Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор технических решений современных наружных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий
1.1. Технико-экономические условия 5-6
1.2. Сложившаяся инженерная практика 7-13
1.3. Существующие методы расчёта наружных кирпичных стен зданий 14-16
1.4. Выбор для дальнейшего исследования конструкции стенового ограждения 17-24
1.5. Постановка задач исследования 25
Глава 2. Критерии качества для оценки проектного решения ограждающей конструкции
2.1. Архитектурно-планировочный критерий 26-27
2.2. Критерий комфортности 28-30
2.3. Критерий долговечности 31-33
2.4. Конструктивно-технологический критерий 34
2.5. Нормативный критерий 35-36
2.6. Качественный подход к оценке проектных решений ограждающих конструкций 37
2.7. Получение критерия комфортности для многослойного ограждения 38-40
2.8. Выводы по главе 41
Глава 3. Экспериментальные исследования температурного перепада от воздействия солнечной радиации по толщине однослойной кирпичной стены
3.1. Цели и задачи эксперимента 42-52
3.2. Методика проведения эксперимента
3.2.1. Исходные данные 53
3.2.2.Используемые приборы и оборудование 53
3.2.3. Термокамера 54
3.2.4.Проведение измерений 54
3.2.5. Обработка экспериментальных данных 56-59
3.3. Анализ экспериментальных данных 60-63
3.4. Выводы по главе 64
Глава 4. Расчёт самонесущей стены с учётом температурного перепада от воздействия солнечной радиации
4.1. Определение температурного перепада от воздействия
солнечной радиации численным методом 65-73
4.2. Математическая модель и методика расчёта самонесущей кирпичной стены с гибкими связями от совместного действия собственного веса и температурного перепада 74-86
4.3. Численный анализ напряжённо-деформированного состояния исследуемой модели стены от действия собственного веса и перепада температуры 87-94
4.4 Выводы по главе 95-96
Глава 5. Рациональное проектирование наружных стен жилых и общественных зданий
5.1. Перспективные решения наружных стеновых ограждений 97-106
5.2. Практическое использование аналитической методики расчета самонесущей кирпичной стены с гибкими связями 107-108
5.3. Выводы по главе 109
Заключение 110
Библиографический список использованной литературы
- Существующие методы расчёта наружных кирпичных стен зданий
- Конструктивно-технологический критерий
- Методика проведения эксперимента
- Математическая модель и методика расчёта самонесущей кирпичной стены с гибкими связями от совместного действия собственного веса и температурного перепада
Введение к работе
Изменение нормативных требований к термическому сопротивлению наружных стен зданий вывели этот вопрос при проектировании зданий на первое место. Нерациональный выбор конструкции стенового ограждения способен привести к увеличению себестоимости 1 м2 полезной площади до 30 %. В то же время рациональный выбор ограждающей конструкции способен не увеличивать стоимость строительства, либо увеличивать на 8-10 %, с учётом уменьшения нагрузки на фундаменты. Анализ наиболее удачных решений, применяемых ведущими строительными организациями, позволил сформулировать три основных принципа, руководствуясь которыми можно получать наиболее рациональные конструкции наружных стен: 1) принцип дифференцирования функций несущих и теплоизолирующих слоев; 2) принцип максимального использования прочностных свойств несущих слоев; 3) принцип экономической целесообразности применения материалов. Достаточно полно этим принципам отвечает стена с наружной самонесущей кирпичной верстой на всю высоту здания, с вентилируемой прослойкой, отделяющей её от внутренней части стены. В этом случае наружная кирпичная верста воспринимает все климатические воздействия - ветер, дождь, солнечную радиацию, а вентилируемая прослойка препятствует влагона-коплению в теплоизоляционных слоях стены.
Заложенные в нормах [1], [2] методы расчёта каменных стен основаны на эмпирических формулах, расчёт конструкций ведётся по недеформируемой схеме. Анализ существующих методик расчёта самонесущих каменных стен с гибкими связями показал, что учёт одновременного действия нескольких силовых факторов (собственный вес, температурный перепад, усадка и т.д.) производится по принципу суперпозиции. Наиболее подробно такая методика приведена в рекомендациях ЦНИИЭПжилища [3], выпущенных в 1990 году. Причём согласно ним связи рекомендуется устанавливать только в уровне междуэтажных перекрытий. Преимущества такого решения очевидны: 1) резко снижаются требования к конструкционным качествам внутренней части стены из-за отсутствия необходимости заанкеривания в них гибких связей; 2) мостики холода неизбежно возникающие в местах прохождения связей, способных снизить термическое сопротивление стен до 20 %, локализуются в уровне перекрытий и решение этой проблемы становится значительно легче. Однако в [3] не верно оценивается влияние дополнительного изгибающего момента от температурного перепада из-за грубости начальных посылок расчёта.
В настоящем исследовании сделана попытка устранить эти неисследованные факторы и уточнить модель деформирования стены под действием силовых и температурных воздействий. Цель диссертационной работы заключалась в разработке новой методики проектирования и расчёта позволяющей выбрать рациональную систему возведения самонесущей стены, подверженной одновременному воздействию собственного веса и температурного перепада, определить требуемые жёсткости связей и шаг их установки.
Существующие методы расчёта наружных кирпичных стен зданий
Как уже отмечалось стены из кирпича обладают следующими важными достоинствами: - достаточно высокая надёжность и долговечность, особенно с учётом зимних условий, благодаря чему применение кирпичной кладки стало традиционным для Сибири; - достаточно высокие прочностные характеристики и хорошие пластические свойства (возможность работы с учётом волосяных трещин); - высокие значения коэффициента теплоусвоения; экологическая чистота кирпича и т.д.
К числу недостатков следует отнести относительно невысокое термическое сопротивление кирпичной кладки и значительные нагрузки, порождаемые её собственным весом. Но благодаря своим достоинствам кирпичная кладка является элитным строительным материалом. В нашей стране ежегодно выпускается и применяется на стройках более 40 млрд. шт. кирпича. В последние годы из кирпича и керамики возводилось около 35 % жилых, гражданских и промышленных зданий. По мере развития производства и применения в строительстве изделий из различных видов бетонов и других новых материалов, следует ожидать некоторого снижения относительной доли применения кирпича как традиционного стенового материала. Однако абсолютный объём его использования практически не изменится, а возможно и возрастёт.
Активному строительству различных зданий и сооружений из каменной кладки препятствует целый ряд проблем. Например, необходимость выполнение требований СНиП и ТСН по теплотехнике, удовлетворение которых возможно только при использовании многослойных ограждающих конструкций наружных стен (см. выше п. 1.2). Однако жёсткая перевязка наружной и внутренней версты, например колодцевой кладки, вызывает сложное напряжённое состояние результатом которого, при низком качестве материала стен или особых неблагоприятных условиях эксплуатации, может стать разрушение вследствие неравномерных деформаций, расслоения кладки и деления образовавшихся слоев на отдельные элементы-столбики, с последующей потерей ими устойчивости под влиянием дефектов их сечений и внецентренного приложения нагрузки. Особую важность учёт напряжённого состояния каменной кладки приобретает при проектировании высотных каменных зданий, требующих ещё более обоснованного подхода как к конструкции кладки, так и к назначению качественных харастервджншнигёциннш щаядарющие методы расчёта каменных стен можно разделить на три группы:
1 группа - это инженерные методы, построенные на использовании расчётной модели, полученной на основе экспериментальных исследований. Эти методы часто используются нормативными документами в практике проектирования, например СНиП И-22-81. Согласно ему каменные стены при расчёте на горизонтальные нагрузки, внецентренное и центральное сжатие следует принимать опёртыми в горизонтальном направлении на междуэтажные перекрытия, покрытия и поперечные стены. Эти опоры делятся на жёсткие (несмещаемые) и упругие. Такое разделение основано на расстоянии между поперечными жёсткими конструкциями, за которые следует принимать поперечные каменные и бетонные стены толщиной не менее 12 см, железобетонные толщиной не менее 6 см, контрфорсы, поперечные рамы с жёсткими узлами, участки поперечных стен и другие конструкции, рассчитанные на восприятие горизонтальной нагрузки. При упругих опорах производится расчёт рамной системы, стойками которой являются стены, а ригелями - перекрытия и покрытия. При этом следует принимать, что стойки жёстко защемлены в опорных сечениях. При жёстких опорах стены рассчитываются на внецентренную нагрузку как вертикальные неразрезные балки. Жёсткость таких стен регламентируется предельным отношением высоты этажа к толщине стены, которое не должно превышать величин приведенных в СНиП. В случае использования гибких связей, например в многослойных стенах, СНиП нормирует минимальную суммарную площадь их сечения на 1 кв.м. поверхности стены.
Однако основываясь на таких предпосылках, инженерные методы не могут точно и полно описать действительное напряжённое состояние кирпичных стен, что в значительной степени объясняется с одной стороны сложностью работы стен, а с другой недостаточным количеством экспериментальных исследований, чтобы выявить одновременное влияние различных факторов на прочность стен. Пик развития инженерных методов расчёта приходится на 1930-1950 гг. и связан с именем их основоположников: Л.И.Онищика [14], [15], [16], А.С.Дмитриева [17], [18], С.В.Полякова [19], [20], [21], [22] С.А.Семенцова [17], [23], В.М.Милонова [18], [24], М.Я.Пильдиша [22] и др.
2 группа - это методы расчёта которые основываются на критериях прочности материала и их можно использовать в расчётах только с помощью метода конечных элементов (МКЭ) с применением ЭВМ. При помощи МКЭ и современных вычислительных комплексов реализующих его (SCAD, COSMOS и др.) возникает возможность решать задачи большой размерности с заданием элементам различных прочностных характеристик. Расчетные задачи большой размерности совершенно естественно возникают при анализе трехмерных проблем механики сплошной среды в конечно-элементной постановке. При числе шагов конечно-элементной сетки, равном ш, количество неизвестных перемещений пропорционально Зт3, что быстро наращивает размер задачи до десятков тысяч неизвестных даже в случае областей, не слишком отличающихся от канонических [25], [26]. Именно такие пространственные задачи порождают естественный спрос на программы большой мощности, для удовлетворения которого разработчики непрерывно наращивают мощность ЭВМ. Но затем эти программные продукты используются и при решении задач расчета стержневых несущих каркасов, возникает возможность применить подробную расчетную схему, включающую в себя десятки тысяч упругих элементов и узлов.
Конструктивно-технологический критерий
Наиболее наглядно прокомментировать данный критерий можно на указанном выше (п. 1.2, рис. 1.5 настоящего исследования) варианте ограждения 11-ти этажной 5-6 блок-секции жилого комплекса по ул. Серебренниковской построенного ОАО «АТОН» (г. Новосибирск). Здание имеет несущий стальной каркас со сборными железобетонными перекрытиями и конструкцией стены у которой внутренняя часть опирается на перекрытия в уровне каждого этажа, а внешняя часть является самонесущей на всю высоту с промежуточным раскреплением гибкими связями только в уровне междуэтажных перекрытий. Как уже отмечалось, такое разделение наиболее полно отвечает принципу дифференцирования несущих и ограждающих конструкций [11], к тому же это решение позволяет в какой-то степени сохранить существующую технологию возведения наружных стен, но требует более высокой технологической дисциплины строительной организации. Теоретически с такими стенами можно строить здания любой этажности. В большинстве же случаев из-за низкого качества производства каменных работ при отрицательных температурах, когда не контролируется процесс набора прочности раствором, высота самонесущих стен резко ограничивается и в большинстве случаев составляет не более 1-2 этажей.
Кроме того, развитие конструкций каменных стеновых ограждений только из теплотехнических соображений, приводит к отрыву от имеющихся в арсенале проектировщиков методов расчёта наружных стен. Поэтому значительная часть современных конструкций стен применяется без достаточного расчётного обоснования, гарантирующего не только их прочность и устойчивость, но и эксплуатационную пригодность в течение длительного периода времени. В приложении 1 к настоящему исследованию приведена итоговая таблица расчёта вариантов систем утепления проведённого по заданию ОАО «АТОН». В таблице представлены наиболее перспективные на наш взгляд варианты, с использованием только отечественных материалов. Как видно из таблицы все они удовлетворяют требованиям СНиП П-3-79 и ТСН. Наружная часть стены во всех вариантах выполнена из кирпичной кладки толщиной 250 мм (1 кирпич). Но такая конструкция стены эффективна только при максимальном использовании прочностных и деформационных свойств каменной кладки, что возможно только при самонесущем варианте наружной части, раскрепленной гибкими связями только в уровне междуэтажных перекрытий, в противном случае её технико-экономические показатели (экономичность, сопротивление теплопередаче и т.д.) резко падают. Имеющийся же расчётный метод для такой конструкции стены, разработанный ЦНИИЭПжилища в 1990 г. [3], не учитывает особенностей работы каменной кладки и не позволяет учесть влияние дополнительного изгибающего момента от нестационарного температурного воздействия.
Таким образом, конструктивно-технологический критерий должен позволять оценить конструкции стеновых ограждений по эксплуатационной надёжности и технологичности возведения.
Главной задачей в области нормирования теплотехнических характеристик зданий в современных условиях является сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов и уменьшение потерь теплоты, что является потребительским требованием и исходит из желания государства и пользователя нести меньше расходов на эксплуатацию здания. Строительные нормы должны содержать требования которые должны быть ориентированы на потребителя и устанавливаться в соответствии с различными уровнями потребностей или условиями эксплуатации. Исходя из этих принципов за последние три года выпущен целый ряд территориальных строительных норм по энергосбережению.
Территориальные строительные нормы (ТСН) устанавливают обязательные для применения в пределах соответствующих территорий и рекомендуемые положения, учитывающие природно-климатические и социальные особенности, национальные традиции и экономические возможности республик, краёв и областей России. Причём ТСН не должны противоречить действующим федеральным нормативным документам, т.е. региональные нормативные требования должны быть не ниже общероссийских требований.
С точки зрения современных требований, предъявляемых к нормативным документам законом «Об энергосбережении» и СНиП 10-01-94 , действующий СНиП И-3-79 имеет следующие три принципиальных недостатка [61]: в нём отсутствуют в явном виде требования по энергопотреблению на отопление и энергетической эффективности зданий; при выборе уровня теплозащиты не учитываются объёмно-планировочные параметры здания и возможность регулирования отопительно-вентиляционных систем; он построен на устаревших предписывающих принципах выбора уровня теплозащиты зданий.
Для устранения приведённых выше недостатков ТСН по энергетической эффективности жилых и общественных зданий сибирского региона разработаны на основе единой концепции нормирования по удельному энергопотреблению.
Нормативы в ТСН установлены по второму этапу повышения теплозащиты из условий энергосбережения согласно СНиП И-3-79 и обеспечивают согласно этим требованиям снижение уровня энергопотребления на отопление зданий с 2001 г. не менее, чем на 40 % по сравнению с 1995 г. [61]. По ТСН регламентируются требования не к отдельным частям здания (стены, перекрытия, окна и т.д.), формирующим тепловой баланс здания, а к зданию в целом с энергетической точки зрения. Такой энергетический параметр формируется теплозащитой здания, архитектурными , объёмно-планировочными и компоновочными решениями, системами отопления и вентиляции, дополнительными теплопоступлениями и климатическими параметрами с учётом эффективности систем теплоснабжения.
Методика проведения эксперимента
Коэффициент теплоусвоения по своему физическому смыслу является коэффициентом тепло-восприятия (теплообмена) в условиях передачи через поверхность конструкции периодических тепловых воздействий, происходящих только путём теплопроводности. Величина s зависит от периода тепловых воздействий, а также от свойств материала и конструкции, а потому не является обычной теплофизической константой материала, подобной константе теплопроводности. Коэффициент теплоусвоения s связан с изменениями температуры поверхности конструкции и её отдельных слоев, а отнюдь не с количеством тепла, аккумулируемым ограждением.
При относительно большой толщине конструктивного слоя, поверхность которого воспринимает периодический поток тепла, коэффициент теплоусвоения его поверхности зависит только от физических свойств материала и периода колебаний тепловых воздействий. В этом случае: s = ijl-c-ye , Вт/м2-С (III. 12) где со = — - частота колебаний температуры, 1/ч . г
Для периода тепловых воздействий с периодом колебаний в 24 часа (солнечное облучение, топка печей один раз в сутки) формула принимает следующий вид: s24=0,5l A-c-r, (ПІ. 13) а для тепловых воздействий с периодом в 12 часов (переменная облачность, топка печей два раза в сутки): su=0,72i]A-c-r, (ИІ. 14) т.е. в 1,41 раза больше , чем для периода в 24 часа.
Вообще, если частота периодических тепловых воздействий возрастает в п раз, коэффициент теплоусвоения увеличивается в vw . При увеличении частоты температура на поверхности материала возрастает, глубина распространения тепла уменьшается, а при предельных условиях становится ничтожной (например, закалка металлоизделий токами высокой частоты). При увеличении длительности периодов тепловых воздействий (например, до суточных, а тем более до происходящих в годовом цикле) распространение тепла вглубь материальной среды соответственно возрастает. В СНиП И-3-79 [64] коэффициент теплоусвоения указан для периода 24 часа.
Колебания температуры, происходящие на поверхности, распространяются в глубь ограждающей конструкции, но их амплитуды уменьшаются, т.е. колебания постепенно затухают в её толще.
Отношение амплитуды А, на поверхности конструкции, воспринимающей колебания температур г внешней среды, к затухшей амплитуде At на противоположной поверхности называется затуханием амплитуд V внутри конструкции, т.е.: v = A (III. 15). А Мерой интенсивности затухания колебаний температуры внутри однородной ограждающей конструкции является безразмерная величина D = R-s, (ПІ. 16) называемая условной толщиной или характеристикой тепловой инерции.
Для ограждающих конструкций, состоящих из нескольких слоев, характеристика тепловой инерции очень приближённо (без учёта порядка расположения в конструкции отдельных конструктивных слоев с различным теплоусвоением и термическим сопротивлением) выражается как сумма условных толщин отдельных слоев: D = RX sl+R2-s2+... + Rn-sn (111.17)
При изучении особенностей распространения периодических тепловых воздействий по толщине ограждающей конструкции большое значение имеет так называемый «слой резких колебаний температуры», непосредственно прилегающий к поверхности, воспринимающей периодически поступающее тепло.
Внутри слоя резких колебаний однородной конструкции амплитуда колебаний температуры затухает примерно вдвое и на другой его поверхности составляет только половину по сравнению с амплитудой колебаний на поверхности, воспринимающей периодические тепловые воздействия. Характеристика тепловой инерции Dn для слоя резких колебаний равна единице, т.е.:
Математическая модель и методика расчёта самонесущей кирпичной стены с гибкими связями от совместного действия собственного веса и температурного перепада
Основной целью проведения численного анализа деформированного состояния самонесущих стен являлось проведение сравнения данных получаемых численным (метод конечных элементов) и аналитическим методами. Требовалось оценить корректность получаемых результатов с использованием алгоритма приведённого в п.4.2 и границы его применимости. Была проведена серия численных расчётов моделей стен высотой от одного до восьми этажей при помощи ВК «Cosmos Designstar 3.0», аналогичной серии расчётов проведённых при помощи аналитического метода, изложенного в п.4.2.
Необходимо было получить данные по следующим параметрам: 1) вид кривой деформирования; 2) горизонтальные перемещения (величина и уровень реализации); 3) деформации связей и соответствующие усилия в них; 4) вертикальные деформации модели стены. Полученные результаты приведены в приложении 4.
Для проведения численного анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) гибкого стержня с гибкими связями был выбран тот же программный комплекс, который использовался при определении температурного перепада от воздействия солнечной радиации - ВК «Cosmos Designstar 3.0». Выбор этого программного продукта основывался на решении ряда тестовых задач на самых мощных на сегодняшний день вычислительных комплексах реализующих метод конечных элементов: украинские (разработка киевского НИИАСС): «Scad 7.29», «Лира 8.0»; и иностранные: «Nastran» и «Cosmos Designstar 3.0». По сравнению с украинскими программными продуктами «Cosmos Designstar 3.0» показал более высокую точность и устойчивость решения (это были основные требования при проведении тестовых задач), а по сравнению с ВК «Nastran» он оказался удобнее и быстрее в использовании.
При проведении тестовых задач было выяснено, что «Cosmos Designstar 3.0» способен учитывать одновременное действие собственного веса и изгиба от перепада температуры: напряжения в сжатых и растянутых волокнах при решении этого типа задач возрастали на величину напряжений от изгиба при внецентренном приложении продольной силы, т.е. a = M/W (IV.56) где Ы - Р-е- момент от внецентренного приложения продольной силы Р с эксцентриситетом е, возникающем от температурного изгиба стержня; W - момент сопротивления поперечного сечения стержня в плоскости изгиба.
Однако тут же выяснились и ограничения в применении этого вычислительного комплекса для анализа НДС гибкого стержня на одновременное действие температурного перепада и собственного веса. Нами использовалась модель гибкого кирпичного столба сечением 25x25 см (один кирпич) из кирпича марки Ml00 на цементно-песчаном растворе Ml00, характеристики принимались по СНиП П-22-81 [1] (см. п.4.2.1). Гибкие связи устанавливались с шагом 3,15 м (высота этажа экспериментальной торцевой стены жилого дома по ул.Серебренниковской, см. п. 1.4), диаметр связи 0 10 мм, с характеристиками стали марки 5сп. Шаг разбивки стержня на конечные элементы был принят равным 6,25 см (четыре элемента по толщине стержня). Но даже при этом максимальном упрощении при высоте стены боле 20-ти этажей объём задачи составляет сотни тысяч элементов и даже самым мощным на сегодняшний день персональным компьютерам (например на базе процессора Intel Pentium IV, с частотой 1,7 ГГц, размер оперативной памяти 1 Gb DDR, жёсткий диск 60 Gb) требуется на решение этой задачи не менее одного часа.
Рассматривались стержни высотой 1...8 этажей (высота этажа 3,15 м). Поперечное сечение стержня 25 х 25 см (b х h). Механические свойства соответствовали кирпичной кладке из глиняного кирпича марки Ml00 (ГОСТ 530-95) на растворе Ml00 (ГОСТ 28013-98). Расчётная схема -защемлённый в опорном сечении стержень с гибкими связями в уровне междуэтажных перекрытий, на который действует температурный перепад и нагрузка от собственного веса.
Вначале были рассмотрены два варианта температурной нагрузки: один при нелинейном изменении температуры стены по толщине стены, другой при линейном. Значение температурного пе месяца. репада и соответственно температур на наружных гранях в обоих вариантах было одинаковым (см. pHc.IV. 15). Разница в вертикальных напряжениях составила сотые доли процента. Поэтому в дальнейшем для расчёта был принят второй вариант задания температурной нагрузки.
По результатам численного анализа НДС стержня с гибкими связями, с различными граничными условиями на его концах и шагом установки самих связей, получены следующие результаты:
1. Уменьшение шага установки связей, без увеличения их суммарной жёсткости (задача №1, приложение 4), приводит к выравниванию горизонтальных смещений по всей высоте стерж ня, но скачок на верхнем конце стержня сохраняется.
2. При увеличении количества гибких связей в уровне верхнего этажа восьмиэтажной модели, без изменения их суммарной жёсткости (задача №3, варианты 1-3, приложение 4) происходит гашение скачка горизонтальных перемещений и равномерному распределению усилий в связях.
3. Распределение температуры по толщине стены для задания температурной нагрузки при изучении НДС модели стены можно принять линейным, без ущерба для точности результатов. Принципиально важна разница между температурой наружной и внутренней грани.
4. Численным методом получены новые данные о НДС самонесущей каменного столба на гибких связях, объём и точность которых достаточны для апробации его математической модели и аналитической методики расчёта.
