Повертаючись до питання жорсткості рифленого армування ПВХ профілю

Декілька років тому була написана та опублікована стаття «Чи варто економити на армувальному профілі», в якій йшлося як про принципи розрахунку вітрових навантажень, так і про розрахунок жорсткості вікон до тих навантажень, піднімалися проблеми, що пов’язані з намаганнями здешевити армування у вікні та описувалися наслідки подібного здешевлення. 

Також, говорилося про застосування, так званого, «рифленого» армування. Вважаю доречним нагадати матеріал, що стосувався саме рифленого армування.

        Поряд з армувальним профілем з прямого металу, на віконному ринку існує, активно пропагується і досить широко використовується профіль, виготовлений з рифленого металевого листа. Пропагандисти цього профілю стверджують, що якщо взяти тонкий лист металу, зробити на ньому рифлення у вигляді періодично повторюваних вм'ятин і опуклостей, потім з нього виготовити армувальний профіль, то цей армувальний профіль буде такий же жорсткий, як і виготовлений з товстого прямого металу. Посилаються вони, при цьому, на результати досліджень, проведених у вересні 2000 року в Дослідницькому будівельному центрі. Питання, насправді, цікаве і його варто розглянути більш детально. Справа в тому, що, якщо момент інерції такого профілю розрахувати, хоч і вельми складно, але, в принципі, можливо, то з модулем пружності і розрахунком величини прогину, виникає деяка невизначеність. Суть проблеми полягає в тому, що наведена вище (в раніше опублікованій статті) методика розрахунків призначена виключно для роботи з прямими профілями. Модуль пружності, що є характеристикою матеріалу, показує поведінку стрижня під навантаженням. Саме стрижня що розтягується чи згинається, а ніяк не пружини. Під час згинанні профілю, одна його сторона піддається стисканню, а інша, – розтягуванню. Відомо, що прямий стрижень розтягнути значно складніше, ніж пружину того ж перетину і виготовлену з того ж матеріалу. Профіль, що складається з прямих елементів, повинен чинити більший опір вигинаючому впливу, ніж профіль, що складається з пружинних елементів. Рифлений металевий лист володіє, частково, властивостями пружини, на відміну від прямого листа. Отже, профіль, виготовлений з рифленого листа повинен бути менш жорстким у порівнянні з профілем, виготовленим з прямого металевого листа тієї ж товщини. Як же бути з результатами порівняльних випробувань, на які посилаються виробники та продавці рифленого армувального профілю? При ретельному вивченні звіту № ВТС 11186S, в якому описуються ці випробування та їх результати, можна з'ясувати, що випробувались не віконні армувальні профілі, а профілі, призначені для гіпсокартонних перегородок.Зовнішній вигляд подібних профілів для зведення гіпсокартонних перегородок зображено на малюнках 1 та 2. Як відомо, гіпсокартонні перегородки виконують дещо інші функції ніж вікна, перебувають під впливами сил, що відрізняються від сил, що впливають на вікна, а відповідно й вимоги до профілів, що призначені для гіпсокартонних перегородок відрізняються від вимог до армувального профілю ПВХ вікон. Цілком природно, що під час випробувань максимальну увагу було надано навантаженням характерним саме для гіпсокартонних перегородок.

Мал. 1. Прямий профіль для монтажу гіпсокартонних перегородок.

Мал. 2. Рифлений профіль для монтажу гіпсокартонних перегородок.

 У процесі порівняльних випробувань, перегородки, з використанням порівнюваних профілів піддавалися впливам, не відповідним характерним впливам, яким під час експлуатації піддаються вікна з ПВХ профілю. Найбільш близьким до впливу вітрових навантажень, було вимірювання прогину від бокового удару по перегородці великим м'яким тілом, оскільки визначалося значення вигину конструкції під впливом сили удару, спрямованої перпендикулярно до площини самої конструкції.

Ось витяг з цього звіту. Першими показані результати прямого профілю, другими, – результати випробувань перегородки з рифленим армувальним профілем.

Дані проведених випробувань
BS 5234: ЧАСТИНА 2: 1992, ДОДАТОК Е & DIN 4103: ЧАСТИНА 1: 1984, СЕКЦІЯ 4.3
ПОШКОДЖЕННЯ СТРУКТУРИ ДВОХ ПЕРЕГОРОДОК RIGIPS ВИСОТОЮ 2,5 М І ТОВЩИНОЮ 125 ММ ВІД УДАРУ ВЕЛИКИМ М'ЯКИМ ТІЛОМ. ОДИН армуючий профіль - Махi CW 100-06, А ІНШИЙ - HADLEY UltraSteelтм CW 100-055.
   Код випробування: 11186 S
   Дата випробування: 6 вересня 2000
   Ударна позиція: Дивись малюнок

Мал. 3. Схема перегородок для порівняльних випробувань. Вимірювання прогинів проводилося зі сторони, протилежній стороні удару. Вимірювалися значення вигинів центральної частини перегородки навпроти місця удару як під час удару так і значення залишкових деформацій після удару.

Введення армуючих профілів Махi CW 100-06 в перегородку RIGIPS товщиною 125 мм.
Вимірювання прогину проводилось від позиції удару з іншої сторони перегородки (частина А).

 Введення профілів HADLEY UltraSteel^тм CW 100-055 в перегородку RIGIPS товщиною 125 мм.
Вимірювання прогину проводилось від позиції удару з іншої сторони перегородки (частина А).

 Номер удару

 Спираючись на отримані з протоколу результати можна побудувати графік залежності значень максимального вигину перегородки під час удару великим м’яким тілом від висоти зниження удару та значень залишкових деформації після удару для прямого та рифленого профілів.

 Мал. 4. Графік залежності значень максимального вигину перегородки та залишкових деформацій від висоти удару великим м’яким тілом.

 Порівнявши показники вигинів, за рівних величинах впливу, можна побачити, що перегородка з рифленим армувальним профілем прогиналася, під час удару в середньому, на 24,58% сильніше, ніж перегородка з прямим армувальним профілем. Що підтверджує наші припущення. Залишкові деформації перегородки з рифленим армувальним профілем були меншими, ніж деформації перегородки з прямим профілем, що теж характерно для різної поведінки прута і пружини після зняття навантаження. Цілком можливо, що для гіпсокартонних перегородок, мінімізація залишкових деформацій є дуже важлива, але у випадку експлуатації вікон, набагато більшу роль відіграє прогин саме під час впливу навантаження, а не після його зняття. Для того, щоб розвіяти свої сумніви, з приводу зміцнення армувального профілю рифленням металу або відсутності цього зміцнення, мною був поставлений дослід. Для досліду були використані два зразка армувального профілю однакових габаритних розмірів і з однаковою товщиною стінки. Один зразок був виготовлений з рифленого металу, інший – з прямого. Якщо вірити запевненням продавців рифленого профілю, рифлений, за решти рівних умов, мав би бути жорсткішим гладкого на 20-25%, але результат виявився діаметрально протилежним. Спочатку, обидва зразка були закріплені у вигляді консолей і навантажені рівною вагою. Профілі піддавалися навантаженню по осі Х і по осі Y. В обох випадках профіль виготовлений з рифленого металу прогнувся сильніше. Потім профілі були розміщені у вигляді балок і теж навантажені рівною вагою. У цьому положенні рифлений профіль також прогнувся сильніше прямого.

 З усього цього напрошується попередній висновок: армувальний профіль, виготовлений з рифленого металевого листа, не є більш жорстким, ніж профіль, виготовлений з прямого листа тієї ж товщини. Більше того, з двох армувальних профілів, один з яких виготовлений з рифленого листа, а другий з прямого тієї ж товщини, жорсткішим є гладкий профіль.

 Ймовірно, зміцнення накаткою під час рифлення, яке викликає нагартованність поверхні профілю, має місце, тобто формально, такий профіль повинен бути міцніше і жорсткіше. Але фактор зміни геометрії профілю і фактичне перетворення гладкого стрижня в пружинячий елемент перевищує досягнуте за рахунок накатки мікрозміцнення профілю. Очевидно, що застосований зараз малюнок і висота рифлення не годиться для вікон. Цілком можливо, ситуація може бути виправлена підбором спеціальної геометрії для накатки малюнка – наприклад, поздовжні канавки або мікрорельєф, що однозначно зробить дорожчим рифлений профіль. Ясно, що нинішні рифлені профілі менш жорсткі і не годяться для заміни прямих підсилюючих профілів в ПВХ-вікнах.

 Звичайно, результати дослідів, проведених мною, не є науково достовірними та обґрунтованими. Проте, крім них існують ще результати порівнювальних досліджень, які були проведені в умовах серйозних лабораторій солідних та визнаних випробувальних центрів. Наприклад протоколи порівняльних випробувань у Центрі експериментальної механіки Пермського Національного Дослідного Політехнічного Університету та Випробувальної Лабораторії Інституту Механіки Суцільних Середовищ Уральського Відділення Російської Академії Наук. Матеріали та результати були люб’язно надані Єлдашовим Юрієм Олександровичем – ініціатором проведення цих випробувань.

 Наводжу матеріали порівняльних досліджень проведених у Центрі експериментальної механіки Пермського Національного Дослідного Політехнічного Університету:

 Випробування на три точковий вигин виконано на універсальній електромеханічній випробувальній системі Instron 5882. Датчик навантаження (± 100 кН) забезпечує точність вимірювання навантаження 0,5% від вимірюваної величини в діапазоні від 0,2% до 1% і 0,4% в діапазоні від 1% до 100% номінальної потужності датчика.

 Випробування проведено на 7 зразках профілю: зразки № 1 і 2 – метал після прокатки (структурований) товщиною 1 мм, зразки № 3 і 4 – метал товщиною 1 мм, зразки № 5 і 6 – метал товщиною 1,1 мм, зразок № 13 – два зварених П-подібних профілі (товщина металу 0,45 мм). Зразки встановлювалися на більшу сторону на циліндричні опори діаметром 25 мм, відстань між опорами 340 мм. Навантаження здійснювалося індентором циліндричної форми діаметром 25 мм.

Мал. 4. Зовнішній вигляд випробувальної установки.

  Мал. 5. Схема три точкового навантаження профілів під час випробувань.

  Мал. 6. Напрям прикладання сили до профілю під час випробувань.

 Перед випробуванням до зразка прикладається попереднє навантаження 10 Н, після чого проводиться навантажування із постійною швидкістю переміщення захоплення 5 мм/хв. У процесі випробування реєструється переміщення (прогин) по вбудованому датчику випробувальної машини і навантаження. У результаті випробувань семи зразків отримані діаграми навантаженості, наведені на малюнку 7 в координатах «навантаження – прогин».

 Мал. 7. Діаграма навантаженості зразків під час три точкового вигину.

 Для порівняння зразків визначені значення їх жорсткості в діапазоні навантаження 50 - 200 Н з використанням апроксимації за лінійним законом. В результаті отримані дані, представлені в таблиці 1.

 На малюнку 8 представлений приклад апроксимації даних випробувань три точкового вигину зразків профілів прямою лінією для визначення коефіцієнта жорсткості.

  Мал. 8. Лінійна апроксимація даних випробувань в діапазоні навантажень 50 - 200 Н

Таблиця 1. Значення жорсткостей зразків при три точковому вигині, визначеної в діапазоні навантаження 50 - 200 Н.

Як можна побачити, в результаті рифлення профілю показник жорсткості зразків за номерами 1 та 2 значно зменшився – приблизно вдвічі порівняно зі зразками виготовленими з прямого профілю, номери 3 та 4.

Протокол порівняльних випробувань профілів на три точковий вигин Випробувальної Лабораторії Інституту Механіки Суцільних Середовищ Уральського Відділення Російської Академії Наук значно лаконічніший але не менш показовий.

Об’єкт випробувань – Підсилювальні вкладиші двох типів – структуровані завтовшки 1,0 мм та прямі завтовшки 1,0 мм і 1,2 мм.

Вид випробувань – три точковий вигин.

 Мал. 9. Схема навантаження зразків.

Мал. 10. Графік навантаження зразків однакової товщини.

Висновок за результатами випробувань - Структурування профілю не призводить до підвищення опору при згині.

 Спираючись на все вище викладене можна з усією відповідальністю зробити остаточний висновок : Армувальний профіль, виготовлений з рифленого металевого листа, не є більш жорстким, ніж профіль, виготовлений з прямого листа тієї ж товщини. Більше того, з двох армувальних профілів, один з яких виготовлений з рифленого листа, а другий з прямого тієї ж товщини, жорсткішим до вигину є гладкий профіль. Заміна у ПВХ вікні прямого армувального профілю на рифлений тієї ж товщини однозначно призводить до зменшення стійкості вікна до вигину під впливом вітрових навантажень.

Козенко Віктор Валерійович

Незалежний експерт