CC BY
22Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 699.86
Н.Д. ДАНИЛОВ, канд. техн. наук ([email protected]), А.А. СОБАКИН, канд. техн. наук, П.А. ФЕДОТОВ, инженер
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова (677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58)
Оптимальное утепление стыка стен каркасно-монолитных зданий с проветриваемыми подпольями
Проведены численные расчеты фрагмента углового соединения стены и цокольного перекрытия над проветриваемым подпольем при размещении под кладкой железобетонной балки и слоя теплоизоляции. Вычисления выполнены при различных вариантах опор, на которые опирается балка. С применением программы расчета трехмерных температурных полей получены значения температуры на внутренней поверхности углового стыка ограждений, в том числе и пространственного угла. Расчетами подтверждена эффективность рассмотренного способа утепления. Для подтверждения полученных результатов предложено дальнейшие испытания провести на экспериментальном объекте.
Ключевые слова: энергоэффективность, стена, цокольное перекрытие, температура, точка росы, коэффициент теплопроводности.
N.D. DANILOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.A. SOBAKIN, Candidate of Sciences (Engineering), P.A. FEDOTOV, Engineer North-Eastern Federal University named after M.K. Amosov (58, Belinskogo Street, 677000, Yakutsk, Russian Federation)
Optimal Insulation of Wall Junction of Frame-Monolithic Buildings with Ventilated Cellars
Numerical calculations of a fragment of T-joint of the wall and basement floor over the ventilated cellar, when a reinforced concrete beam and an insulation layer are placed under the masonry, are presented. Calculations are made for various variants of the supports on which the beam rests. The values of temperature on the inner surface of the corner joint of enclosures, a spatial angle including, have been obtained with the use of the program of calculation of three-dimensional temperature fields. Calculations confirm the efficiency of the insulation method considered. For confirming data obtained it is proposed to conduct the further testing on the experimental object.
Keywords: energy efficiency, wall, basement floor, temperature, dew point, heat conductivity factor.
Теплопроводные включения в ограждающих конструкциях снижают их теплозащитные качества, могут стать причиной выпадения конденсата. В регионах с вечномерзлыми грунтами здания, как правило, возводятся с проветриваемыми или холодными подпольями. Теплопроводные включения в цокольных перекрытиях зданий часто становятся причиной формирования дискомфортного температурного режима поверхности пола [1].
Значительное снижающее воздействие на величину сопротивления теплопередаче, теплопотери и на температурный режим помещения оказывают угловые соединения ограждающих конструкций [2-8]. В данное время при строительстве жилых и общественных зданий широко используется технология возведения их каркаса из монолитного железобетона. На монолитное перекрытие в пределах каждого этажа производится кладка из мелких бетонных блоков, на которые с наружной стороны крепятся теплоизоляционные плиты. При этом на цокольном перекрытии образуется теплопроводное включение «железобетонное перекрытие -кладка из мелких бетонных блоков» [4], значительно снижающее сопротивление теплопередаче углового соединения «стена - цокольное перекрытие». Совместное воздействие углового стыка конструкций и теплопроводного включения приводит к значительному снижению температуры внутренней поверхности ограждений [9].
2в| -
Предлагалось конструктивное решение цокольного перекрытия монолитно возводимых зданий, значительно снижающее влияние теплопроводного включения, на которое в 2012 г. получен патент на полезную модель РФ 117943 «Узел стены и монолитного цокольного перекрытия над холодными или проветриваемыми подпольями» (авторы Н.Д. Данилов, А.А. Собакин, А.А. Семенов, П.А. Федотов). При заливке монолитного цокольного перекрытия дополнительно предусматриваются железобетонные локальные опоры с шириной, равной ширине мелкого бетонного блока. На опоры укладываются железобетонные балки, имеющие такую же ширину. На балки в пределах этажа производится кладка из мелких бетонных блоков. На остальных этажах кладка производится непосредственно на междуэтажные перекрытия. Остающийся зазор между цокольным перекрытием и балкой позволяет разместить между ними утеплитель. Предварительная оценка эффективности такого решения опубликована в [4], где сделан детальный анализ утепления стыка стен с цокольным перекрытием каркасно-монолитных зданий с проветриваемыми подпольями путем размещения утеплителя под балкой, имеющей локальные опоры. Для оценки влияния теплопроводного включения на теплозащитное свойство ограждений проведены теплотехнические расчеты с применением программ расчета двухмерных и трехмерных температурных полей. Краткая
|l-2'2016
Научно-технический и производственный журнал
Structural calculations
Рис. 1. Фрагмент углового соединения наружных ограждений: 1 — монолитная железобетонная плита перекрытия; 2 — теплоизоляция; 3 — цементно-песчаная стяжка; 4 — теплоизоляция; 5 — мелкие бетонные блоки; 6 — штукатурка из цементно-пес-чаного раствора; 7 — железобетонная балка; 8 — утеплитель; 9 — локальные опоры из армированного бетона; 10 — линолеум. Примечание. Чтобы показать размещение локальных опор и балки, некоторые части ограждений условно не показаны
информация о программе расчета трехмерных температурных полей приведена в [3].
Рассмотрен фрагмент углового соединения ограждений (рис. 1) со следующими параметрами: высота стены от уровня чистого пола 1,49 м; длина цокольного перекрытия от внутренней поверхности стены 1,38 м; толщина теплоизоляции в цокольном перекрытии 0,3 м, в стене - 0,2 м. Расчетные температуры ^ = 21оС; ^ = - 52оС. Коэффициенты теплопроводности утеплителя 0,04 Вт/(моС), железобетона - 1,92 Вт/(м.оС), мелких бетонных блоков - 0,8 Вт/(м.оС), це-ментно-песчаного раствора - 0,76 Вт/(моС). Для упрощения расчетных операций кладка из мелких бетонных блоков по цементно-песчаному раствору принята как один материал. Проведен расчет повторяющегося элемента кладки с применением программы расчета трехмерных температурных полей, определены термическое сопротивление, а затем приведенное значение коэффициента теплопроводности, равное 0,798 Вт/(моС). Для оценки влияния такого упрощения с применением программы расчета двухмерных температурных полей проведены расчеты стыка стены с цокольным перекрытием при двух вариантах: 1) кладка, принятая как один материал; 2) кладка, состоящая из мелких бетонных блоков и раствора. По результатам расчета температура в углу осталась неизменной (с точностью до 0,001), а приведенное сопротивление теплопередаче изменилось всего на 0,001.
Сначала выполнены расчеты углового стыка конструкций без дополнительной теплоизоляции, т. е. при возведении кладки непосредственно по цокольному перекрытию. Температура в пространственном углу получилась равной 4оС, что значительно ниже точки росы для жилых зданий (^ = 10,62оС). Анализ вариантов утепления перекрытия с наружной стороны показал неэффективность такого решения [9]. Результаты расчета показывают, что даже при значительном утеплении цокольного перекрытия с наружной стороны (креплении плит теплоизоляции толщиной 0,15 м на длину 2 м от края цокольного перекрытия) в углу ожидается выпадение конденсата (т'в = 8,78оС < 1 = 11,62оС).
Рис. 2. Расчетная схема балки
Проведены расчеты с целью выявления размеров железобетонных опор и их оптимального размещения по длине балки. Оценка проведена по несущей способности и обеспечению температуры внутренней поверхности ограждений в угловых стыках выше точки росы. При размещении опоры в углу практически невозможно обеспечить температуру на внутренней поверхности пространственного угла выше точки росы. Проведен анализ по размещению опоры от торца балки. Расчетная схема несущей конструкции представляет собой статически определимую балку на двух опорах, загруженную равномерно распределенной нагрузкой от собственного веса кладки, утеплителя, фасадной системы с элементами крепления (рис. 2). Критерием оптимальности величины смещения х принято равенство опорного и пролетного моментов Моп = Мпр. Исходя из этого критерия при действии равномерно распределенной нагрузки опорный и пролетный моменты становятся равными при:
х = 0.5(л/2 -1)/ = 0.5*0.414*/ = 0.207/.
(1)
Армирование в балке подобрано из условия восприятия максимального момента для обеспечения прочности по наклонным сечениям и соблюдения конструктивных требований в соответствии с положениями главы СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» (рис. 3, а). В запасе прочности изгибная жесткость кладки, характерная для «висячих стен», не учитывалась. Несмотря на несимметричный характер действия нагрузки на опоры, благодаря уравновешенным опорным моментам в балке продольное армирование в опорах принято симметричным (рис. 3, б). Определен оптимальный по несущей способности балки вылет консоли от середины опоры. При длине балки 3 м он получился равным 0,6 м. Сечение балки принято равным 0,19x0,19 м. При размещении двух железобетонных опор с размерами в плане 0,19x0,19 м и высотой 0,2 м минимальная температура в пространственном углу равна 9,7оС, что ниже точки росы. При увеличении высоты опоры до 0,3 м температура повысилась до 10,93оС. Следующим выбран вариант опоры с размерами в плане 0,19x0,15 м и высотой 0,3 м. Минимальная температура внутренней поверхности ограждения получилась в двухмерном углу над опорой и равна 11,76оС, что выше точки росы. В пространственном углу температу-
1-2'2016
29
Расчет конструкций
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
VtbUQ)
швеЮ
< 4
Е
s S
п t _ -ч.
С
Н W
£ 8 l £
j l
io ijo
Л й"
Рис. Схема армирования: а — балки; б — опоры
ра имеет более высокое значение тв=12,92оС. Максимальная температура зафиксирована в двухмерном углу в середине между опорами тв=17,42оС, что значительно выше, чем при вариантах с наружным утеплением. Приведенное сопротивление теплопередаче рассмотренного фрагмента пространственного стыка стен и цокольного перекрытия равно RПP = 3,94 м2.оС/Вт, что значительно ниже условного сопротивления теплопередаче цокольного перекрытия ^усл = 7,86 м2.оС/Вт) и стены ^сл = 5,45 м2.оС/Вт). Это наглядно показывает, что при определении приведенного сопротивления теплопередаче ограждений и теплопотерь в угловых помещениях следует учитывать влияние углов, и в особенности пространственных. Для определения расчетной величины необходимо дополнительно учесть и влияние коннекторов как точечных неоднородностей и применять элементный подход [10].
Рассмотрена и возможность применения в качестве опоры армированного конструкционного легкого бетона, например пенобетона на цементном вяжущем плотностью 1000 кг/м3. Конструктивно вариант опоры с использованием легкого бетона отличается учащенным шагом поперечных стержней, выполняющих роль косвенного армирования, который принят равным 50 мм вместо 100 мм для железобетонного варианта. При высоте опоры 0,3 м и сечении 0,19x0,19 м минимальная температура получена в пространственном углу =13,71оС. Это на 0,79оС выше, чем при железобетонной опоре с сечением 0,19x0,15 м. Температура в угловом стыке над опорами получилась по сравнению с железобетонной опорой существенно выше: 14,87 и 15,14оС, а в промежутке между ними возрастает до 17,61оС. До установления температурного поля определено приведенное значение коэффициента теплопроводности опоры с учетом армирования: 0,53 Вт/(моС). При армированной пенобетонной опоре (0,57 Вт/(моС)) с размерами 0,19x0,15 м прогнозируются следующие температуры: в пространственном углу т'в = 13,8оС, а в угловом стыке над опорами - 15,1 и 15,38оС. Максимальная температура в промежутке между опорами получилась равной 17,58оС. Распределение температуры в угловом стыке стены и цокольного перекрытия от угла до середины между опорами приведено на рис. 4. Дополнительные затраты, связанные с применением железобетонной балки, компенсируются уменьшением расхода теплоизоляционного материала, что будет значительно при наружном способе утепления. Значителен и социальный эффект, так как применение такой конструкции позволяет повысить температуру поверхности пола.
Предлагаемое решение следует применять при строительстве любых зданий с монолитным каркасом, размещенных на вечномерзлых грунтах и имеющих проветриваемое
Ii
j
4,51
Рис. 4. График распределения температуры в угловом стыке стены и цокольного перекрытия от пространственного угла: 1 — до середины промежутка между опорами при варианте с локальными опорами и утеплением пространства под балкой; 2 — до аналогичного расстояния при размещении кладки непосредственно по цокольному перекрытию
или холодное подполье. Для внедрения в строительство необходимо построить экспериментальный объект, который наглядно покажет преимущество предлагаемого решения утепления углового стыка цокольного перекрытия со стеной.
Список литературы
1. Данилов Н.Д. Температурный режим цокольного перекрытия в зданиях с холодными подпольями // Жилищное строительство. 1999. № 10. С. 24-26.
2. Самарин О.Д. К вопросу об определении температуры в наружном углу здания // Строительная физика в XXI веке: Материалы научно-технической конференции НИИСФ. М.: НИИСФ РААСН, 2006. С.104-107.
3. Данилов Н.Д., Шадрин В.Ю., Павлов Н.Н. Анализ влияния локальных теплопроводных включений на температурный режим ограждающих конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 6. С. 32-33.
4. Данилов Н.Д., Федотов П.А. Теплоэффективное решение углового соединения цокольного перекрытия и стены монолитных зданий с холодными подпольями // Жилищное строительство. 2012. № 2. С. 1-2.
5. Самарин О.Д. Оценка минимального значения температуры в наружном углу здания при его скруглении // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 8. С. 34-38.
6. Данилов Н.Д., Федотов П.А., Кычкин И.Р. Теплопотери наружных стен в угловых помещениях // Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия. Ч. 2. Технические науки: Материалы IX Международной научно-практической конференции. Новосибирск: Международный научный институт «Educatio», 2015. № 2(9). С. 31-34.
7. Данилов Н.Д., Федотов П.А. Анализ влияния угловых стыков на теплопотери наружных стен // Жилищное строительство. 2015. № 8. С. 14-17.
8. Гагарин В.Г., Неклюдов А.Ю. Учет теплотехнических не-однородностей ограждений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 3-7.
30
1-22016
а
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Structural calculations
9. Данилов Н.Д., Федотов П.А., Акимова Н.С., Петров Д.Ф. Анализ вариантов утепления с наружной стороны угловых соединений цокольного перекрытия и стен каркас-но-монолитных зданий с проветриваемыми подпольями // Современные концепции научных исследований: Материалы XVI Международной научно-практической конференции.Ч. 2. Технические науки. Экономические науки. М.: Евразийский союз ученых. 2015. № 7. С. 160-162.
10. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4-12.
References
1. Danilov N.D. Temperature ground floors in buildings with cold underground. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 1999. No. 10, pp. 24-26. (In Russian).
2. Samarin O.D. To a question of determination of temperature in an external corner of the building. Construction physics in the XXI century: Materials of scientific and technical conference. Moscow: NIISF RAASN, 2006. P. 104-107. (In Russian).
3. Danilov N.D., Shadrin V.Yu., Pavlov N.N. Forecasting of temperature condition of angular connections of the external protecting designs. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. No. 4, pp. 20-21. (In Russian).
4. Danilov N.D., Fedotov P.A. The heateffective solution of angular connection of socle overlapping and a wall of monolithic buildings with cold undergrounds. Zhilishchnoe
Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 2, pp. 1-2. (In Russian).
5. Samarin O.D. Otsenka of the minimum value of temperature in an external corner of the building at its rounding off. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 8, pp. 34-38. (In Russian).
6. Danilov N.D., Fedotov P.A., Kuchkin I.R. Outside wall heat losses in corner rooms. Educatio. 2015. No. 2(9), pp. 31-34. (In Russian).
7. Danilov N.D., Fedotov P.A. Analysis of Ifluence of Corner Joints on Yeat Losses of External Walls. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 8, pp. 14-17. (In Russian).
8. Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. The account heattechnical a neobottom-rodnostey of protections when determining thermal load of system of heating of the building. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 3-7. (In Russian).
9. Danilov N.D., Fedotov P.A. Akimva N., Petrov D. Analysis of heat insulation options of socular overlapping angular joints and walls of framed-monolithic buildings with ventilated undergrounds from the outer side. Collection of materials XVI of international scientific and practical conference. Part 2. Technical scientific. Moscow. The Eurasian Union Of Scientists. 2015. No.7, pp.160-162. (In Russian).
10. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Theoretical prerequisites of calculation of the specified resistance to a heat transfer of the protecting designs. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2010. No. 12, pp. 4-12. (In Russian).
■чКЯУ ■ " 'я1 w
С ne циап и 3+1 сюаамн □ и аыегаака
СТРОЙ ИНДУСТРИЯ
СИБИРИ
СОВРЕМЕННЫЙ ДОМ ЖКХ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
• CORPFMEHHbJE ТЕХНОЛОГИИ * НОВИНКИ ОТРАСЛИ ■ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
КОНТАКТНЫЕ ДАННЫЕ
Т. (3312 j 40-00-09
jrvd.ru
Оиск, Облетной ЭКСПОЦЕНТР, ул. 70 лот Октября. 2Е.'2
1-22016
31
