Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технические принципы проектирования и эксплуатации ограждающих конструкций гражданских зданий. Часть 1. Наружные стены. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В. И. ЛЕДЕНЕВ, И. В. МАТВЕЕВА,
А. М. МАКАРОВ, И. Л. ШУБИН
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И ЭКСПЛУАТАЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ
ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ
В двух частях
Часть 1. НАРУЖНЫЕ СТЕНЫ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для бакалавров направления 08.03.01
«Строительство» (профили «Городское строительство
и хозяйство» и «Промышленное и гражданское строительство»)
и магистрантов направления 08.04.01 «Строительство»
(магистерская программа «Техническая эксплуатация
и реконструкция зданий и сооружений»)
Учебное электронное издание
Тамбов
♦ Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ» ♦
2017
1
УДК 624.059.7
ББК Н711-09я73
Л39
Рецензенты:
Доктор технических наук, доцент
декан инженерно-строительного факультета
ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет»
А. А. Кочкин
Кандидат технических наук, доцент кафедры
«Архитектура и строительство зданий» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
А. И. Антонов
Л39
Леденев, В. И.
Физико-технические принципы проектирования и эксплуатации ограждающих конструкций гражданских зданий
[Электронный ресурс] : учебное пособие : в 2 ч. / В. И. Леденев,
И. В. Матвеева, А. М. Макаров, И. Л. Шубин. – Тамбов : Изд-во
ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. – 2 электрон. опт. диск (CD-ROM). –
Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROMдисковод ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
SBN 978-5-8265-1790-1
I
Ч. 1 : Наружные стены. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО
«ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт. диск ;
SBN 978-5-8265-1791-8
I
Изложены физико-технические принципы проектирования ограждающих конструкций гражданских зданий. Рассмотрены нормативные требования к ним и процессы тепло-, влаго- и воздухопереноса
в наружных конструкциях. Даны примеры оценки физико-технических параметров эксплуатируемых зданий с кирпичными стенами.
Предназначено для бакалавров направления 08.03.01 «Строительство» (профили «Городское строительство и хозяйство» и «Промышленное и гра
ния 08.04.01 «Строительство» (магистерская программа «Техническая
эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений»), изучающих
курсы по реконструкции, технической эксплуатации и ремонту зданий.
жданское строительство») и магистрантов направле-
56,3 Mb ; RAM.
УДК 624.059.7
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-1791-8 (ч. 1)
ISBN 978-5-8265-1790-1 (общ.)
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
2
ББК Н711-09я73
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
И РАЗМЕРНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН
q – плотность теплового потока
(тепловой поток на единицу
площади), Вт/м
T, t – температура, К (°С);
τ – температура поверхности, °С;
, αн) – коэффициент тепло-
α (α
в
обмена (тепловосприятия или
теплоотдачи), Вт/ (м
С – коэффициент излучения
поверхности, Вт/м
p – пористость материала, %;
– объёмная плотность мате-
ρ
0
риала, кг/м
ρ – плотность материала без
наличия пор, кг/м
V – объём, м
δ – толщина конструкции или её
отдельного слоя, м;
m – масса материала, кг;
w – влажность материала по
массе, %;
– влажность материала по
w
v
объёму, %;
λ – расчётный коэффициент
теплопроводности материала,
Вт/(м·°С);
– коэффициент теплопровод-
λ
0
ности материала в сухом состоянии, Вт/(м·°С);
с – удельная теплоёмкость материала, Дж/(кг·°С);
2
;
2
·°С);
2·К4
;
3
;
3
;
3
; q – величина теплового потока,
– сопротивление теплоотдаче,
R
0
2
·°С/Вт;
м
R
– термическое сопротивление
k
ограждающей конструкции,
2
·°С/Вт;
м
– термическое сопротивление
R
i
слоя ограждающей конструкции,
2
·°С/Вт;
м
r
– приведённое термическое
R
k
сопротивление конструкции,
2
·°С/Вт;
м
r
– приведённое сопротивление
R
0
теплопередаче ограждающей конструкции, м
2
Вт/м
, τ
τ
вср
2
·°С/Вт;
;
– средние температуры
нср
внутренней и наружной поверхностей ограждения, °С;
n – коэффициент, характеризующий положение наружной поверхности стены;
норм
R
– нормируемое значение
о
приведённого сопротивления теплопередаче ограждения, м
2
·°С/Вт;
ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, °С·сут;
– средняя температура отопи-
t
оп
тельного периода, °С;
– продолжительность отопи-
z
оп
тельного периода, сут;
3
со – удельная теплоёмкость материала в сухом состоянии,
Дж/(кг·°С);
– объёмная теплоёмкость
с
оv
материала, Дж/(м
– сопротивление теплопере-
R
0
даче ограждающей конструк-
2
ции, м
R
·°С/Вт;
– сопротивление тепловос-
в
приятию, м
2
·°С/Вт;
3
·°С);
ϕ – относительная влажность
воздуха, %;
f – абсолютная влажность воздуха, г/м
3
;
e – действительная упругость
водяного пара, Па;
E – максимальная упругость
водяного пара (парциальное
давление насыщенного водяного
пара), Па;
μ – коэффициент паропроницаемости материала,
мг/(м·ч·Па);
z – время, ч;
, Rvн – сопротивления влаго-
R
vв
обмену на внутренней и наружной поверхностях стены,
2
·ч·Па/мг;
м
тр
k
– нормируемое значение
об
удельной теплозащитной характеристики здания, Вт/(м
k
− удельная теплозащитная
об
характеристика здания, Вт/(м
– нормируемый температур-
Δt
n
3⋅
°С);
3
⋅°С);
ный перепад температур внутреннего воздуха и внутренней
поверхности ограждения, °С;
тр
R
– нормируемое сопротивле-
п
ние паропроницанию, м
2
·ч·Па/мг;
G – воздухопроницаемость конструкции, кг/(м2·ч);
i – коэффициент воздухопроницаемости материала или слоя ограждения, кг/(м
– сопротивление воздухопро-
R
и
ницанию ограждения или его отдельного слоя, м
тр
R
– нормируемое сопротивле-
и
ние воздухопроницанию ограждения, м
2
γ – удельный вес воздуха, Н/м
– сопротивление паро-
R
п
проницанию конструкции,
2
·ч·Па/мг.
м
2
·ч·Па/кг;
·ч·Па);
2
·ч·Па/кг;
3
;
4
Основным смыслом возведения любого здания является выделение из общего пространства окружающей среды определённого воздушного объёма с целью создания в нём безопасных и комфортных
условий для жизни человека, а также пригодных для обеспечения нормального протекания функциональных или технологических процессов в зависимости от его назначения.
Объём здания отделяется от об
создаваемой оболочкой, состоящей из набора взаимосвязанных между
собой наружных ограждающих конструкций. За счёт этой оболочки в
объёме здания обеспечиваются микроклиматические, санитарногигиенические, экологические и другие условия, отвечающие параметрам внутренней среды, устанавливаемым по требованиям комфорта
для людей, безопасности их пребывания в здании, выполнения функциональных и технологических процессов.
При выборе вид
ментов решается двуединая задача. Часть её состоит в обеспечении
требуемого отделения объёма здания от внешней среды, а другая часть –
в сохранении необходимых связей человека с этой средой, например
визуальной связи через светопрозрачные проёмы и экологогигиенической связи посредством создания в элементах об
фильтрационных потоков воздуха.
Создание требуемых климатических условий внутри здания происходит за счёт инженерных систем, обеспечивающих его теплом, потоками воздуха и т.д. При этом элементы оболочки здания способствуют сохранению этого тепла, создают комфортные радиационные
условия на внутренних поверхностях оболочки, обеспечивают необходимый тепломассоперенос на границе внутренней и внешней сре
а также выполняют ряд других функций.
ПРЕДИСЛОВИЕ
щего пространства искусственно
а оболочки и разработке её конструктивных эле-
олочки ин-
д,
5
Таким образом, оболочка является основной частью здания,
предназначенной для обеспечения защиты внутреннего пространства
от внешней окружающей среды и для поддержания заданных внутри
здания микроклиматических и других условий, необходимых для комфортного пребывания в нём людей и оптимального протекания функциональных и технологических процессов.
Исходя из указанного выше назначения оболочки видно, что пр
оцесс проектирования её элементов является многофакторным процессом, при котором необходимо учитывать одновременно множество
факторов, нередко противоречащих между собой и этим существенно
влияющих на выбор окончательного решения. Например, оконные
заполнения по требованиям обеспечения освещённости внутреннего
пространства должны иметь по возможности большие размеры и состоять из светопрозрачных элементов с высоким коэффици
ентом
светопропускания. В то же время, по требованиям теплозащиты размеры оконных проёмов должны быть ограничены в определённых
пределах, а конструктивное решение усложнено за счёт увеличения
количества стёкол или применения стёкол с теплоотражающими
свойствами, что в конечном итоге уменьшает светопропускаемость
оконных заполнений. В этом случае приходится принимать конструктивные решения ок
он не только по санитарно-гигиеническим требованиям, но и по требованиям энергосбережения, находя приемлемый
компромисс между ними.
В состав оболочки здания входят наружные стены, оконные и
дверные проёмы, крыши с тёплым и холодным чердаками, чердачные
и бесчердачные перекрытия, перекрытия над проездами и подвалами.
Перечисленные элементы оболочки различаются между собой по
ачению и в этой связи выполняют разные функции. Например,
назн
перекрытия выполняют несущие и ограждающие функции, а оконные
заполнения только ограждающие. Стены в зависимости от конструктивных решений могут быть несущими, самонесущими или ненесущими.
Исходя из задач, которые выполняют элементы ограждений,
имеются существенные особенности их проектирования как несущих и
ограждающих элементов об
олочки. В данном пособии рассматриваются физико-технические принципы проектирования элементов оболочки
по условиям выполнения ими ограждающих функций.
В целом пособие состоит из нескольких самостоятельных частей, в каждой из которых рассматриваются физико-технические
принципы проектирования и эксплуатации отдельных элементов
оболочки исходя из их назначения и, соответственно, из выполняемых им
и функций.
6
ВВЕДЕНИЕ
В данной части пособия рассматриваются принципы проектирования наружных стен по условиям выполнения функций защиты от
климатических воздействий внешней среды и обеспечения ими санитарно-гигиенических требований.
Так как наружные стены имеют большое разнообразие по применяемым в них материалам и конструктивным решениям, в данной части пособия рассматриваются принципы проектирования и эксплуат
ации одного типа наружных стен, а именно, несущих кирпичных стен.
Выбор этого типа стен связан, в первую очередь, с их широким применением в практике строительства, и особенно гражданских зданий
провинциальных городов России. В большинстве провинциальных
городов жилые кирпичные здания составляют основной опорный жилищный фонд, который требует от экспл
уатирующих его организаций
определённых знаний о физико-технических процессах, протекающих
в стенах при воздействии на них внешней и внутренней среды.
Наличие знаний об особенностях применяемых в кирпичных стенах материалах кладки и их поведении в различных климатических условиях даёт возможность при проектировании стен принимать надёжные
решения, обеспечивающие требуемые параметры ог
раждения и позво-
ляющие их поддерживать в процессе последующего срока эксплуатации.
Следует указать, что в данной части пособия рассмотрены процессы тепломассопереноса, происходящие в стенах, не имеющих дополнительного утепления. Как показано в приведённом в приложении пособия примере, кирпичные стены в гражданских зданиях, запроектированных и построенных до середины 90-х го
дов XX века, не отвечают
требованиям по энергосбережению, а также санитарно-гигиеническим
требованиям. В этой связи при капитальном ремонте и реконструкции
зданий с неутеплёнными кирпичными стенами требуется проведение
работ по их дополнительному утеплению. Устройство дополнительного
утепления стен может приводить к изменению процессов тепломассопереноса в стенах и в ряде случаев при н
еправильно принятых решениях к
ухудшению температурно-влажностного режима стен. Учитывая важность данной проблемы, вопросы дополнительного утепления кирпичных стен рассмотрены в отдельной самостоятельной части пособия.
Данное пособие предназначено для бакалавров и магистров направления подготовки «Строительство», изучающих дисциплины по
проектированию, строительству и эксплуатации зданий, и в частности,
дисциплину «Физико-технические пр
инципы проектирования, строительства и эксплуатации ограждающих конструкций зданий». Пособие
может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся эксплуатацией гражданских зданий, и проектировщикам, разрабатывающим проекты капитального ремонта, модернизации и реконструкции зданий.
7
1. НОРМИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ
Проектирование строительства новых и реконструкции существующих зданий согласно СП 50.13330.2012 [19] должно осуществляться с учётом требований к ограждающим конструкциям при обеспечении следующих условий:
– обеспечение требуемых параметров микроклимата помещений;
– обеспечение тепловой защиты ограждающих конструкций
(приведённого сопротивления теплопередаче, удельной теплозащит-
ной характеристики здания, ограничение минимальной температуры и
недопущение конденсации влаги на вн
утренней поверхности ограж-
дающих конструкций в холодный период года);
– обеспечение теплоустойчивости ограждающих конструкций в
тёплый период года;
– защита от переувлажнения ограждающих конструкций (влажностное состояние ограждающих конструкций);
– обеспечение требуемой воздухопроницаемости ограждающих
конструкций;
– обеспечение необходимой надёжности и долговечности конструкций.
Теплозащитная оболочка здания согласно [19] должна отвечать
следующим требованиям:
− приведённые сопротивления теплопередаче отдельных ограж-
дающих конструкций должны быть не меньше нормируемых значений
(поэлементные требования);
− удельная теплозащитная характеристика здания должна быть
не больше нормируемого значения (комплексное требование);
− температура на внутренних поверхностях ограждающих кон-
струкций должна быть не ниже минимально допустимых значен
(санитарно-гигиеническое требование).
Требования тепловой защиты здания будут выполнены при одновременном выполнении указанных выше требований.
Поэлементные требования. Приведенные сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должны быть не
меньше нормируемых значений
1.1. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЗДАНИЙ
норм
пр
RR ≥
. (1.1)
о
о
ий
8
Нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче
(
(
норм
ограждающей конструкции,
R
, (м2⋅°С)/Вт, следует определять по
о
формуле:
тр
mRR ⋅=
, (1.2)
р
о
⋅°С)/Вт, следует принимать в зависимо-
тр
R
где
– базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче
о
ограждающей конструкции, (м
норм
о
2
сти от градусо-суток отопительного периода (ГСОП), °С⋅сут/год, региона строительства, представленное в табл. 1.1 с учетом примечаний;
– коэффициент, учитывающий особенности региона строительства
m
р
(в расчёте по формуле (1.2) принимается равным 1). Допускается снижение значения коэффициента m
в случае, если при выполнении рас-
р
чёта удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление
и вентиляцию здания, принимаемый для стен не менее m
светопрозрачных конструкций не менее m
раждающих конструкций не менее m
р
= 0,95, для остальных ог-
р
= 0,80.
= 0,63, для
р
Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП), °С·сут/год, определяют по формуле:
ГСОП ztt −= , (1.3)
)
ототв
где tот, zот – средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут/год, отопительного периода, принимаемые по [21, табл. 3.1]
для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не
более 8 °С, а при проектировании лечебно-профилактических, детских
учреждений и домов-интернатов для престарелых не более 10 °С; t
в
–
расчётная температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая
для расчёта ограждающих конструкций зданий различного назначения
согласно [11].
При реконструкции или реставрации зданий, для которых по архитектурным или историческим соображениям необходимо сохранение внешнего облика здания и невозможно наружное утепление стен,
нормируемое значение сопротивления теплопередаче стен допускается
определять по формуле:
)
−
норм
R
o
где α
– коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограж-
в
дающей конструкции, Вт/(м
2
·°С), принимаемый по табл. 1.2; Δtн – нор-
tt
нв
=
, (1.4)
н
αΔ
t
в
мируемый температурный перепад между температурой внутреннего
воздуха t
струкции τ
и температурой внутренней поверхности ограждающей кон-
в
, °С, принимаемый по табл. 1.3; tн – расчётная температура
в
9
1.1. Базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче
у
Здания и помещения,
коэффициенты а и b
1. Жилые, лечебнопрофилактические
и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и
общежития
ограждающих конструкций
Нормируемые значения сопротивления
теплопередаче
ограждающих конструкций
перекрытий
над проездами
Перекры-
над неота-
пливаемы-
польями и
подвалами
т/год
Градусо-сутки
Стен
ГСОП, °С·с
отопительного периода
Покрытий и
R
тий чер-
дачных,
ми под-
тр
, м2·°С/Вт,
о
Окон и
балкон-
ных
дверей,
витрин
и витра-
жей
Фонарей
2000 2,1 3,2 2,8 0,3 0,3
4000 2,8 4,2 3,7 0,45 0,35
6000 3,5 5,2 4,6 0,6 0,4
8000 4,2 6,2 5,5 0,7 0,45
10 000 4,9 7,2 6,4 0,75 0,5
12 000 5,6 8,2 7,3 0,8 0,55
а – 0,00035 0,0005 0,00045 – 0,000025
b – 1,4 2,2 1,9 – 0,25
2. Общественные,
кроме указанных
выше, административные и бытовые,
производственные
и другие здания и
2000 1,8 2,4 2,0 0,3 0,3
4000 2,4 3,2 2,7 0,4 0,35
6000 3,0 4,0 3,4 0,5 0,4
8000 3,6 4,8 4,1 0,6 0,45
10 000 4,2 5,6 4,8 0,7 0,5
помещения с влажным или мокрым
12 000 4,8 6,4 5,5 0,8 0,55
режимом
а – 0,0003 0,0004 0,00035 0,00005 0,000025
b – 1,2 1,6 1,3 0,2 0,25
2000 1,4 2,0 1,4 0,25 0,2
4000 1,8 2,5 1,8 0,3 0,25
3. Производствен-
ные с сухим и нормальным режимами
6000 2,2 3,0 2,2 0,35 0,3
8000 2,6 3,5 2,6 0,4 0,35
10 000 3,0 4,0 3,0 0,45 0,4
12 000 3,4 4,5 3,4 0,5 0,45
а – 0,0002 0,00025 0,0002 0,000025 0,000025
b – 1,0 1,5 1,0 0,2 0,15
10