CC BY
146
М.А. Демьяненко, П.В. Стратий
6. Мальцев М.С., Терпугов В.Н. Моделирование стеклопакета с вакуумом//Высокопроизводительные вычисления на графических процессорах. 2012. С. 52-53
7. Королев Д. Ю., Семенов В. Современные методы повышения тепловой защиты зданий // Молодой ученый. — 2010. — №3. — С. 26-29. — URL https://moluch.ru/archive/14/1280/ (дата обращения: 16.01.2018).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Клыков И.А., Стратий П.В. Лабораторные испытания по определению сопротивления теплопередаче образца вакуумного стеклопакета. — Системные технологии. — 2018. — № 26. — С. 162—168.
LABORATORY TESTS FOR THE DETERMINATION OF RESISTANCE OF THERMAL TRANSMISSION OF A SAMPLE OF A VACUUM GLASS PACK
Klykov I.A., Stratiy P.V.
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «National Research Moscow State University of Civil Engineering»
Abstract Keywords:
The article is a continuation of the article «Theoretical researches of the heat energy efficiency, heat engineering, heat
technical properties of vacuum glass package», in which an assumption was losses, translucent structures, energy-
made about the achievable value of heat transfer resistance of a vacuum efficient glazing, vacuum glazing,
insulating glass unit. This article is completely devoted to the description of an resistance to heat transfer
experimental study conducted to verify theoretical data Date of receipt in edition: 13.01.18
Date of acceptance for printing: 15.01.18
УДК 691
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТЕКЛА Демьяненко М.А., Стратий П.В.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация Ключевые слова:
Данная статья посвящена решению проблем проектирования несущих Несущие конструкции из стекла.
конструкций из стекла. Рассмотрены вопросы, касающиеся работы Коэффициент интенсивности
материала на растяжение. Предложена методика проектирования напряжений. Болтовые соединения в
и расчета несущих элементов из стекла и рассмотрены проблемы, стекле
связанные с расположением и относительными размерами отверстий История статьи:
в болтовых соединениях. Проведены испытания реального образца, Дата поступления в редакцию 19.01.18
применена предложенная теория расчета. Дата принятия к печати 21.01.18
В настоящее время применение стекла в строительстве набирает свои обороты. Среди всех прочих вариантов его использования, стекло может брать на себя роль материала для несущих конструкций здания или сооружения в таких элементах как балки или колонны. С точки зрения инженера такое применение ставит целый ряд проблем, которые должны быть решены, прежде чем допускать такие конструкции к применению.
Первый вопрос, который встаёт перед проектировщиком: как рассчитать конструкцию, если на данный момент изучено недостаточно как материал для несущих конструкций? Применимы ли методы расчета, например, металла к стеклу? Ведь на первый взгляд эти материалы очень схожи: оба являются изотропными, оба имеют схожую диаграмму работы 0-е (касается стали высокой прочности, поз. 3, рис.1, а), характер разрушения стали высокой прочности и стекла также идентичен: он имеет хрупкий характер.
сталь
Рис. 1. Диаграммы работы материалов
К стеклу может быть применим метод максимальных нормальных напряжений, который применяется для стали, но с некоторыми дополнениями. Величина предела упругости для стали — известное значение, повторяющееся в экспериментах очень часто. В случае стекла величина разрушающих напряжений от эксперимента к эксперименту имеет значительный разброс [7], который обусловлен влиянием температуры и влажности окружающей среды при эксплуатации и изготовлении и неточностями производства. Напряжение, при котором происходит разрушение, может показаться случайной величиной.
Прочностные характеристики стекла могут быть определены при рассмотрении микротрещин, которые всегда присутствуют на поверхности материала. Так как любая трещина представляет собой концентратор напряжений (рис. 2), то существует какое-то предельное значение напряжений, при котором происходит разрушение материала [3].
В соответствии с теорией механики разрушения материал разрушается, когда коэффициент интенсивности напряжений К: на вершине трещины достигает своего предельного значения К . Также существует зависимость между коэффициентом интенсивности напряжения и напряжениями, возникающими в сечении:
К=0*У*, (1)
где 0 — напряжение в сечении; а — размер трещины; У = 0,75, поправочная функция; К — коэффициент интенсивности напряжений, для различных видов стекла колеблется от 0,35 до 1 МПа. В итоге расчет элемента сводится к проверке условия (2) на вершине трещины.
К,<К,с (2)
Но следует также учитывать, что при выполнении (2) материал не разрушится мгновенно, т.к. стеклу свойственно снижение прочностных характеристик со временем (рис. 3).
Рис. 2. Иллюстрация концентрации напряжений у вершины трещины
М.А. Демьяненко, П.В. Стратий
Т.е. когда стекло с уже существующей трещин ой (трещины присутствуют всегда) подвергается нагружению, которое вызывает К:<К1С, трещины начинают расти. Условие (2) является необходимым, но недостаточным. Предполагается, что конструкции будут работать десятки лет, поэтому проектирование следует осуществлять таким образом, чтобы скорость роста трещин, а, следовательно, и снижения несущей способности, была минимально возможной.
В соответствии с рис. 3 (определён экспериментально) существует такое пороговое значение (для стекла К =0.2 МПа [1]), при котором трещины не будуо расти. Важно заметите, что если при экшл°атации фаетический К превышает пороговый, то трещина начинает расти, таким образем безвозвратно уменьшая максимально возможную нагрузку без образования трещин, что и объясняет изменение несущей способности материалу при долговременном нагружении.
Суммируя все вышесказанное, расчет структурного стеклянного элементе должен проводиться исходя из наихудших уоловий, т.е. необходимо «помещать» микротргщину в самые нагруженные места элемента, такие как кромки элемента, отверстия, места с максимальными нормальными напряжениями.
Уравнениа (1) содержит в себе неизвестную о (ночальный размер ауещины), котоеся может быть найдена путём преобразования зависимости (1), заменой K на K и добавления коэффициентов, учитывающих вероятностную составляющую [1, прил. А].
log К,
Рис. 3. Зависимость скорости роста трещин отКИ1]
а = (■
Kic \2*r к*А\— 0 (--)™
(3)
где Р — желаемая вероятность «выживания» конструкции (в строительстве принимается 0,95), — площадь загружения, ки т — переменные распределения Вейбулла, определяются эмпирическим путём проведения серии идентичных экспериментов. (Стоит отметить, что описанный выше механизм расчета применим только в конструкциях, т ак или иначо работающих на растяжение, так как у стекса Я <<
Так как эффективность работы митериала в итгибаемом элементе с увеличением его (элемента) длины уменьшается [1], поэтому перед инженерами так или иначе встаёт вопрос о проектировании соединений. На данный момент самым распространённым соединением является болтовое. Такое соединение предполагает наличие отверстий к конструкции. В этом случае между болтом и поверхностью отверстия возникает точечный контакт вдоль одной линии, что является недопустимым, так как площадь передачи нагрузки принимает минимально возможное значение и без того высокая концентрация напряжений в отверстии становится ещё выше.
Следовательно, между элементами необходима некая полимерная прокладка, которая бы обеспечивала распределение усилий по площади отверстия. Материалы, имеющие низкий модуль Юнга, подходят больше всего (ввиду хорошей способности сглаживать неровности) и позволяют осуществить равномерную передачу нагрузки на отверстие. Это важно, так как даже незаметные глазу неровности оказывают большое влияние на работу конструкции. Желательно добавлять вставку из более жёсткого полимерного материала в середину (трёхслойная кольцевая прокладка). Также немаловажным является расположение отверстий в элементе, так как оно напрямую влияет на схему работы элемента. Рекомендуемая компоновка указана на рис. 4.
log у
ni
Аг2Т -—>t
4CL_..Q.
к„
к,.
Рис. 4. Рекомендуемое расположение отверстий в элементе [2]
Рис. 5. Образец на испытательном стенде Рис. 6 Результат испытания
Напряжения около отверстия могут быть получены с помощью САПР программ, аппарата сопротивления материалов или тензометров при проведении реального эксперимента.
В соответствии с принципами, описанными выше, был сконструирован образец, стеклянная балка, в целях проверки предложенной теории. Две балки соединены между собой с помощью системы металлических связей, а листы стекла в каждой балке — с помощью ультрафиолетовой склейки, создавая тем самым пространственную жёсткость элемента.
Полутораметровая составная балка коробчатого сечения (рис. 5) подверглась испытанию на чистый изгиб. В момент разрушения образца (рис. 6) тензометры зафиксировали напряжение в 294 МПа при силе в 10,384 кН. На рис. можно увидеть характер разрушения образца, по которому можно судить, что разрушение произошло из-за растягивающих напряжений по нижней кромке образца (по главной линии напряжений).
Теперь воспользуемся (1) для нахождения коэффициента интенсивности напряжения в момент разрушения образца. В формуле определения начального размера трещины (2) принимаем К:=0.2 МПа.= К (порог образования трещин), У=0,75, обеспеченность (Р) в соответствии с общепринятой практикой принимаем 0,95, в качестве площади нагружения принимаем площадь сечения вертикальных (несущих) рёбер балки А=0,25*(0,008+0,008). Ввиду отсутствия кривых распределения для данного образца (был проведён только один опыт), коэффициента распределения Вейбулла к и т принимаем тоже в запас: 1,5 и 1,25 соответственно. Таким образом, получаем начальный размер трещины а=0,0236 мм.
В эксперименте было использовано закалённое стекло, особенность работы которого заключается в предварительном сжатии крайних волокон материала. В первую очередь при работе элемента должно быть преодолено это предварительное сжатие. В таком случае из полученного значения предельного напряжения для определения реальных растягивающих напряжений вычитается значение преднапряжения. Для термически закалённого стекла уровень преднапряжения может составлять 150 МПа [2].
Также закалённое стекло имеет отличный от флоат-стекла коэффициент интенсивности напряжений, который может варьироваться в пределах 0,75 — 1,0. В соответствии с [3] можно принять К1с=0,9416 МПа для закалённого стекла. При применении полученных значений к (1) имеем:
К=(294-150)*0,75*=0,929<0,9416.
Таким образом, разница между полученными экспериментально и теоретически значениями составляет 1,33%, что говорит о том, что предложенная теория расчета структурных стеклянных элементов может быть применена, хоть и требует значительной доработки. Быть полностью уверенным в результатах можно только после проведения серии опытов, при которых была бы выявлена вероятностная составляющая работы материала, которая на данном этапе изучения материала является одним из основных аспектов расчета несущих конструкций из стекла.
Н.А. Сташевская, А.П. Минина, М.Г. Бароева
ЛИТЕРАТУРА:
1. M. Porter. Aspects of Structural design with glass, 2005
2. M. Eliasova. Advanced design of glass structures, 2008
3. Jun Le, Lixin Song, XiaofengPeng, Xinfang Hu. Fracture mechanics analysis of thermally tempered glass plate: fracture induced by an embedded crack, 2005
4. V. Ungureanu. Advanced design of glass structures, glass strengthening method
5. K. Pankhardt, Load-bearing glass structures, 2004
6. F. Bernard, L. Daudeville, R. Gy. Load bearing capacity of connections in tempered glass structuers
7. R. Heugten, Load-bearing glass columns. The stacked column, 2013
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Демьяненко М.А., Стратий П.В. Основы проектирования несущих конструкций из стекла. — Системные технологии. — 2018. — № 26. — С. 168—172.
BASICS OF LOAD BEARING GLASS STRUCTURES DESIGN Demianenko M.A., Stratiy P.V.
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «National Research Moscow State University of Civil Engineering»
Abstract
This article is devoted to the solution of the problems of designing load-bearing structures made of glass. Questions concerning the work of the material on stretching are considered. A design method of load-bearing elements from glass and the problems is discussed and the placement and relative dimensions of the holes in bolted joints is proposed. The tests of the real sample are carried out, the proposed theory of calculation is applied
Keywords:
Load-bearing glass. Stress intensity factor. Bolted connections in glass Date of receipt in edition: 19.01.18 Date of acceptance for printing: 21.01.18
УДК 697
ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАРУЖНОГО СТЕНОВОГО ОГРАЖДЕНИЯ
Н.А Сташевская., А.П. Минина, М.Г. Бароева Российский университет дружбы народов, Москва, Россия
Аннотация
На фактическую тепловую эффективность наружного ограждения здания влияет срок эксплуатации, особенности процесса возведения и проявление морального износа зданий. В статье приведено исследование тепловой эффективности панельных жилых зданий разных серий и годов строительства
Ключевые слова:
тепловая эффективность, панельные здания, наружные ограждения, моральный износ, тепловизионная съемка История статьи:
Дата поступления в редакцию 22.02.18 Дата принятия к печати 24.02.18
