Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строительная физика. Учебное пособие по направлению подготовки 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений»
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
____________________________
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства»
(ПГУАС)
Л.Н. Петрянина
СТРОИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА
Рекомендовано Редсоветом университета
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению подготовки
08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений»
Пенза 2021
1
УДК 69.53
ББК 38.113я73
П31
Рецензенты: заместитель генерального директора ООО
«СМУ-25» А.Ф. Филиппов (г. Пенза);
доктор технических наук, профессор
А.М. Береговой (ПГУАС)
П31
Петрянина Л.Н.
Строительная физика: учеб. пособие по направлению подготовки 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений»
/ Л.Н. Петрянина. – Пенза: ПГУАС, 2021. – 164 с.
Рассмотрен лекционный курс, согласно действующему учебному плану и
отвечающий требованиям ФГОС ВО. Изложен теоретический материал по трем
разделам дисциплины «Строительная физика»: строительные климатология и
теплотехника, архитектурная акустика и звукоизоляция ограждающих конструкций,
основы светотехники, предусмотрены вопросы для самоконтроля студентов.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Городское строительство и архитектура» и предназначено в качестве основной литературы для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и
сооружений», специализация №1 «Строительство высотных и большепролетных
зданий и сооружений»
Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства, 2021
Петрянина Л.Н., 2021
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс лекций написан в соответствии с требованиями нового
Федерального государственного образовательного стандарта высшего
образования для обучения студентов по направлению подготовки 08.05.01.
«Строительство уникальных зданий и сооружений», специализация №1
«Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений»,
согласно которому все виды учебных занятий должны быть подкреплены
учебно-методическим материалом по изучаемой дисциплине. При
изучении дисциплины «Строительная физика» студенты, согласно
действующему учебному плану, должны прослушать курс лекций. Для
более плодотворной работы студентов и успешного восприятия
рассматриваемого материала подготовлено данное учебное пособие.
Согласно действующему учебному плану на лекционный курс по
дисциплине «Строительная физика» отводится 16 часов, что соответствует
восьми лекциям. Лекционный курс рассматривается по трем разделам:
строительная климатология и теплотехника, архитектурная акустика и
звукоизоляция ограждающих конструкций, основы светотехники. Процесс
изучения дисциплины «Строительная физика» направлен на формирование
следующих общепрофессиональных компетенций:
– способность решать прикладные задачи строительной отрасли, используя теорию и методы фундаментальных наук;
– способность осуществлять и организовывать разработку проектов
зданий и сооружений с учетом экономических, экологических и
ных требований и требований безопасности, способность выполнять
технико-экономическое обоснование проектных решений зданий и
сооружений, осуществлять техническую экспертизу проектов и авторский
надзор за их соблюдением;
В первом разделе «Строительная климатология и теплотехника»
рассматриваются темы по оценке климата, микроклимата помещений и
тепловлажностного состояния наружных ограждающих конструкций.
Второй раздел «Архитектурная акустика
ющих конструкций» посвящен темам по архитектурной и строительной
акустике, где студенты учатся оценивать не только акустическое восприятие в рассматриваемом помещении, но и оценивать звукоизолирующую
способность ограждающих конструкций помещения согласно его назначения от проникновения воздушного и ударного шумов.
В третьем разделе «Основы светотехники» рассмотрены вопросы естественного
ным требованиям.
освещения помещений, его нормирования согласно норматив-
и звукоизоляция огражда-
социаль-
3
В результате изучения дисциплины студент должен
Знать:
– физические и химические процессы, протекающие в конструкциях
зданий; физические процессы, протекающие во внутренней среде здания;
физические процессы, протекающие во внешней среде; классификацию
физических процессов и классификацию физических величин по видам
процессов;
– основные характеристики и экспериментальные методы определения
температуры, влажности и скорости движения
основные характеристики, теоретические и экспериментальные методы
определения коэффициента теплопроводности различных строительных
материалов; основные характеристики и экспериментальные методы определения температуры поверхности конструкций; основные характеристики
и экспериментальные методы определения влажности различных
строительных материалов; основные характеристики, теоретические и
экспериментальные методы определения коэффициента светопропускания
материала, коэффициента светоотражения поверхностей; основные характеристики
эффициента естественного освещения; основные характеристики и методы
определения продолжительности инсоляции в помещении и на территории;
основные характеристики, теоретические и экспериментальные методы
определения воздушного шума ограждающими конструкциями; основные
характеристики и экспериментальные методы определения транспортного
шума; основные характеристики качества звука в зрительных залах и
аудиториях, методы
– основные математические уравнения, используемые в теплотехническом расчете; основные математические уравнения для определения
коэффициента естественного освещения; основные математические уравнения для определения индекса изоляции воздушного шума ограждающей
конструкции;
– основные законы строительной физики: закон Фурье, закон Ньютона – Рихмана, гипотеза Био – Фурье, законы поглощения и отражения
света
волновую теорию;
– основные параметры теплового, акустического режима здания, освещённости помещений здания.
Уметь:
– выявлять и классифицировать физические и химические процессы,
протекающие на объекте профессиональной деятельности;
– определять факторы формирования климата, основные климатические характеристики, используемые в архитектурно-строительном проекти-
, теоретические и экспериментальные методы определения ко-
акустического проектирования зальных помещений;
, закон проекции телесного угла, закон светотехнического подобия,
воздуха в помещении;
4
ровании; анализировать климатические условия, микроклимат территории
застройки, инсоляцию помещений;
– измерять температуру, влажность и скорость движения воздуха в
помещении; измерять и теоретически определять коэффициент теплопроводности различных строительных материалов; измерять температуру
поверхности конструкций; измерять влажность различных строительных
материалов; измерять и теоретически определять коэффициент светопропускания материала, коэффициент светоотражения поверхностей; изме-
и теоретически определять коэффициент естественного освещения;
рять
определять продолжительность инсоляции в помещении и на территории;
измерять и теоретически определять изоляцию воздушного шума ограждающими конструкциями; измерять транспортный шум; проектировать
акустику зальных помещений;
– определять изменчивость основных климатических элементов для
заданного региона: солнечную радиацию, температуру и влажность
воздуха, ветер и количество осадков;
решать задачи строительной теплотехники (теплотехнический рас-
–
чет); задачи строительной светотехники (расчет естественного освещения в
помещении); задачи строительной акустики (расчет изоляции воздушного
шума ограждающей конструкции);
– выполнять основные теоретические принципы построения различных
аналитических графиков (розы ветров, инсоляционных карт и т.д.);
– решать задачи строительной физики с использованием законов:
Фурье, Ньютона – Рихмана, поглощения
лесного угла, светотехнического подобия, гипотезы Био – Фурье и волновой теории;
– выбирать для решения задач профессиональной деятельности фундаментальных законов, описывающих изучаемый процесс или явление;
– определять и оценивать основные параметры теплового, акустического режима здания, освещённости помещений здания.
и отражения света, проекции те-
5
ВВЕДЕНИЕ
Целью освоения дисциплины «Строительная физика» является
обеспечение инженерной подготовки кадров по направлению подготовки
«строительство уникальных зданий и сооружений», что предполагает
решение следующих основных задач:
– обеспечивать соответствие разрабатываемых проектов и технической
документации заданию, стандартам, нормам и правилам, техническим
условиям и другим исполнительным документам;
– изучать и анализировать научно-техническую информацию отечественного и зарубежного опыта по профилю деятельности;
– участвовать в проведении экспериментов по заданным методикам,
составлять описания проводимых исследований и систематизировать
результаты;
– составлять отчеты по выполненным работам, участвовать во внедрении результатов исследований и практических разработок;
– использовать современные строительных материалы при возведении
и эксплуатации зданий;
– учитывать структурные особенности строительных материалов
печивающих функциональную надежность и долговечность зданий и
сооружений.
– иметь представление об оптимизации конструктивных решений;
– владеть навыками выполнения архитектурно-строительных чертежей
зданий и, их конструктивных элементов с учетом СНиПов и действующих
нормативных актов.
Учебное пособие ориентировано на углубление знаний студентов,
обучающихся по направлению «Строительство уникальных зданий и
сооружений», специализация
пролетных зданий и сооружений» при изучении дисциплины «Строительная физика».
№1 «Строительство высотных и больше-
, обес-
6
1. СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ И ТЕПЛОТЕХНИКА
1.1. Факторы формирования климата
Климат (греческое klima – наклон) долгое время связывали с углом
(наклоном) падения на Землю солнечных лучей. Вследствие этого считали,
что климат определяется высотой стояния Солнца и зависит от широтного
пояса земной поверхности.
При более глубоком изучении климата Земли было установлено, что на
условия его формирования оказывают астрономические, географические и
связанные с ними
солнечная радиация, атмосферная циркуляция и связанный с нею
влагооборот, а также характер земной поверхности. Этими факторами и их
взаимодействием определяют погоду – состояние атмосферы за короткий
промежуток времени.
Погода очень изменчива, так как атмосферные процессы непрерывно
меняются во времени. Для оценки погоды за длительный период (месяц и
более) используют сведения о преобладающем состоянии атмосферы.
Многолетний режим погоды определяет климат в данной местности.
Условия формирования климата местности зависят от ее широтного
расположения, высоты над уровнем моря, положения относительно
больших водоемов, формы рельефа, характера земного покрова, количества и вида атмосферных осадков и др. Географическая широта местности определяет
и влияет на циркуляцию атмосферы и влагооборот. На нагревание земной
поверхности идет лишь часть (около 1/3) солнечной радиации, другая её
часть отражается от облаков, от поверхности Земли, от различных
примесей в атмосфере, поглощается и рассеивается атмосферой.
Тепло может поступать в различные районы не только непосредственно
потоками, возникающими вследствие неравномерного нагрева поверхности суши и воды: вода медленно нагревается солнцем, но значительно
дольше, чем суша, сохраняет тепло, поэтому летом вблизи моря холоднее,
а зимой теплее. Влияние морей может распространяться на значительные
расстояния от побережья. Так, теплое течение Гольфстрим
климат Европы и даже Западной Сибири.
Температурный режим атмосферы определяется также испарением и
конденсацией влаги. Образующийся при этом влагооборот оказывает
влияние на атмосферную циркуляцию.
На условия формирования климата местности влияет характер
поверхности почвы, растительного и снежного покрова. Пространства,
покрытые снегом или льдом, больше излучают тепла. На нагревание таких
в виде солнечной радиации, но и переноситься воздушными
циркуляционные факторы. К последним относятся:
количество солнечной радиации, поступающей к Земле,
смягчает
7
поверхностей и прилегающего к ним слоя воздуха приходится незначительная часть тепла. Вода, лес, пашня, наоборот, больше поглощают тепла
и меньше излучают его в дневное время, что вызывает резкое снижение
температуры в ночное время.
Для выявления особенностей климата необходимы многолетние
метеорологические наблюдения. На территории России метеорологические
наблюдения проводятся метеорологическими станциями
пунктах. Сеть метеостанций создана с целью получения сведений о
климате на всей территории России. Каждая метеостанция осуществляет
наблюдение за погодой 8 раз в сутки. Это позволяет получать не только
оперативные сведения о погоде, но и делать ее прогнозы. Вся оперативная
информация о погоде сразу после наблюдения передается по каналам
в соответствующие центры для обработки с целью обеспечения народнохозяйственных и других организаций сведениями о текущей и ожидаемой
погоде.
Контрольные вопросы
1. Дать определение «климата».
2. Дать определение «погоды».
3. Какие условия формируют климат?
4. Что влияет на условия формирования климата?
5. Как выявляют особенности климата?
более чем в 10000
связи
1.2. Основные климатические характеристики,
используемые в архитектурно-строительном проектировании
Влияние климата учитывают при решении многих архитектурно-строительных задач: выборе территорий застройки, способа застройки, планировочных и конструктивных решений зданий, их ориентации, освещения,
инсоляции, аэрации и т. д.
При решении этих и других задач используют исходные климатические характеристики, которые можно разделить на две группы.
К первой группе относят комплексные
районирование, радиационно-тепловой режим, тепло-влажностный режим,
снего- и пылеперенос, наличие косых дождей в сочетании с ветром и др.
Ко второй группе относят пофакторные характеристики: солнечная
радиация (приход в виде тепла на горизонтальную и вертикальную
поверхности, продолжительность облучения, интенсивность ультрафиолетовой радиации), температура воздуха (экстремальная, среднесуточная,
отопительного периода,
амплитуда колебаний и др.), влажность
характеристики: климатическое
8
(абсолютная и относительная), ветер (направление, скорость, повторя-
емость), осадки (средние, экстремальные, снежный покров).
Характеристики, относящиеся к первой группе, используют для общей
фоновой оценки климата обширных территорий. Они нацеливают на
разработку типологических особенностей проектных решений для территории с примерно одинаковыми фоновыми показателями климата.
Вторую группу показателей используют при выборе способов
застройки, в теплотехнических расчетах ограждающих конструкций при обеспечении требуемого микроклимата помещений, мер по отводу воды с покрытий зданий и территорий, при решении других архитектурно-строительных
задач.
Местные климатические характеристики являются, как правило,
следствием изменения фоновых условий климата территорий подстилающей поверхностью данной местности (рельефом, растительностью, акваториями,
типом городской застройки и др.).
В строительстве всегда имеется в виду конкретно заданный район, и в
процессе проектирования должны учитываться климатические особенности этого района.
Для оценки местных особенностей проводят анализ микроклимата,
служащего подосновой архитектурно-строительного проектирования. Этот
анализ, как правило, сводят к оценке изменчивости основных элементов
климата под влиянием подстилающей
поверхности: микроклимата
ландшафта и микроклимата застройки. При этом могут быть разные
уровни детализации. Например, может проводиться оценка микроклимата
склонов в форме поправок на готовые данные солнечной радиации и
характеристик ветра, анализ инсоляции у стен разной ориентации и т. д.
Климатический анализ основан на сведениях об основных климато-
образующих факторах: солнечной
радиации, температуре и влажности
воздуха, ветре и количестве осадков.
Солнце – огромный шар радиусом около 695000 км. Среднее рас-
6
10
стояние от Земли до Солнца составляет приблизительно 149,5
км.
Поток излучаемой Солнцем энергии на пути к Земле претерпевает ряд
изменений за счет отражений, рассеяния и поглощения атмосферой и
подстилающим слоем земной поверхности.
Количество тепла, поступающего от солнечной радиации, зависит от
географической широты местности, состояния атмосферы и подстилающего слоя, расположения поверхности, ее ориентации по сторонам света
и времени
года и суток. Так, загрязненность атмосферы в результате
выбросов и отходов промышленных предприятий, транспорта и других
источников значительно уменьшает количество прямой солнечной
радиации. В крупных городах это уменьшение достигает 40% от радиации
в пригородах.
9
Состояние земной поверхности также сказывается на количестве солнечной радиации, приходящейся на нее. Летом земная поверхность большую часть тепла поглощает, а зимой – отражает. Количество радиации,
отраженной от поверхности земли, зависит от отражательной способности
поверхности, характеристикой которой является альбедо – отношение
количества отраженной солнечной радиации к количеству приходящей.
Так, свежий снег
0,8, трава зеленая – около 0,08, вода – 0,05, кирпич красный – 0,3 и т.д.
При решении ряда архитектурно-строительных задач используют
сведения о солнечной радиации в виде прямой, рассеянной и суммарной ее
составляющих.
Прямая солнечная радиация – это часть солнечной радиации, поступающей на поверхность в виде пучка параллельных лучей
непосредственно от видимого диска Солнца.
Рассеянная солнечная радиация – это часть солнечной радиации,
поступающей на поверхность со всего небосвода после ее рассеивания в
атмосфере.
Суммарная солнечная радиация – представляет сумму прямой и
рассеянной.
В ряде теплотехнических расчетов и при решении вопросов застройки
(ориентация здания, выбор солнцезащитных устройств и др
усредненные почасовые (до и после полудня) и суточные данные о
количестве прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на
разных широтах на горизонтальные и вертикальные поверхности разной
ориентации при безоблачном небе (прил.10). Такие сведения о солнечной
радиации, например, в июле месяце используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций и воздухообмена
Для определения количества суммарной солнечной радиации,
поступающей на вертикальные ограждения при действительных условиях
облачности и прозрачности атмосферы, используют поправочные
коэффициенты, значения которых приведены на специальных картах.
Солнечная энергия, наряду с тепловой функцией, выполняет важную
роль как ресурс естественного освещения и ультрафиолетового облучения.
Солнечное излучение, достигающее земной поверхности, по длине
волн разделяют на ультрафиолетовое (длина волн 100–400 нм.), видимый
свет (380–780 нм) и инфракрасное излучение (780–3000 нм). При этом на
долю ультрафиолетового излучения приходится около 3%, видимого света – 44% и инфракрасного излучения – около 59%. Максимум световой
интенсивности лежит в области видимого света, т.е. при длине волны
около 500 нм.
Лучистая энергия солнца и естественный свет
ющее влияние на жизнедеятельность, физиологические и психологические
имеет коэффициент отражения тепловой радиации около
, исходящих
.) используют
в помещениях.
оказывают определя-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]