Моделирование воздействия градины на плоские стальные кровельные мембраны жилых зданий

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 19836 (2022) Цитировать эту статью

448 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Металлические кровельные панели обычно используются в жилых и коммерческих зданиях. Стальные панели, подвергающиеся воздействию града, еще не прошли должных испытаний на устойчивость к вмятинам. Модель конечных элементов (МКЭ) использовалась для анализа всей испытательной установки. Чтобы сравнить искусственные градины с естественными градинами, которые остались неповрежденными после удара, разные стальные листы подвергались ударам искусственных градин разного размера с разными конечными скоростями. Моделирование и свойства материала оцениваются путем сравнения экспериментальных результатов с моделью FE. Также представлено уравнение для прогнозирования глубины вмятины на основе кинетической энергии и напряжения. Результаты этого исследования позволяют лучше понять режимы разрушения панелей крыши и града, а также их влияние на устойчивость к вмятинам. В данном исследовании результаты наблюдений и численного моделирования хорошо согласовались с результатами аналитических моделей. В результате предложенное уравнение переоценивает глубину вмятин по сравнению с глубинами вмятин, полученными с помощью моделей конечных элементов, в то время как уравнение приводит к недооценке глубины вмятин, обнаруженных на стальных листах.

Град может серьезно повредить крыши. В зависимости от потока воздуха во время града можно наблюдать градины диаметром до 45 мм. Ущерб, связанный с градом, часто связан с повреждением крыши. В литературе по-прежнему предполагается, что ливни с градом могут нанести значительный ущерб крышам. Если нет протечек или других видимых повреждений, повреждения от града на крыше не видны. Кроме того, град, остающийся твердым после удара, наносит значительный ущерб. Моделирование поведения градины при ее воздействии имеет решающее значение для точной оценки разрушения градом материалов кровли. Поскольку природные градины не распадаются, они наносят больший ущерб, поскольку при распаде не теряется энергия1. Кроме того, необходимо разработать метод, позволяющий искусственным градинам оставаться целыми при высокоскоростном ударе. Жидкий азот используется для создания градин, которые могут оставаться целыми после удара на высокой скорости. Подобно натуральной градине, искусственная градина однородна и плотна. Для точного определения устойчивости стальных пластин к вмятинам, особенно в динамических условиях, необходимо получить реалистичное поведение града во время удара. Риск выхода из строя кровельной системы необходимо оценивать вместе с такими важными факторами, как размер града, скорость града, форма кровельной пластины и предельное напряжение. До сих пор подобных исследований не проводилось. В этом исследовании для определения устойчивости к вмятинам используются расчеты и экспериментальные испытания. Моделирование КЭ проводилось с помощью программного обеспечения Abaqus2. Новым аспектом этого исследования является проведение анализа града методом конечных элементов, подтвержденного лабораторными испытаниями. Основное внимание уделяется глубине вмятин на стальных листах после града, поскольку их толщина варьируется в зависимости от направления нагрузки.

Когда искусственные градины замерзают снаружи внутрь, воздух собирается во внешней оболочке. Из-за захваченного воздуха, который задерживается локально, градины имеют слабое место. Ким и др.3 и Флюелер и др.4 использовали мелкое наслоение слоев для создания искусственного града, что было воспроизведено Типпманном5. Настоящая градина имеет слоистую структуру от основания до кончика, напоминающую слои луковицы. Поэтому все градины, полученные этим методом, разбиваются при ударе о твердую поверхность. Метод погружения Аллаби и Гарратта6 предполагает выращивание эмбрионов на сухом льду, помещение их в шарик для пинг-понга с отверстием наверху и замораживание в кипящей воде. При этом градины имели сферическую форму, а их внешний слой был прозрачным. Одна из двенадцати протестированных моделей выдержала первое испытание на удар, хотя ни одна из них не была идеально круглой. После удара ледяная сфера может сохранять свою прочность за счет увеличения прочности на разрыв. Исследование, проведенное Gold7, показывает, что материал, известный как пайкрет, по своим свойствам сильно отличается от льда. Для увеличения прочности льда в состав включали хлопковые или полипропиленовые волокна. По словам Ву8, искусственные градины были укреплены клеем на основе ПВА и микроволокнами, но их параметры существенно не изменились. Искусственные градины запускались со скоростью около 30 м/с на стальные пластины G300 толщиной 0,55 мм. Испытание на удар выдержал только ледяной шарик, приготовленный на 88% из кипятка и клея ПВА. Примесь ПВА в граде приводит к тому, что он ведет себя как резина9,10. Здесь впервые в литературе сообщается, что искусственные градины были изготовлены с помощью жидкого азота и воды. Для создания искусственных градин использовалась смесь 88% деминерализованной воды и 12% ПВА. При ударах по стальным крышам с более высокими конечными скоростями искусственные ледяные градины, созданные из жидкого азота, оставались неповрежденными.