2575

32–35%; излучением – 42–44%; испарением – 20–25%; физиологическим путем – 2–5%.

Таблица 2.1

Теплопродукция организма взрослого человека

Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы, то в организме может наблюдаться накопление тепла ( ∆Qч >0 – «жарко»), связанное с повышением температуры, или его дефицит, приводящий к переохлаждению организма ( ∆Qч <0 – «холодно»), при ∆Qч =0 обеспечивает-

ся тепловой комфорт микроклимата внутренней среды. Система организма позволяет в определенных пределах обеспечивать баланс продуцируемого и теряемого телом тепла. Однако возможности терморегуляции весьма ограничены. Для регулирования процесса теплообмена человека с окружающей средой помещений используются системы искусственных средств.

20

2.3. Элементыархитектурно-конструктивныхрешенийзданий

Основными конструктивными элементами гражданских и промышленных зданий являются: фундаменты, каркас, стены, перекрытия, лестницы, перегородки, балконы, окна, двери и др. (рис. 2.3).

Фундаменты – подземные несущие конструкции, передающие нагрузки от здания на грунт. Они устраиваются под стенами и колоннами (столбами), технологическим оборудованием и т.п.

Стены – несущие и ограждающие конструкции здания. По своему назначению и месту расположения в здании они делятся на наружные и внутренние. Наружные стены являются ограждающими конструкциями, которые защищают помещения от неблагоприятных внешних воздействий. Они могут быть несущими, самонесущими и навесными. Несущие и само-

21

несущее стены опираются на фундаменты. Навесные стены навешиваются на элементы каркаса или на несущие внутренние стены.

Каркас является несущей системой здания. Он состоит из колонн, ригелей, балок, прогонов и связей. Колонны опираются на фундаменты.

Перегородки – это сравнительно тонкие ненесущие внутренние стены, разделяющие этажи на отдельные помещения.

Перекрытия – горизонтальные конструкции здания, разделяющие его внутреннее пространство на этажи и несущие полезные нагрузки. Для сообщения между этажами устраивают лестницы и лифты.

Крыша (покрытие) – наружная ограждающая и несущая конструкция, которая служит для защиты здания от атмосферных осадков, от потерь тепла зимой и перегрева летом.

Для гражданских и промышленных зданий характерны одни и те же конструктивные элементы, имеющие свои конструктивные особенности (рис. 2.3). Например, одноэтажные промышленные здания отличаются значительными размерами пролетов, наличием подкрановых балок, по которым перемещаются мостовые краны, фундаментных балок и др. Конструктивные элементы многоэтажных промышленных зданий во многом сходны с элементами гражданских зданий.

Основные несущие конструктивные элементы здания (фундаменты и стены, колонны и столбы, балки и прогоны, перекрытия и покрытия) образует остов здания – пространственную систему вертикальных и горизонтальных несущих элементов, так называемую конструктивную систему.

Конструктивная система – это взаимосвязанная совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, воспринимающих все нагрузки и воздействия, совместно обеспечивающих его прочность, пространственную жёсткость и устойчивость. Соответственно виду вертикальной несущей конструкции получили наименование пять основных конструктивных систем зданий: каркасная, стеновая – бескар-

касная, объемно-блочная, ствольная и оболочковая (рис. 2.4,а). Наряду с основными широко применяют комбинированные конструктивные системы (рис. 2.4,б). В этих системах вертикально несущие конструкции компонуют, сочетая разные виды несущих элементов – стены и колонны, стены и объемные блоки и другое.

Характер размещения несущих конструкций в объеме здания определяет конструктивную схему, которая может быть с поперечным, продольным и смешанным размещением стен, рам каркасов и т.п. [3].

22

самонесущий объемныйблок

Рис. 2.4. Основные (а) и комбинированные (б) конструктивные системы: 1 – стеновая; 2 – каркасная; 3 – ствольная; 4 – оболочковая; 5 – объемно-блочная

Строительная система определяет конструктивную систему по материалу несущих элементов (деревянная, каменная, железобетонная, стальная и т.п.) и по технологии производства работ (мелкоштучная, мелко- и крупноблочная, объемно-блочная, сборная монолитная и т.п.).

2.4. Воздействия на здания и реакция их на эти воздействия

Прежде чем перейти к особенностям воздействий на архитектурные объекты, необходимо отметить следующий немаловажный факт. Анализ воздействий и их результаты могут быть более эффективными, если найдешь аналогии в окружающей среде – природе. Природные аналогии ставят перед специалистом много задач и вопросов, ответы на которые требуют особого умения, в частности:

-почему ветви и сучья деревьев к зиме начинают провисать к земле?

-почему ствол дерева круглый?

-почему любой материальный предмет, например, колонна, балка, угол здания, горная скала и т.п. начинает разрушаться с углов, сопряже-

ний, острых выступов и т.п.?

- почему свежеуложенное асфальтобетонное, цементно-песчаное, бетонное, покрасочное, глинопесчаное, грунтовое и другие отделочные и открытые поверхности в условиях знакопеременных воздействий окружающей среды разрушаются в виде трещин с выделением отдельностей в форме «черепков» с их короблением?

23

-почему ветви и сучья деревьев в месте их крепления к стволу имеют линейные наросты в форме разбегающихся сторон угла?

-откуда и как появляются зимние узоры на оконном стекле с непредсказуемостью и неповторяемостью рисунка этих художественных произведений природы как элементов авнгардизма, импрессионизма и всех других «-измов» и как не воспользоваться художнику-архитектору этими «да-

рами» природы?

Воздействия на здания. Весь процесс проектирования любых зданий, конструктивных элементов и их узловых сопряжений из условий обеспечения технической целесообразности сводится к выявлению всей совокупности воздействий окружающей среды и представлению их в виде простейших воздействий (рис. 2.5). Причем такой прием правомерен в том случае, если последствия схематизированных воздействий идентичны последствиям, возникающим в действительных условиях, и чем точнее система схематизированных воздействий будет воспроизводить действительную, тем достовернее окажутся получаемые результаты.

Принято все внешние воздействия на сооружение и его конструкции делить на силовые (активные) и несиловые. Внешние силовые активные силы, действующие на сооружения, называются нагрузками, к ним относятся:

○постоянные нагрузки, которые всегда находятся на сооружении, как собственный его вес, вес несущих и ограждающих конструкций:

○временные нагрузки, периодически действующие на сооружение; временные длительные неподвижные от стационарного оборудования, длительно хранящихся грузов, веса слоя воды на водонаполненных пло-

24

влаги, строительно-технологической и эксплуатационной влаги, гигроскопической и конденсационной влаги из воздуха на поверхности и в толще ограждающих конструкций;

-ветровые воздействия, вызывающие не только силовые нагрузки, но и фильтрацию воздуха через конструкции, сквозное продувание помещений с сопутствующим изменением их воздушного и теплового режима,

атакже определяющие снего- и пылеотложения;

-воздействия лучистой световой, инфракрасной (тепловой) и ультрафиолетовой энергий солнца и теплоисточников технологиче-

ского процесса, вызывающих изменение физико-технологических свойств как поверхностных, так и толщи материала конструкций в результате местного их нагрева, изменение теплового и светового режимов помещений;

-воздействия агрессивных химических веществ, содержащихся в воздухе, которые при соответствующем тепловлажностном режиме среды могут вызвать коррозию материалов конструкций и привести к разрушению конструкций здания;

-биохимические воздействия, вызываемые микроорганизмами, приводящие к разрушению конструкций из органических и даже неорганических строительных материалов;

-воздействия звуковой энергии от источников шума, находящихся вне или внутри здания, нарушающие нормальный акустический режим помещений и узловых сопряжений конструктивных элементов.

Главная особенность проявления практически всех видов несило-

вых воздействий заключается в их знакопеременности (нестационарно-

сти), которая предопределяет стойкость материалов с сохранением их заданных качеств и, как следствие, долговечность конструкций и зданий в целом.

Можно выделить следующие виды стойкости материалов:

○ морозостойкость материалов, т.е. способность водонасыщенного материала противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию с сохранением заданных качеств. Физическая особенность данного процесса в том, что при увлажнении материала влага заполняет его поры и при переменном замерзании и оттаивании создает напряженное состояние в скелете материала с неизбежным его разрушением;

○ термостойкоть материалов, т.е. способность сухого материала противостоять многократному попеременному нагреву и охлаждению с сохранением заданных качеств;

○ влагостойкость материалов, т.е. способность материала противостоять многократному попеременному увлажнению и сушке с сохранением заданных качеств при сопутствующих деформациях размягчения, набухания, усадки, коробления, растрескивания, расслоения и т.п.;

○ коррозийная стойкость, т.е. способность материалов сопротивлять-

25

ся и противостоять разрушению, вызываемому химическими и электрохимическими процессами с сохранением заданных качеств;

○биохимическая стойкость, т.е. способность органических и даже неорганических строительных материалов сохранять качества при действии микроорганизмов и сопутствующих химических воздействий;

○огнестойкость материалов, т.е. способность противостоять или сопротивляться воздействию огня с сохранением заданных качеств.

В некоторых случаях под влиянием одних и тех же факторов могут возникать одновременно и силовые, и несиловые воздействия. Так, при ветре под влиянием скоростного напора на поверхность ограждения действует ветровая нагрузка и одновременно увеличивается количество проникающего через неё воздуха, снижающего теплоизоляционные качества этого ограждения. Слой выпавшего снега создает дополнительную нагрузку на покрытие и одновременно изменяет его температурный режим.

Последствия, вызываемые воздействиями на элементы здания, проявляются в виде многообразных процессов как при строительстве, так и при эксплуатации. Определяются они формой, структурой и свойствами материалов, характером взаимосвязи с другими элементами здания, т. е. конструктивным решением узловых сопряжений.

Воздействия и реакция. Рассмотрим характер внешних знакопеременных воздействий и особенности реакции конструктивных элементов здания на эти физико-климатические воздействия. Начнем с анализа морозостойкости материалов наружных ограждающих конструкций.

С физической точки зрения любое отапливаемое здание с его ограждающими конструкциями является общей «шубой» для людей, технологического процесса, животных и должно защищать помещения от переохлаждения, перегрева, ветра, осадков и других нежелательных воздействий, давать максимальную возможность использования природных факторов – свежего воздуха, естественного освещения и солнечной энергии при обязательном сохранении заданных эксплуатационных качеств.

Ограждающие конструкции являются преградой, разделяющей две среды: наружную и внутреннюю с различными параметрами температуры, давлений воздуха, содержания водяных паров и газовых вредностей. Через толщу ограждений идет постоянный процесс переноса тепла, парообразной

ижидкой влаги из помещений, влаги косых дождей и газовых вредностей в условиях перепадов температур и давлений внутреннего и наружного воздуха.

Поскольку долговечность ограждающих конструкций находится в прямой зависимости от влажности их материалов при воздействии знакопеременных температур и газовых вредностей, то эксплуатационное состояние ограждений определяет качество среды как жилых, так и производственных помещений и в конечном счете срок службы всего здания. В

26

холодное время года температура воздуха с внутренней стороны, как правило, значительно выше температуры наружного воздуха и, как следствие, упругость водяного пара с внутренней стороны ограждения оказывается значительно выше, чем с наружной его стороны. Вследствие различия упругостей (парциальных давлений) водяного пара ев > ен по обеим сторо-

нам ограждений через его толщу к наружной поверхности перемещается парообразная влага. Этот процесс носит название диффузии. В строительной теплофизике пользуются понятием «паропроницание» или общим понятием «влагопроводность», включающим в себя процесс перемещений влаги в материале независимо от механизма ее движения. При воздухопроницаемости ограждающих конструкций на процесс паропроницания может накладываться процесс молярного переноса влаги за счет фильтра-

свою сорбционную ёмкость, достигнув максимального сорбционного увлажнения, возможно образование свободной влаги с выпадением в виде конденсата с увлажнением материала ограждающей конструкции.

В нестационарных условиях тепловых воздействий в результате колебания наружной температуры (рис.

2.6, а) увлажненная зона конденсаций может попеременно находиться в условиях неизбежного промерзания и оттаивания. Влага, замерзая в порах материала, при переходе в лед увеличивается в объеме на 9%. Воздействие на материал ограждающих конструкций попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала и его разрушение. Так, кирпичные стены расслаиваются по толщине в зоне конденсации влаги (рис. 2.6, б), т.е. в продольной плоскости поперечного сечения ограждения, отстоящей от внутренней поверхности примерно на 2/3 толщины.

Результаты исследований зданий в натурных условиях подтверждают, что слои материала ограждения должны располагаться в следующем по-

27

рядке: у внутренней поверхности материалы плотные, как правило, теплопроводные и малопроницаемые, а к наружной, наоборот, пористые, паро- и воздухопроницаемые. Аналогия – наша синтетическая одежда, типа плаща «болонья» и т.п.: от дождя спасает, исключает испарение с тела человека.

Результат – жарко и «мокро». Нарушение этого принципа в ограждающих конструкциях индустриального типа приводит к весьма плохим результатам. Размещение с наружной стороны плотного слоя с большим сопротивлением паропроницанию препятствует удалению влаги из толщи наружной стены и способствует накоплению ее в зимний период у наружной поверхности теплоизоляционного слоя (рис. 2.7). Влажность наружного слоя теплоизоляции в 1,5 раза превышают предельно допустимую. Это снижает теплозащитные качества стен и их долговечность с расслоением и разрушением утепляющего слоя [10].

Огнестойкость зависит от сгораемости материала, т.е. его способности воспламеняться и гореть. В зависимости от степени огнестойкости строитель-

ные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Предел огнестойкости выражается в часах времени, в течение которого конструкции при стандартном воздействии огня и высоких температур сохраняют заданные качества по несущей способности и устойчивости без проявления деформаций. Можно отметить, что предел огнестойкости является критерием назначения времени эвакуации людей за счет соответствующих объемно-планировочных решений, применения необходимых материалов, конструкций и сохранения их эксплуатационной надежности при пожаре.

Физической основой проявления влагоили водостойкости строительных материалов являются попеременные процессы их увлажнения и сушки, разрушающих стабильность структурных свойств материала. При насыщении материала водой происходит его набухание (рис. 2.8, а). Полярные молекулы водно-паровой среды, проникая в промежутки между гранулами, частицами или волокнами материала, как бы расклинивают их с утолщением гидратных оболочек вокруг частиц с исчезновением внутренних менисков и капиллярных сил. При высыхании материала происходит его обычная или поверхностная усадка с уменьшением объема (рис. 2.8, б, в). Усадка материала вызывается уменьшением толщины гидратных

28

слоев вокруг частиц материала и действием капиллярных сил по сближению между собой частиц материала. Чередование процессов увлажнения и сушки пористых материалов сопровождается деформациями набухания и усадки с появлениям трещин и расслоений. Характеристикой водостойкости служит коэффициент размягчения, равный отношению предела прочности на сжатие насыщенного водой материала Rнас и сухого материала

Rсух , т.е. kраз = Rнас / Rсух, который изменяется от 0 (размокающие глины) до 1 (металлы). Водостойкими считаются строительные материалы с ко-

ния его сплошности. Термическое расширение является упругим для однородных материалов, и оно полностью обратимо. В основе разрушения структуры лежат физические явления, под влиянием которых в материале возникают напряжения. Наибольшее разнообразие возникающих напряжений наблюдается в структуре многокомпонентных материалов, т.е. с гетерогенной системой, из двух или большего количества компонентов с различными коэффициентами термического расширения. Если в однокомпонентных материалах деформации, возникающие вследствие градиента температур и коэффициента термического расширения, развиваются в стесненных условиях с отсутствием условий свободного изменения объема материала, то в многокомпонентных структурах при разнице коэффициентов контактирующих компонентов неизбежно возникают касательные и объемные напряжения. При большом количестве циклов резких смен температур и знакопеременных деформациях компонентов может разрушаться структура материала.

29