DIAGRAMS OF VACUUM INSULATING PANEL DEFORMATION DURING COMPRESSION

Cover Page

Abstract


The possibility of using vacuum insulation panels (VIP) with a granular filler for the manufacture of threelayer enclosing wall panels, floor slabs and coatings is considered. The results of experimental studies of vacuum insulation panels, carried out with the aim of analytically describing the deformation diagrams of VIP panels under the action of a compressive load, are presented. It has been established: deformative properties of vacuum insulation panels with granular filler do not depend on the size of the filler particles, but depend on the volume content of the filler; a deformation diagram describing the relationship between stresses and relative deformations during compression of a vacuum insulating panel with a granular filler can be approximated by the function G. B. Bülfinger. The results obtained make it possible by calculation to determine the stress state in flat plating sheets during local load transfer.

Full Text

Решение проблемы энергосбережения при строительстве зданий и сооружений зависит от доступности и качества высокоэффективных теплоизоляционных материалов и изделий [1, 2]. В последние годы интенсивно ведутся поиски и разработки новых теплоизоляционных материалов и изделий, альтернативных традиционно применяемым: минеральной вате, пенополистиролу, пенополиуретану, которые не отвечают современным требованиям по экологии, долговечности, огнестойкости [3, 4]. Анализ публикационной активности по этой теме показывает, что все большее внимание учёных и практиков привлекают исследования, направленные на создание теплоизоляционных изделий типа VIP- вакуумных изоляционных панелей [5-8]. Панели VIP представляют собой плоские элементы, выполненные из многослойной воздухонепроницаемой оболочки, наполненной зернистым и волокнистым наполнителем. В качестве зернистого наполнителя применяется аморфный микрокремнезем, представленный минералом опал, поровая структура которого формируется в виде иерархически выстроенной масштабно-инвариантной системы из отдельных глобулярных частиц, отдельных и ассоциативных кластеров. Квазиопаловая структура зернистой системы обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства [2, 9]. Для поддержания формы изделия VIP при вакуумировании вводится волокнистый минеральный наполнитель. Сопротивление теплопередаче вакуумной панели в пять-десять раз выше, чем у традиционных утеплителей, что подтверждено теоретически и экспериментально [1, 10]. Изделие VIP можно применять для изготовления трёхслойных плит покрытий и пере- Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 18 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ крытий, ограждающих конструкций. Панели для стен и покрытий (перекрытий) зданий состоят из двух наружных обшивок из прочного листового материала и среднего слоя - утеплителя [2]. Для внешней обшивки можно применять плоские или профилированные листы из алюминия, стекла, латонита. Для внутренних обшивок можно применять листовые материалы не только из металла и стекла, но и из древесины, высокопрочного бетона и других конструкционных материалов. Для обеспечения прочности и жесткости трехслойные панели рассчитывают по двум предельным состояниям: прочности и деформативности. При расчете на поперечный изгиб трёхслойные панели рассматриваются как плиты, свободно опертые по двум сторонам или опертые по контуру. При расчете трёхслойных панелей необходимо соблюдение условий: Епр/G ≤ 10000; 200 ≥ h0/δ ≥ 4; l/h0 ≥ 10, (1) где Епр - приведенный модуль упругости материала обшивок, равный Епр = Е/(1-μ) ; Е и μ - модули Юнга и Пуассона материала обшивок; h0 - высота среднего (теплоизоляционного) слоя; G - модуль сдвига среднего слоя; δ - толщина обшивки; l - пролет панели; h = h0 + δ - высота поперечного сечения панели с листовыми внешними обшивками. При определении напряжений от местной нагрузки в верхнем слое обшивки и в среднем слое, обшивка рассматривается как бесконечная пластина на упругом основании (роль упругого основания играет средний слой) с коэффициентом постели К = 2Е1/h0 , где Е1 - модуль упругости теплоизоляционного материала (Е1 = Еk). Следовательно, для расчета трёхслойных панелей с утеплителем VIP необходимо знать механические характеристики изделия VIP (Е1 и G). Целью предлагаемой работы является экспериментальное определение модуля упругости (Юнга) Е1 и аналитическое описание диаграммы деформирования при сжатии изделия VIP (среднего слоя трёхслойной плиты). Для экспериментального определения модуля упругости были изготовлены вакуумные панели размером 100х100х10 мм. В качестве наполнителя применяли белую сажу марки БС- 100, диатомит Атемарского карьера, базальтовые волокна. Оболочка образцов выполнялась из двухслойного пластика (PET/PE; PA/PE). Плотность образцов составляла 170 и 260 кг/м3 соответственно, наполнитель - микрокремнезем и диатомит. Для сравнения произведены аналогичные испытания изделия VIP китайского производства в металлизированной оболочке. При проведении эксперимента ставилась задача оценить влияние количества наполнителя и волокна на механические характеристики вакуумных изоляционных панелей. Для этого был реализован двухфакторный эксперимент по плану Кифера-Коно, который позволил получить полиномиальную модель зависимости уровня напряжений (yi) при 10 % деформации от количества порошка (x1) и волокна (x2) вида: y1 = 0,236 + 0,037x1 + 0,015x2 - - 0,013x1 2 - 0,003x1x2 - 0,018x2 2, (2) y2 = 0,224 + 0,032x1 + 0,09x2 - - 0,004x1 2 - 0,019x1x2 - 0,047x2 2. (3) Графическая интерпретация полученных результатов представлена на рис. 1, 2. Из анализа уравнений (2), (3) и графических зависимостей (см. рис. 1, 2) следует, что крупность частиц микрокремнезема БС-100 (нанометровая размерность) и диатомита (микрометровая размерность) практически не влияет на уровень напряжений сжатия при 10 % относительной деформации. Диаграммы деформирования имеют вид, характерный для самоуплотняющихся материалов (рис. 3-5). На рисунках представлены диаграммы деформирования, полученные при сжатии вакуумных панелей: рис. 3 - китайский аналог; рис. 4 - зернистый наполнитель диатомит; рис. 5 - зернистый наполнитель микрокремнезем БС-100. Для аналитического описания диаграммы деформирования VIP изделия при сжатии наиболее приемлемой является функция Г.Б. Бюльфингера в относительных координатах вида: σ/σu = α(ε/εu)β, (4) где σu - предельно допустимое значение напряжений; ε - относительная деформация, соответствующая σu; α и β - коэффициенты, определяемые по экспериментальным данным. Для этого произведем путем логарифмирования линеаризацию уравнения (4) и тогда β определим по формуле β = (ln(σ1/σu) - ln(σ2/σu))/(ln(ε1/εu) - ln(ε2/εu)). (5) На рис. 6 в двойных логарифмических координатах построены графики зависимости σ-ε по экспериментальным данным, представленным на рис. 5 (принято σiu = 5 МПа). Значения ln(σi/σiu) - ln(εi/εiu) хорошо ложатся на прямые линии, которые сходятся в начале координат. В. П. Селяев, Н. Н. Киселев, О. В. Лияскин 19 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Рис. 1. Графическая зависимость напряжения (y1) при ε = 10 % от количества наполнителя: x1 - белая сажа; x2 - минеральное волокно Рис. 2. Графическая зависимость напряжения (y2) при ε = 10 % от количества наполнителя: x1 - немодифицированный атемарский диатомит; x2 - минеральное волокно Рис. 3. Диаграмма, полученная при испытании китайского образца вакуумной теплоизоляции Рис. 4. Диаграмма, полученная при испытании вакуумной теплоизоляции на основе диатомита Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 20 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 5. Диаграммы деформирования при сжатии панели VIP с зернистым наполнителем БС-100: 1, 2, 3 - содержание наполнителя в частях - относительных единицах (по возрастанию) Следовательно, коэффициент α = 1. По формуле (5) определены значения коэффициентов β, которые составляют β1 = 5,25; β2 = 2,3; β3 = 3,2. С учетом полученных экспериментальных данных модуль упругости теплоизоляционного материала зависит от количества зернистого наполнителя в панели VIP и от уровня сжимающих напряжений. Зависимость модуля упругости зернистой системы VIP предлагается определять по формуле вида: E1 = ∂σ/∂ε = σu βi(εβi-1/εβi u), (6) где βi = 5,25(1); 2,3(2); 3,2(3). Выводы. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено: деформативные свойства вакуумных изоляционных панелей с зернистым наполнителем не зависят от крупности частиц наполнителя, но зависят от объёмного содержания наполнителя. Диаграмму деформирования, описывающую зависимость между напряжениями и относительными деформациями при сжатии вакуумной изоляционной панели с зернистым наполнителем, можно аппроксимировать функцией Г.Б. Бюльфингера. Полученные результаты дают возможность расчетным путём определить напряженное состояние в плоских листах обшивки при местной передаче нагрузки. *Работа выполнена при поддержке РФФИ № 18-48-130001/18 «Оптимизационное моделирование свойств теплоизоляционных функционально-градиентных изделий на основе минеральных порошков оксида кремния, синтезированного из природного диатомита». Рис. 6. Линеаризация экспериментальных данных, представленных на рис. 5 ln(εi/εi0) ln(σi/σi0) -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 1 2 3 В. П. Селяев, Н. Н. Киселев, О. В. Лияскин

About the authors

Vladimir P. SELYAEV

Ogarev Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nikolay N. KISELEV

Ogarev Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Oleg V. LIYASKIN

Ogarev Mordovia State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

  1. Дульнев Г.Н., Сигалова Г.В. Теплопроводность моно- и полидисперсных зернистых материалов // Строительная теплофизика. М.; Л.: Энергия, 1966. С. 40-47.
  2. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе вакуумированных дисперстных порошков микрокремнезема и диатомита : монография / В.П. Селяев, В.А. Неверов, А.К. Осипов [и др.]. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2013. 220 с.
  3. Возможность создания теплоизоляционных материалов на основе наноструктурированного микрокремнезема из диатомита / В.П. Селяев, А.К. Осипов, Л.И. Куприяшкина, А.А. Седова, Е.Л. Кечуткина, Л.А. Супонина // Наука: 21 век. 2011. № 3(15). С. 76-86.
  4. Селяев П.В., Киселев Н.Н., Лияскин О.В. Принципы создания порошковой теплоизоляции на основе микрокремнезема // Региональная архитектура и строительство. 2016. № 3 (28). С. 55-59.
  5. Bofago F.E. & al, Structure of vacuum insulation panel in building sys-tem//11th International Vacuum Insulation Symposium, Switzerland, 2013, pp. 69-70.
  6. Страница Vacuum-insulated prefabricated elements in construction 09/2007: BINE Infomation Sevice. - http://www.bine.info (дата обращения: 01.04.2019).
  7. Schupp Н.В. & al, VIP im Mauerwerksbau Vakuumgedämmter Mauer-stein Vakuumgedämmter Mauerziegel // VIP - Bau, Fachtagung, Rostock- Warnemünde, 10-11. Juli 2003.
  8. Возможность применения хлопкового волокна для производства вакуумных теплоизоляционных панелей / В.П. Селяев, А.М. Данилов, П.В. Селяев, Н.Н. Киселев, О.Г. Маштаев, Е.Л. Кечуткина // Технология текстильной промышленности. 2017. № 1. С. 112-118.
  9. Свойства микрокремнезема из природного диатомита и его применение в производстве вакуумных теплоизоляционных панелей / В.П. Селяев, В.А. Неверов, О.Г. Маштаев, А.В. Колотушкин // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 7. С. 15-25.
  10. Васильев Л.Л. Теплопроводность неметаллических зернистых систем // Строительная теплофизика. М.; Л.: Энергия, 1966. С. 48-56.

Statistics

Views

Abstract - 65

PDF (Russian) - 19

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2019 SELYAEV V.P., KISELEV N.N., LIYASKIN O.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies