Результат интеллектуальной деятельности: Трехслойная ресурсосберегающая железобетонная панель

Изобретение относится к строительству, в частности к ограждающим конструкциям промышленных зданий.

Известная трехслойная железобетонная панель (см. патент №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 армированных 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 Е04С2/06, опубликованный 10.02.2015, 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 прочностных параметров при эксплуатации в сейсмически опасных условиях, когда вследствии вибрационных колебаний грунта, например, землетрясение и сейсмические волны беспрепятственно перемещаются по горизонтально размещенному теплоизоляционному слою, обладающему более низкой плотностью по сравнению с наружным и внутренним железобетонными слоями. Это провоцирует резонансные всплески вибрационных колебаний с последующим интенсивным разрушением ограждающей конструкции в целом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание заданной надежной эксплуатации трехслойной ресурсосберегающей железобетонной панели при землетрясениях за счет резонансных всплесков сейсмических волн в теплоизоляционном слое путем выполнения тонковолокнистого материала из витых пучков в виде продольно вытянутых синусоид количеством не менее четырех, причем касательная винтовой линии первого витого пучка каждой пары имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а касательная винтовой линии второго витого пучка этой же пары имеет направление против хода движения часовой стрелки. Это способствует на участках наибольшего сближения попарно расположенных витых пучков образовывать узлы со стоячими волнами, которые нейтрализуют резонансные всплески горизонтально по длине панели перемещающихся сейсмических волн.

Технический результат достигается тем, что трехслойная ресурсосберегающая железобетонная панель, 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, пучки тонковолокнистого материала попарно количеством не менее четырех расположены в виде синусоид, продольно вытянутых по длине панели, выступы и впадины которых при совмещении являются концентраторами перемещающихся сейсмических колебаний, кроме того, касательная первого витого пучка каждой пары имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а касательная винтовой линии второго витого пучка этой пары имеет направление против хода движения часовой стрелки, при этом участки наибольшего сближения попарно расположенных витых пучков составляют узлы, способствующие образованию 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 как в торце панели, так и в теплоизоляционном слое панели, на фиг.3 - элемент теплоизоляционного слоя из тонковолокнистого материала в виде витых пучков, синусоидально продольно вытянутых по длине панели.

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. Пучки 8 тонковолокнистого материала попарно 9 количеством не менее четырех расположены в виде синусоид 10, продольно вытянутых по длине панели, выступы 11 и впадины 12 которых при попарном совмещении являются концентратами перемещающихся сейсмических волн 13. Кроме того, касательная 14 винтовой линии первого витого пучка 8 каждой пары 9 имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а касательная 15 винтовой линии второго пучка 8 этой пары 9 имеет направление против хода движения часовой стрелки, при этом участки 16 и 17 наибольшего сближения попарно 9 расположенных витых пучков 8 составляют узлы, способствующие образованию стоячих волн 18.

Поддержание надежностных параметров трехслойной ресурсосберегающей железобетонной панели при эксплуатации в условиях сейсмического воздействия осуществляется следующим образом.

При наличии механического воздействия со стороны грунта, например землетрясение, сейсмическая волна 13 перемещается также и по длине панели как по наружному 1 и внутреннему 2 железобетонному слоям, так и по теплоизоляционному слою 3, выполненному из тонковолокнистого материала. В связи с тем, что плотность теплоизоляционного слоя 3 из тонковолокнистого материала значительно меньше плотности железобетонных слоев 1 и 2, сейсмическая волна имеет более высокую амплитуду и скорость распространения по длине панели с образованием резонансных всплесков на её торцах. Вследствие закручивания первого витого пучка 8 каждой пары 9 из тонковолокнистого материала по винтовой линии, касательная 14 которой имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а закручивание витого второго пучка 8 той же пары 9 по винтовой линии, касательная 15 которой имеет направление против хода движения часовой стрелки (см., например, Выгодский М.Я. Высшая математика. М.: 1969. 820 с., ил.) наблюдается, что и слои воздуха, контактирующие при вибрационном сейсмическом воздействии как с первым, так и со вторым витыми пучками 8 каждой пары 9, вращаются во встречном направлении.

В результате при соприкосновении встречно вращающихся слоев воздуха образуются в теплозащитном слое 3 микровзрывы (см., например, Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Самара, 2002. 369 с., ил.), которые разрушают горизонтально перемещающиеся в воздушной среде теплоизоляционного слоя 3 сейсмические волны по всей длине панели.

Кроме того, пучки 8 из тонковолокнистого материала, расположенные в виде синусоид 10 и продольно вытянутые по длине панели, также наряду с воздушной средой являются направляющими для перемещающихся сейсмических волн, которые концентрируются в выступах 11, а также во впадинах 12. При этом выделяются участки 16 и 17 наибольшего сближения попарно 9 расположенных витых пучков 8, которые способствуют появлению узлов, вызывающих образование стоячих волн ( см., например, Ландау Л.О., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. М.: Наука, 1986. 836 с., ил.), которые гасят сейсмические волны и нейтрализуют резонансные всплески как на торцах панели, так и в основных наружном 1 и внутреннем 2 железобетонных слоях.

Ресурсосберегающие свойства 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 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.

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 (q_pac), 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 железобетонной панели в целом.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что надежность эксплуатации трехслойной ресурсосберегающей железобетонной панели при землетрясениях обеспечивается за счет снижения его разрушающего воздействия путем гашения горизонтально распространяющихся сейсмических волн образующимися стоячими волнами при выполнении теплоизоляционного слоя из витых пучков, расположенных в виде синусоид, продольно вытянутых по длине панели. Кроме того, закручивание витых пучков из тонковолокнистого материала в каждой паре, продольно вытянутых по длине панели, со встречным направлением касательной к винтовой линии способствует при контакте вращающихся воздушных потоков со встречным движением образованию микровзрывов, дополнительно разрушающих резонансные всплески сейсмических волн. Все это способствует поддержанию надежной эксплуатации трехслойных ресурсосберегающих железобетонных панелей и в сейсмически сложных условиях.