CC BY
41
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПОЛОПРОВОДНОСТИ КЛЕЕНОГО БРУСА С УЧЕТОМ ЕГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Зайцева К.В. (ГОУВПО КГТУ, г.Кострома, РФ)
The presented results of the experimental studies heat characteristic of glued beam. Estimation of the influence different factor is given on heat conductivity of glued of design.
Строительство зданий должно осуществляться в соответствии с требованиями к тепловой защите зданий [1, 2] для обеспечения установленного для проживания и деятельности людей микроклимата в здании, необходимой надежности и долговечности конструкций, климатических условий работы технического оборудования при минимальном расходе тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий за отопительный период.
Одним из наиболее распространенных строительных материалов является древесина, спрос на которую в последние годы увеличивается. В последнее время все шире применяется более прогрессивная технология изготовления деревянных домов. В соответствии с ней, традиционное бревно становится лишь сырьем для получения высокотехнологичного и более совершенного строительного материала - клееной древесины.
Клееный профилированный брус представляет собой сложную конструкцию из сравнительно толстых отрезков древесины с продольными и поперечными клеевыми швами, с чередующимся расположением годичных слоев в смежных ламелях и большей, по сравнению с обычной древесиной, анизотропностью. В этой связи представляется не вполне оправданным применение для клееного профилированного бруса классического представления в виде однородного (квазигомогенного) материала без учета локальных дефектов (сучков, косослоя, не-проклеев, зубчатых соединений и пр.). Поэтому справочные значения X, приведенные в СНиП II-3-79* для фанеры или цельной древесины, требуют уточнения. Насколько велико различие коэффициентов теплопроводности деревянных клееных конструкций и рекомендуемых строительными нормами можно установить в результате теоретических или экспериментальных исследований.
К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Коэффициент теплопроводности X - количество теплоты, которое проходит через единицу поверхности при градиенте температуры в 1 0С.
На сегодняшний день известен ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Первая группа методов позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (от 20 до 700 °С) и получать более точные результаты. Недостатком методов измерения стационарного потока тепла является большая продолжительность опыта, измеряемая часами. Вторая группа методов позволяет проводить эксперимент в течение нескольких минут (до 1 ч), но зато пригодна для определения теплопроводности материалов лишь при сравнительно низких температурах.
Общим недостатком существующих методов является то, что они не предусматривают проведение испытаний строительных конструкций толщиной более 100 мм, а предназначены исключительно для определения теплопроводности образцов небольших сечений, толщиной от 3 мм до 50 мм [3, 5], либо вообще не предназначены для многослойных конструкций [4], следовательно, не пригодны для определения теплопроводности ограждающих конструкций зданий из клеёного бруса. Другие методы [5, 6] имеют другой недостаток - сложность применяемого оборудования и трудоемкость подготовки образцов к испытаниям, а также необходимость создания однонаправленного теплового потока, что довольно затруднительно при испытаниях ограждающих конструкций зданий.
С учетом недостатков существующих методов и способов определения теплопроводности, были сформированы требования к новому устройству:
• определение теплопроводности образцов больших сечений;
• максимальная приближенность способа к естественным условиям эксплуатации конструкций;
• малая трудоемкость подготовки образцов;
• возможность автоматизации процесса определения теплопроводности;
• простота эксплуатации установки;
• возможность использования установки для контроля теплопроводности конструкций в процессе их эксплуатации.
На основании данных требований на кафедре механической технологии древесины в 2005-2006 г.г. была разработана экспериментальная установка [7, 8], с помощью которой были проведены многочисленные опыты как трехслойного, так и пятислойного клееного бруса. В ходе проведения экспериментальных исследований требовалось решить следующие задачи:
- с использованием аппарата однофакторного дисперсионного анализа оценить степень влияния количества ламелей и мощности нагревательного элемента в брусе на величину коэффициента теплопроводности древесины;
- проверить гипотезу об отсутствии взаимодействия между мощностью нагревательного элемента и местом установки датчиков с помощью двухфакторно-го дисперсионного анализа.
В таблицы 1 представлены результаты экспериментальных исследований для оценки влияния мощности нагревательного элемента на коэффициент теплопроводности древесины. После их обработки получены следующие данные:
Л Л
дисперсия фактора А Sа = 0,0000065; остаточная дисперсия Sn2 = 0,0000365; расчетное значение критерия Фишера = 0,18; табличное значение критерия Фишера (0,05;1;6) = 5,99. Т.к. расчетное значение критерия Фишера оказалось больше табличного, то можно сделать вывод о том, что мощность нагревательного элемента не влияет на коэффициент теплопроводности древесины.
Таблица 1 - Результаты опытов
Уровни фактора А значения выходной величины У у Среднее арифметическое уровня У Дисперсия уровня Si2
Натуральное обозначение Кодированное обо-
значение
М = 18,75 Вт А1 0,195; 0,189; 0,199; 0,186 0,192 0,0000367
М = 25 Вт А2 0,192; 0,186; 0,199; 0,187 0,191 0,0000363
Так же с помощью дисперсионного анализа были обработаны данные, приведенные в таблице 2, о влиянии количества ламелей на коэффициент теплопроводности.
Таблица 2 - Результаты опытов
Уровни фактора В Значения выходной величины У у Среднее арифметическое уровня У1 Дисперсия уровня Б,2
Натуральное обозначение Кодированное обозначение
п = 3 В1 0,219; 0,213; 0,213; 0,221; 0,208; 0,215; 0,217; 0,213; 0,213; 0,221; 0,197; 0,198 0,212 0,0000622
п = 5 В2 0,223; 0,22; 0,227; 0,227; 0,212; 0,209; 0,219; 0,207; 0,216; 0,217; 0,23; 0,23 0,219 0,0000624
После обработки данных получены следующие результаты: дисперсия фак-
9 9
тора В За2 = 0,00033; остаточная дисперсия Зп2 = 0,00006; расчетное значение критерия Фишера = 5,3; табличное значение критерия Фишера (0,05;1;6) = 4,3. По данным значениям критерия Фишера видно, что место установки датчиков, т.е. количество слоев, значимо влияет на коэффициент теплопроводности древесины.
Взаимодействие между мощностью нагревательного элемента и местом установки датчиков проверялось с помощью двухфакторного дисперсионного анализа. Фактор А - мощность нагревательного элемента, Вт; фактор В - количество ламелей в брусе, шт. Результаты экспериментов, проведенных на пятислойном брусе, представлены в таблице 3.
Таблица ^ 3 - Результаты опытов
Ламели, шт Мощность, Вт Среднее арифметическое уровня Уы
18,75 25
3 0,201; 0,196; 0,21; 0,204; 0,202; 0,176; 0,203; 0,179 0,219; 0,213; 0,213; 0,221; 0,208; 0,217; 0,215; 0,213 0,206
5 0,22; 0,217; 0,219; 0,214; 0,208; 0,2; 0,208; 0,206 0,223; 0,227; 0,22; 0,227; 0,212; 0,219; 0,209; 0,207 0,215
Среднее арифметическое уровня у* 0,204 0,216 0,21
Результаты обработки опытов при двухфакторном дисперсионном анализе
л
получились следующие: дисперсия фактора В Ба = 0,00125; дисперсия фактора В
9 9
Бв2 = 0,00067; дисперсия взаимодействия Зав2 = 0,000288; остаточная дисперсия
9 9
Бп2 = 0,0000699; общая дисперсия Б2 = 0,000134. Так же был вычислен критерий Фишера для факторов А и В и их взаимодействия. По данным значениям можно сделать следующий вывод, что мощность нагревательного элемента, установлен-
ного внутри клееного бруса, и количество ламелей значимо влияют на коэффициент теплопроводности древесины. Так же подтвердилась гипотеза об отсутствии
взаимодействия между данными факторами.
Литература
1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. - 2003. - 23 с.
2. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника. Нормы проектирования. - М.: ГУП ЦПП, 1998. - 29 с.
3. Справочник по древесиноведению, лесоматериалам и деревянным конструкциям, перевод с англ. Т. I, М. - Л., 1959. - 319 с.
4. Новости Петрозаводского государственного технического университета. [Электронный ресурс]. www.pstu.ru. Проверено 23.01.2007.
5. Межгосударственный стандарт ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. - 2000 г. - 13стр
6. Межгосударственный стандарт ГОСТ 26602.1-99 Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче. - Госстрой России . -2000.
7. Сироткина К.В. Определение теплопроводности древесины // Сборник научно-исследовательских работ молодых ученых по программе «Шаг в будущее». - Кострома, 2005.
8. Титунин А.А. Определение коэффициента теплопроводности клееной древесины / А. А. Ти-тунин, [и др.] // Вестник КГТУ, вып.11. - Кострома: КГТУ, 2005. - С. 114-117.
