротивления протягиванию гвоздей. В частности, линией "А" иллюстрируется зависимость между значениями жесткости бумажной облицовки и значениями жесткости сердцевины при целевом минимальном значении сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил. Отношение эмпирических постоянных с/b (=9,74) в формуле (1) представляет изменение значений жесткости бумажной облицовки относительно изменения значений жесткости сердцевины. Для того чтобы поддерживать требуемое значение сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил, уменьшение (или увеличение) на 100 фунтов-сил/кв. дюйм значений жесткости сердцевины соответствует увеличению (или уменьшению) на 974 кН/м значений жесткости бумажной облицовки. Кроме того, исходя из формулы (2), более высокое значение жесткости бумажной облицовки можно получить путем увеличения либо массы бумажной облицовки, либо TSIA.
Фиг.5 иллюстрирует зависимость между массой бумажной облицовки и TSIA, необходимыми для достижения требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил. Требуемые массы бумажной облицовки для разных значений TSIA подытожены в таблице 6, приведенной на фиг.6. Обратите внимание, что увеличение значения TSIA с 14 до 19,5 кНм/г приводит к уменьшению требуемой массы бумажной облицовки в среднем на 28% при сохранении требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей 77 фунтов-сил.
Предлагаемый способ позволяет предприятиям-изготовителям стеновых плит до начала процесса изготовления определять важные параметры и свойства стеновой плиты, такие как масса бумажной облицовки, необходимые для достижения требуемого значения сопротивления протягиванию гвоздей. Получение этих параметров до начала процесса изготовления помогает значительно сократить время на изготовление, а также снизить стоимость производства и расходы на транспортировку. Кроме того, предлагаемый способ позволяет предприятиям-изготовителям поддерживать конструктивную целостность и характеристики стеновой плиты без увеличения массы бумажной облицовки на стеновой плите.
Хотя показаны и описаны несколько конкретных вариантов осуществления предлагаемого способа, специалистам ясно, что возможны его изменения в пределах объема изобретения в его более широких аспектах и изложенного в последующей формуле изобретения.