автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Методика расчета снеговых отложений для оценки естественного освещения и теплового режима светопрозрачных элементов купольных покрытий

На правах рукописи

Константинов Александр Петрович

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СНЕГОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КУПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени 2 д Цд^

кандидата технических наук

Москва 2013 005540071

005540071

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

Плотников Александр Александрович

Официальные оппоненты: Ибрагимов Александр Майорович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

политехнический университет», заведующий кафедрой «Архитектура и графика»

Шехтер Феликс Львович

кандидат технических наук, ОАО «ЦНИИПромзданий», старший научный сотрудник

Ведущая организация: ГУЛ г. Москвы Управление по проектированию

общественных зданий и сооружений «Моспроект-2» им. М.В. Посохина

Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «1С» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Каган Павел Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России, большинство территорий которой характеризуется долгой и продолжительной зимой, возведено и эксплуатируется достаточно большое количество общественных зданий с большепролетными свегопрозрачными покрытиями атриума. Основное функциональное назначение таких конструкций - круглогодичная защита от погодных воздействий внутреннего пространства атриума и обеспечение естественного освещения примыкающих к нему помещений.

Результаты наблюдений показывают эффект снижения естественной освещенности в зимнее время за счет скопления снега на покрытии. Удаление снега при эксплуатации таких конструкций связано с разработкой дорогостоящих конструктивных решений (ходовых мостиков), использования технической оснастки и служб промышленного альпинизма, выделения дополнительных мощностей энергии для стеклопакетов с электрообогревом.

Кроме того, в действующих нормативных документах и методах расчетов, используемых в практическом проектировании свегопрозрачных покрытий атриумных зданий, не существует однозначной ясности по поводу оценки расчетных величин снеговых нагрузок. В большинстве большепролетных свегопрозрачных покрытий, возведенных в настоящее время в нашей стране, можно отметить значительный перерасход материала в несущих конструкциях. Таким образом, теряется зрительная легкость и архитектурная эстетика, изначально предполагаемая в подобных сооружениях.

Решение указанных задач может быть найдено в результате комплексного исследования влияния снегового покрова на технические и функциональные характеристики свегопрозрачных покрытий. До настоящего времени подобных системных исследований в нашей стране не проводилось.

Цель работы - разработка методики расчета снеговых отложений и периода их воздействия на свегопрозрачные покрытия отапливаемых зданий атриумного типа для оценки естественного освещения и теплового режима рабочего пространства.

При выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:

• Провести натурные наблюдения на здании атриумного типа для изучения характера накопления и продолжительности нахождения снеговых отложений на различных участках кровельного остекления.

• Провести натурные эксперименты процессов накопления и стаивания снежного покрова на поверхности кровельного остекления; определить светопропускающую способность снежного покрова.

• Выполнить теоретические исследования процесса накопления и оттаивания снеговых отложений с поверхности остекления купола путем математического моделирования.

• Обобщить результаты натурных и теоретических исследований и разработать рекомендации по рациональному проектированию конструкций светопрозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий и их технической эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Путем натурных наблюдений и исследований изучен режим формирования снеговых отложений на светопрозрачных купольных покрытиях отапливаемых зданий.

• Определена характерная схема распределения снеговых отложений по поверхности купольного покрытия в условиях снегопада и после его окончания с учетом максимальной толщины снега в различных зонах.

• Предложена физическая модель процесса накопления, оттаивания и удаления снежного покрова с поверхности остекления.

• Разработана методика расчета снеговых отложений и периода времени их нахождения на различных участках светопрозрачных покрытий отапливаемых зданий на основе численных расчетов нестационарного теплообмена с учетом теплоты фазовых переходов и переменной толщины снежного покрова.

• Определено влияние снежного покрова на снижение пропускания видимого света стеклопакетом.

Практическая значимость работы заключается в использовании рекомендаций по проектированию и эксплуатации светопрозрачных купольных покрытий для г. Москва исходя из зимних условий эксплуатации.

Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов численных и аналитических теоретических исследований с результатами натурных наблюдений и экспериментов; использованием существующих теорий теплопередачи через ограждающие конструкции, а также современных методов измерения и компьютерной.техники.

Результаты исследований внедрены:

При реконструкции административного здания МИД РФ (г. Москва, Смоленская-Сенная площадь, д.32/34).

Апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 работы, опубликованы в изданиях Перечня ВАК РФ.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности», Москва (2010 г.).

4

- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (2011 г.).

- НТС кафедры «Архитектура гражданских и промышленных зданий» ФГБОУ ВПО «МГСУ» (2013 г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы из 94 наименований. Работа имеет общий объём в 124 страницы машинописного текста, содержит 10 таблиц, 47 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяются цели и задачи исследований.

Первая глава посвящена описанию архитектурно-конструктивных решений свегопрозрачных покрытий, особенностей их эксплуатации в зимних условиях, а также обзору проведенных исследований по влиянию снеговых отложений на работу кровельных покрытий (светопропускание, тепловой режим). Учитывая достаточно малый перечень опубликованных материалов непосредственно по свегопрозрачным покрытиям, в качестве теоретической базы для исследований приведен также обзор соответствующих работ по непрозрачным покрытиям.

Основное функциональное назначение свегопрозрачных покрытий в современных зданиях, кроме тепловой защиты, заключается в обеспечении естественной освещённости рабочих помещений, ориентированных окнами во двор атриума. При рациональном проектировании свегопрозрачных покрытий и рациональной организации внутренних пространств атриумных зданий верхнее естественное освещение через покрытие позволяет свести к минимуму использование дневного искусственного освещения. Опыт эксплуатации атриумных зданий со свегопрозрачными покрытиями в климатических условиях России показывает, что в зимний период:

- на большинстве свегопрозрачных покрытий в зимнее время происходит временное накопление снеговых отложений, изморози или ледяной корки, которое приводит к частичной потере их светопрозрачности (Рис.1.);

- толщина снежного покрова и период времени его залегания на свегопрозрачных покрытиях отапливаемых зданий существенно меньше, чем на непрозрачных покрытиях;

- наиболее популярные на сегодняшний день методы борьбы со снеговыми отложениями на свегопрозрачных покрытиях зданий (использование электрообогреваемых стеклопакетов и механическое удаление) являются не всегда эффективными и экономически оправданными.

В настоящее время перечисленные особенности не отражены в существующих нормативных документах по проектированию свегопрозрачных покрытий как отечественных, так и зарубежных.

Проблемами формирования снеговых отложений и снеговых нагрузок на покрытиях зданий посвящено большое количество исследований (работы Айзена A.M., Ротштейна Д.М., Дашкова А.Г., Виноградова О.Г., Кагана A.M., Кошутина Б.Н., Строкатова Б.П., Отставнова В.А., Розенберга Л.С., Лебедевой И.В., Пашинского В.А., Пичугина С.Ф. и др.).

Снеговой режим, а именно, изменение толщины снежного покрова и, соответственно, снеговые нагрузки исследованы в работах, выполненных Ледовским И.В., Павловым В.А., Кузнецовым Б.Н., Пиховкиным В.А.

Рис. 1. - Скопление снелсного покрова на светопрозрачных покрытиях, приводящее к частичной потере их светопрозрачности. А) Горизонтальная стеклянная кровля т. ц. «Золотой Вавилон», г. Москва; Б) Стеклянный купол музея-квартиры им. А. С. Пушкина, г. Москва

В перечисленных работах использована физическая модель, которая:

- не учитывает нестационарный ход процесса таяния снега;

- не учитывает сползание снега с поверхности на наклонных участках покрытия при подтаивании;

- не учитывает изменения теплофизических характеристик в системе «стеклопакет-снег» (теплообмена на контакте стекло-снег), а также зависимость термического сопротивления воздушной прослойки от угла наклона.

Для светопрозрачных покрытий, сопротивление теплопередаче которых значительно меньше, чем у непрозрачных покрытий, это является не совсем корректным.

Кроме этого отсутствуют исследования зависимости светопропускающей способности снежного покрова от его толщины и плотности.

Очевидно, что проблема влияния снеговых отложений на работу светопрозрачных покрытий требует более детального изучения.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы свегопрозрачных покрытий в зимних условиях.

Первая часть этих исследований включает в себя натурные наблюдения светопрозрачного купола административного здания МИД РФ (январь - март 2009 г., декабрь 2009 г. - март 2010 г.).

Натурные наблюдения показали, что характер распределения снеговых отложений на поверхности светопрозрачного купола изменяется со временем после снегопада. На поверхности стеклянных куполов необходимо различать несколько зон, на которых снег остается лежать после снегопада (рис. 2 и 3).

В зоне 1 - на пологих участках купола - снег, скопившийся после снегопада, остается лежать длительное время, вплоть до следующего снегопада. Причем уменьшение толщины снежного покрова в этой зоне происходит только до определенной величины.

В зоне 2 - на наклонных участках купола - снег лежит значительно меньшее время. Он будет скатываться в результате подтаивания.

В зоне 3 - нижней части купола - будет происходить скапливание снега, скатывающегося с более высоких участков.

На пологих участках купола (в зоне 1) даже при самых неблагоприятных условиях толщина снежного покрова не превышала 10 см. В нижней части купола (зоне 3) при этом скапливалось не более 20 см снега. В зоне 1 снег в зависимости от погодных условий, либо оставался лежать до следующего снегопада или полностью оттаивал. В зоне 2 снег периодически скатывался в результате подтаивания на границе снег-стекло. В нижней части купола снег оставался лежать, пока полностью не стаивал.

Рис. 2. Распределение снега и локальное льдообразование светопрозрачном куполе административного здания МИД РФ

Рис. 3. Модель распределения снегового покрова на куполе административного здания МИД, г. Москва

Для более детального изучения процесса накопления снега на светопрозрачном покрытии в ходе снегопада и определения причин, вызывающих таяние снега, скапливающегося на поверхности кровельного остекления, были произведены также и натурные эксперименты на моделях.

Для проведения эксперимента в натурных условиях был возведен испытательный стенд, представляющий собой утепленную замкнутую камеру с регулируемой температурой внутри и кровлей из стеклопакетов с различным углом наклона (от 0° до 60°) и сопротивлением теплопередаче Я=0,35 м2-К/Вт (см. рис. 4, 5). Натурные эксперименты проводились в период с ноября 2010 г. по март 2011 г. Стенд был возведен на отметке уровня земли с целью минимизации эффекта сдувания снега ветром.

-ІЯИИИидНр

/ г V [:-. ^

Рис. 4. -Общий вид испытательного стенда

В ходе наблюдений производились измерения температур, количества скапливающихся снеговых отложений, измерение уровня естественной освещенности, фотофиксация характера накопления и стаивания снега с различных участков остекления.

Датчики темле-/ ратуры воздуха

Датчики температуры стекла

ратуры стекла

Рис 5. Схема разреза по испытательному стенду Прим.:

сстеклопакеты имели четыре положения с углом наклона '15°,30(\45°,6СР.

Было установлено, что накопление и стаивание снега происходит по-разному на кровельном остеклении с различным уклоном по отношению к горизонту. При углах наклона кровельного остекления менее 15° на кровле будет гарантировано скапливаться снег, где он будет лежать достаточно длительное время. На участках остекления с углом наклона более 15° процесс накопления снега носит циклический характер (рис.6). Продолжительность нахождения снеговых отложений на поверхности остекления зависит от температуры наружного воздуха и, как следствие, от температуры на границе «остекление - снег». При переходе температуры через О °С снег оттаивает образуется водяная пленка и снег сползает.

Температура на границе

Для стеклопакета с углом наклона 60°

---Для стеклопакета с углом наклона 15°

Рис. 6. Процесс накопления снеговых отложений в ходе интенсивного снегопада на участках остекления с разным наклоном

На этом же стенде были проведены экспериментальные исследования снижения показателя пропускания видимого света стеклопакетом при нахождении на нем снега. Базовый показатель пропускания видимого света однокамерным стеклопакетом с прозрачными стеклами при незаснеженной кровле г,. = 0,8.

В ходе экспериментов установлено, что в случае нахождения на поверхности стеклопакета снега толщиной в 0,5 см пропускание видимого света составляет и = 0,6. При толщине снежного покрова в 5 см пропускание видимого света системой «стеклопакет-снег» составляет <,, = 0,4. При более толстом снежном покрове (от 5см до 15 см) этот показатель практически не уменьшается (см. рис. 7), что говорит о диффузном механизме пропускания снегом солнечного света.

Пропускание видимого . света т\ ■

150 кг/и' 250 кг/м3 350 кг/м3

Рис. 7. Зависимость пропускания видимого света системой «стеклопакет-снег» при

различной толщине и плотности снежного покрова. Данные приведены для однокамерного стеклопакета с двумя прозрачными флоат-стеклами

15 Толщина снега ,см

Влияние угла наклона на теплозащитные характеристики стеклопакета было дополнительно исследовано в лабораторных условиях. Для этого был сооружен специальный стенд (см. рис. 8). Конструкция исследованного стеклопакета была принята аналогично стенду для натурных испытаний.

Датчики темпе-

Рис. 8. Схема стенда для определения влияния угла наклона на теплозащитные характеристики стеклопакета

В ходе экспериментов производились измерения температур наружной и внутренней поверхности стеклопакета в центральной зоне при различных углах наклона. Затем, на основании полученных данных, вычислялось термическое сопротивление воздушной прослойки стеклопакета.

Общеизвестно, что при изменении угла наклона стеклопакета по отношению к горизонту, в нем происходит изменение процессов

10

теплообмена (конвекция в воздушной прослойке, условия теплообмена у поверхностей, теплоотдача радиацией в сторону неба при чистой кровле). На стенде были проведены оценочные измерения термического сопротивления воздушной прослойки стеклопакета (см. таблицу 2), позволившие с достаточной долей точности учесть указанные особенности при построении физической и математической модели расчета системы «стеклопакет-снег»

Таблица 2

Зависимость термического сопротивления воздушной прослойки однокамерного стеклопакета от угла его наклона

Угол наклона а, град Кфак-Т, (м" К)/Вт Яо/Я90, %

0 0,141 88

15 0,142 89

30 0,145 90

45 0,150 93

60 0,155 96

75 0,160 100

90 0,160 100

Условные обозначения: Яц - термическое сопротивление воздушной прослойки стеклопакета с углом наклона к горизонту а;

Третья глава посвящена теоретическому исследованию процесса таяния снеговых отложений, скапливающихся на поверхности кровельного остекления.

Для рассмотрения этих процессов была предложена физическая модель таяния снега, согласно которой:

1. Свегопрозрачное покрытие с лежащим на ней снежным покровом рассматривается как многослойная конструкция, состоящая из нескольких слоев: - наружный воздух,-снежный покров, - стеклопакет,- внутренний воздух.

2. Температуры наружного Тн и внутреннего Т„ воздуха не изменяются в течение всего процесса, причем температура наружного воздуха принимается равной среднесуточной, т.е. суточная амплитуда колебаний равна нулю.

3. Стеклопакет имеет термическое сопротивление и теплоемкость С„. Теплофизические характеристики снега - теплопроводность и объемная теплоемкость Сот - в процессе таяния не изменяются.

4. Процесс передачи тепла определяется только теплопроводностью с учетом фазовых переходов оттаивающего снега. Передача тепла изучением и конвекцией не учитывается.

5. В начальный момент времени температура снега, также как и температура наружной поверхности стеклопакета, задается равной температуре наружного воздуха, а начальная толщина снега задается исходя из метеорологических наблюдений.

6. Когда в процессе теплообмена температура на поверхности стеклопакета становится положительной, на участках с наклонной плоскостью снег мгновенно скатывается и поверхность стеклопакета снова охлаждается. На плоских участках толщина снежного покрова уменьшается за счет оттаивания части снега на контакте со стеклопакетом (рис 9).

Графическая иллюстрация физической модели таяния снега представлена на рис. 9.

I 1 - , . 4

' 1

- /'/ /'/у 1 1////Л/ ... \ / .

Этап 1 Этап 2 ЭтапЗ Этап 4 Этап N

Снега нет Окончание Образование "Удаление" слоя Система в

снегопада водяной воды из стационарном

прослойки системы состоянии

Рас. 9. Изменения толщины снега на плоских участках.

На наклонных участках после этапа 3 снег скатывается

Для рассмотрения этого процесса было использовано решение уравнения кондуктивной теплопроводности в энтальпийной форме, учитывающие введение зоны интенсивных фазовых переходов влаги, предложенное А. А. Плотниковым.

Уравнение в общем виде имеет следующий вид:

М- = ¿¡V (Ям 5гайТ )+ д, ; Э/: = С.эф (Г )ЭГ (1)

Эг

где Е - удельная энтальпия; г - время; Сх/> - эффективная теплоемкость, учитывающая тетоемкость материача и теплоту фазовых переходов материала; I — коэффициент теплопроводности материала; Т -температура; дх-скрытая теплота фазовых переходов.

С использованием данной физической модели были выполнены численные расчеты, при помощи которых были решены задачи по определению:

• максимального количества снега, способного скопиться на поверхности кровельного остекления и не подтаивать (задача 1);

• продолжительности нахождения снежных отложений на наклонных участках остекления (задача 2);

• продолжительности таяния снежных отложений, скапливающихся на плоских участках кровельного остекления (задача 3).

Решение задачи 1 заключается в определении такой толщины снежного покрова, при которой система «стеклопакет-снег» будет находиться в стационарном состоянии. При этом имеет место равенство тепловых потоков в снеге 2С„ и кровле £)ос (граничное условие 2 рода).

RUC h

Исходя из того, что таяние снега происходит лишь при температуре То=0 °С максимальную толщину снежного покрова, способную лежать на поверхности свегопрозрачного покрытия и не подтаивать, можно определить по следующей формуле:

h" = XcRoc-abs(TH/Тв ) (3)

где 1с - коэффициент теплопроводности снега; Roc - сопротивление теплопередаче остекления; Тн - температура наружного воздуха; Тв -температура внутреннего воздуха.

Для решения задач 2 и Збыл использован программный комплекс «ТЕМРА» для решения теплофизических задач, позволяющий рассматривать систему «стеклопакет-снег» в нестационарных условиях теплопередачи.

Решение задачи 2 позволило определить продолжительность нахождения снеговых отложений на наклонных участках остекления. Численные эксперименты показали, что снег будет стаивать с поверхности остекления только при относительно высоких зимних температурах наружного воздуха (-5 °С и выше) (см. рис. 10). При более низких температурах (-5...-15 °С) снег будет таять только в случае использования остекления с Roc< 0,35м2 К /Вт.

Решение задачи № 3 позволило определить продолжительность таяния снеговых отложений на пологих участках кровельного остекления - участок 1, а также на тех участках, где снег не имеет возможности скатываться -участок 3. Численные эксперименты показали, что продолжительность нахождения снеговых отложений на поверхности остекления зависит от нескольких факторов:

1. Характеристики снега. При одинаковых условиях ('/„=-5 °С, RC„=0,35(m2 K)/Bm) таяние тяжелого снега (плотностью 350 кг/м3) в первые часы после снегопада будет происходить в 5-7 раз медленнее, чем в случае таяния легкого снега (плотностью 150 кг/м3);

2. Характеристики остекления. При использовании «теплого» остекления (Rc„=0,70(m2-К)/Вт) снег будет лежать продолжительное время на светопрозрачн ом покрытии. При использовании «холодного» остекления (Rc„=0,35(m2 К)/Вт) снег будет лежать длительное время только в условиях низких температур наружного воздуха (ниже -15 °С).

3. Температура наружного воздуха. При высоких температурах наружного воздуха (выше -5 °С) снег в любом случае будет полностью стаивать с остекления. Продолжительность нахождения снеговых отложений на поверхности остекления от момента окончания снегопада до момента его полного стаивания составит от 2 до 5 суток (в случае использования «холодных» стеклопакетов с Rc„=0,35(m2 К)/Вт). При использовании «теплых» стеклопакетов {Rc„=0,70(m2-К)/Вт) это время увеличится до 5-7 суток.

Снег, находящийся на светопрозрачном покрытии при температуре наружного воздуха - 10 °С, не будет полностью с нее стаивать. При таких условиях на остеклении будет продолжать лежать не менее 3 см снега (см. рис. 11). При температурах наружного воздуха -15 °С и ниже скорость таяния снега очень мала. На поверхности остекления при этих условиях будет лежать не менее 8 см снега.

С 5 10 15 20

Толщина снежного покрова, см

Рис. 10. Продолжительность нахождения снежного покрова наклонных участках кровельного остекления при Тн=-5 °С.

150 пв/м*

350 кг/м' тЯ-0Жи' -С /Вт

350кг/и° Я=С70м"С/Вт

Рис. 11. Продолжительности нахождения снежного покрова на пологих участках кровельного остекления при Тн=-10 °С.

В четвертой главе рассмотрен вопрос оценки величины снеговых нагрузок на светопрозрачные купольные покрытия отапливаемых зданий на основе вышеизложенной методики, а таюке даны рекомендации по проектированию свето прозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий исходя из зимних условий эксплуатации.

В ходе снегопада, а также в первые часы после его окончания свегопрозрачная кровля будет полностью покрыта снегом, кроме участков с углом наклона свыше 60° и более. На наклонных участках свегопрозрачной кровли, где уклон более 15°, будет наблюдаться циклический характер накопления снега. Как только температура на границе «остекление-снег» достигнет 0 °С снег начнет подтаивать и сползать. Это может происходить как в ходе снегопада, так после его окончания. (Рис.12.)

Тв 1-5°

Псн=0...<

Нем

ж

_Я

Ней

Рис. 12. - Схема к определению снеговой нагрузки

Если считать, что физические характеристики снежного покрова не изменяются в ходе снегопада, то величину снеговой нагрузки на наклонные участки остекления с углом наклона к горизонту более 15° можно определить как:

X1 = р ■ н , (44

СИ ' сн сч| ч*/

где рсн- плотность снежного покрова, зависящая от температуры наружного воздуха в ходе снегопада (см. табл. 3);

НСИ1 - предельная толщина снежного покрова, способная скопиться на стеклянной кровле не подтаивая.

Таблица 3

Зависимость плотности и теплопроводности свежевыпавшего снега от температуры наружного воздуха

Температура, °С Плотность, г/см3 Теплопроводность, Вт/(м-К)

Ниже-10 0,075 0,016

От-Ю до -5,1 0,087 0,022

От-5 до-2.1 0,104 0,031

От-2 до 0.1 0,120 0,046

От 0 до+2 0,183 0,095

Выше +2 0,196 0,109

Осевший влажный снег 0.350 0,350

С учетом того, что коэффициент теплопроводности снега напрямую зависит от его плотности, снеговая нагрузка на наклонные участки стеклянного покрытия составит:

Sj=Pc„ Hj =pc„).;R^abs (Т/Ге), (5)

где лс= 2,8510^р„, - коэффициент теплопроводности снега; Roc - сопротивление теплопередаче остекления; рт - плотность снега, зависящая от температуры наружного воздуха; Т„ - температура наружного воздуха в ходе снегопада; Тв — температура воздуха рабочего пространства.

Рассчитаем максимальное количество снега, которое может лежать на наклонных участках светопрозрачного купола покрытия для условий г. Москвы при температуре свежевыпавшего снега выше +2 °С при следующих исходных данных Т„= - 28 °С; 7>20 °С; И^Ж^ КУВт; /^0,196 кг/м3; ).с= 0,11 Вт/(мК);

Hj= 0,11-0,35■ (28/20)=0,053 м = 5,3 см Sj = 0,196-5,3 = 10,5 кг/м2

По данным метеорологической станции ВДНХ (синоптический индекс 27612) максимальное суточное количество осадков в зимнее время для г. Москва составляет //„,/''"=59,8 мм, что при плотности свежевыпавшего снега

/><*= 120 кг/м3 соответствует толщине снежного покрова На?а*=50 см. Из предыдущего расчета видно, что максимальная толщина снежного покрова, составляет 5,3 см. Если считать, что снегопад идет непрерывно в течение 24 часов, то каждые 2,54 часа (5,3/(50/24)) снег будет сползать с поверхности остекления и процесс накопления снега будет повторяться.

На пологих участках светопрозрачных покрытий (см.рис. 12) снег будет оставаться там, пока полностью не оттает. Величина снеговых нагрузок в этом случае может быть определена по формуле:

„ Л ..Л1ЯГ

= Реп ' сн (6)

где Нт™ — максимальное количество снсжиых осадков, рассчитанное по предложенной выше методике, с учетом оттаивания снега в ходе самого снегопада и последующего периода. Предварительно, с учетом натурных наблюдений, можно принять максимальном количество снежных осадков, выпадавших в ходе одного снегопада.

Как показано выше для г. Москва максимальное количество снежных осадков за один снегопад соответствует толщине снега Нснмак=50 см . Снеговая нагрузка при этом равна 5 = 59,8 кг/м2. После окончания снегопада система «состекление-снег» будет постепенно выходить к квазистационарному тепловому режиму. При этом будет происходить постепенное уменьшение толщины снежного покрова и соответственно снеговых нагрузок на покрытие. Необходимо учесть, что пологие участки купола составляют порядка 15% от всей площади купола.

Схожие результаты получены в ходе в работе Дедовского И.В. Натурные наблюдения за непрозрачным покрытием дворца спорта «Юбилейный» в г. Санкт-Петербурге. Сопротивление теплопередаче данного покрытия составляло 1 (м~ К)/Вт, что близко к характеристикам современных стеклопакетов.

Наблюдения показали, что снеговые нагрузки в 3-ей декаде февраля (21.0228.02) составили 57,3 кг/м2 (при средней температуре воздуха -6°С; плотности снежного покрова 269 кг/м3 и его толщине в 32,8 см).

Теоретические и экспериментальные исследования позволили дать следующие рекомендации по проектированию светопрозрачных купольных покрытий по условиям весенне-зимнего периода эксплуатации:

1. Для снижения снеговой нагрузки теплозащитные характеристики стеклопакетов должны быть заданы таким образом, чтобы обеспечить возможность стаивания снега при интенсивных снегопадах, с учетом вышеизложенных соображений. Завышение сопротивления теплопередаче стеклопакетов приводит к повышению снеговых нагрузок, и при толщине снегового покрова на остеклении более 5 см, в здании значительно снижается

светопропускание покрытия и требует устройства дополнительного освещения;

2. В районах обильного выпадения снега свегопрозрачные покрытия предпочтительно Делать крутые, где значительная часть кровли будет иметь уклон более 15°. На пологих куполах и сводах (с уклоном менее 15° к горизонту) снег остается длительное время. При таком конструктивном решении светопрозрачного покрытия целесообразно применять дополнительные мероприятия по механической очистке от снега или кратковременное повышение температуры стеклопакета за счет электроподогрева или повышения температуры внутреннего воздуха для оттаивания снега.

3. Рекомендуемые характеристики кровельного остекления (из условия обеспечения светопрозрачности в весенне-зимний период)

Таблица 4

Рекомендуемые характеристики кровельного остекления (из условия обеспечения светопрозрачностн в весенне-зимний период)

Температура наружного воздуха при снегопаде Сопротивление теплопередаче остекления, м~ -К/Вт

-5-10 °С 0,35-0,50

-5иС и выше 0,50-0,70

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ опыта эксплуатации светопрозрачных покрытий атриумных зданий в климатических условиях России показал, что на большинстве светопрозрачных покрытий в зимнее время происходит временное накопление снеговых отложений, изморози или ледяной корки, которое приводит к частичной потере их светопрозрачности. Наиболее популярные на сегодняшний день методы борьбы со снеговыми отложениями на светопрозрачных покрытиях зданий (использование электрообогреваемых стеклопакетов и механическое удаление) являются не всегда эффективными и экономически оправданными.

2. Анализ существующих исследований процесса формирования снеговых отложений на покрытиях отапливаемых зданий показал, что разработанные методики расчета снеговых отложений в случае со светопрозрачными покрытиями могут быть использованы лишь для получения оценочных результатов, т.к. не учитывают нестационарный ход процесса таяния снега, а также изменение толщины снежного покрова в результате растаивания.

3. Путем натурных наблюдений и экспериментов определен характер распределения снеговых отложений на светопрозрачных купольных покрытиях отапливаемых зданий. На поверхности светопрозрачных куполов необходимо различать несколько зон с различным снеговым режимом:

• В зоне 1 - на пологих участках купола с углом наклона остекления менее 15° - снег, скопившийся после снегопада, остается лежать длительное время, вплоть до следующего снегопада;

• В зоне 2 — на крутых участках купола с углом наклона остекления более 15° - накопления снега носит циклический характер. Продолжительность нахождения снега зависит от сопротивления теплопередаче стеклопакетов и температуры наружного воздуха;

• В зоне 3 - нижней части купола - будет происходить скапливание снега, скатывающегося с высоких участков.

4. Путем натурных экспериментов получена зависимость светопропускающей способности снежного покрова от его толщины, что позволяет определять светотехнические характеристики светопрозрачных покрытий. Установлено, что в случае нахождения на поверхности стеклопакета снега толщиной в 0,5 см пропускание видимого света составляет ?„ = 0,6. При толщине снежного покрова в 5 см пропускание видимого света системой «стеклопакет-снег» составляет = 0,4. Полной потери светопропускания покрытий не будет происходить даже при самых сильных снегопадах за счет диффузного пропускания снегом видимого света.

5. Разработана методика расчетов толщины снежного покрова и периода времени нахождения его на различных участках светопрозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий на основе численных расчетов нестационарного теплообмена с учетом теплоты фазовых и переменной толщины снежного покрова. С помощью данной методики определена продолжительность нахождения снежного покрова при различных температурах наружного воздуха и конструкциях стеклопакетов, а также предельная толщина снежного покрова, которая способна скопиться на различных участках светопрозрачных купольных покрытий. Полученные данные можно использовать при расчете теплового режима светопрозрачных покрытий, естественного освещения зданий со светопрозрачными покрытиями и при назначении снеговых нагрузок на подобные конструкции.

6. Величина и продолжительность нахождения снеговых отложений на наклонных участках светопрозрачных покрытий рассчитывается по предложенной выше методике с учетом оттаивания снега в ходе снегопада и последующего периода. Предварительно, максимальное количество снежных осадков, можно принять с учетом натурных наблюдений.

7. Величина снеговых отложений на пологих участках свегопрозрачных покрытий, где уклон менее 15° и будет наблюдаться длительный характер накопления снега, соответствует массе снежного покрова, выпадающего в ходе максимально интенсивного снегопада для рассматриваемого региона строительства.

8. Предложены рекомендации по проектированию свегопрозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий исходя из обеспечения ими круглогодичного естественного освещения подкровельного пространства. Для снижения накопления снеговых отложений теплозащитные характеристики кровельных стеклопакетов должны быть заданы таким образом, чтобы обеспечить возможность стаивания снега при интенсивных снегопадах. В районах обильного выпадения снега свегопрозрачные покрытия предпочтительно делать крутые, где значительная часть кровли будет иметь уклон более 15°.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Процесс накопления снега на эксплуатируемых стеклянных куполах. -Журнал «Жилищное строительство», 11/2010 - М.: «Стройматериалы», 2010. - стр. 38-40.

2. Снежный покров на стеклянных купольных покрытиях отапливаемых зданий (на примере г. Москва). - "Вестник МГСУ", 1/2011 т.1 - М.: МГСУ, 2011.-стр. 120-126.

3. Снег на свегопрозрачных кровлях отапливаемых зданий. - "Вестник МГСУ", 4/2012 - М.: МГСУ, 2012. - стр. 51-55.

Работы, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

4. Снеговые нагрузки на свегопрозрачные кровли. В сборнике докладов тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. - М: МГСУ АСВ, 2010.-стр. 121-124.

5. Влияние снеговых отложений на естественное освещение отапливаемых зданий со свегопрозрачными кровлями. В сборнике докладов международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М: МГСУ АСВ, 2011. стр. 212-215.

6. Особенности эксплуатации стеклянных кровель атриумных зданий. В сборнике докладов II всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» У.М.Н.И.К. 2011. - М: МГСУ АСВ, 2011. - стр. 109-113.

Подписано в печать 15.11.2013 г.

Усл.п.л. — 1 Заказ №17261 Тираж: 100 экз

Когащентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

На правам рукописи

04201451719

Константинов Александр Петрович

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СНЕГОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КУПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., с.н.с. Плотников A.A.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 4

ГЛАВА 1. Анализ конструктивных решений светопрозрачных покрытий и их эксплуатации в зимнее время................................................... 8

1.1. Конструктивные решения светопрозрачных покрытий........................8

1.2. Проблемы эксплуатации светопрозрачных покрытий в зимнее время 18

1.3. Анализ существующих исследований процессов накопления и стаивания снеговых отложений па покрытиях отапливаемых зданий....... 21

1.4. Формирование и учет снеговых нагрузок на светопрозрачные

покрытия.................................................................................. 25

Выводы по главе 1...................................................................... 32

Глава 2

Экспериментальные исследования характера накопления снеговых отложений на светопрозрачных покрытиях отапливаемых зданий.... 33

2.1. Натурные наблюдения светопрозрачного купола административного здания МИД РФ (г. Москва)......................................................... 34

2.2. Натурные эксперименты по исследованию кровельного остекления, покрытого снегом....................................................................... 44

2.2.1. Исследование процесса накопления и стаивания снеговых отложений с поверхности кровельного остекления....................... 44

2.2.2. Исследования светопропускания системы «стеклопакет-снег» 58

2.3. Исследования теплозащитных характеристик кровельного остекления (термического сопротивления воздушной прослойки) при

изменении угла наклона к горизонту............................................. 64

Выводы по главе 2 ..................................................................... 68

Глава 3

Разработка методики расчета снеговых отложений, скапливающихся на свегопрозрачных покрытиях.......................... 70

3.1. Снег и его свойства............................................................... 70

3.2. Методика расчета снеговых отложений, скапливающихся на светопрозрачных покрытиях......................................................... 73

3.2.1. Методика расчета снеговых отложений, скапливающихся на наклонных участках кровельного остекления. Численные эксперименты...................................................................... 76

3.2.2. Методика расчет снеговых отложений, скапливающихся на горизонтальных участках кровельного остекления. Численные эксперименты...................................................................... 86

3.2 Сравнение данных натурных и численных экспериментов............... 98

Выводы по 3 главе...................................................................... 104

ГЛАВА 4

Рекомендации по проектированию светопрозрачных купольных покрытий исходя из зимних условий эксплуатации........................ 105

4.1. Оценка величины снеговой нагрузки на светопрозрачные купольные покрытия отапливаемых зданий на основе методики расчета снеговых отложений (для условий г. Москвы)................................................ 105

4.2. Рекомендации по проектированию светопрозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий из условия обеспечения естественного освещения в зимнее время............................................................ 111

Общие выводы и результаты работы.......................................... 114

Список использованной литературы............................................ 117

Введение

Актуальность работы. В настоящее время в России, большинство территорий которой характеризуется долгой и продолжительной зимой, возведено и эксплуатируется достаточно большое количество общественных зданий с большепролетными светопрозрачными покрытиями атриума. Основное функциональное назначение таких конструкций - круглогодичная защита от погодных воздействий внутреннего пространства атриума и обеспечение естественного освещения примыкающих к нему помещений.

Результаты наблюдений показывают эффект снижения естественной освещенности в зимнее время за счет скопления снега на покрытии. Удаление снега при эксплуатации таких конструкций связано с разработкой дорогостоящих конструктивных решений (ходовых мостиков), использования технической оснастки и служб промышленного альпинизма, выделения дополнительных мощностей энергии для стеклопакетов с электрообогревом

Кроме того, в действующих нормативных документах и методах расчетов, используемых в практическом проектировании светопрозрачных покрытий атриумных зданий, не существует однозначной ясности по поводу оценки расчетных величин снеговых нагрузок. В большинстве большепролетных светопрозрачных покрытий, возведенных в настоящее время в нашей с фане, можно 01 метить значительный перерасход материала в несущих конструкциях Таким образом, теряется зрительная легкость и архитектурная эстетика, изначально предполагаемая в подобных сооружениях

Решение указанных задач может быть найдено в результате комплексного исследования влияния снегового покрова на технические и функциональные характеристики свегопрозрачных покрытий. До настоящего времени подобных системных исследований в нашей стране не проводилось.

Цель работы - разработка методики расчета снеговых отложений и периода их воздействия на светопрозрачные покрытия отапливаемых зданий атриумного типа для оценки естественного освещения и теплового режима рабочего пространства.

При выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:

• Провести натурные наблюдения на здании атриумного типа для изучения характера накопления и продолжительности нахождения снеговых отложений на различных участках кровельного остекления;

• Провести натурные эксперименты процессов накопления и стаивания снеговых отложений на поверхности кровельного остекления; определить светопропускающую способность снежного покрова;

• Выполнить теоретические исследования процесса накопления и оттаивания снеговых отложений с поверхности остекления путем математического моделирования;

• Обобщить результаты натурных и теоретических исследований и разработать рекомендации по рациональному проектированию конструкций светопрозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий и их технической эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Путем натурных наблюдений и исследований изучен режим формирования снеговых отложений на светопрозрачных купольных покрытиях отапливаемых зданий;

• Определена характерная схема распределения снеговых отложений по поверхности купольного покрытия в условиях снегопада и после его окончания с учетом максимальной толщины снега в различных зонах;

• Предложена физическая модель процесса накопления, оттаивания и удаления снежного покрова с поверхности остекления;

• Разработана методика расчета снеговых отложений и периода времени их нахождения на различных участках светопрозрачных покрытий

отапливаемых зданий на основе численных расчетов нестационарного теплообмена с учетом теплоты фазовых переходов и переменной толщины снежного покрова;

• Определено влияние снежного покрова на снижение пропускания видимого света стеклопакетом.

Практическая значимость работы заключается в использовани рекомендаций по проектированию и эксплуатации светопрозрачных купольных покрытий для г. Москва исходя из зимних условий эксплуатации. Результаты исследований внедрены: • При реконструкции административного здания МИД РФ (г. Москва, Смоленская-Сенная площадь, д.32/34); Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2010 г.;

- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2011 г.;

- НТС кафедры «Архитектура гражданских и промышленных зданий» ФГБОУ ВПО «МГСУ» (2013 г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы из 94 наименований. Работа имеет общий объём в 124 страницы машинописного текста, содержит 10 таблиц, 47 рисунков.

Основные положения диссертационной работы содержатся в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Процесс накопления снега па эксплуатируемых стеклянных куполах. -Журнал «Жилищное строительство», 11/2010 - М.: «Стройматериалы», 2010. -стр. 38-40;

2. Снежный покров на стеклянных купольных покрытиях отапливаемых зданий (на примере г. Москва). - "Вестник МГСУ", 1/2011 т.1 - М.: МГСУ, 2011. - стр. 120-126;

3. Снег на светопрозрачных кровлях отапливаемых зданий. - "Вестник МГСУ", 4/2012-М.: МГСУ, 2012. - стр. 51-55.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

4. Снеговые нагрузки на светопрозрачные кровли. В сборнике докладов тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. - М: МГСУ АСВ, 2010.-стр. 121-124.

5. Влияние снеговых отложений на естественное освещение отапливаемых зданий со светопрозрачными кровлями. В сборнике докладов международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М: МГСУ АСВ, 2011. стр. 212-215.

6. Особенности эксплуатации стеклянных кровель атриумных зданий. В сборнике докладов II всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» У.М.Н.И.К. 2011. - М: МГСУ АСВ, 2011. - стр. 109-113.

ГЛАВА 1.

Анализ конструктивных решений свегопрозрачных покрытий и их эксплуатации в зимнее время

1Л. Конструктивные решения светопрозрачных покрытий

Применение светопрозрачных фасадов и покрытий в архитектуре современных зданий и сооружений с каждым годом приобретает все большую распространенность. Новые идеи в области дизайна и архитектуры, связанные применением стекла, широко распространяются по всей стране и реализуются на объектах, возводимых в различных климатических зонах.

Идея использования стекла в конструкциях большепролетных покрытий относительно молода; в различные периоды развития и становления она сдерживалась как развитием технологий, так и несовершенством методов расчетов.

Первые светопрозрачные покрытия с большой долей светопрозрачного заполнения (стекла) и минимальным количеством непрозрачных частей -появились только в начале XIX века. Их разработчиком был английский инженер Джозеф Пэкстон (1801-1865), предложивший в 1831 году принципиально новые решения «стеклянных» крыш с несущими конструкциями из дерева и металла, позволяющие перекрывать большие пространства. Первыми построенными объектами Пэкстона были оранжереи (1836-1840) и «Дома лилий» (1849-1850) (Рис. 1 А) [90].

В 1851 году для Всемирной Выставки, проходившей в Гайд Парке, Джозеф Пэкстон при участии инженера Чарльза Фокса спроектировал и построил знаменитый выставочный павильон, получивший название «Хрустальный дворец» (Рис. 1Б). Впервые в мировой практике появилось внушительных размеров сооружение из металла и стекла — павильон имел

длину 563 м и ширину 138 м, площадь остекленных поверхностей составляла 84 ООО м2.

В 1882 г. в Австрии, в дворцовом комплексе Шенбрунна была возведена самая большая на тот момент оранжерея в Европе. Сооружение, построенное архитектором Францем Ксавером Зенгеншмидтом, имело длину 110 м и ширину 30 м (Рис. 1В) [82]. Это блестящее сооружение своего времени до сих пор является одной из самых больших оранжерей Европы.

Однако это были единичные, уникальные примеры применения такого количества стекла в архитектуре. Массового внедрения стекла в строительстве еще не наблюдалось.

К середине XIX века, благодаря крупным социальным изменениям, в обществе западных стран, круг запросов людей резко расширился. Возникла потребность в зданиях с большими и просторными залами. Обеспечить требуемую освещенность подобных сооружений только за счет бокового освещения не представлялось возможным. Необходимо было искать новые архитектурные идеи и конструктивные решения.

Это фактически определило начало применения большепролетных светопрозрачных покрытий в архитектуре общественных зданий. Во второй половине XIX века здания со свегопрозрачными покрытиями - торговые пассажи (московский ГУМ), музеи (музей искусств Д'Орсэ), выставочные павильоны (миланская галерея Виктора Эммануила II) (Рис. 2А-Г) -появляются во многих европейских городах.

Уже в то время конструктивные схемы светопрозрачных покрытий были достаточно хорошо продуманы. Несущие конструкции выполнялись из стальных или деревянных элементов; в качестве светопрозрачного заполнения использовалось плоское листовое стекло.

Примечательно, что купола и своды были первой геометрической формой, примененной для свегопрозрачных покрытий. В первых сооружениях XIX века они представлялись наиболее привлекательными для инженеров. Покрытия имели большой уклон; это способствовало быстрому удалению с их поверхности дождевых осадков и снега. Из-за отсутствия надежных систем герметизации в этот период не возводились малоуклонные кровли.

Расширение использования светопрозрачных покрытий в строительстве, вплоть до начала XX века сдерживало фактическое отсутствие промышленных способов изготовления листового стекла. Оно было очень дорогим и трудоемким в изготовлении, выпускалось тонким, малогабаритным. Из-за малой прочности было недостаточно безопасным при монтаже и эксплуатации.

Б)

Рис. 1. - Первые реализованные проекты зданий со светопрозрачными покрытиями

A) Большая оранжерея в С/га^'Н'огГ/г, 1840 (уничтожена в 1920), арх. Дж. Пэкстон;

Б) «Хрустальный дворец», 1851 (уничтожен в 1936), арх. Дж. Пэкстон

B) «Пальмовый дом», 1882, арх. Фр. Кс. Зенгеншминдт

В) Г)

Рис. 2. — Здания со светопрозрачными покрытиями, возведенные во второй половине XIX века

А) Торговый пассаж ГУМ в Москве, 1896, арх. Померанцев А. М., инж. Шухов В. Г. Б) Музей искусств Д'Орсэ. В) Миланская галерея Виктора Эммануила II, 1867, арх. Д. Менгони. Г) Дом собраний в Гизе, 1860

Только в 1905 году, благодаря изобретению метода вытягивания, появилась возможность массового производства относительно качественного недорогого листового стекла [29]. Архитекторы и строительные инженеры получили дополнительные возможности использования этого материала в покрытиях.

Однако из-за I мировой войны, экономической депрессии 30-х годов и последующей II мировой войны реализация таких проектов на время прекратилась [56].

После II мировой войны началось активное внедрение светопрозрачных покрытий в архитектуру общественных зданий различного назначения. Наибольшую известность получили здания С. Гугенхайма в Нью-Йорке (Рис. ЗА) и фонда Форда «Дир Уэст» (Рис. ЗБ). За счет «стеклянных» покрытий архитекторы создавали огромные освещенные естественным светом пространства, защищенные от негативных воздействий окружающей среды. Эти пространства служили местами сбора людей, их общения.

Пик популярности атриумных зданий с внутренним пространством под светопрозрачным куполом пришелся на период нефтяного кризиса. Идея «крытого двора», хорошо известная в холодных регионах России, и реализованная в Европе и Америке на уровне престижных общественных зданий, позволила сэкономить значительные ресурсы на отоплении. Большепролетные свегопрозрачные покрытия давали возможность обеспечить эффективное освещение как непосредственно пространства атриума, так и примыкающих к нему помещений.

Законодателем моды на атриумы стал американский архитектор Дж. Портмен, который в 1970-х гг. запроектировал целый ряд небоскребов в Атланте с большими атриумами (Рис. 4А). Всего же в этот период было возведено несколько сотен атриумных зданий. Из всемирно известных атриумов того времени можно выделить Итон-центр в Торонто (Рис. 4Б) и административный корпус Ллойда в Лондоне (Рис. 4В).

Во второй половине XX века, наряду со стеклом, в конструкции относительно небольших фонарей верхнего естественного освещения, в качестве светопрозрачного заполнения начали применяться полимерные материалы - органическое стекло, поликарбонат и др. В силу ряда причин, включая высокую пожароопасность, это техническое решение не нашло применения в покрытиях ответственных сооружений.

А) Б)

Рис. 3. - Атриумные здания со светопрозрачными покрытиями 50-60 гг. XX века. А) Атриум музея Гугенхайма, 1959. Б) Здание фонда Форда «Дир Уэст»,