История и перспективы развития сэндвич-панелей в строительстве

Сэндвич панели рекомендуется  монтировать на металлокаркасе, железобетонном или деревянном каркасе с помощью специальных саморезов под сэндвич с самонарезающейся резьбой, уплотнительной резинкой, длиной, соответствующей большему расстоянию, чем толщина панели и каркаса, с выходом из каркаса на 10-20мм. При этом следует закрывать стыки и торцы панелей доборными элементами, которые крепятся к панелям и конструкциям при помощи саморезов небольшой длины или заклепок. Также используются доборные элементы для прочих фрагментов конструкций (цоколи, кровли). В зазоры между панелями и доборными элементами, а также в прочие отверстия рекомендуется прокладывать минеральную вату или использовать монтажную пену. Между каркасом и панелями можно использовать полиуретановую уплотнительную ленту. В стыках замковых соединений панелей следует использовать силиконовый герметик, накладываемый равномерно и непрерывно на чистую и сухую поверхность. Чтобы исключить передвижение воздуха и пара сквозь места соединения панелей, они должны быть плотно соединены[18].

При резке панелей рекомендуется  использовать сабельную пилу, дисковую пилу по металлу, электролобзик; после завершения работ необходимо вычистить места разрезов от металлических опилок и пыли; для крепления сэндвич панелей и доборных элементов -  электродрель и  шуруповерт; при закладке герметиков в места стыковки панелей - плунжерный пистолет.  
Резка сэндвич панелей газопламенными резаками недопустима[17]. Запрещаются удары по панелям при монтаже, установке крепежей, заделке стыков и примыканий.

Оборудование должно крепиться  на подвесных конструкциях, а не на самих сэндвич панелях[20].

Поверхности панелей следует периодически очищать от загрязнений и пыли с помощью моющих средств, не вызывающих повреждений защитных покрытий металлических  обшивок, или сжатого воздуха. Применение песка, щелочей и кислот недопустимо.

При заказе сэндвич панелей с  защитной монтажной пленкой на металле  следует предохранять данную пленку от прямого воздействия солнечных  лучей и от воздействия растворителей. С поверхности панелей пленку необходимо снять сразу после  завершения монтажа. В местах соединения, крепления саморезами ее нужно отгибать до монтажа панелей. В случае длительного хранения панелей до начала монтажа пленку с панелей следует удалить не позднее трех месяцев, иначе снятие пленки в дальнейшем будет осложнено[15]. Для того, чтобы на поверхности не остались фрагменты защитной пленки или клея, пленку недопустимо снимать при очень низких и очень высоких температурах воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4   Современные проблемы и будущее сэндвич-панелей

Основные научные интересы по тематике сэндвич панелей сводятся к изучению их механических и теплоизоляционных свойств, а также к повышению технологичности монтажа.

Так как требования рационального использования тепловой энергии в зданиях, сооружениях и объектах транспорта, обеспечения высокого качества строительства, а также строительства в отдаленных и сейсмоопасных районах создают в настоящее время условия для широкого применения легких индустриальных ограждающих конструкций с высокими теплотехническими показателями, то  одними из наиболее эффективных конструкций ограждения, отвечающих этим требованиям, являются трехслойные панели с металлическими обшивками и средним слоем из пенопластов и поперечно-ориентированных ламелей минеральной ваты[17].

По сравнению с уже традиционными трехслойными панелями, имеющими сплошной средний слой, панели, имеющие поперечные стыки, представляют собой измененную конструктивную схему, для которых требуется проведение исследований, направленных на уточнение их действительной работы и методики расчета несущей способности.

 
Для этого необходимо уточнение особенностей действительной работы и характера исчерпания несущей способности трехслойных панелей с металлическими обшивками и поперечными технологическими стыками среднего слоя с разработкой методики их расчета на поперечный изгиб и новых конструктивных решений[17].

Поэтому существует ряд актуальных задач, требующих исследования:

• исследование технологии изготовления трехслойных панелей и влияния поперечных стыков среднего слоя на образование конструктивных несовершенств и, как следствие, на напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции;
• экспериментальные исследования натурных образцов трехслойных панелей с различными физическими характеристиками и конструктивными особенностями среднего слоя и выявление характера исчерпания несущей способности трехслойных панелей, имеющих поперечные технологические стыки среднего слоя;
• разработка конечно-элементных моделей трехслойных панелей и проведение численных исследований их НДС;
• разработка методики расчета несущей способности трехслойных панелей с учетом различного расположения поперечных технологических стыков среднего слоя по длине панели;

 
Помимо исследования панелей с технологическими стыками, необходимо провести исследования сэндвич панелей с пористым наполнителем[18]. До сих пор открыт ряд вопросов:

• оценка размера повреждения в наполнителе по остаточной погиби лицевого слоя;
• решение уравнений изгиба лицевого слоя;
• определение размера повреждения при отсутствии в смятом наполнителе каверны;
• определение размеров повреждения при наличии каверны в смятом наполнителе;
• описание деформированного состояния смятого наполнителя;
• устойчивость лицевого слоя при местном смятии наполнителя

Так же актуальна проблема ускоренного монтажа стеновых сэндвич-панелей. Существующие технологии надстройки мансардных этажей жилых зданий характеризуются значительной трудоемкостью, большими сроками выполнения работ и зависимостью от сезонных условий[19].

В настоящее время отсутствуют  скоростные методы и высокоэффективные  технологии монтажа мансард, что  требует научно-методического обоснования  ускоренных способов надстройки мансардных этажей, внедрения прогрессивных  конструкций и высокоэффективных  технологий[19]. Для этого необходимо решить ряд задач:

проанализировать  существующие технологии по устройству мансардных этажей жилых  зданий;

разработать методику вариантного  проектирования надстройки мансардных этажей по критериям: min Т (продолжительности), min Q (трудозатрат), шах качества и производительности, шах долговечности, min С (стоимости работ);

разработать систему оценки качества монтажа мансард на зданиях с  плоскими крышами, по предельным допускам, средства и методы технологического обеспечения точности сборки;

исследовать технологичность, продолжительность и экономическую эффективность надстройки мансардных этажей панельно-кондукторным методом;

Однако до сих пор теоретически не смоделированы усовершенствованные  технологические решения возведения индивидуальных жилых домов из оптимальных  по размеру индустриальных сэндвич-панелей; не обоснован алгоритм разработки модели монтажа быстровозводимых коттеджей  на основе новых быстросборных типов узлов; не предложены практические рациональные конструктивно-технологические решения монтажа индивидуального жилого дома из индустриальных сэндвич-панелей[20].

Решению подобных задач в технологии строительства быстровозводимых зданий уделено большое внимание в работах  таких отечественных и зарубежных ученых, как  Афанасьева В.А., Адама Ф., Бадьина Г.М., Бердникова Ю.Д., Бирюкова А.Н., Быкова В.Л., Варламова Н.В., Ильина В.П., Казакова Ю.Н., Казанцева И.Д., Карасёва H.H., Козина П.А., Олейника П.П., Петракова Б.И., Прыкина Б.В., Сапрыкиной H.A., Сио К., Степанова И.В., Танге К., Темнова В.Г., Тимощука O.A., Фридмана И., Яковлева В.А. и др. Однако анализ выявленных литературных источников позволил установить, что существующие технологические решения в строительстве быстровозводимых зданий не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, особенно достижению критериев минимума трудовых и финансовых видов затрат[20].

Поэтому целью дальнейших исследований является усовершенствование технологических  решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей, обеспечивающих снижение трудоемкости и стоимости строительства[20].

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

• проанализировать состояние строительных процессов возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей в России и за рубежом;
• провести оценку состояния существующих моделей возведения коттеджей из сэндвич-панелей;
• теоретически смоделировать усовершенствованные технологические решения возведения индивидуальных жилых домов из оптимальных по размеру индустриальных сэндвич-панелей повышенной степени заводской готовности с минимумом кранового оборудования;
• разработать новый алгоритм обоснования оптимальной модели монтажа быстровозводимых коттеджей с учетом критериев оптимизации - минимума трудоемкости и стоимости монтажа;
• предложить усовершенствованные конструктивно-технологические решения монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей на основе быстросборного шарнирного узла типа «муфта-гильза» из стали, не требующего сварки и омоноличивания;
• смоделировать и системно исследовать строительный процесс и технологию монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей методом «сухой» быстрой сборки в основном вручную с минимумом использования кранового оборудования и без «мокрых» процессов и его технологические параметры;
• предложить рациональный вариант организации и технологии выполнения работ по монтажу коттеджей с учетом основных факторов влияния площади объекта, количества и квалификации рабочих в звене, степени механизации работ, площади и веса панелей, видов узлов соединений;
• оценить технико-экономическую эффективность и технологичность, как интегральные показатели низких трудоемкости и стоимости, простоты, всеподивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей.

Также одним из перспективных направлений развития сэндвич-панелей является создание панелей, генерирующих электроэнергию[15].

Разработчики из Федеральной политехнической  школы в Лозанне (Швейцария) создали  сэндвич-панели для строительства зданий разной этажности, наружный слой которых состоит из прозрачного стеклопластика, а за ним располагаются фотоэлементы на базе аморфного кремния. Испытания, которые велись в последние месяцы, подтвердили практическую эффективность подобных систем, способных в значительной степени перевести здания на энергетическое самообеспечение[15].

Разработанный вариант сэндвич-панели состоит из внутренней части, заполненной жёстким вспененным полимером, который является и несущим материалом, и одновременно теплоизолятором, и двух слоёв стеклопластика. В 2009 году он в экспериментальном порядке был использован для возведения здания на входе в один из кампусов школы в Базеле (Швейцария).

Затем исследователи решили усложнить  сэндвич-панель: верхний, почти полностью  прозрачный слой стеклопластика толщиной в 3 миллиметра закрывает от внешних  воздействий лист гибкого фотоэлемента производства Flexcell.

Попытки расположить фотоэлементы на крышах и стенах зданий уже предпринимались, однако упирались в ряд практических проблем: солнечные батареи на базе кристаллического кремния имеют  приличный вес, их надо чистить от снега и пыли, при этом их поверхность весьма чувствительна, и даже мелкие царапины снижают КПД и время жизни фотоэлементов. Их можно защитить стеклом, но это ещё больше утяжеляет и удорожает панели. Кроме того, защита стекла на стенах обычно неприемлема по ряду эксплуатационных причин[15].

Аморфные кремниевые фотоэлементы имеют меньший КПД, но и менее  требовательны к углу падения  солнечных лучей, поэтому вырабатывают больше энергии зимой, утром и  вечером, в целом давая в год (в условиях Швейцарии) больше энергии  с квадратного метра, чем фотоэлементы из более дорогого кристаллического кремния. Кроме того, солнечные батареи  из аморфного кремния тоньше, дешевле  и могут легко сгибаться без  повреждений, что важно в случае гибких стеновых панелей.

Годовое производство энергии с  одного квадратного метра фасада, составляет 664 кВт•ч (на 17% выше фотоэлементов из кристаллического кремния). Это примерно вдвое меньше того, что в той же Швейцарии получают от солнечных батарей, установленных на крыше. Важно, что соотношение площади наружных стен и крыши обычно колеблется от 1:4 до 1:2 в зависимости от формы крыши[15]. Кроме того, двухэтажный дом, построенный из таких стеновых панелей, только за счёт солнечных батарей произведёт электричества значительно больше (в условиях Швейцарии), чем потребляет среднее домохозяйство. Очищать такие фотоэлементы необходимо реже, так как пыль и снег меньше скапливаются на стенах домов, а делать это проще, чем на крыше.

 

 

 

 

 

 

5     Заключение

Основным достоинством стеновых панелей является легкий и удобный монтаж сэндвич-панелей. Важное свойство, которое облегчает использование этих изделий при быстром возведении зданий – малый вес сэндвич-панелей. Простая технология монтажа сэндвич-панелей определяет широкий диапазон их возможного использования. Проблема заключается в нехватке профессиональных кадров на строительном рынке.  В условиях рынка необходима стройная система организационно-технического образования инженерных кадров, которая помогла бы им овладеть методами организационно-технической оценки технических решений, выработать у организаторов производства высокий профессионализм.