用于確定復(fù)合材料建筑面板的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種確定所有類型的墻板的表面紙性質(zhì)的方法，所述方法包括提供墻板的芯強(qiáng)度值、基于墻板規(guī)格確定所需的拔釘值，以及基于所提供的芯強(qiáng)度值和所確定的拔釘值來計(jì)算表面紙剛度值。本發(fā)明包括在顯示設(shè)備上顯示所計(jì)算的表面紙剛度值。
【專利說明】用于確定復(fù)合材料建筑面板的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請為2009年8月20日提交的美國專利申請N0.12/544，707的部分繼續(xù)申請。【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及復(fù)合材料建筑面板。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于確定石膏墻板的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]諸如石膏墻板的復(fù)合材料建筑面板公知用于內(nèi)墻和天花板建造。墻板相比于其他材料的主要優(yōu)點(diǎn)中的一些是墻板更便宜、防火，并在建造應(yīng)用中易于操作。在建造中，通常使用諸如釘子或螺釘?shù)木o固件將墻板固定至構(gòu)架墻和天花板的木質(zhì)支撐件或金屬支撐件。由于墻板相對較重，因此其必須足夠強(qiáng)以防止緊固件穿出墻板并導(dǎo)致墻板從支撐件松開或脫離支撐件。
[0005]拔釘為將墻板從相關(guān)支撐件拔出并拔過所述緊固件的頭部所需的力的大小的工業(yè)量度。墻板的優(yōu)選拔釘值在65-85磅之間的力的大概范圍內(nèi)。拔釘為墻板芯強(qiáng)度、表面紙強(qiáng)度以及表面紙與芯之間的結(jié)合的組合的量度。拔釘測試根據(jù)美國材料試驗(yàn)學(xué)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)C473-00進(jìn)行，并使用在插入墻板中的緊固件的頭部上拉拔的機(jī)器以測定將緊固件頭部拉拔穿過墻板所需的最大的力。由于拔釘值為墻板強(qiáng)度的重要量度，已為墻板建立最小所需拔釘值。因此，制造商生產(chǎn)滿足或超過最小所需拔釘值的墻板。
[0006]為了確保墻板滿足所需的拔釘值，常規(guī)墻板制造商調(diào)節(jié)墻板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體地，取決于過程的經(jīng)濟(jì)性，制造商通常調(diào)節(jié)墻板的表面紙重量或墻板的重量以滿足所需的拔釘值。在制造過程中，測試墻板以確定是否其滿足所需的拔釘值。如果墻板的測試的拔釘值小于所需拔釘值，則制造商增加墻板上的表面紙重量和/或墻板的重量。重復(fù)該過程直至滿足所需拔釘值。
[0007]這樣的過程是不精確的，并常常由于增加至墻板的過量的表面紙重量和/或總板重量而導(dǎo)致所測試的拔釘值超過所需拔釘值。而且，過量的重量從表面紙和/或從芯添加至墻板，并由此增加了墻板的制造和運(yùn)送成本。此外，有可能浪費(fèi)時(shí)間和材料，直至在墻板生產(chǎn)線上獲得所需的拔釘值。
[0008]因此，需要一種調(diào)節(jié)墻板制造系統(tǒng)的改進(jìn)技術(shù)，以制備滿足指定拔釘值的墻板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]易于由本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識的這些問題和其他問題通過本發(fā)明的確定諸如墻板的復(fù)合材料建筑面板的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的方法而得以解決。
[0010]本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)用于在制造之前確定石膏墻板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以降低制造和運(yùn)送成本，以及顯著降低制造時(shí)間。
[0011]更具體地，本發(fā)明的方法確定墻板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并包括提供墻板的芯強(qiáng)度值、確定所需的拔釘值，以及基于所提供的芯強(qiáng)度值和所確定的拔釘值來計(jì)算表面紙剛度值。所計(jì)算的表面紙剛度值顯示于顯示設(shè)備上以由制造商使用。
[0012]在另一實(shí)施例中，一種制造墻板的方法包括確定所需拔釘值、提供墻板的芯強(qiáng)度值，以及基于所需的拔釘值和所提供的芯強(qiáng)度值來確定表面紙剛度值。所述方法包括基于所確定的表面紙剛度值來確定表面紙重量、基于所確定的表面紙重量來選擇表面紙類型，以及通過使用所選擇的表面紙類型和所提供的芯強(qiáng)度值來制備墻板。
[0013]在制造之前確定結(jié)構(gòu)參數(shù)通過消除通常用于墻板以滿足所需拔釘值的過量的表面紙重量或墻板重量，從而使制造商能夠節(jié)省顯著的制造和運(yùn)送成本。另外，節(jié)約了顯著量的制造時(shí)間，因?yàn)樾枰俚臅r(shí)間來測試制造的墻板以確定滿足所需拔釘值所需的復(fù)合材料設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品重量。此外，盡管降低了由過量的表面紙所增加的另外的重量和應(yīng)力，但仍然保持了墻板的結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為示出了使用來自各種表面紙重量和拉伸剛度指數(shù)面積(Tensile StiffnessIndex Area) (TSIA)的不同表面紙剛度值以及在各種板密度下的不同芯強(qiáng)度值，不同類型的墻板的測得的拔釘數(shù)據(jù)和預(yù)測的拔釘數(shù)據(jù)之間的比較的表。
[0015]圖2為示出了在371b/ft3的板密度下在不同的芯強(qiáng)度值下，拔釘隨表面紙剛度的變化的圖。
[0016]圖3為示出了在371b/ft3的板密度下在不同的表面紙剛度值下，拔釘隨芯強(qiáng)度的變化的圖。
[0017]圖4為示出了在371b/ft3的板密度下在不同的所需拔釘值下，表面紙剛度與芯強(qiáng)度之間的關(guān)系的圖。
[0018]圖5為示出了對于371b/ft3的板密度，在不同芯強(qiáng)度值下獲得771bf的所需拔釘值所需的表面紙重量與拉伸剛度指數(shù)面積值之間的關(guān)系的圖。
[0019]圖6為基于圖5的圖，確定對于371b/ft3的板密度，在不同芯強(qiáng)度值下獲得771bf的所需拔釘值所需的某些表面紙重量值和拉伸強(qiáng)度指數(shù)面積(TSIA)值的表。
【具體實(shí)施方式】
[0020]拔釘值對于石膏墻板的強(qiáng)度和可用性是關(guān)鍵的。如果特定墻板的拔釘值過低，則將墻板保持在框架或其他支撐件上的緊固件可能穿過墻板，并導(dǎo)致墻板裂化、破碎或從框架或支撐件上落下?；蛘?，如果拔釘值過高(即顯著超過所需拔釘值)，則在制造過程中墻板生產(chǎn)資源并非有效應(yīng)用并且浪費(fèi)金錢。
[0021]石膏墻板制造中的一個(gè)問題是如何準(zhǔn)確確定與墻板的所需拔釘值相關(guān)的表面紙重量，和更有效地利用制造和運(yùn)送成本以及制造時(shí)間的方式。如上所述，墻板制造商在墻板上進(jìn)行測試，以確定其是否滿足所需拔釘值。如果不滿足所需拔釘值，則制造商通常增加墻板的表面紙重量和/或板重量。重復(fù)這些步驟，直至滿足墻板的所需拔釘值。該過程是不準(zhǔn)確的，并常常導(dǎo)致墻板具有過量的表面紙重量或板重量，并由此增加制造和運(yùn)送成本以及制造時(shí)間。
[0022]之前的拔釘模型將石膏板的拔釘與較小的石膏板(半英寸石膏板)的表面紙剛度值和芯強(qiáng)度值相關(guān)聯(lián)。在另一實(shí)施例中，該拔釘模型已擴(kuò)展至廣義拔釘模型，所述廣義拔釘模型將拔釘值與數(shù)種不同類型的石膏板(包括但不限于半英寸石膏板、四分之三英寸石膏板和輕質(zhì)石膏板)的表面紙剛度值和芯強(qiáng)度值相關(guān)聯(lián)。
[0023]具體地，如下廣義拔釘模型將拔釘值與密度為28至481b/ft3的石膏板的表面紙剛度值和芯強(qiáng)度值相關(guān)聯(lián)。
[0024]可在制造之前使用廣義拔釘模型來確定滿足所需拔釘值的墻板的表面紙剛度值。所述方法使用如下等式(I)以將所需拔釘值與墻板的表面紙剛度值和芯強(qiáng)度值相關(guān)聯(lián)。等式(I)為如下:
[0025]拔釘(lbf)=a+[bX(表面紙剛度(kN/m))] + [cX (芯強(qiáng)度(psi))] (I)
[0026]其中b=0.009490606731和c=0.073937419為最佳擬合所示數(shù)據(jù)的由測試數(shù)據(jù)確定的常數(shù)。常數(shù)“a”基于如下等式(2)確定:
[0027]a=al+a2/[l+Exp (-(板密度 _a3) /a4) ](2)
[0028]其中al=6.7441271，a2=20.870959，a3=43.718215 且
[0029]a4=2.1337464，且板密度使用如下確定:
[0030]板密度=板重量/板厚度(3)
[0031]圖1顯示了使用具有各種表面紙和芯強(qiáng)度的在特定板密度下的不同類型的板樣品，與測得的拔釘相比的由廣義拔釘模型預(yù)測的拔釘。
[0032]在一些情況中， 改變表面紙剛度更經(jīng)濟(jì)可行。在制造之前，指定在目標(biāo)重量和厚度下墻板的所需拔釘值(即半英寸、輕質(zhì)、5/8英寸等)。將這些值輸入如上等式(I)中，以確定墻板的表面紙剛度值。例如，對于37磅/立方英尺的板密度，等式(I)變?yōu)?
[0033]拔釘(Ibf)=7.602932+[0.009490606731 X (表面紙剛度(kN/m))] +
[0034][0.073937419 X (芯強(qiáng)度(psi))]
[0035]使用450磅/平方英寸(psi)的芯強(qiáng)度值和77磅-力(Ibf)的所需拔釘值，如下確定板密度為371b/ft3的墻板的表面紙剛度值:
[0036]771bf=(7.602932) +[(0.009490606731) X
[0037](表面紙剛度(kN/m))] + [ (0.073937419) X (450psi)]
[0038]其中表面紙剛度值=3805.37千牛頓/米(kN/m)。
[0039]如以下等式所示，表面紙剛度值為表面紙重量與拉伸剛度指數(shù)面積(TSIA)值的乘積:
[0040]表面紙剛度(kN/m)=表面紙重量(g/m2) XTSIA(kNm/g) (2)
[0041]使用如上實(shí)例，芯強(qiáng)度值為450psi，所需拔釘值為771匕且了3從為18千牛頓-米/克(kNm/g)的如上墻板的表面紙重量為如下:
[0042]表面紙重量(g/m2)=表面紙剛度(kN/m)/TSIA (kNm/g)
[0043]= (3805.37kN/m) / (18kNm/g)
[0044]=211.41 克 / 平方米(g/m2)
[0045]=43.31b/1000ft2
[0046]=43.31b/MSF
[0047]在如上等式中，TSIA值為在生產(chǎn)之前標(biāo)準(zhǔn)化表面紙剛度的量度。具體地，超聲拉伸剛度取向(TSOk )測試機(jī)在表面紙的所有方向上測量拉伸剛度指數(shù)(TSI)以確定TSIA。表面紙?jiān)接?，則TSIA值越大。墻板的TSIA值的大概范圍為12至26kNm/g。
[0048]使用表面紙剛度值和TSIA值來確定獲得在特定板密度下具有指定芯強(qiáng)度值的墻板的所需拔釘值所需的表面紙重量。因此，確定表面紙重量的計(jì)算為兩步過程，首先確定表面紙剛度，然后確定用于制造的墻板的表面紙重量。
[0049]等式(I)、(2)和(3)優(yōu)選存儲于計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理或其他合適設(shè)備的存儲器中。所需拔釘值、芯強(qiáng)度值和常數(shù)也以數(shù)據(jù)庫或其他可搜索數(shù)據(jù)格式存儲于存儲器中。存儲器可為只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、光盤只讀存儲器(CD ROM)或任何其他合適的存儲器或存儲器設(shè)備。使用者或制造商使用鍵盤或其他合適的輸入設(shè)備將特定墻板產(chǎn)品的所需拔釘值和指定芯強(qiáng)度值輸入計(jì)算機(jī)。或者，墻板的所需拔釘值和指定芯強(qiáng)度值可下載和存儲于存儲器中的文件或文件夾中。諸如微處理器或中央處理單元(CPU)的處理器使用等式(1)、(2)和(3)、輸入的拔釘值和輸入的芯強(qiáng)度值計(jì)算墻板的表面紙重量。將所計(jì)算的表面紙重量或者表面紙剛度值在顯示設(shè)備(如計(jì)算機(jī)屏幕、顯示器或其他合適的輸出設(shè)備)上顯示給使用者，或者而通過打印機(jī)打印出來。使用者使用所計(jì)算的表面紙重量來選擇在制造墻板的過程中待附接至芯的表面紙或表面紙類型。相比于常規(guī)墻板生產(chǎn)技術(shù)，使用本發(fā)明的方法選擇的表面紙通常目標(biāo)在于獲得所需拔釘值所需的表面紙剛度和重量。另外，本發(fā)明的方法降低了所制造的墻板的總重量，這降低了制造和運(yùn)送成本。本發(fā)明的方法也顯著降低了與生產(chǎn)墻板相關(guān)的制造時(shí)間，因?yàn)椴辉傩枰獕Π宓闹虚g測試來確定墻板是否滿足所需拔釘值。
[0050]圖1為示出了使用等式(I)對于不同的墻板的測得的拔釘數(shù)據(jù)與預(yù)測的拔釘數(shù)據(jù)之間的比較的表。如表所示，使用等式(I)預(yù)測的平均拔釘數(shù)據(jù)與墻板的測試或測得的平均拔釘數(shù)據(jù)良好關(guān)聯(lián)。等式(I)、(2)和(3)也可用于預(yù)測墻板的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)或值以改進(jìn)制造過程。
[0051 ] 對于371b/ft3的板密度，根據(jù)等式(I )，等式(I)中的拔釘數(shù)據(jù)可表示為在200psi至SOOpsi的不同芯強(qiáng)度值下表面紙剛度的線性函數(shù)，如圖2所示。墻板的芯強(qiáng)度值基于制造的墻板的類型而不同。圖1中考慮的墻板的芯強(qiáng)度值的典型范圍為300至800psi。
[0052]拔釘數(shù)據(jù)也可作為芯強(qiáng)度的線性函數(shù)作圖，且表面紙剛度值為2000kN/m至5000kN/m，如圖3所示。優(yōu)選地，墻板的表面紙剛度值為3000至5000kN/m。在圖2和3中，明顯的是增加墻板的表面紙剛度值或芯強(qiáng)度值會增加拔釘值。
[0053]圖4顯示了在各種不同的拔釘值下表面紙剛度值隨芯強(qiáng)度值變化的圖。具體地，線“A”示出了在771bf的目標(biāo)最小拔釘值下表面紙剛度值與芯強(qiáng)度值之間的關(guān)系。此外，使用等式(2)，可通過增加表面紙重量或TSIA來實(shí)現(xiàn)更高的表面紙剛度值。
[0054]圖5示出了滿足771匕的所需拔釘值的表面紙重量與TSIA之間的關(guān)系。不同TSIA值的表面紙重量要求總結(jié)于圖6所示的表中。應(yīng)注意，在450psi的芯強(qiáng)度下將TSIA值從12kNm/g增加至20kNm/g往往將所需表面紙重量降低平均40%，并同時(shí)保持771bf的所需拔釘值。
[0055]廣義拔釘模型使得使用者能夠確定在所有類型的墻板的特定芯強(qiáng)度值下滿足指定拔釘值的最佳表面紙片材重量，所述墻板例如具有如下配方的墻板:
[0056]實(shí)例 A
[0057]灰泥:850-9501bs/1000ft2[0058]HRA:12-161bs/1000ft2
[0059]玻璃纖維:0-21bs/1000ft2
[0060]分散劑(以濕重計(jì)):0-81bs/1000ft2
[0061]預(yù)凝膠玉米粉(以干重計(jì)):20-401bs/1000ft2
[0062]STMP (MCM)(以干重計(jì)):2_31bs/1000ft2
[0063]水/ 灰泥比:0.8-1.1
[0064]實(shí)例 B
[0065]灰泥:1100-13001bs/1000ft2
[0066]HRA:8-lllbs/1000ft2
[0067]分散劑(以濕重計(jì)):0-81bs/1000ft2
[0068]酸改性的淀粉(以干重計(jì)):0-51bs/1000ft2
[0069]預(yù)凝膠玉米粉(以干重計(jì)):0-101bs/1000ft2
[0070]STMP (MCM)(以干重計(jì)):0.7-1.51bs/1000ft2
[0071]水/ 灰泥比:0.7-0.88
[0072]實(shí)例C
[0073]灰泥:18001bs/1000ft2
[0074]HRA:5-101bs/1000ft2
[0075]玻璃纖維:4.5-5.31bs/1000ft2
[0076]分散劑(以濕重計(jì)):0-121bs/1000ft2
[0077]酸改性的淀粉(以干重計(jì)):4-61bs/1000ft2
[0078]預(yù)凝膠玉米粉(以干重計(jì)):0-21bs/1000ft2
[0079]STMP (MCM)(以干重計(jì)):0-0.71bs/1000ft2
[0080]水/ 灰泥比:0.63-0.75
[0081]本發(fā)明的方法的如上實(shí)施例使墻板制造商能夠在制造之前確定墻板的重要參數(shù)和性質(zhì)，如獲得所需拔釘值所需的表面紙重量。在制造之前獲得這些參數(shù)有助于顯著降低制造時(shí)間以及制造成本和運(yùn)送成本。本發(fā)明的方法也允許制造商保持墻板的結(jié)構(gòu)完整性和性能，而不在墻板上增加表面紙重量或總重量。
[0082]盡管已顯示和描述了本發(fā)明的方法的數(shù)個(gè)特定實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，在不偏離在以下權(quán)利要求書中所述的更廣方面的本發(fā)明的情況下可對其進(jìn)行改變和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種確定墻板的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，所述方法包括: 提供300至800psi之間的墻板的芯強(qiáng)度值； 基于墻板類型的厚度來確定所需的拔釘值； 基于所述所提供的芯強(qiáng)度值和所述所確定的拔釘值來計(jì)算表面紙剛度值；以及 在顯示設(shè)備上顯示所述所計(jì)算的表面紙剛度值。
2.一種制造墻板的方法，所述方法包括: 基于墻板類型來確定所需的拔釘值； 提供300至800psi之間的墻板的芯強(qiáng)度值； 基于所述所確定的所需拔釘值和所述所提供的芯強(qiáng)度值來確定表面紙剛度值； 基于所述所計(jì)算的表面紙剛度值來確定表面紙重量； 基于所述所顯示的表面紙重量來選擇表面紙類型；以及 使用所述所選擇的表面紙類型和所述所提供的芯強(qiáng)度值來制備墻板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中基于如下等式確定所述表面紙剛度值: 拔釘(lbf)=a+[bX (表面紙剛度(kN/m))] + [cX (芯強(qiáng)度(psi))]
其中 b=0.009490606731 且 c=0.073937419，且其中 a=al+a2/[1+Exp (-(板密度 _a3)/a4)]，且
其中 al=6.7441271，a2=20.870959，a3=43.718215 且 a4=2.1337464。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中確定所述表面紙重量包括使所述表面紙剛度值除以拉伸剛度指數(shù)面積(TSIA)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述TSIA值通過超聲拉伸強(qiáng)度取向測試儀而測得。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述TSIA值在12至26kNm/g的大概范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法包括在存儲器中存儲所述所計(jì)算的表面紙剛度值和所述所計(jì)算的表面紙重量中的至少一者。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述存儲器包括如下的至少一者:只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器和⑶ROM。
【文檔編號】E04C2/04GK103476998SQ201280017801
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月21日
【發(fā)明者】A·李 申請人:美國石膏公司