Новые теплотехнические требования при традиционно использующемся на предприятиях стройиндустрии наборе материалов, как правило, исключают использование однослойных конструкций. Проблема решается, если конструкция стены становится многослойной, обычно трехслойной. Внутренний и наружный слои стены - пластины из прочного материала, и средний слой - утеплитель. Важным элементом конструкции является способ соединения внутреннего и наружного слоев стеновой панели, который в значительной степени определяет напряженно-деформированное состояние стеновой панели, способ ее расчета, методику испытания. По способу соединения наружных слоев стеновые панели можно разделить на три конструктивных типа: 1) панели с жесткими контурными ребрами; 2) панели с дискретными жесткими шпонками; 3) панели с использованием гибких связей.

Работа многослойных конструкций существенно отличается от работы однослойных, особенности работы многослойных конструкций в достаточной мере не исследованы. Несмотря на то, что разработка таких конструкций в связи с необходимостью решения задачи энергосбережения актуальна, необходимые для этого исследования не обеспечиваются ни на федеральном, ни на региональном уровне.

До последнего времени исследования работы многослойных стеновых панелей, разработка конструкций стен, рабочих чертежей в ОАО институт "УралНИИАС" выполнялись, в основном, за счет средств заказчиков, а иногда и с его участием. Ограниченные возможности заставляли проводить исследования, особенно экспериментальные, как проверочные. При этом глубина и широта исследований были ограничены. В ОАО "УралНИИАС" накоплен значительный опыт проектирования крупноразмерных стеновых конструкций. Разработаны (при разной степени участия заказчика) стеновые панели серии 97 (г. Первоуральск), серии 141КУ (г. Каменск- Уральский), стеновые блоки для серии 81 (г. Полевской), стеновые панели серии 137 (по заказу и при участии АО "КПД" г. Екатеринбург) и блоки домов серии 439 (УКС Уралмаша, г. Серов), стеновые панели серии 121 (Верхне-Тагильский комбинат строительных конструкций), стеновые панели серии 1.030.1-1 (ООО "Бетам" г. Новоуральск, Березовский завод строительных конструкций), стеновые панели серии 111-137 (г. Артемовский). Почти все упомянутые разработанные конструкции в настоящее время изготавливаются на предприятиях стройиндустрии, используются в строительстве. Наблюдения за конструкциями показывают удовлетворительные результаты.

Широкий спектр сборных стеновых конструкций, проработанных в ОАО "Урал НИИАС", дал множество конструктивных решений, примеры использования при производстве конструкций из тяжелого бетона, керамзитобетона, вермикулитобетона, полистиролбетона. Одновременно был определен круг задач, решение которых необходимо для дальнейшего совершенствования конструкций. Отдельные результаты, полученные нами при исследовании напряженно-деформированного состояния стеновых панелей, представляются интересными и могут быть предложены для обсуждения.

Ниже, в качестве примера, рассматриваются конструкции стеновых элементов, обеспечение их прочности и долговечности, особенности изготовления, оценка теплотехнических характеристик.

При проектировании конструкция может быть условно разделена на две части: внутренний слой, который обеспечивает восприятие нагрузок, общую устойчивость здания, через который обеспечивается связь стеновых конструкций с остальными элементами здания, и наружный слой, который навешивается на внутренний, не участвует в обеспечении общей устойчивости и прочности здания, который может быть отремонтирован, даже полностью снят без ущерба для прочности здания.

Внутренний слой работает практически в обычных условиях, его проектирование обеспечивается имеющимися нормативными материалами. Особенностью работы наружного слоя является его малая тепловая инерция, температура соответствует температуре наружного воздуха со всеми колебаниями, периодически конденсируется влага. В этих условиях требования морозостойкости к наружному слою должны быть повышены, при проектировании необходимо учитывать усилия от температурных воздействий. Для наружного слоя в опытных панелях применялись железобетон, керамзитожелезобетон, армированный полистиролбетон. Толщина наружного слоя должна обеспечить огнестойкость и сохранность арматуры, в силу этого она составляет 60-75 мм при величине защитного слоя >30 мм. Подобранные составы бетона наружного слоя обеспечивают его морозостойкость F 150-200.

Связь внутренней и наружной пластин может быть осуществлена через жесткие ребра, точечные шпонки или посредством гибких связей. Как показывает эксперимент, в передаче усилий от наружной пластины к внутренней участвуют как связи, так и утеплитель, однако работа утеплителя как несущего элемента, с учетом пластических деформаций и деформаций ползучести, должным образом не исследована, поэтому в расчетах она не учитывалась.

В большинстве упомянутых случаев в качестве связующего элемента использовались жесткие бетонные связи, работающие без участия утеплителя и защищающие арматуру слоем бетона. Для конструкций толщиной 400-600 мм связь слоев осуществлялась протяженными вертикальными ребрами. Для конструкций толщиной 350 мм предусмотрены бетонные шпонки. Для конструкций меньшей толщины приходится использовать гибкие связи. К материалу связей, работающему в условиях переменной температуры, периодического увлажнения, на границе щелочной (бетон) и слабокислой (утеплитель) сред, должны предъявляться очень жесткие требования. По заданию Бийского завода стеклопластиков были проведены исследования стеклопластиковых связей.

Работа многослойной конструкции на температурные воздействия существенно отличается от такой же работы однослойной: если преобладающей формой деформации однослойной конструкции является изгиб, то для многослойной со слабым средним слоем - сдвиг по слою утеплителя. Жесткие связи при температурных воздействиях работают в условиях сдвига и возникающего при этом отрыва, соответственно они должны быть и законструированы. Протяженные ребра армируются плоскими каркасами с поперечными стержнями, препятствующими отслоению ребра от внутреннего и наружного слоев. Шпонки размещаются так, чтобы в направлении действия гравитационной нагрузки усилия от температурных деформаций не возникали (по одной горизонтальной линии посередине высоты панели), они армируются каркасом, воспринимающим поперечную силу и момент в рабочем (вертикальном) направлении.

Жесткие связи работают при знакопеременных многократно повторяемых температурных перемещениях величиной порядка 1 мм. Ситуация усугубляется тем, что расчетная арматура анкеруется в достаточно тонких пластинах наружного и внутреннего слоев. В особо жестких условиях работают относительно слабые бетонные шпонки. Все это обусловило необходимость постановки эксперимента на специальных образцах натурных размеров (фрагмент панели с двумя шпонками) с одновременным приложением нагрузки от наружной пластины и немногократно повторных перемещений от воздействия температуры. В пределах заданных 50 циклов нагружения все процессы стабилизировались, каких-либо неблагоприятных изменений не отмечено, т. е. эксперимент подтвердил надежность принятых решений. Работа шпонок и протяженных ребер для всех разработанных конструкций проверялась также на натурных образцах одиночными загружениями.