CN103476998B - 用于确定复合材料建筑面板的结构参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种确定所有类型的墙板的表面纸性质的方法，所述方法包括提供墙板的芯强度值、基于墙板规格确定所需的拔钉值，以及基于所提供的芯强度值和所确定的拔钉值来计算表面纸刚度值。本发明包括在显示设备上显示所计算的表面纸刚度值。
Description
优先权声明
本申请为2009年8月20日提交的美国专利申请No.12/544,707的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及复合材料建筑面板。更具体地，本发明涉及一种用于确定石膏墙板的结构参数的方法。
背景技术
诸如石膏墙板的复合材料建筑面板公知用于内墙和天花板建造。墙板相比于其他材料的主要优点中的一些是墙板更便宜、防火，并在建造应用中易于操作。在建造中，通常使用诸如钉子或螺钉的紧固件将墙板固定至构架墙和天花板的木质支撑件或金属支撑件。由于墙板相对较重，因此其必须足够强以防止紧固件穿出墙板并导致墙板从支撑件松开或脱离支撑件。
拔钉为将墙板从相关支撑件拔出并拔过所述紧固件的头部所需的力的大小的工业量度。墙板的优选拔钉值在65-85磅之间的力的大概范围内。拔钉为墙板芯强度、表面纸强度以及表面纸与芯之间的结合的组合的量度。拔钉测试根据美国材料试验学会（ASTM）标准C473-00进行，并使用在插入墙板中的紧固件的头部上拉拔的机器以测定将紧固件头部拉拔穿过墙板所需的最大的力。由于拔钉值为墙板强度的重要量度，已为墙板建立最小所需拔钉值。因此，制造商生产满足或超过最小所需拔钉值的墙板。
为了确保墙板满足所需的拔钉值，常规墙板制造商调节墙板的结构参数。具体地，取决于过程的经济性，制造商通常调节墙板的表面纸重量或墙板的重量以满足所需的拔钉值。在制造过程中，测试墙板以确定是否其满足所需的拔钉值。如果墙板的测试的拔钉值小于所需拔钉值，则制造商增加墙板上的表面纸重量和/或墙板的重量。重复该过程直至满足所需拔钉值。
这样的过程是不精确的，并常常由于增加至墙板的过量的表面纸重量和/或总板重量而导致所测试的拔钉值超过所需拔钉值。而且，过量的重量从表面纸和/或从芯添加至墙板，并由此增加了墙板的制造和运送成本。此外，有可能浪费时间和材料，直至在墙板生产线上获得所需的拔钉值。
因此，需要一种调节墙板制造系统的改进技术，以制备满足指定拔钉值的墙板。
发明内容
易于由本领域技术人员认识的这些问题和其他问题通过本发明的确定诸如墙板的复合材料建筑面板的结构性质的方法而得以解决。
本发明的方法设计用于在制造之前确定石膏墙板的结构参数，以降低制造和运送成本，以及显著降低制造时间。
更具体地，本发明的方法确定墙板的结构参数，并包括提供墙板的芯强度值、确定所需的拔钉值，以及基于所提供的芯强度值和所确定的拔钉值来计算表面纸刚度值。所计算的表面纸刚度值显示于显示设备上以由制造商使用。
在另一实施例中，一种制造墙板的方法包括确定所需拔钉值、提供墙板的芯强度值，以及基于所需的拔钉值和所提供的芯强度值来确定表面纸刚度值。所述方法包括基于所确定的表面纸刚度值来确定表面纸重量、基于所确定的表面纸重量来选择表面纸类型，以及通过使用所选择的表面纸类型和所提供的芯强度值来制备墙板。
在制造之前确定结构参数通过消除通常用于墙板以满足所需拔钉值的过量的表面纸重量或墙板重量，从而使制造商能够节省显著的制造和运送成本。另外，节约了显著量的制造时间，因为需要更少的时间来测试制造的墙板以确定满足所需拔钉值所需的复合材料设计和最终产品重量。此外，尽管降低了由过量的表面纸所增加的另外的重量和应力，但仍然保持了墙板的结构完整性和强度。
附图说明
图1为示出了使用来自各种表面纸重量和拉伸刚度指数面积（TensileStiffnessIndexArea）（TSIA）的不同表面纸刚度值以及在各种板密度下的不同芯强度值，不同类型的墙板的测得的拔钉数据和预测的拔钉数据之间的比较的表。
图2为示出了在37lb/ft3的板密度下在不同的芯强度值下，拔钉随表面纸刚度的变化的图。
图3为示出了在37lb/ft3的板密度下在不同的表面纸刚度值下，拔钉随芯强度的变化的图。
图4为示出了在37lb/ft3的板密度下在不同的所需拔钉值下，表面纸刚度与芯强度之间的关系的图。
图5为示出了对于37lb/ft3的板密度，在不同芯强度值下获得77lbf的所需拔钉值所需的表面纸重量与拉伸刚度指数面积值之间的关系的图。
图6为基于图5的图，确定对于37lb/ft3的板密度，在不同芯强度值下获得77lbf的所需拔钉值所需的某些表面纸重量值和拉伸强度指数面积（TSIA）值的表。
具体实施方式
拔钉值对于石膏墙板的强度和可用性是关键的。如果特定墙板的拔钉值过低，则将墙板保持在框架或其他支撑件上的紧固件可能穿过墙板，并导致墙板裂化、破碎或从框架或支撑件上落下。或者，如果拔钉值过高（即显著超过所需拔钉值），则在制造过程中墙板生产资源并非有效应用并且浪费金钱。
石膏墙板制造中的一个问题是如何准确确定与墙板的所需拔钉值相关的表面纸重量，和更有效地利用制造和运送成本以及制造时间的方式。如上所述，墙板制造商在墙板上进行测试，以确定其是否满足所需拔钉值。如果不满足所需拔钉值，则制造商通常增加墙板的表面纸重量和/或板重量。重复这些步骤，直至满足墙板的所需拔钉值。该过程是不准确的，并常常导致墙板具有过量的表面纸重量或板重量，并由此增加制造和运送成本以及制造时间。
之前的拔钉模型将石膏板的拔钉与较小的石膏板（半英寸石膏板）的表面纸刚度值和芯强度值相关联。在另一实施例中，该拔钉模型已扩展至广义拔钉模型，所述广义拔钉模型将拔钉值与数种不同类型的石膏板（包括但不限于半英寸石膏板、四分之三英寸石膏板和轻质石膏板）的表面纸刚度值和芯强度值相关联。
具体地，如下广义拔钉模型将拔钉值与密度为28至48lb/ft3的石膏板的表面纸刚度值和芯强度值相关联。
可在制造之前使用广义拔钉模型来确定满足所需拔钉值的墙板的表面纸刚度值。所述方法使用如下等式（1）以将所需拔钉值与墙板的表面纸刚度值和芯强度值相关联。等式（1）为如下：
拔钉(lbf)=a+[b×(表面纸刚度(kN/m))]+[c×(芯强度(psi))](1)
其中b=0.009490606731和c=0.073937419为最佳拟合所示数据的由测试数据确定的常数。常数“a”基于如下等式（2）确定：
a=a1+a2/[1+Exp(-(板密度-a3)/a4)](2)
其中a1=6.7441271，a2=20.870959，a3=43.718215且
a4=2.1337464，且板密度使用如下确定：
板密度=板重量/板厚度(3)
图1显示了使用具有各种表面纸和芯强度的在特定板密度下的不同类型的板样品，与测得的拔钉相比的由广义拔钉模型预测的拔钉。
在一些情况中，改变表面纸刚度更经济可行。在制造之前，指定在目标重量和厚度下墙板的所需拔钉值（即半英寸、轻质、5/8英寸等）。将这些值输入如上等式（1）中，以确定墙板的表面纸刚度值。例如，对于37磅/立方英尺的板密度，等式（1）变为：
拔钉(lbf)=7.602932+[0.009490606731×(表面纸刚度(kN/m))]+
[0.073937419×(芯强度(psi))]
使用450磅/平方英寸（psi）的芯强度值和77磅-力（lbf）的所需拔钉值，如下确定板密度为37lb/ft3的墙板的表面纸刚度值：
77lbf=(7.602932)+[(0.009490606731)×
(表面纸刚度(kN/m))]+[(0.073937419)×(450psi)]
其中表面纸刚度值=3805.37千牛顿/米（kN/m）。
如以下等式所示，表面纸刚度值为表面纸重量与拉伸刚度指数面积（TSIA）值的乘积：
表面纸刚度(kN/m)=表面纸重量(g/m2)×TSIA(kNm/g)(2)
使用如上实例，芯强度值为450psi，所需拔钉值为77lbf且TSIA为18千牛顿-米/克（kNm/g）的如上墙板的表面纸重量为如下：
表面纸重量(g/m2)=表面纸刚度(kN/m)/TSIA(kNm/g)
=(3805.37kN/m)/(18kNm/g)
=211.41克/平方米（g/m2）
=43.3lb/1000ft2
=43.3lb/MSF
在如上等式中，TSIA值为在生产之前标准化表面纸刚度的量度。具体地，超声拉伸刚度取向测试机在表面纸的所有方向上测量拉伸刚度指数（TSI）以确定TSIA。表面纸越硬，则TSIA值越大。墙板的TSIA值的大概范围为12至26kNm/g。
使用表面纸刚度值和TSIA值来确定获得在特定板密度下具有指定芯强度值的墙板的所需拔钉值所需的表面纸重量。因此，确定表面纸重量的计算为两步过程，首先确定表面纸刚度，然后确定用于制造的墙板的表面纸重量。
等式（1）、（2）和（3）优选存储于计算机、个人数字助理或其他合适设备的存储器中。所需拔钉值、芯强度值和常数也以数据库或其他可搜索数据格式存储于存储器中。存储器可为只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、光盘只读存储器（CDROM）或任何其他合适的存储器或存储器设备。使用者或制造商使用键盘或其他合适的输入设备将特定墙板产品的所需拔钉值和指定芯强度值输入计算机。或者，墙板的所需拔钉值和指定芯强度值可下载和存储于存储器中的文件或文件夹中。诸如微处理器或中央处理单元（CPU）的处理器使用等式（1）、（2）和（3）、输入的拔钉值和输入的芯强度值计算墙板的表面纸重量。将所计算的表面纸重量或者表面纸刚度值在显示设备（如计算机屏幕、显示器或其他合适的输出设备）上显示给使用者，或者而通过打印机打印出来。使用者使用所计算的表面纸重量来选择在制造墙板的过程中待附接至芯的表面纸或表面纸类型。相比于常规墙板生产技术，使用本发明的方法选择的表面纸通常目标在于获得所需拔钉值所需的表面纸刚度和重量。另外，本发明的方法降低了所制造的墙板的总重量，这降低了制造和运送成本。本发明的方法也显著降低了与生产墙板相关的制造时间，因为不再需要墙板的中间测试来确定墙板是否满足所需拔钉值。
图1为示出了使用等式（1）对于不同的墙板的测得的拔钉数据与预测的拔钉数据之间的比较的表。如表所示，使用等式（1）预测的平均拔钉数据与墙板的测试或测得的平均拔钉数据良好关联。等式（1）、（2）和（3）也可用于预测墙板的不同结构参数或值以改进制造过程。
对于37lb/ft3的板密度，根据等式（1），等式（1）中的拔钉数据可表示为在200psi至800psi的不同芯强度值下表面纸刚度的线性函数，如图2所示。墙板的芯强度值基于制造的墙板的类型而不同。图1中考虑的墙板的芯强度值的典型范围为300至800psi。
拔钉数据也可作为芯强度的线性函数作图，且表面纸刚度值为2000kN/m至5000kN/m，如图3所示。优选地，墙板的表面纸刚度值为3000至5000kN/m。在图2和3中，明显的是增加墙板的表面纸刚度值或芯强度值会增加拔钉值。
图4显示了在各种不同的拔钉值下表面纸刚度值随芯强度值变化的图。具体地，线“A”示出了在77lbf的目标最小拔钉值下表面纸刚度值与芯强度值之间的关系。此外，使用等式（2），可通过增加表面纸重量或TSIA来实现更高的表面纸刚度值。
图5示出了满足77lbf的所需拔钉值的表面纸重量与TSIA之间的关系。不同TSIA值的表面纸重量要求总结于图6所示的表中。应注意，在450psi的芯强度下将TSIA值从12kNm/g增加至20kNm/g往往将所需表面纸重量降低平均40%，并同时保持77lbf的所需拔钉值。
广义拔钉模型使得使用者能够确定在所有类型的墙板的特定芯强度值下满足指定拔钉值的最佳表面纸片材重量，所述墙板例如具有如下配方的墙板：
实例A
灰泥：850-950lbs/1000ft2
HRA：12-16lbs/1000ft2
玻璃纤维：0-2lbs/1000ft2
分散剂（以湿重计）：0-8lbs/1000ft2
预凝胶玉米粉（以干重计）：20-40lbs/1000ft2
STMP(MCM)（以干重计）：2-3lbs/1000ft2
水/灰泥比：0.8-1.1
实例B
灰泥：1100-1300lbs/1000ft2
HRA：8-11lbs/1000ft2
分散剂（以湿重计）：0-8lbs/1000ft2
酸改性的淀粉（以干重计）：0-5lbs/1000ft2
预凝胶玉米粉（以干重计）：0-10lbs/1000ft2
STMP(MCM)（以干重计）：0.7-1.5lbs/1000ft2
水/灰泥比：0.7-0.88
实例C
灰泥：1800lbs/1000ft2
HRA：5-10lbs/1000ft2
玻璃纤维：4.5-5.3lbs/1000ft2
分散剂（以湿重计）：0-12lbs/1000ft2
酸改性的淀粉（以干重计）：4-6lbs/1000ft2
预凝胶玉米粉（以干重计）：0-2lbs/1000ft2
STMP(MCM)（以干重计）：0-0.7lbs/1000ft2
水/灰泥比：0.63-0.75
本发明的方法的如上实施例使墙板制造商能够在制造之前确定墙板的重要参数和性质，如获得所需拔钉值所需的表面纸重量。在制造之前获得这些参数有助于显著降低制造时间以及制造成本和运送成本。本发明的方法也允许制造商保持墙板的结构完整性和性能，而不在墙板上增加表面纸重量或总重量。
尽管已显示和描述了本发明的方法的数个特定实施例，但本领域技术人员应了解，在不偏离在以下权利要求书中所述的更广方面的本发明的情况下可对其进行改变和修改。
Claims (7)
1.一种确定墙板的结构参数的方法，所述方法包括：
提供处理器以及与所述处理器相联的显示设备；
将墙板的芯强度值输入所述处理器，所述处理器执行下述步骤；
基于墙板类型的厚度来确定所需的拔钉值；
基于所述所提供的芯强度值和所述所确定的拔钉值来计算表面纸刚度值，其中，计算所述表面纸刚度值基于下列等式：
拔钉(lbf)＝a(lbf)+[b(lbf/(kN/m))×(表面纸刚度(kN/m))]+[c(lbf/psi)×(芯强度(psi))]
其中b＝0.009490606731且c＝0.073937419，且其中a＝a1+a2/[1+Exp(-(板密度-a3)/a4)]，且
其中a1＝6.7441271,a2＝20.870959,a3＝43.718215且a4＝2.1337464；
在所述显示设备上显示所述所计算的表面纸刚度值；以及
基于在所述显示设备上显示的所述表面纸刚度值来选择用于墙板的表面纸类型。
2.一种制造墙板的方法，所述方法包括：
基于墙板类型来确定所需的拔钉值；
提供墙板的芯强度值；
基于所述所确定的所需拔钉值和所述所提供的芯强度值来确定表面纸刚度值，其中，确定所述表面纸刚度值基于下列等式：
拔钉(lbf)＝a(lbf)+[b(lbf/(kN/m))×(表面纸刚度(kN/m))]+[c(lbf/psi)×(芯强度(psi))]
其中b＝0.009490606731且c＝0.073937419，且其中a＝a1+a2/[1+Exp(-(板密度-a3)/a4)]，且
其中a1＝6.7441271,a2＝20.870959,a3＝43.718215且a4＝2.1337464；
基于所述所计算的表面纸刚度值来确定表面纸重量；
基于所述所显示的表面纸重量来选择表面纸类型；以及
使用所述所选择的表面纸类型和所述所提供的芯强度值来制备墙板。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述表面纸重量包括使所述表面纸刚度值除以拉伸刚度指数面积(TSIA)值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述TSIA值通过超声拉伸强度取向测试仪而测得。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述TSIA值在12至26kNm/g的范围内。
6.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括在存储器中存储所述所计算的表面纸刚度值和所述所计算的表面纸重量中的至少一者。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述存储器包括如下的至少一者：只读存储器、随机存取存储器和CDROM。
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