2575

Ярким примером концентрации особенностей знакопеременных воздействий являются тепловые. Если рассматривать реакцию стержневого элемента, например трубопровода на нестационарные воздействия окружающей среды (рис. 2.9, а), то можно отметить, что свободно лежащий элемент трубопровода беспрепятственно меняет свою длину l0 при коле-

баниях температуры окружающей среды t0 (рис. 2.9,б). Действительная

длина определяется с учетом коэффициента линейного теплового расширения материала αm трубопровода по элементарной формуле

∆li = l0 (t1 −t2 ) αm .

В случае закрепления концов трубопровода резко меняется его реакция на температурные колебания окружающей среды. С повышением температуры и неизбежным удлинением трубопровода в стесненных условиях происходит его деформация в виде искривления (рис. 2.9,в), а при понижении температуры с сопутствующим укорочением трубопровода может произойти его разрыв, особенно при многократных колебаниях температур окружающей среды. Поэтому с целью предотвращения неизбежных деформаций в системе трубопроводов устраиваются так называемые компенсаторы (рис. 2.9, г), которые «гасят» температурные деформации, работая на сгибание и разгибание (рис. 2.9, д), обеспечивая большую долговечность.

Рис. 2.9. Схема деформаций стержневых элементов в условиях знакопеременных тепловых воздействий: а – характер тепловых воздействий; б – свободно лежащий

П элемент трубопровода; в – трубопровод с защемленными концами; г – трубопровод с компенсаторами; д – характер деформации петли компенсатора; d-d и е-е – оси при

tH.1; в-в и с-с – при tH.2

Особенности знакопеременных несиловых воздействий и реакция конструктивных элементов на эти воздействия ярко проявляются и в плоскостных конструктивных элементах: стеновых панелях, стареющем асфальтобетоне, наружной облицовке стен и т.п. В стесненных условиях переменного нагрева и охлаждения отделочного слоя как по площади, так и по толщине возникают деформации изгиба с отрывом от основания, трещины по толщине с раскрытием к наружной плоскости (рис. 2.10,в). Напряжения взаимного поджатия по стыку плиток с максимальными их величинами в поверхностном слое и приводят к последовательному срезу со

30

некоторые объемно-планировочные и конструктивные решения: разрезку зданий температурными швами на блоки; определять географию размещения вертикальных связей; вид сопряжений конструктивных элементов и т.д.

31

– закрытый режим задания, отопление, пребывание людей в здании; o холодная (tсрдн < +8 0С) – закрытый режим здания, отопление;

32

o прохладная (tсрдн = +8...15 0С) – закрытые окна, кратковременное пользование открытыми помещениями (балконы, лоджии, террасы);

o тёплая (tсрдн = +16...28 0С) – открытый режим здания, длительное пользование открытыми помещениями;

o жаркая (tсрдн = +28 0С) – необходимость защиты здания от перегрева;

oочень жаркая (tсрдн = +32 0С) – неблагоприятное воздействие температуры на человека.

В соответствии со строительными нормами и правилами вся территория СНГ разделена на четыре района: I – с очень холодной длительной суровой зимой и коротким прохладным летом (Крайний Север, северо-восток страны); II – с холодной зимой, но тёплым или умеренно жарким летом (центральная и северо-западная территория европейской части, а также прибрежные дальневосточные территории); III – с отрицательной, иногда низкой зимней температурой, но обычно жарким летом (преимущественно территории с континентальным климатом в средней полосе и отчасти юге

июго-востоке); IV – с короткой и неустойчивой зимой, длительным жарким и очень жарким летом (крайне южные и юго-восточные территории). Каждый из этих четырёх районов подразделён на 3–5 подрайонов (А, Б, В, Г, Д), всего 16 подрайонов.

С учётом приведённых климатических данных решаются задачи: градостроительные (выбор участка, расположение, ориентация зданий); объёмно-планировочные (размеры, форма здания, размеры и форма помещений и их взаимосвязь); конструктивные (выбор материалов и конструкций, проведение инженерных расчётов, учёт особых воздействий); применение специального инженерного оборудования.

Теплозащитные качества ограждающих конструкций. Наружные ограждающие конструкции разделяют две среды с различными параметрами и должны обладать: достаточными теплозащитными свойствами (сохранять тепло в холодный период и защищать помещения от перегрева в жаркое время); необходимой теплоустойчивостью (тепловой инерцией), то есть иметь допустимую амплитуду колебания температуры на внутренней поверхности стены при суточном изменении её на наружной поверхности; допустимой воздухопроницаемостью; сохранять нормальный влажностный режим; не допускать на внутренней поверхности конденсатообразования; обеспечивать необходимые гигиенические условия.

Через ограждающую конструкцию здания при наличии разности температур между воздухом в здании и окружающим его наружным воздухом будет осуществляться теплопередача (рис. 2.12). Теплопередача – это совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии от более нагретых тел к другим, менее нагретым [2].

33

Рис. 2.12. Схема теплового потока и распределение температур в ограждающей конструкции: tн – температура наружного воздуха, оС; tв – температура внутреннего воздуха, оС; τн.п – температура наружной поверхности ограждения, оС; τв.п – температура внутренней поверхности ограждения оС; Rв, Rн – сопротивление теплообмену соответственно внутренней и наружной поверхности ограждения, оСм2/Вт; R – термическое сопротивление ограждения, оСм2/Вт; R0

– общее сопротивление теплопередаче ограждения, оСм2/Вт

Количество тепла Q , проходящего через ограждение, может быть оп-

Если толщину ограждения, его площадь, время теплопередачи и разность температур принять равными единице, то λ = Q , т. е. коэффици-

ент теплопроводности представляет собой количество тепла в джоулях, которое проходит в единицу времени через 1 м однородного ограждении толщиной 1м2 при разности температур на его поверхностях 1 °С. Важнейшим теплотехническим свойством однородного ограждения является его термическое сопротивление, т.е. способность сопротивляться прохождению через него тепла, которое определяется разностью температур с одной и другой стороны поверхности ограждения и выражается формулой R =δ / λ , (˚См2/Вт). Термическое сопротивление конструкции равно сумме

термических сопротивлений всех слоев, т. е. R = ∑δi . Здесьδi – толщина

λi

отдельного слоя; λi – коэффициент теплопроводности материала слоя.

При переходе теплового потока через ограждение температура снижается не только в материале ограждения, но и около его поверхностей в результате наличия ламинарного слоя воздуха, который обладает термическим сопротивлением Rпс = δлс / λв . Однако толщина ламинарного слоя

34

воздуха δпс является переменной величиной в результате его разрушения

турбулентными потоками воздуха. Поэтому процесс теплопередачи у внешних поверхностей принято характеризовать коэффициентами тепло-

При стационарном тепловом режиме входящий в ограждение тепловой поток и проходящий через него равны между собой: Qвх = Qпр, поэтому

здесь Rх – сумма термических сопротивлений слоев от внутренней по-

верхности ограждения до слоя определения.

С учётом обязательного обеспечения санитарно-гигиенических требований температура внутренней поверхности ограждения должна быть не ниже, а выше температуры точки росы, то есть τв >τтр. Поэтому с учётом

этих требований и требований по исключению «холодной» радиации температурный переход между температурой внутреннего воздуха и темпера-

здесь n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху; tв и tн – расчётные тем-

пературы соответственно внутреннего и наружного воздуха, °С.

Однако кроме расчёта из условий обеспечения санитарногигиенических требований ∆tн и τв >τтр необходим расчёт ограждающих

конструкций из условий энергосбережения, то есть определения Rтрэф, ве-

35

личина которого, как правило, больше R0 , то есть Rтрэф > R0тр .

Влажностный режим ограждающих конструкций. Неизбежные увлажнения наружных ограждающих конструкций нарушают их эксплуатационные качества: теплозащиту и долговечность, а также санитарногигиенические условия помещений. Поэтому при проектировании наружных ограждающих конструкций необходимо прогнозировать их теплозащитные качества и предусматривать методы предотвращения возможности их увлажнения.

Разность упругостей водяного пара с одной и с другой стороны ограждения является потенциалом переноса потока водяного пара через ограждение. Это явление носит название диффузии водяного пара. Между процессами диффузии газов и процессами тепловодности имеется полная ана-

фициент паропроницаемости материала мг/(м·ч·Па).

При диффузии водяного пара через ограждающую конструкцию его парциальное давление понижается с величины eв.п до величины ен за счет

общего сопротивления конструкции паропроницанию, которое определяется по формуле

где Rп.в и Rп.н – сопротивления влагообмену соответственно на внутренней и наружной поверхностях ограждения; Rп =δ / µ – сопротивление па-

ропроницанию слоя конструкции, м2.ч.Па/кг.

Величина парциального давления водяного пара в плоскости х поперечного сечения ограждающей конструкции определяется по формуле

Эта формула позволяет определить значение давлений в интересующих плоскостях, как правило, в плоскостях – границах конструктивных слоев поперечного сечения многослойных конструкций.

Причинами увлажнения ограждающих конструкций являются:

-строительная влага, которая вносится в ограждающие конструкции при возведении зданий или при изготовлении их элементов;

-грунтовая влага, которая при отсутствии гидроизоляционных стен может проникать в ограждения из грунта вследствие капиллярного всасывания материалом стен зданий с их увлажнением до высоты 2–2,5 м от уровня земли;

36

-атмосферная влага, которая проникает в ограждения при косом дожде в результате смачивания поверхности стен и неисправности кровли и водостоков;

-эксплуатационная влага, выделение которой связано с эксплуатацией зданий, преимущественно в цехах промышленных зданий с мокрыми процессами производства: текстильных, кожевенных, пищевых;

-гигроскопическая влага, которая накапливается в ограждении вследствие гигроскопичности его материалов;

-конденсационная влага, которая является результатом конденсации влаги из воздуха в зонах контакта с материалом, когда температура контакта становится равной температуре точки росы τ =τТ.Р .

Гигроскопичность – это свойство материала поглощать (сорбировать) влагу из воздуха.

рактеризующее влагоемкость материала при его увлажнении в пределах от начальной (равновесной) влажности до максимальной сорбционной; III – с несмачиваемой (гидрофобной)

поверхностью

Влагосодержание материала в обычных условиях при установившемся равновесии процессов влагообмена с окружающей средой называется равновесной влажностью ωравн. Закономерность изменения равновесного

влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоянной температурой, но возрастающей относительной влажностью, выражается изотермой сорбции (рис. 2.13).

Различают абсолютную и относительную влажности воздуха. Причём абсолютная влажность определяется количеством граммов водяного пара, содержащегося в 1м3 воздуха, и обозначается f (г/м3), а относительная

влажность воздуха выражается в процентах. Определяется она отношением действительной упругости воздуха е (Па) к максимально возможной

холодных предметах при внесении их в тёплое помещение. Этот эффект связан с охлаждением воздуха, ростом действительной упругости водяного пара и достижением максимальной величины, то есть l → E , а ϕ →100% .

37

конденсата в материале ограждения и количественной оценки конденсированной влаги в условиях стационарного режима диффузии водяного пара используют графоаналитический метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций. Этот метод является эффективным средством в научных и инженерных исследованиях и разработке новых ограждающих конструкций. Сущность его состоит в построении на поперечном разрезе ограждающей конструкции линии изменения температуры, действительной и максимальный упругости водяного пара. Значения этих величин определяют на границах слоев в многослойных ограждениях или в условных плоскостях, на которые разбивают однородное (однослойное) ограждение.

Расчет на конденсацию влаги в ограждении делается графически следующим образом (рис. 2.15):

1. В ограждении строятся линии падения температуры по формулам (2.6) и (2.7). В отличие от процессов теплопередачи процессы диффузии водяного пара через ограждающие конструкции протекают значительно медленнее, в результате чего для стабилизации процесса диффузии требуется более продолжительное время. Поэтому упомянутые значения расчетной температуры tн и действительной

упругости водяного пара eннаружного

воздуха принимают равными средним величинам: для массивных конструкций – за холодный период, для конструкций средней массивности – за наи- более холодный месяц, для легких, быстро увлажняемых конструкций – за наиболее холодный двухнедельный период.

2. По температурной линии строится линия изменения максимальной упругости водяного пара Е в ограждении.

3. Затем строится линия падения действительной упругости водяного пара е по формуле (2.11). Если ли-

нииЕ и е не пересекаются, то это указывает на отсутствие конденсации водяного пара в ограждении, так как при этом в любой плоскости ограждения действительная упругость водяного пара оказывается ниже максимальной упругости, что исключает возможность конденсации водяного пара. Если же линии Е и е пересекаются, то это значит, что в ограждении возможна конденсация водяного пара.

Количество конденсированной влаги в материале определяется как разность входящего количества P1 и выходящего из конструктивного слоя

39