关于断热型材及计算.doc

关于断热型材的计算 断热型材是按照组合截面计算抗弯刚度还是按叠和截面计算抗弯刚度。按组合截面计算就是用布尔运算将截面相加，按叠和截面计算就是简单的将两部分截面抗弯刚度数学相加。也就是能否考虑中间隔热材料的抗剪能力。对于此问题,国家出台的相关标准,隔热型材的惯性矩是视其长度来确定,需要检测才能出结果的,因为涉及到每家型材厂生产工艺的不同其值也不相同,我先贴一个计算的过程上来吧,参考B 3 计算示例通过计算可得：A1 = 2.55cm2 I1= 4.7162 cm4 1 = 1.39 cmA2 = 1.58cm2 I2 = 0.1584 cm4 2 = 1.87 cm= 70000N/ mm2 = 150 cm c = 80 N/ mm2Is = I1+I2+ A1 12 + A2 22= 4.7162+0.1584+2.551.392 +1.581.872 = 15.33 cm4=（A1 12 + A2 22 ）/ Is =(2.551.392 +1.581.872)/15.33 = 0.682= 82.21C = 2/（2+2）= 82.21 /（3.142+82.21) = 0.8928Ief = Is(1-)/ ( 1-C ) = 15.33(1-0.682)/(1-0.6820.8928) = 12.46 cm4这个计算值比隔热条按铝材来算小了3cm4左右,上述按长度为1500来计算,但按2000mm以上来计算,其截面特性基本同隔热条按铝材来计算,但上述隔热条是尼龙66的,PVC当然也就不同了三型材强度（复合惯性矩） 对于隔热铝材能否作为主承重载体而用于大型和高层建筑用窗或幕墙的关键之一，是隔热铝材的强度（或复合惯性矩）能否达到设计方的规定。那么，注胶式隔热铝材、穿条式隔热铝材与普通铝材的强度是否相等呢？我们对此也进行了计算和分析。我们参考了欧盟的相关标准（prEN 14024:2000隔热金属型材性能要求和测试试验）和美国的相关标准（AAMA TIR A8：2004隔热建筑铝合金型材结构性能与分析）。为了可以公平性的考量隔热铝材的强度差异，在这里我们采用了欧盟prEN 14024:2000标准作为计算分析的理论依据。以下为该标准的部分原文翻译：隔热型材的有效惯性矩计算方法B.1 隔热型材的挠度可以通过常用挠度公式计算出来，但是要考虑金属型材弹性结合的组合惯性矩。B.2 有效惯性矩计算公式为：Ief = Is（ 1- ）/ （ 1- C ） （1）其中：Is = I1+ I2 + A112 +A2 22（2）= （A112 + A2 22 ）/ Is （3）C = 2/（2+2 ） （4） （5）式中： Ief 有效惯性矩(单位为cm4)；Is 刚性惯性矩(单位为cm4)；刚性惯性矩的组合参数；C弹性结合作用参数； 几何形状参数；梁的跨度(单位为cm)；c隔热材料的弹性常数或组合弹性值(单位为N/mm2)； 铝合金弹性模量(单位为N/mm2)；A1 A1区的截面积(单位为cm2)；A2 A2区的截面积(单位为cm2)；1 A1区形心到隔热型材形心的距离(单位为cm)。2 A2区形心到隔热型材形心的距离(单位为cm)；I1 A1区型材惯性矩(单位为cm4)；I2 A2区型材惯性矩(单位为cm4)。注：1) 因为取决于梁的跨度，所以有效惯性矩是跨度的函数。对于大的跨度,其值则接近刚性值。2) C的公式对于正弦形荷载是严格有效的，而对于不变载荷以及三角形载荷也具有较高的精确度。B.3 计算示例：如右图中所示： 面积A1=253.7mm2 A2=336.3mm2形心距a1=27.3mma2=25.2mm a=52.5mm惯性矩I1=12570.2 mm4I2=114422.0 mm4 则IS=I1+I2+A1a12+A2a22 =12570.2+114422.0+253.727.32+336.325.22=529636.2 mm4=（A1a12+A2a22）/IS =（253.727.32+336.325.22）/529636.2= 0.762=ca2 l2/ （EIS）（1 -） 取梁跨l=1000mm，隔热胶弹性常数c=1600N/mm2，铝合金弹性模量E=70000 N/mm2 2 = 160052.5210002/70000529636.20.76（1-0.76） = 652.14C=2/（2+2）=652.14/（3.142+652.14）=0.99所以该型材截面的组合惯性矩：Ief=IS(1-)/(1-C) =529636.2（1-0.76）/（1-0.760.99）=513379.2 mm4该浇注式隔热型材，若将隔热胶看作铝合金，通过计算机计算得到的I值为549217.4 mm4，与上述梁跨l=1000mm的情况下的计算结果基本接近，而跨度l越大，通过该方法计算的结果越精确。 同样，对于结构尺寸一致的穿条式隔热铝材，我们也作了计算分析。由于主要参数c（隔热材料的弹性常数或组合弹性值）相差较远，且其他相关参数的微量差异，使得两种隔热铝材的复合惯性距相差较大。具体结果如图所示：浇注隔热窗的强度优势 随着我国人民生活水平的发展，城市居住条件的改善，对于门窗的要求也在不断的提高。门窗是建筑设计的重要元素，既可以增加美观、造型，又可以提高用户的舒适度。更重要的是高性能的门窗能提高建筑的采光度，显著弥补建筑使用时的能耗；在少数情况下，可以使建筑的使用能耗降低为零。断热铝合金门窗由于其结构性强、造型美观、表面的色彩及耐老化、节能，在北美洲、欧洲、日韩市场普遍应用，技术领先，工艺成熟，可供我们借鉴。 自从隔热材料开始用于铝合金门窗系统，就有两种系统在市场处于领先地位，结构胶-就是常说的浇注系统，以及穿条系统。所有成功或着失败的产品都是基于材料的性价比。下面来分析这两种产品的差异，读者可以根据自己的工作性质来作出判定。一隔热性能隔热材料的主要功能就是阻止热传导。1围护结构总的传热绝缘系数：M0 = Mi + M + Me K = 1/M0M0-围护结构总的传热绝缘系数（m2K/W）Mi-内表面传热绝缘系数（m2K/W），0.11（m2K/W）。Me-外表面传热绝缘系数（m2K/W），0.04（m2K/W）。K-围护结构总的传热系数（W/m2K）2单层结构传热绝缘系数： M = / -材料层厚度（m）-材料热导率(W/mK)3多层结构传热绝缘系数：M = M1 + M2 + Mn = 1/1 + 2/2+ n/n式中 M1、M2、 、Mn-各层材料热绝缘系数（m2K/W）; 1、2、n-各层材料厚度（m）; 1、2、n-各层材料热导率（W/mK）.4热导率（W/mK）: 又导热系数。在稳定条件下，1米厚的物体，两侧表面温度差为1K或10C，单位时间内通过1平方米面积所传递的热量。 铝合金- 203（W/mK） 聚苯乙烯泡沫板- 0.05（W/mK） 挤出PS泡沫板 - 0.030（W/mK） 聚氯乙烯型材- 0.16（W/mK） 亚松聚氨脂胶- 0.12（W/mK） 尼龙66（玻璃纤维增强25%）- 0.35（W/mK）4穿条铝合金断桥实例计算A: 14.8mm穿条铝合金断桥位置的K值M0=0.11+0.02/203 + 0.010/0.35+ 0.03/203 +0.04=0.179（m2K/W）K=1/M0=1/0.179=5.6（W/m2K）B: 25.0mm穿条铝合金断桥位置的K值M0=0.11+0.02/203+0.020/0.35+0.03/203+0.04=0.207（m2K/W）K=1/M0=1/0.207=4.83（W/m2K）5浇注铝合金断桥实例计算A: AA槽浇注铝合金断桥位置的K值M0=0.11+0.02/203+0.0052/0.12+0.03/203+0.04=0.193（m2K/W）K=1/M0=1/0.193=5.18（W/m2K）B: BB槽浇注铝合金断桥位置的K值M0=0.11+0.02/203+0.0064/0.12+0.03/203+0.04=0.203（m2K/W）K=1/M0=1/0.203=4.93（W/m2K）C：浇注铝合金断桥填充聚苯乙烯泡沫板位置的K值 M0=0.11+0.02/203+0.045/0.05+0.03/203+0.04=1.05（m2K/W）K=1/M0=1/1.05=0.95（W/m2K）D: 浇注铝合金断桥填充挤出PS泡沫板位置的K值M0=0.11+0.02/203+0.045/0.03+0.03/203+0.04=1.65（m2K/W）K=1/M0=1/1.65=0.61（W/m2K）6结论 浇注铝合金断桥窗要想达到理想的K值，只需在框内填充廉价的泡沫塑料。二结构性 结构的整体性是设计师在生产中需要考虑的另一个标准。产品在许多实际应用中销声匿迹，原因都是整体性能不佳。结构的整体性可以保证产品在使用期间内都能保持最初的性能。在住宅应用中需要考虑到抗风、飓风和其它的恶劣条件，因此要求具有优秀的结构性和长效性。在商用设施中，抗风载、抗煎切和偏移都是任何隔热产品设计要考虑的因素。两种隔热材料系统的重要的结构特性都可以通过不同ASTM的测试，来评价设计差异。测试标准和比较如下：聚氨脂结构胶 玻璃纤维增强尼龙66条煎切强度（AAMA TIR-A8）100mm 12,000 N 3,700 N冲击强度（ASTM D 256 ） 1.02 J/m 0.54 J/m弯曲强度（ASTM D 790） 131 N/mm2 123 N/mm2伸长率（ASTM D 638 ） 65% 8%尽管每项的差异很明显，对于成品的整体性最重要的方面就是抗风压形变。在门窗受到正风压时门窗要往屋内凹陷变形，门窗的中梃内侧的铝合金型材受到拉伸，门窗的中梃外侧的铝合金型材受到压缩，隔热材料受到剪切应力；同理，当门窗受到负风压时，隔热材料受到相反的剪切应力。因门窗的挠度形变 ( f ) 与材料的弹性模量 ( E )及惯性矩 (I )的乘积成反比，所以隔热铝合金型材料的有效惯性矩的大小成为大家关注的焦点。因铝合金材料的弹性模量(70000 N/mm2)与隔热材料的弹性模量（PA= 2500 N/mm2 ;PU=1600 N/mm2）相差悬殊，故在理论计算上只考虑铝合金材料的弹性模量。 如上图所示，两根截面为ab的材料，中间联结有效时，其惯性矩为1/12a(2b)3；联结失效时，其惯性矩为1/6ab3。比较一下，相差4倍。而隔热材料的联结有效程度应为以上两种情况之间。I有效 = Is (1v)/(1vC)Is= I1 + I2 +A1a12 +A2a22v= (A1a12 + AA2a22)/ IsC = 2/(2 + 2)2 =ca2L2/(EIs)v(1v)式中： Is-钢性惯性矩(cm4) v -钢性惯性矩的组合参数 C-弹性结合作用参数 L-梁的跨度（cm） A1- A1区的截面积 A2- A2区的截面积 a1-A1区形心到隔热型材形心的距离(cm) a2- A2区形心到隔热型材形心的距离(cm) I1-A1区型材的惯性矩（cm4） I2-A2区型材的惯性矩（cm4）穿条的c值取80 N/mm2；浇注的c值取1600 N/mm2 。按L=150 cm；a=2 cm；b= 2.5 cm。得：V=0.75。 C（穿条）=0.80；C（浇注）=0.998。I（穿条有效）=0.63 Is ；I（浇注有效）=0.99 Is 以上结果说明：浇注铝合金型材的钢性为0.99，几乎可视同两根铝合金型材为一体，进行惯性矩计算。而穿条铝合金型材的惯性矩，仅为两根铝合金型材为一体时惯性矩的63%。因此，这就是摩天大楼总是使用浇注隔热铝合金型材系统的原因所在。 如果两种隔热技术在惯性矩相等时，型材的高度也相等，那么在型材的宽度上会怎么样呢？以浇注系统的AA槽和穿条系统的14.8mm为例。a.隔热区在中间：0.95(W浇注-6)3=0.63(W穿条-14.8+4.8)3 。W穿条=1.145 W浇注+4 例如：浇注45mm（宽度）=穿条56mm（宽度） 浇注50mm（宽度）=穿条61mm（宽度） 浇注55mm（宽度）=穿条66mm（宽度）b.隔热区偏心（3:7）: 0.95(W浇注-6)3=0.70(W穿条-10)3 。W穿条=1.11 W浇注+4 例如：浇注45mm（宽度）=穿条54mm（宽度） 浇注50mm（宽度）=穿条59mm（宽度） 浇注55mm（宽度）=穿条65mm（宽度）其它三项ASTM测试项目相互关联。冲击强度高表明材料在生产、运输、安装及使用过程中抵抗外力的能力强。伸长率高表明材料在使用过程中受外力时可变形的能力强，当外力变小或消失时，材料因其卓越的弹性而恢复至原来的形状，并吸收大量的冲击能；且表现为低温使用能力强（300C）；可进行弧型窗的制作而不失复合强度的降低。三设计效果的灵活性 浇注产品在门窗设计方面提供很大的灵活性，使设计师更有创造性。由于胶的杰出性能可以应用到许多类型的型材（弯曲的、宽的、窄的、隐藏的槽）而不用牺牲结构和隔热型能，因此高密度隔热胶正在得到广泛应用。令人信服的是几乎任何非隔热铝门窗都可以重新设计为浇注产品。另外在需要更换复古历史性建筑，相当窄的视线且需要隔热，唯一的选择只能是浇注隔热系统。 一些门窗五金件在应用到穿条系统时有时很困难，因为整体型材尺寸和隔热区的公差问题。使用浇注隔热系统可以容易地利用标准门窗五金件来保证正常的工作，源于精确的整体型材精度。在安装过程中，一般的加固方法会使穿条系统造成特别的问题，而浇注隔热系统就和任何标准的门窗产品一样可以加固。四稳定性 浇注隔热系统在生产时只要保证180C以上的室温，通过专业的浇注设备及隔热胶的控制，就能保证隔热型材的抗拉（高温、室温、低温）和抗剪（高温、室温、低温）指标。随机抽检样品的稳定性好。而穿条的一根料的两端和中间抽检样品料段的稳定性不好（高温抗剪相差约10%）；条越宽，越不稳定。在德国，穿条的工艺为开齿、穿条、压合、喷粉、烘烤；以保证抗拉（高温、室温、低温）和抗剪（高温、室温、低温）指标。而国内穿条的工艺为喷粉、烘烤（目的为两色），再开齿、穿条、压合；因带有喷粉的“牙齿”咬合深度只能保证60%70%，故复合后的隔热型材的抗拉（高温、室温、低温）和抗剪（高温、室温、低温）指标经常不达标，且稳定性较差。穿条隔热系统的开齿工序很关键，钝了保证不了强度；尖了不容易穿条；整个系统控制起来很复杂，成本高。五节能产品的能耗 浇注隔热系统和穿条隔热系统同为隔热产品，但是它们本身产品