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
Многорядная система перевязки распространена более широко,
что объясняется её прочностными, технологическими и эксплуатационными преимуществами [1].
Ложковые ряды в многорядной системе обеспечивают в кладке
продольную прочность. Тычковые ряды в свою очередь обеспечивают
прочность в поперечном направлении. Создание в многорядной перевязке большей сопротивляемости вдоль кладки очень важно для стен
большой протяжённости.
Многорядная кладка за счёт пер
екрытия вертикальных швов на
1/2 кирпича имеет большее сопротивление трещинообразованию.
В случае цепной перевязки перекрытие швов происходит только на
1/4 кирпича (см. рис. 2.2) и, соответственно, трещиностойкость такой
кладки ниже.
Многорядная система улучшает сопротивляемость кладки растяжению и срезу, поскольку в этом случае раствор горизонтального шва
перекрыт на 1/2 кирпича, а не на 1/4
кирпича как при цепной системе.
а)
б)
в) г)
Рис. 2.2. Современные системы перевязки кирпичной кладки:
цепная система перевязки кирпичей толщиной 65 мм (а);
то же, кирпичей толщиной 88 мм (б); многорядная система
из кирпичей толщиной 65 мм (в); то же, кирпичей 88 мм (г)
31
Кроме того, она более технологична. По этой причине она менее
трудоемка и, соответственно, более производительна. В силу того, что
по отношению к кладке с цепной системой перевязки она имеет более
значительный объём забутовки, для её возведения могут привлекаться
в состав звена и менее квалифицированные каменщики.
Стены с многорядной кладкой менее теплопроводны в ср
авнении
со стенами с цепной кладкой. В то же время воздупроницаемость её
выше, чем при цепной системе перевязки. В этом случае при низком
качестве заполнения швов раствором возможно образование зимой в
кладке зон с продольной фильтрацией наружного холодного воздуха.
Наряду со стенами, выполненными из сплошной кладки, имеются
также здания, стены которых вып
олнены из облегчённой кладки. Первым в России использовать такие стены при строительстве кирпичных
зданий предложил русский инженер А. И. Герард в 1829 году. Стены
устраивались из двух наружных стенок толщиной в 1/2 кирпича, соединённых между собой стержнями из кованного металла, а образовавшееся внутреннее пространство заполнялось теплоизоляционным
материалом, например, шлако
м. Подобные приёмы используются и
сейчас при строительстве малоэтажных зданий.
Достаточно широкое распространение в практике строительства
имела облегчённая кладка (рис. 2.3, 2.4) в практике строительства
в 20-х – 40-х годах XX столетия. Распространение она получила в 20-х –
40-х годах XX века в мало- и среднеэтажном строительстве.
1
а)
32
б)
1
Рис. 2.3. Стены с облегчённой кладкой:
с заполнением из легкого бетона (а, б); с термовкладышами (в):
1 – легкий бетон; 2 – термовкладыши
в)
2
Это связано с тем, что в малоэтажных зданиях и среднеэтажных
зданиях с поперечными конструктивными схемами стен прочность
наружных стен при сплошной кладке недоиспользуется. При облегчённой кладке наружных стен функция теплозащиты и прочностная
функция обеспечиваются путём рационального использования разных
по своим свойствам материалов.
Наибольшее распространение имеют кирпично-бетонные облегчённые стены и стены из колодцевой кладки. Пе
рвые стены имеют два
вида конструктивного решения (рис. 2.3, а, б, в). Стены, заполненные
внутри лёгким бетоном, и стены, заполненные вкладышами из лёгкого
бетона, изготовленными в заводских условиях.
В качестве лёгких материалов используются пенобетон, пеноси-
ликат, газосиликатобетон и др.
Достоинством стен с заполнением из лёгкого монолитного бет
она
в сравнении с другими облегчёнными стенами является их бóльшая
прочность. Лёгкий монолитный хорошо связан с кирпичной кладкой и
воспринимает на себя часть действующих на стены нагрузок. С такими
стенами кирпичные здания возводят на высоту пять этажей, а иногда и
более. Такие стены имеют повышенную трудоёмкость при изготовлении и ряд эксплуатационных недо
статков, снижающих их долговеч-
ность.
а)
б)
Рис. 2.4. Виды конструктивных решений колодцевой кладки:
планы (а); сечение по колодцу (б); сечение по поперечной стенке (в);
сечение по колодцу при устройстве засыпки (г): 1 – ложковые ряды;
2 – поперечная стенка; 3 – легкий бетон; 4 – засыпка шлаком;
5 –армированные растворные диафрагмы
в)
г)
33
Стены с колодцевой кладкой имеют конструктивные решения нескольких видов. В качестве заполнителей в них используются термовкладыши из различных материалов, например, из пенобетона, засыпки из сыпучих материалов, например, шлаки, заливки полостей
колодцев лёгким монолитным бетоном (рис. 2.4, а, б, в, г). Кладка с
заливкой бетоном использовалась в зданиях высотой до 5-ти этаж
ей.
Кладка с засыпками колодцев применялась в зданиях до 2-х этажей.
Как показывает опыт эксплуатации стен с колодцевой кладкой у них
имеется значительное количество эксплуатационных недостатков.
К тому же они имеют пониженную долговечность. Это связано с низкой прочностью и быстрым разрушением теплоизолирующих заполнителей колодцев. В настоящее вре
мя здания с облегчённой кладкой стен
возводятся в весьма ограниченных объёмах.
В связи с повышением требований к теплозащите и энергосбережению в зданиях наружные стены кирпичных зданий в последнее время выполняются в виде конструкций, обеспечивающих более чёткое
разделение внутри себя несущих и ограждающих функций. Обеспечивается это за счёт устройства мн
огослойных стен, состоящих из несущей кирпичной кладки и из теплоизолирующего материала, расположенного на наружной или внутренней поверхностях кладки. Подобные
приёмы используются также во время реконструкции или капитального ремонта при дополнительном утеплении наружных стен кирпичных
зданий.
Для обеспечения необходимой прочности кладки и создания хо-
роших эксплуатационных качеств стен важно
е значение имеет качество устройства растворных швов. На эксплуатационные качества стены
влияет обработка швов с наружной поверхности кладки (рис. 2.5).
При устройстве кладки под штукатурку для обеспечения связи
штукатурки со стеной швы с наружной стороны остаются не заполненными кладочным раствором на глубину 10...15 мм (рис. 2.5, а). Та-
а)
34
б)
Рис. 2.5. Виды наружных швов кладки при:
кладке «впустошовку» (а); «вподрез» (б); «под расшивку» (в, г)
в)
г)
кая кладка носит название кладки «впустошовку». Если наружная поверхность стен не оштукатуривается, то кладка выполняется с полным
заполнением швов, т.е. «вподрез» (рис. 2.5, б) или «под расшивку»
(рис. 2.5, в, г). Приём кладки «под расшивку» используется в гражданских зданиях для придания наружным неоштукатуренным стенам декоративных качеств. При качественной рас
шивке воздухопроницае-
мость стен значительно снижается.
2.2. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТЕНЫ И ТРЕБОВАНИЯ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА
Наружные стены являются основными элементами оболочки здания, обеспечивающими внутри него необходимые параметры микроклимата. Во время эксплуатации на них воздействуют многочисленные
факторы внешней среды и среды, образующейся внутри здания. Эти
воздействия во многом определяют конструктивные решения стен.
Эксплуатационная надёжность и долговечность стен обеспечивается
путём правильной организации их эксплуатации в конкретных приро
дно-климатических условиях района и с учётом параметров микро-
климата внутри здания.
Природно-климатические условия района строительства во многом определяют конструкцию наружных стен и влияют на их долговечность. От климата района зависят конструктивные решения стен и
выбор материалов для кладки.
В период всего своего существования стены находятся под по
янным воздействием внешней среды. На них воздействуют низкие и
высокие температуры, влажность наружного воздуха; различного вида
осадки; ветер; солнечная радиация и др. Параметры этих воздействий
даны в СП 131.13330.2012 [21].
Большинство перечисленных факторов действует на стены комплексно. В этих случаях сразу возникают совместные воздействия от
нескольких величин, например, от низких те
ростей ветра, от дождя и ветра и т.д. Это может приводить к существенному изменению состояния конструкций стен. Возможно, возникновение таких сочетаний параметров климата должно быть учтено при
проектировании стен, а также в процессе последующей эксплуатации,
например, нанесением на стены дополнительных защитных слоёв.
Внешние факторы ср
ций стен. Скорость старения зависит от интенсивности воздействий
внешней среды. Интенсивность воздействий среды определяется её
характером. К наиболее важным составляющим среды относятся: сол-
НАРУЖНЫХ СТЕН
сто-
мператур и больших ско-
еды влияют на процессы старения конструк-
35
нечная радиация, атмосферная и грунтовая влага, температура среды и
её изменения во времени. Указанные составляющие среды совместно
влияют на конструкцию стены, усиливая таким образом действие каждого из них. Например, осмотические напряжения, возникающие при
капиллярном поднятии жидкости, сочетаются с действиями механических напряжений: напряжений, вызываемых действием солнечной радиации; напряжений от пери
одически меняющихся наружных температур, часто переходящих через нулевое значение; напряжений, определяемых структурой материала и т.д. При таких условиях в материалах
кладки возникают сложные напряжённые состояния, приводящие к появлению микротрещин и, затем, к полному разрушению конструкций.
Учёт в процессе проектирования стен суммарного воздействия
внешней среды – сложная многофакторная задача. Влияние каждого из
фактор
ов различно по своему воздействию на конструкцию. Поэтому
при определении свойств конструкции стены, например, её сопротивления теплопередаче или теплоустойчивости, учитывают только расчётные величины отдельных факторов. В дальнейшем это может сказаться на эксплуатационных качествах ограждений. Поэтому иногда
необходим расчёт стен с одновременным учётом нескольких климатических фактор
ов. Например, при оценке воздухопроницания необходимо учитывать сильный ветер и сопровождающую его умеренную
температуру, а при оценке возможного наибольшего охлаждения производить с учётом низкой расчётной температуры при безветрии или
при большой скорости ветра и предельно низкой температуре для случаев возможного совпадения во времени.
Выбор таких сочетаний устанавливается в соот
ветствующих сво-
дах правил и в других документах и рекомендациях по проектированию.
Более подробно с воздействиями физико-климатических факто-
ров на наружные ограждения можно познакомиться в [12].
Внутри зданий должны обеспечиваться санитарно-гигиенические
условия, определяющие микроклимат внутренней среды помещений с
их различным функциональным назначением.
Микроклимат помещений определяется температурами воздуха,
их ко
лебаниями во времени и изменениями по объёму, температурами
поверхностей ограждений, относительной влажностью воздуха, скоростью движения воздуха в помещении, кратностью воздухообмена, а
также гигиеническим состоянием воздуха и наличием или отсутствием
агрессивных воздействий на ограждения. Требуемые параметры микроклимата устанавливаются сводами правил, санитарными нормами,
ГОСТами и др., например [11, 17, 18]. Для примера параметры микроклимата помещений, оп
ределяющие допустимое и комфортное тепло-
вые состояния человека, даны в табл. 2.2.
36
2.2. Критериальные значения параметров микроклимата
Параметры
Температура воздуха
Градиент температуры
воздуха по горизонтали
Градиент температуры
воздуха по вертикали
Разница температур
«воздух-ограждение»
Температура стекла
Температура пола
Влажность воздуха %
Скорость движения
воздуха
в гражданских зданиях
Ед.
изм.
°С
°С
°С
°С
°С
°С
Допустимые
уровни
17 (зима)
28 (лето)
3,0 2,0
<2,0 –
4-6 2,0
10 – 12 20
18 – 28 24
≤60
0,15 – 0,30 (зима)
м/с
0,25 – 0,30 (лето)
Оптимальные
уровни
20 – 22 (зима)
22 – 25 (лето)
30 – 45
0,10 – 0,30 (зима)
0,15 – 0,20 (лето)
Создание требуемых условий для надёжной эксплуатации наружных стен зависит от влажностного режима помещений. Согласно
СП 50.13330.2012 [19] влажностный режим определяется температурой и относительной влажностью воздуха в помещении (см. табл. 2.3).
Повышение влажности воздуха в помещении при наличии конкретной температуры ведёт к росту влажности кладки и, в этой связи,
к изменению теплотехнических пар
аметров стен и их долговечности.
Увлажнение кладки зависит также от зоны влажности района строительства здания. По сочетанию влажности района строительства
и влажностному режиму в помещении можно установить условия
Режим
2.3. Влажностный режим помещений
Влажность внутреннего воздуха, %,
при температуре, °С
до 12 св.12 до 24 св.24
Сухой до 60 до 50 до 40
Нормальный св. 60 до 75 св. 50 до 60 св. 40 до 50
Влажный св.75 св. 60 до 75 св. 50 до 60
Мокрый – св. 75 св. 60
37
2.4. Условия эксплуатации ограждающих конструкций
Влажностный
режим помещений
зданий
(по табл. 2.3)
Условия эксплуатации А и Б в зоне влажности района
сухая нормальная влажная
Сухой А А Б
Нормальный А Б Б
Влажный
или мокрый
Б Б Б
эксплуатации наружных ограждений, которые согласно СП
50.13330.2012 [19] делятся на два вида: А и Б. Условия эксплуатации
приведены в табл. 2.4.
При условиях Б наружные стены имеют более высокую влаж-
ность и более худшие условия эксплуатации.
Санитарно-гигиенические параметры микроклимата в помещениях определяются внутренними тепло- и влаговыделениями и воздействием внешних климатических факторов. Со
здание комфортных условий обеспечивается путём изменения внутренних тепло- и влаговыделений, а также снижением воздействия на микроклимат внешних факторов за счёт наружных ограждений и, в частности, кирпичных стен.
В связи с изложенным выше к наружным стенам предъявляется
целый ряд требований, соблюдение которых необходимо при эксплуатации здания для обесп
ечения санитарно-гигиенических условий
внутри здания и условий по обеспечению надёжности работы конструкций и их долговечности. В этой связи стены:
– должны иметь необходимые теплозащитные свойства для защи-
ты помещения от переохлаждения или перегрева;
– температура внутренних поверхностей стен не должна существенно отличаться от температуры внутреннего воздуха. Разница температур стен и возду
ха не должна быть больше величин, устанавливаемых по санитарно-гигиеническим условиям и по условиям невыпадения конденсата на внутренних поверхностях стен;
– воздухопроницаемость стен не должна превышать величин, определяемых по условиям ограничения низких температур на внутренних поверхностях ограждений, по условиям ограничения скорости
движения воздуха у внутренних пове
рхностей стен, а также по условиям ограничения накопления в них влаги в ограждении и расхода тепла,
уходящего через стены;
– влажность кладки стен по условиям, исключающим образование на поверхностях ограждений плесени и грибков, а также по условиям обеспечения их долговечности, должна быть минимальной.
38
2.3. ПРИНЦИПЫ РАСЧЁТА КИРПИЧНЫХ СТЕН ПО УСЛОВИЯМ ТЕПЛОЗАЩИТЫ
Обеспечение в помещениях требований по микроклимату и по
ограничению расхода тепловой энергии через стены достигается необходимыми теплозащитными параметрами стен. Теплозащитные качества стен определяются нормами проектирования, действующими в
период их возведения. Теплозащита стен зависит от условий передачи
через них тепловой энергии, от теплофизических свойств кирпича и
раствора кладки, а также от усло
вий эксплуатации. Ниже рассмотрены
процессы передачи тепла через стены, теплотехнические характеристики материалов и другие вопросы, связанные с обеспечением требуемой теплозащиты в зданиях при проектировании.
2.3.1. Передача тепловой энергии в наружных стенах
При наличии разности температур на поверхностях наружной
стены через неё идёт поток тепловой энергии. Так как в окружающей
стену воздушной среде наблюдаются постоянные изменения температуры воздуха, то происходят постоянные изменения во времени и теплового потока. Теплопередача при таких условиях называется нестационарной. Если температура в окружающем стену воздухе не меня
ется во времени, то поток тепла, проходящий через стену, также остаётся
постоянным. Такая теплопередача называется стационарной.
В реальных ситуациях теплопередача через стены из-за постоянных колебаний температур воздуха чаще всего нестационарна. Так как
расчёты передачи через стены тепловой энергии при нестационарных
условиях весьма сложны, то они выполняются, как правило, пр
и определении теплоустойчивости стен. Во всех других теплотехнических
расчётах процесс теплопередачи через стены принимается стационарным. В этих случаях расчётная температура наружного воздуха принимается средней за некоторый промежуток времени, например, за
пять суток наиболее холодных суток для данного района строительства. При некоторых других расчётах наружная расчётная температура
инимается с учётом тепловой инерции стен. Расчётная температура
пр
внутреннего воздуха принимается также постоянной и равной её нормативным значениям, установленным в соответствующих нормативных документах (ГОСТах, СанПиНах и др.).
При стационарной теплопередаче производятся расчёты потерь
тепла через стены, расчёты их теплозащитных параметров, расчёт температур на поверхностях и др.
39
Передача тепловой энергии зимой идёт из помещения наружу, т.е.
t
в
δ
δ
t
в
в направлении более низких наружных температур. Передача тепла происходит в три этапа. На первом этапе тепловая энергия передаётся от
воздуха помещения внутренней поверхности стены. На втором этапе
тепловая энергия проходит через толщу стены. На третьем этапе происходит отдача тепла нар
ужной поверхностью стены наружному воздуху.
Во всём описанном выше процессе участвуют три вида передачи
тепловой энергии: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность – передача тепла, когда кинетическая энергия
передаётся в жидких и твёрдых средах упругими волнами, а в газообразных средах за счёт диффузии атомов или молекул газа. Теплопроводность наиболее полно пр
оявляется в твёрдых телах.
Конвекция – перенос тепловой энергии движущимися массами
вещества. Конвекция наблюдается в жидкой и газообразной средах.
Излучение – перенос энергии в виде электромагнитных волн между взаимно излучающими поверхностями, имеющими температуру
выше абсолютного нуля. Передача тепла излучением, как правило,
происходит в газообразной среде.
При передаче тепловой энергии через стену п
роисходят существенное понижения температур на поверхностях и внутри стены. Изменения температур на поверхностях и внутри однослойной и многослойной стен даны на схемах рис. 2.6.
а)
qв
в
Δt
в
τ
q
τ
δ
б)
в
Δt
qв
в
τ
0
С
0
н
н
q
н
t
q
1
δ
qн
н
τ
н
t
3
Рис. 2.6. Схемы распределения температур в однослойной (а)
и многослойной (б) стенах при стационарной теплопередаче
40