Анализ формирования температурного поля наружной стеныс фасадной железобетонной панелью Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 692.2:697.1

Н.Д. ДАНИЛОВ ([email protected]), А.А. СОБАКИН([email protected]), Е.Г. СЛОБОДЧИКОВ ([email protected]), П.А. ФЕДОТОВ ([email protected]), инженеры, В.В. ПРОКОПЬЕВ, студент, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова (Якутск, Республика Саха)

Анализ формирования температурного поля наружной стены с фасадной железобетонной панелью

Проведен анализ формирования температурного поля в наружной стене здания с фасадной железобетонной панелью путем проведения расчетов с применением программы расчета пространственных температурных полей и обследования в климатической камере, в том числе телевизионных съемок. Показано, что теплопроводное включение в виде железобетонной шпонки со стальным крюком в торце приводит к существенному снижению температуры, но в пределах, требуемых нормами проектирования.

Ключевые слова: температурное поле, расчет, терпомары, тепловизор.

Наружные стены зданий, возводимых в Якутске, имеют определенные недостатки. Специалисты Инженерно-технического института СВФУ им. М.К. Аммосова разрабатывают новые конструктивные решения наружных стен зданий, предназначенных для эксплуатации в климатических условиях Севера. Технические решения наружных стен в основном связаны с применением железобетонных панелей как надежных и долговечных конструкций. Их разработка соответствует отмеченной в [1] и [2] идеологии крупнопанельного и панельно-каркасного домостроения. На конструкции фасадных панелей и стен с их применением, а также на способы их монтажа получено несколько патентов на изобретения и полезные модели. Описания некоторых из них приведены в [3, 4]. Предлагаемые решения позволят исключить или снизить проблемы, связанные с применением трехслойных панелей. Например, в [5] отмечается наличие сквозных стыков, значительное влияние теплопроводных включений. Возможность возникновения разрушающих температурных напряжений в трехслойных панелях на дискретных связях изложена в [6].

Для возведения стен многоэтажных зданий предназначена и разработка, представленная на рис. 1 (получено решение Роспатента на выдачу патента на полезную модель № 2012156093/03(088760) «Фасадная навесная панель»). После навешивания панели на петли перекрытия, сварки трубчатых элементов с Г-образными стержнями к закладным деталям и заполнения стыков с внутренней стороны производится укладка утеплителя до проектного положения. Далее осуществляется кладка внутренней оболочки стены или с помощью коннекторов крепятся листовые материалы, например ГКЛО. При необходимости между теплоизоляцией и внутренней оболочкой стены укладывается пароизоляция. На способ монтажа наружной стены с применением фасадных панелей и листовых материалов получен патент РФ на изобретение [6].

В данной статье приводятся результаты анализа формирования температурного поля стен, возводимых с применением фасадных панелей с монтажными крюками. Анализ проведен с применением программы расчета трехмерных температур-

ных полей (информация о программе приведена в статье [7]) с последующим сравнением с экспериментальными данными. Исследования проведены для установления характера распределения температурного поля и температуры внутренней поверхности ограждения по теплопроводному включению Т., которая должна быть выше, чем температура точки росы

Рассмотрен фрагмент стены с панелями размером 2,98x2,98 м, для которых сечение монтажного крюка (шпонки) составляет 0,2x0,08 м. В программу расчета трехмерных температурных полей введены параметры фрагмента

3

Рис. 1. Фасадная навесная панель: 1 — плита фасадной панели; 2 — закладные детали для крепления монтажного крюка; 3 — закладная деталь с трубчатым элементом; 4 — закладные детали; 5 — шпонка

46

11'2013

Научно-технический и производственный журнал

Крупнопанельное домостроение

80/^500

Рис. 2. Общий вид экспериментального фрагмента стены с перекрытием: 1 — фасадная панель; 2 — пенополистирол; 3 — два слоя ГКЛО; 4 — ж/б плита перекрытия. Условная вертикальная плоскость симметрии фрагмента проходит через середину монтажного крюка, а верх шпонки размещен от верха фрагмента панели на расстоянии 400мм

стены размером 1,2x1 м, где 1,2 м - высота. Ввиду того что на температурный режим рассматриваемого фрагмента стены будет оказывать влияние и железобетонное перекрытие, в программу расчета введены и параметры его фрагмента. Приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента стены получилось равным ^=5,14 м2оС/Вт.

Нормируемое сопротивление теплопередаче стен жилых зданий для условий Якутска, определенное по указаниям норм проектирования, равно 5,13 м2оС/Вт. Результаты исследований по определению сопротивления теплопередаче приведены в [8]. Минимальная температура внутренней поверхности ограждения зафиксирована в точке пересечения верхнего стыка стены и плиты перекрытия с плоскостью, проходящей через середину крюка т' =18,82оС, что значительно выше температуры точки росы ^ =11,62оС (при расчетных условиях для жилых зданий =21оС, ф.м=55%). На основании проведенных расчетов установлены минимальные размеры фрагментов ограждений, начиная с которых наблюдается практически одномерное температурное поле [9]. По этим размерам в ОАО «ДСК» изготовлены фрагменты ограждающих конструкций (рис. 2). Следует отметить, что вертикальная плоскость симметрии проходит через середину шпонки.

Фрагменты ограждений установлены в климатическую камеру ЭКК-15 Испытательного центра «ЯКУТСК-ЭКСПЕРТ» СВФУ, предназначенную для испытаний оконных блоков и балконных дверей, также фрагментов стеновых ограждающих конструкций на сопротивление теплопередаче по ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче» и ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче огражда-

б /\

40

30

20

10

-10

-20

-30

-40

Температура, оС

Пограничный слой воздуха

0

80

180

280 330 349 Толщина, мм

Рис. 3. Схема размещения термопар по сечению фрагмента стены, совпадающему с вертикальной плоскостью симметрии (а), и распределение температуры по толщине фрагмента стены (б): 1, 3 — по результатам эксперимента; 2, 4 — по результатам расчетов; 1, 2 — графики, построенные по линии размещения верхних термопар; 3, 4 — графики, построенные по линии, проходящей через середину верхней поверхности шпонки

а

0

4

112013

47

Крупнопанельное домостроение

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

ющих конструкций». Камера состоит из холодного, теплого отсеков и отсека для оператора.

При монтаже элементов фасадной панели и перекрытия их стыки заполнялись раствором цемента. Пенополисти-рол толщиной 0,25 м укладывался в три слоя. К фрагменту фасадной панели приклеивалась плита утеплителя толщиной 0,1 м, а к ней плита такой же толщины. После укладки оставшегося слоя пенополистирола и двух листов ГКЛО их прижимали к фасадной панели с помощью коннекторов. По периметру фасадной панели и утеплителя уложены полосы из пенополистирола. В стыки нагнеталась монтажная пена, а после этого на полосы пенополистирола с наружной стороны приклеивали полиэтиленовую пленку.

В холодный и теплый отсеки камеры, разделенные перегородкой, подведены хромель-копелевые термопары ТХК и тепломеры ПТП. С их помощью осуществлялся контроль температуры в рабочих отсеках камеры, на поверхностях и в толще ограждения, а также измерялись плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. Схема размещения термопар по толщине фрагмента стены показана на рис. 3, а. По показаниям термопар, размещенных на удалении от монтажного крюка, а также по линии, проходящей через середину верхней поверхности монтажного крюка, построен график распределения температур по толще фрагмента ограждения (рис. 3, б). Сходимость результатов расчета (по указаниям нормативных документов СНиП 23-03-2003 «Защита от шума» и СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий») и экспериментальных значений достаточна. То что пенополистирол толщиной 0,1 м, размещенный с наружной стороны, дает большее снижение температуры, чем такой же толщины, но в зоне положительной температуры, объясняется изменением коэффициента теплопроводности воздуха, заключенного в порах теплоизоляции.

Параллельно с этими измерениями проводилась теп-ловизионная съемка внутренней поверхности фрагментов ограждения. Термографическое обследование позволяет дистанционно и наглядно с высокой точностью получить температурное поле поверхности ограждения. При проведении тепловизионных обследований учтены положения ГОСТ 26629-85 «Здания и сооружения. Метод теплови-зионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» и ВСН 43-96 «Ведомственные строительные нормы по теплотехническим обследованиям наружных ограждающих конструкций зданий с применением малогабаритных тепловизоров».

Для тепловизионного обследования ограждающих конструкций использовался тепловизор БАТ-090. Тепловизи-онной съемке подвергнуты внутренние поверхности ограждающей конструкции со стороны отсека камеры с положительной температурой, стык фрагментов стены и перекрытия. Обследование проводилось после установления стационарного режима теплопередачи. После проведения съемки отбирались кадры, по которым проводилась расшифровка и представление термограмм в виде совокупности изотерм. На термограмме выбирались точки и участки поверхности, по которым определялись значения температуры и вычислялись их средние значения. Пример выполнения термограммы и построения изотермы представлен на рис. 4-6.

Во время съемок температура воздуха в теплом отсеке камеры t¡nl =34,5оС, а температура воздуха в холодном отсеке камеры 1аз =-40,5оС.

ж

>>34,84оС 34

33

32

30

<<30,93оС IR 1

Рис. 4. Пример кадра тепловизионной съемки с горизонтальными (Ь1—Ь7) и вертикальными (Ь8, Ь9) линиями, по которым построены изотермы

оС

26

52 79 105 132 158 Max: 33,32 Min: 29,11 IR2_L8 Диаграмма

Рис. 5. Изотерма по линии IR2 L9

°с

184

Pt

33

236

Pt

67 101 135 168 202 Max: 33,39 Min: 29,68 IR1_L5 Диаграмма

Рис. 6. Изотерма по линии LR2_L5

По термограммам, полученным в результате проведения тепловизионного контроля, можно сделать следующие выводы. Тепловизионная съемка внутренней поверхности испытуемого объекта зафиксировала снижение температуры в зоне стыка между стеновой панелью и плитой перекрытия. Температура верхнего стыка на 1,28оС ниже, чем температура тя. вне влияния стыка (IR3_L9). Более значительное снижение температуры внутренней поверхности фрагмента ограждения наблюдается по месту размещения монтажного крюка и петли. Снижение температуры по линии стыка достигает 4,14оС (IR1_L1); 4,93оС (IR2_L1). По вертикальной линии разница температур достигает 4,21оС (IR2_L9). Результаты вычислений с применением програм-

48

112013

ЖИЛИЩНОЕ

Научно-технический и производственный журнал

Л

Крупнопанельное домостроение

t, ос

35 34,5 34 33,5 33 32,5 32 31,5 31 30,5 30 0

1 2

6 L,

490

400

300

200

100

/К

100

200

300

400

495 L, мм

0

I Г

2/ 1 ы

//

31

32

33

34

t, ос

Рис. 7. Распределение температуры внутренней поверхности фрагмента стены: а — по верхнему стыку фрагмента стены и плиты перекрытия (от края фрагмента до оси симметрии): 1 — по результатам расчета с использованием программы расчета трехмерных температурных полей; 2 — по результатам тепловизионной съемки (Ш1_Ь1); б — по вертикали (по оси симметрии от верхнего края плиты до верха фрагмента стены): 1 — по результатам расчета с использованием программы расчета трехмерных температурных полей; 2 — по результатам тепловизионной съемки (Ш2_Ь9)

мы расчета трехмерных температурных полей показывают меньшую разницу: по горизонтали 2,41оС, по вертикали 2,28оС. Следует отметить, что относительно мощное теплопроводное включение в виде монтажного крюка (сечение железобетонной шпонки 0,2x0,08 м) не приводит к значительному снижению температуры внутренней поверхности фрагмента ограждения. Минимальная температура внутренней поверхности ограждения по верхнему стыку равна 29,04оС, что значительно выше, чем температура точки росы td=24,14оС (при =34,5оС, ф.м =55%). Снижение температуры всего на 1,2-2,7оС больше, чем по стальному коннектору, имеющему диаметр 0,006 м. По показаниям тепловизора температура внутренней поверхности ограждения по коннектору снижается на: 2,27оС (!Р3_1_5); 2,57оС (!Р4_1_2); 3,71оС (!Р1_1_5). Следует отметить, что по расчету температура имеет значительно меньшее значение.

Для сравнения экспериментальных данных и результатов вычислений с применением программы расчета построены графики распределения температуры по стыку фрагмента стены и плиты перекрытия (до оси симметрии), а также по вертикальной линии, проходящей по пересечению плоскости внутренней поверхности стены с вертикальной плоскостью, проведенной по центру монтажного крюка (рис. 7). Значения температуры по стыку практически идентичны, кроме участка с монтажным крюком, где температура по эксперименту ниже на 1оС, чем расчетное значение. По вертикальной линии значения температуры имеют минимальное расхождение.

Таким образом, на формирование температурного поля фрагмента стены с фасадной панелью существенное влияние оказывает монтажный крюк. Но температура внутренней поверхности ограждения по монтажному крюку незначительно отличается от т. по стальному коннектору (ниже не более 3оС). Незначительное снижение температуры наблюдается и в стыке фрагментов стены и перекрытия. Анализ показал, что при возведении наружной стены с применением фасадных железобетонных панелей требования норм проектирования будут соблюдены, в том

числе и исключено выпадение конденсата по теплопроводному включению.

Список литературы

1. Николаев С.В. Возрождение крупнопанельного домостроения в России // Жилищное строительство. 2011. № 4. С. 2-8.

2. Сапачева Л.В. Модернизация крупнопанельного домостроения - локомотив строительства жилья экономического класса // Жилищное строительство. 2011. № 6. С. 2-6.

3. Данилов Н.Д., Собакин А.А., Семенов А.А. Разработка технических решений долговечных и экономичных наружных стен зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 10. С. 18-19.

4. Данилов Н.Д., Собакин А.А., Семенов А.А. О новых технических решениях наружных стен зданий, ориентированных на строительство в Северной строительно-климатической зоне // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 1. С. 32-34.

5. Беляев В.С. Энергоэффективность наружных стен крупнопанельного домостроения // Жилищное строительство. 2011. № 7. С. 23-26.

6. Патент РФ на изобретение № 2473754. Способ монтажа наружной стены с применением фасадных панелей/ Т.С. Антипкина, Н.Д. Данилов, А.А. Семенов, А.А. Собакин // Опубл. 27.01.13. Бюл. № 3.

7. Данилов Н.Д., Шадрин В.Ю., Павлов Н.Н. Анализ влияния локальных теплопроводных включений на температурный режим ограждающих конструкций // Жилищное строительство. 2011. № 7. С. 23-26.

8. Данилов Н.Д., Докторов И.А., Амбросьев В.В., Федотов П. А., Семенов А.А. Исследование теплозащитных свойств фрагмента стены в климатической камере // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 8. С. 17-19.

9. Данилов Н.Д., Собакин А.А. О теплозащитных свойствах заполнений светопроемов // Жилищное строительство. 2008. № 9. С. 28-31.

мм

11'2013

49