автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Наружные ненесущие стены из ячеистого бетона плотностью D400-D600 в виде блоков для многоэтажных монолитных зданий

На правах рукописи

ЛИТВИНЕНКО ДАНИЛ ВАЛЕНТИНОВИЧ

НАРУЖНЫЕ НЕНЕСУЩИЕ СТЕНЫ ИЗ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА ПЛОТНОСТЬЮ 0400 - БбОО В ВИДЕ БЛОКОВ ДЛЯ МНОГОЭТАЖНЫХ МОНОЛИТНЫХ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук

Научный руководитель - д.т.н. A.C. Семченков

Официальные оппоненты - д.т.н., проф. Е.А. Чистяков

- д.т.н., проф. В.Г. Гагарин Ведущая организация - ЦНИИЭПжилища

Защита диссертации состоится « » 2005г. в часов на заседании

диссертационного совета X» Д 303.006.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона филиале ФГУП «НИЦ «Строительство» по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул.. д.6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Л.Н. Зикеев

__ 1163480

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последнее десятилетие все более широко применяются энергоэффективные многоэтажные здания из монолитного железобетона с ненесущими наружными стенами, являющимися заполнением каркаса. В связи с введением новых норм по теплозащите зданий возведение однослойных наружных стен из кирпича и керамзитобетона - традиционных материалов, стало нецелесообразным. Поэтому сегодня широкое применение получили легкие ограждающие конструкции с эффективным пороволокнистым утеплителем, наружным облицовочным слоем из кирпича и внутренним слоем из различных материалов в виде блоков. По сравнению с однослойными наружными стенами такие конструкции обладают значительно более высокой стоимостью, трудоемкостью и недостаточной долговечностью. В связи с этим одним из основных актуальных направлений энерго- и ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве является повышение потребительских свойств наружных стен при снижении затрат ка их возведение. По технико-экономическим показателям ячеистый бетон является наиболее эффективным материалом для однослойных ненесущих стен. В последнее время построено более 10 крупных заводов, оснащенных современными импортными технологическими линиями, выпускающих стеновые блоки первой категории качества из ячеистого бетона плотностью 0400-0600. Применение ячеистобетонных блоков в наружных однослойных стенах позволяет достигнуть современных повышенных требований по теплозащите зданий и значительно снизить толщину ограждения. Поэтому исследование и обоснование конструкций наружных стен для многоэтажных монолитных зданий из этих ячеистобетонных блоков является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является:

Исследование наружных ненесущих стен из ячеистобетонных блоков при неравномерных вертикальных деформациях смешанной конструктивной системы многоэтажных зданий и температурно-влажностных и силовых воздействиях.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать теплотехническую однородность ограждения из ячеистобетонных блоков при различных теплопроводных включениях;

- разработать и исследовать конструкции перемычек для стен с повышенной теплотехнической однородностью при минимальном расходе защищенной от коррозии арматуры;

- исследовать влияние вертикальных и ветровых воздействий при монтаже и эксплуатации на наружные ненесущие стены многоэтажных монолитных зданий;

РОС. НАЦИО«АЛЬп \я БИБЛИОТЕКА. С.1

09 ... .......

КЬ«11ИиТЕКА

разработать методику для оценки технико-экономической эффективности наружных ограждающих конструкций, учитывающую потребительские требования участников инвестиционного процесса строительства и эксплуатации здания.

Научную новизну работы составляют: результаты численных исследований влияния толщины швов кладки, внутренних стен и перекрытий на величину теплотехнической однородности наружных стен из ячеисгобетонных блоков;

конструкция, результаты экспериментальных исследований и методика расчета прочности составных перемычек из фасонного кирпича с арматурой уголкового профиля; конструкция и результаты экспериментальных исследований сборных перемычек из ячеисгобетонных блоков с арматурой из проволоки, стержней и асбестоцементной полосы;

методика расчета и результаты численных исследований перекосов этажных ячеек смешанной конструктивной системы с учетом влияния последовательности возведения здания, и толщины деформационных швов стенового заполнения;

функциональная модель и результаты расчета экономической эффективное ги конструкций наружных стен с учетом их потребительских свойств.

Практическая значимость работы заключается в следующем: уточнены значения коэффициентов теплопроводности ячеистого бетона и теплотехнической однородности ограждений из блоков, позволившие более точно рассчитать приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции и определить ее толщину;

для наружных ненесущих стен с повышенной теплотехнической однородностью разработаны, запатентованы и внедрены конструкции и технология изготовления двух типов составных перемычек из фасонного кирпича и ячеисгобетонных блоков при минимальном расходе защищенной от коррозии арматуры;

разработан практический метод расчета перекосов вертикальных ячеек конструктивной системы с учетом порядка монтажа и деформаций несущих конструкций от вертикальных нагрузок и определены толщины деформационных швов в заполнении этажной ячейки, обеспечивающие их безопасную совместную работу с конструктивной системой здания; разработана методика технико-экономического сравнения различных конструкций наружных стен, позволяющая учитывать их потребительские свойства.

Внедрение результатов работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований использованы:

- в разработке рабочей документации, технических условий и технологических карт на устройство составных блочных перемычек - ПСБ и сталекирпичных перемычек - ИСК;

- при проектировании наружных стен жилых 14-19-этажных домов по адресу: г. Москва, ул. Гарибальди, д. 28, корп. 1 и ул. Профсоюзная, д. 58, корп 4 в части замены трехслойных стен из ячеистобетонных блоков толщиной 40см, облицованных снаружи в полкирпича и утепленных минераловатными плитами толщиной 12см, на двухслойное стеновое ограждение с облицовкой в полкирпича из ячеистобетонных блоков толщиной 50 и 40см, изготовленных по технологии фирмы «Хебель».

Экономический эффект от внедрения результатов диссертации и разработок, выполненных на ее основе, при замене трехслойных стен на двухслойные в доме 28 составил 19,6 млн. руб в ценах 2004г. По дому 58 дополнительно увеличена площадь этажей на 480м2, сокращен расход ячеистобетонных блоков на 1000м1, а за счет применения новых перемычек получена экономия стали - 72 тонны.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:

- научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС, Москва, МГСУ, 2001;

- шестой научно-практической конференции (академические чтения) «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», Москва, НИИСФ, 2001;

- 1-ой Всероссийской научно-практической конференции по проблемам бе гона и железобетона «Ресурсо-энергосберегающие проекты и технологии», Москва, НИИЖБ, 2001;

- восьмой научно-практической конференции (академические чтения) «Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики», Москва, НИИСФ, 2003;

- 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития», Москва, НИИЖБ, 2005;

- международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплоснабжения и вентиляции», Москва, МГСУ, 2005.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях.

Объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы (214 наименований). Общий объем диссертации 183 страницы, в том числе 90 рисунков и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассмотрены и проанализированы конструкции и элементы ненесущих наружных стен, являющихся заполнением этажных ячеек каркаса с учетом современных требований по энергосбережению и уменьшению затрат на их возведение. Анализ показал необходимость комплексного исследования наружных стен на температурно-влажяостные и силовые воздействия. В связи с введением в 2000г новых требований к теплозащите зданий и недостаточным объемом выпуска легких, экономичных, экологичных, энергоэффективных, негорючих, долговечных н технологичных (ЛЭЭЭНДТ) материалов широкое применение получили многослойные стены с эффективным утеплителем из жесткой минеральной ваты марки по плотности M100 - Ml 75 и пенополистирола М35 - М50. В работах Ананьева А.И., Дмитриева А Н., Семченкова A.C., Хлевчука В.Р., Бессонова И.В., Румянцевой И.А., Сигачева Н.П., Лобова О.И., Можаевой В.П., Вязовеченко П.А., Монастырева П.В. и др. показано, что гарантийный срок службы даже самых лучших отечественных и зарубежных мягких пороволокнистых эффективных утеплителей не превышает 15-25 лет. Для компенсации потерь тепла, связанных с ухудшением их эксплуатационных свойств, рекомендуется менять их при ремонте или изначально устанавливать большей толщины.

Однослойные конструкции по сравнению с многослойными являются более надежными, технологичными и экономически выгодными. На сегодняшний день разработаны ЛЭЭЭНДТ материалы: полистирольные и ячеистые бетоны, пеностекло, пенокерамика и др, позволяющие проектировать однослойные ненесущие стены отвечающие современным требованиям по теплозащите. Свойства указанных материалов рассмотрены в работах Ананьева А.И., Чиненкова Ю.В., Ярмаковского В.Н., Уховой Т.А., Сахарова Г.П., Стрельбицкого В.П., Воронина В.А., Скорикова Е.П., Муромского К.П. и др. К наиболее перспективным материалам можно отнести блоки первой категории качества из автоклавного ячеистого бетона плотностью D400-D600. В работах Воробьева Х.С., Филиппова Е.В., Мясникова В.Н. и др. отмечено, что современная технология их изготовления особенно требовательна к качеству компонентов. В работах Александровского C.B., Паевого А.Ф. и Качуры Б.А., Михайлова А В., Пуринсона Э., Хетше Г., Брянцевой Н.Ф., Новикова Б.А. и Масленниковой Г.П и др. исследована зависимость прочности и теплопроводности ячеистого бетона от его влажности и предложено принять в качестве критерия качества его сорбционную влажность. Исследования Уховой Т.А., Сахарова Г.П., Муромского К.П., Киселева И.Я., Козлова В.В. показали, что сорбционная влажность изделий из ячеистых бетонов плотностью D400-D600. выпускаемых по новой технологии, меньше нормативных

значений (8-12%) и составляет не более 5,5%. Исследований эффективности применения таких бетонов в наружных ненесущих стенах недостаточно.

Для перекрытия проемов в однослойных и облицованных кирпичом двухслойных стенах из ячеистобетонных блоков применяют перемычки из ячеистого бетона марки D700 под эксплуатационную нагрузку 50-150 кгс/п.м. и металлические перемычки из уголкового профиля №10-12, защищаемого от коррозии покраской или штукатуркой по сетке. Перемычки из фасонного кирпича и стержневой заливаемой раствором арматуры не получили распространения. Согласно исследований Пономарева О.И., Ломовой Л.М., Кручинина H.H., Комова В.М. их длина ограничивается 1-1,25 м, при пролетах 1,25-2,1 м на монтаже необходима установка подпорок Перемычки из ячеистого бетона плотностью D700 снижают теплотехническую однородность наружных ненесущих стен.

В работах Дмитриева A.C., Онищика Л.И., Полякова C.B., Коноводченко В.И., Гусакова В.Н., Поповой Т.А., Кабуловой В.К., Измайлова Ю.В., Эстева Л. и Мели Р., Поповой Е.Р. и Бертеро В.В., Енделе М. и Шейнога И., Симоници М. исследовались прочность и трещиностойкость кладки при перекосе от горизонтальных нагрузок, а также роль заполнения в работе конструктивной системы здания. В зданиях со смешанной конструктивной системой перекосы этажных ячеек от неравномерных вертикальных деформаций несущих конструкций значительно больше, чем в сборных панельных и каркасных зданиях, так как сказывается большая этажность зданий и значительная разница осевых жесткостей колонн и стен. В лицензионных программах заложено одновременное приложение постоянных вертикальных нагрузок на всех этажах В работе Александрова A.B., Карпенко Н.И., Травуша В И., Долотказина Д.Б. отмечается, что в высотных зданиях деформации и усилия от вертикальной нагрузки на сооружение значительно превосходят деформации от ветровой нагрузки, а при учете поэтажного возведения деформации от вертикальной нагрузки качественно и количественно изменяются. Эта проблема требует дополнительного исследования.

Проведенный обзор работ Л.Д. Богуславского, В.Г. Гагарина, Б.А. Семенова, В.Г. Иващенко и др. показал, что на сегодняшний день не существует единого метода оценки эффективности стеновых ограждений. Определение эффективности основывается на сравнении различных показателей, таких как приведенные затраты, период окупаемости капитальных вложений, индекс и внутренняя норма доходности и т.д. Но не один из этих критериев не является достаточным при выборе конструкции и не позволяет обосновать инвестиции, направленные на улучшение качества выпускаемой продукции, так как это обычно ведет к увеличению издержек производства. Принятие решения должно происходить с учетом интересов всех участников инвестиционного процесса. Такая постановка вопроса

относится к классу многокритериальных задач, решаемых с помощью функционально системного анализа, рассмотренного в работах Анохина П.К., Гусакова A.A., Семечкина А.Е.

Выполненный обзор позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе на основании исследований автоклавного ячеистого бетона плотностью D500 и D600 приращение теплопроводности на 1% влажности составило соответственно 0,0051 и 0,0054 Вт/(м°С%), а коэффициенты теплопроводности при эксплуатации в двухслойных и однослойных наружных стенах составят: 0,151 и 0,171 Вт/(м°С) при влажности материала 5% по массе и средней температуре -3°С; 0,146 и 0,165 Вт/(м°С) при влажности материала 4% по массе и средней температуре -5°С. Согласно полученным данным и выполненному обзору ячеистый бетон плотностью D400-D600 для условий эксплуатации «Б» имеет теплопроводность 0,13-0,17 Вт/(м°С), что значительно ниже, чем в нормах.

б)

и

0 980 0 940 0900 0 860

Ё | 0 820 ■ §

D500

О 2 4 6 8 10 12 14 16 Толщина шва раствора, мм

0 780 0 740

ч. ^ 1 ■ : r^v i

1 f^^ vT i"

I-X'i N\ D60

1 l 1 D400 ^i/Ss.

_r , ^ 1 , 4 DS00

- - |

4 6 8 10 12 14 16 Толщина шва клея, мм

Рис.1. Коэффициент теплотехнической однородности кладки из ячеистобетонных блоков марки 0400...1)600: а - на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м3 с теплопроводностью Х«=0,93 Вт/(м0С); б - на клеевой смеси плотностью 1400 кг/м1 с теплопроводностью Х^ - 0,64 Вт/(м°С) Влияние растворных швов на теплотехническую однородность кладки толщиной 500мм из ячеистобетонных блоков размерами 250x500x600мм определялось методом электротепловой аналогии. Результаты исследований приведены на рис.1. Толщина наружного цементно-песчаного штукатурного слоя теплопроводностью 0,93 Вт/(м°С) принималась 5мм, а внутреннего 20мм.

Исследование влияния теплопроводных включений несущих элементов каркаса на теплотехническую однородность однослойной стены из ячеистого бетона осуществлялось на типовом фрагменте наружного ограждения площадью 14,85 м2 при высоте этажа 3,3м и шаге вертикальных несущих элементов 4,5м. Фрагмент состоял из монолитного железобетонного каркаса и его заполнения в виде кладки толщиной 500мм из ячеистобетонных блоков марки

D400 с клеевыми швами Змм. Термическое сопротивление глади стены составило 3,63 мЧУВт. Рассматривались два наиболее часто встречающихся конструктивных решения узлов сопряжения заполнения и несущих конструкций каркаса. Вариант №1 - с устройством термоэкрана, когда несущие конструкции заходят в кладку заполнения, но не выходят на фасад, закрываясь частью кладки заполнения толщиной 150мм. Вариант №2 - с устройством по периметру плит перекрытия термовкладышей длиной 0,6м с интервалом между ними 150мм, которые выходят на фасад, образуя горизонтальные полосы.

При отсутствии термоэкрана и термовкладышей коэффициент теплотехнической однородности ограждения «г» равен 0,64. Замена в варианте №1 толщины термоэкрана 50мм из ячеистого бетона на экран из эффективных утеплителей позволяет увеличить значение коэффициента «г» с 0,81 до 0,88. Дополнительное утепление боковых поверхностей колонн и плит перекрытия экраном толщиной 25мм позволяет увеличить однородность конструкции до 0,9.

Термовкладыш из ячеистого бетона марки D400 шириной 250мм при армировании ребер четырьмя стержнями 08мм позволяет увеличить «г» с 0,64 до 0,82. Увеличение диаметра арматуры в ребрах между термовкладышами до 20мм снижает теплотехническую однородность до 0,74. Замена материала термовкладыша из ячеистого бетона на экструзионный пенополистирол значительно удорожает конструкцию, и увеличивает теплотехническую однородность конструкции с 0,82 до 0,85. Замена в ребрах тяжелого бетона на керамзитобетон при одинаковом армировании увеличивает «г» до 0,87, а при дополнительном увеличении толщины термовкладыша до 500мм - 0,94. Устройство термовкладышей по периметру перекрытия позволяет повысить теплотехническую однородность фрагмента без уменьшения устойчивости стен на опрокидывание.

Уточненные значения коэффициентов теплопроводности ячеистого бетона и теплотехнической однородности ограждений из блоков, позволяют более точно рассчитать приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции и определить ее толщину. Для прогнозирования потери прочности ячеистым бетоном в ограждающей конструкции установлена зависимость влияния влажности на прочность при циклических температурных воздействиях. На основании экспериментальных исследований и их статистической обработки для автоклавного ячеистого бетона марки D500: =(36.0-0.021-то)-Ж-(0000,"+0,(")

где Rw,m - прочность бетона после m циклов температурных воздействий при влажности по массе w%.

Третья глава посвящена выявлению оптимального армирования и механизма разрушения запатентованных составных перемычек ПСБ для наружных ненесущих стен из блоков, изготовленных из ячеистого бетона 0400-1)500, и наружных сталекирпичных перемычек ПСК для двухслойных стен облицованных кирпичом.

Перемычки ПСБ состоят из блоков, склеиваемых раствором из сухой смеси. Данная конструкция перемычек не снижает теплотехническую однородность, так как для стен и перемычек используются блоки из ячеистого бетона одинаковой теплопроводности. Для установки рабочей арматуры на нижней поверхности составных перемычек ПСБ делаются пазы, а для анкеровки проволоки в торцах крайних блоков перемычек ПСБ предусмотрены выемки (рис. 2а). Расход проволочной арматуры в них при длине 0,9-3,6м в 3 раза меньше, чем у аналогичных полистиролбетонных перемычек. Стальная арматура, расположенная в продольных пазах, надежно защищена от коррозии заливаемым мелкозернистым бетоном.

Предварительные испытания на изгиб трех образцов балок длиной 60см с внешним армированием асбестоцементной полосой показали ее недостаточное сцепление с ячеистым бетоном. Для улучшения анкеровки асбестоцементную полосу рекомендовано распологать внутри монолитного бетона, а в составных блочных перемычках полосовую

С целью изучения механизма разрушения перемычек ПСБ были изготовлены и испытаны на изгиб в соответствии с ГОСТ 8829 три перемычки с расчетным пролетом 1,6м: ПСБ-1 с оцинкованной проволочной арматурой; ПСБ-2 со стержневой арматурой; ПСБ-3 с арматурой из асбестоцементной полосы. Перемычки изготавливались из трех ячеисто-бетонных блоков размером 60x20x25см при прочности бетона 2,ЗМПа и средней плотности 417КГ/М3.

Нагружение перемычек ПСБ весом 400Н осуществлялось при помощи балочной распределительной конструкции и платформы. Перемычка ПСБ-1 загружалась двумя сосредоточенными силами в каждой трети пролета, а перемычки ПСБ-2 и ПСБ-3 -четырьмя силами, приложенными равномерно по длине. По результатам испытаний построены диаграммы «нагрузка-перемещение» (рис. 3) с учетом и без учета осадки опор.

арматуру ставить в пазы вертикально (рис. 2в).

а)

б)

Веддя в блоке год аяхср

100^Г 100/'

' У Ч Г

м-

.до/1100 _

303В-1

КЙАЗООо Паз заливаемый МЗБ1

1оо 100

ПаззалмаемыйКСЁ )

Рис. 2. Поперечное сечение исследуемых перемычек ПСБ с проволочной (а), стержневой (б) н асбестоцементной (в) арматурой

Перемещение, мм Рис. 3. Диаграмма деформирования перемычек ПСБ

—X— ПСБ-1 без учета осадки опор Д ПСБ-2 без учета осадки опор —ПСБ-3 без учета осадки опор —Ф— ПСБ-2 с учетом осадки опор —ПСБ-3 с учетом осадки опор

Таблица 1. Сравнение расчетной и опытной несушей способности перемычек ПСБ

£ в- а г 1 а § 1 5 | 1" 5 Я о & а § в ^ ч I Предельное сопротивление арматуры растяжению Я*, Н/ммг Усилие растяжения воспринимаемое арматурой кН « ё 8, х £ ~ ?! Предельный момент М, кН мм Предельная нагрузка на перемычку Р, кН 5 Н 1 ^ и Отношение предельного опытного момента к расчетному 2 в * ^ щ 1 ш Ч 5В Я &М

2 & г 1 у. I8 •г с з с расч. опыт. расч. опыт. я Г> 0и * I ч 111 Iе"

ПСБ-1 42,6 573 24,4 216 5270 2860 19,16 10,40 0,54 11

ПСБ-2 50,3 545 27,4 214 5864 3176 29,32 15,80 260 0,54 12,2

ПСБ-3 768,0 15,3 11,8 202 2384 2305 11,92 11,47 0,97 8,9

Составные блочные перемычки обладают практически 9-кратным запасом по прочности. Перемычки ПСБ-1 и 2 разрушились в результате продергивания арматуры, а ПСБ-3 от хрупкого разрыва арматуры при достижении предельных усилий, что хорошо согласуется с результатами расчета по методу предельных состояний. Трещины в перемычках при расчетной эксплуатационной нагрузке отсутствовали. Перед разрушением перемещение середины перемычки ПСБ-1 было 5,3мм, а прогиб перемычек ПСБ-2 и 3 составил всего 2.6 и 1.3мм, что значительно меньше допустимого эксплуатационного прогиба 8мм. Следовательно, прочность, трещиностойкость и жесткость при изгибе составных перемычек ПСБ, независимо от способа армирования, достаточна для применения в ненесущих стенах.

Хорошая совместная работа ячеистого бетона с асбестоцементной арматурой объясняется большей осевой жесткостью арматуры из АЦ полосы по сравнению со стальной проволочной и стержневой арматурой в 1,91 и 1,37 раза, и меньшими касательными

ФЛ-1

Уголок по ГОСТ 8509 или по ГОСТ85Ю

напряжениями по поверхности арматуры в 4,3 и 10,9 раз. Полосовое асбестоцементное армирование наиболее экономично, обеспечивает коррозионную стойкость и анкеровку без дополнительных мероприятий.

Составные перемычки ПСК изготавливаются из фасонного кирпича ФЛ-1 Голицинского завода (рис. 4). Армирование перемычек осуществляется уголковым профилем из стали С235, защищенным от коррозии слоем мелкозернистого бетона. В данной конструкции расход стали в 2,9-5,7 раз меньше, чем в перемычках из уголка №10, устанавливаемого для удобства монтажа.

Для исследования механизма разрушения перемычек ПСК было изготовлено четыре образца: ПСК-1 длиной 1.8м, весом 284 Н с уголком 1.32x4; ПСК-2, 3 и 4 длиной 2.6м, весом 539Н с уголком 1_50х5 и оцинкованной проволокой 04мм. Прочность мелкозернистого бетона в день испытаний составила: ПСК-1 - 10,5МПа; ПСК-2 - 13,5 МПа; ПСК-3 и 4 -19,3 МПа. К перемычке ПСК-1 нагрузка от платформы с кирпичом прикладывалась в каждой трети пролета - 1.5м, а к ПСК-2, 3 и 4 пролетом 2,44м - равномерно в четырех точках для имитации равномерно распределенной нагрузки.

На рис. 5 и 6 расчетные сплошные линии прогибов отдельных уголков, соответствуют упругой работе до достижения в крайней сжатой зоне ребра нормативного напряжения, пунктирные линии являются условным продолжением диаграмм до Подвеска из проволоки разрушения перемычек. Разрушение пере, „ мычек ПСК-1 и ПСК-2 произошло в зоне Рис. 4. Поперечное сечение перемычек

ПСК из кирпича ФЛ-1 действия максимальных изгибающих

моментов и сопровождалось образованием продольных трещин на участке между крайними силами. Благодаря совместной работе уголка и бетонно-кирпичной обоймы прочность перемычки превысила «упругую» прочность уголка в 3 раза. Поэтому при расчете несущей способности перемычек ПСК методом предельных состояний необходимо учитывать в сжатой зоне совместную работу вертикального ребра уголка с бетоном и кирпичом, а площадь растянутой арматуры принимать равной площади горизонтальной полки уголка.

При росте нагрузки после образования и развития трещин изгибная жесткость составной перемычки приближается к изгибпой жесткости уголкового профиля, применяемого для ее армирования. Поэтому в запас при определении прогиба перемычек можно не учитывать жесткость бетонно-кирпичной обоймы, вводя в формулы расчета прогибов только изгибную жесткость уголка. Прогиб перемычек ПСК-1 и ПСК-2 в

наружных ненесущих стенах при максимальных эксплуатационных нагрузках превышает предельно допустимый соответственно в 1,3 и 3 раза. Начало образования трещин происходит при нагрузке в 2,2 раза ниже максимальной эксплуатационной.

Марка перемычки Расстояние от верха сжатой зоны до уголка &, мм Высота сжатой зоны х, мм Предельные усилия в сжатой зоне, МПа Плечо внутренней пары, мм Предельный внутренний момент М, кН-мм Эксплуатационный момент, кН-мм Предельная нагрузка от платформы Р, кН Эксплуатационная нагрузка, кН Отношение расчетной нагрузки к разрушающей

м,' м„ г, гь расч опыт. расч. опыт.

ПСК-1 8 19 10,34 19,74 24,5 28,5 816 835 388 3,28 3,35 2,07 98%

ПСК-2 10 21 36,42 22,33 32 27 1768 1973 1668 5,80 6,47 5,47 90%

Рис. 5. Диаграмма деформирования перемычки ПСК-1

Ф Перемещение перемычки ПСК-1 —•— Расчетный прогиб 1.32x4 пролетом 1,5м На ПСК-3 и 4 устанавливались два ряда кладки из пустотелого кирпича, причем ПСК-4 перед этим дополнительно подпирали в пролете. Прочность раствора кладки составила при испытании ПСК-3 - 11,7 МПа, а ПСК-4 - 2,5 МПа. Благодаря включению кладки в совместную работу с перемычками жесткость ПСК-3 и 4 возросла в 13,5 раз, а прочность в -2,7 и 2,4 раза. Перед разрушением максимальное раскрытие нормальных трещин в швах между кирпичами по середине пролета не превышало 0,2мм. Разрушение обоих фрагментов произошло на участке от второй силы до опоры в результате среза кирпичной кладки по шву вдоль верха перемычки. Можно рекомендовать производить кладку над перемычкой в два этапа без установки подпорки, укладывая на перемычку в начале только два ряда кирпичей и выдерживая до набора раствора прочности 2,5 МПа.

Рис. 6. Диаграммы деформирования перемычек ПСК-2, ПСК-3 и

ПСК-4

• Расчетный прогиб Ь 50x5 пролетом 2,44м » Перемещение перемычки ПСК-2 А Прогиб перемычки ПСК-3 без учета осадки опор Ппогиб перемычки ПСК-3 с учетом осанки опор

В четвертой главе для выявления максимальных перекосов от действия вертикальных нагрузок рассматривался фрагмент плана по фасаду здания, где у несущей стены располагаемой в торце здания наибольшая осевая жесткость и малая грузовая площадь, а у ближайшей колонны осевая жесткость минимальна и грузовая площадь максимальна (рис.7). Изучение перекосов этажных ячеек высотой Ь=3м производилось по двум идеализированным расчетным схемам (рис.8). В схеме 1 принято шарнирное крепление ригелей к стойкам рамы, а в схеме 2 - жесткое. В схеме 1 на перекосы влияют только осевые жесткости колонн, а в схеме 2 также изгибные жесткости колонн и ригелей.

Приняты следующие размеры грузовых площадей (рис.8), обеспечивающие минимальную нагрузку на стену и максимальную на колонну: ширина грузовой полосы ¿>=3.9м, шаг между вертикальными несущими элементами 1] и изменялся за счет смещения колонны от 3 до 9м при 11+12=12м. Усилие, передаваемое с одного этажа на колонну, составляет 277,5 кН, а усилие, передаваемое на стену равно 146,1 кН при 1] = Зм, 212,7 кН при 11 = 6м и 279,3 кН при 1) = 9м.

Всю вертикальную нагрузку (100%) с этажа на стойку можно принять равной Р=Р1+Р2+Рз, где Р) - нагрузка от собственного веса несущих конструкций (50%); Рг -постоянная нагрузка от наружных ограждающих конструкций (30%); Рз - нагрузка от полов, перегородок и временная (20%).

Рис. 7. Выделение заменяющей рамы вдоль фасада здания: 1 - стены; 2 - колонны;

3 - диафрагма; 4 - пилон

N Р 14:

N. N2 ш

* ! * !(

N. № т 3

2

■С 1

Рис. 8. Расчетные схемы: а) с шарнирным соединением ригеля и стойки; б) с жестким соединением ригеля и стойки

Сечение стены принято постоянным 0,2x3,9м с осевой жесткостью при длительном

действии нагрузки -11165МН Минимальная осевая жесткость колоны многоэтажного здания

при длительном действии нагрузки с учетом этажности изменяется от 847 до 8470 МН

Изгибная жесткость условного ригеля определяется как в методе заменяющих рам и при

длительном действии нагрузки изменяется от Д,ш = 22,ЗМН-м2 при плите перекрытия

толщиной 0,2м до Дпах = 109.7МН-М2 при устройстве контурной балки, выступающей за

нижнюю поверхность плиты перекрытия сечением 0.4x0.4м

Предложена методика ручйого расчета деформаций стоек в рамах по схеме 1,

позволяющая учитывать порядок приложения, различные сочетания и длительность действия

нагрузки при монтаже. Выполненные исследования рамы показали, что при увеличении

высоты рамы с 5 до 50 этажей величина максимальных перекосов возрастает в 5,5раз, а

изменение жесткости колонны по высоте рамы вызывает их дополнительное увеличение еще

в 2,2 раза. Учет различных сочетаний нагрузок, порядка и длительности их приложения во

времени показал, что наиболее выгодно возводить наружные и внутренние ограждающие

конструкции одновременно после окончания возведения несущих конструкций каркаса, а

наихудшее сочетание при монтаже ограждающих конструкций параллельно с возведением

несущих конструкций, после чего начинается устройство полов и перегородок. Величина максимальных перекосов в зависимости от принятого сочетания приложения нагрузки с учетом продолжительности их действия уменьшается в 1,32 - 1,67 раза по сравнению с расчетом при одновременном приложении всей нагрузки.

Максимальные перекосы при одновременном приложении нагрузок находятся на верхних этажах, а при последовательном приложении нагрузки на средних этажах и по величине в 2-2,7 раза меньше (рис. 9). Реальная картина распределения перекосов по высоте рамы с учетом порядка приложения и длительности действия нагрузки при монтаже занимает промежуточное положение с максимальными перекосами на 0,7-0,9 высоты рамы.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Перекосы этажных ячеек, У* 103 м/м Рис. 9. Распределение перекосов этажных ячеек по высоте 40 этажной рамы в зависимости от порядка приложения нагрузки и осевой жесткости стоек —Одновременное нагружение рамы при постоянной макс, осевой жесткости стоек —•—Одновременное нагружение рамы при уменьшении осевой жесткости стоек по высоте —А— Последовательное нагружение рамы при постоянной макс, осевой жесткости стоек 9 Последовательное нагружение рамы при уменьшении осевой жесткости стоек по высоте

Разработан инженерный метод расчета перекосов этажных ячеек рам по схеме 2 от вертикальной нагрузки, прикладываемой одновременно и с учетом порядка монтажа. Независимо от эгажности рам величина максимальных перекосов ячеек практически не меняется при увеличении изгибной жесткости колонны более 100-120 МН*м2 и изгибной жесткости ригеля более 50 МН*м2 (рис. 10).

Учет длительности приложения нагрузки в наихудшем ее сочетании при монтаже снижает величину максимальных перекосов в 1,25-1,4 раза по сравнению со значениями, полученными при одновременном приложении вертикальной нагрузки. При проектировании зданий со смешанной конструктивной системой необходимо проверять величину перекоса этажных ячеек от действия вертикальных нагрузок, так как они могут превышать максимальные нормативные значения (рис.11).

10 20 30 40 50 60 70 , 80 Изгибная жесткость ригеля, МН'м

Рис. 10. Влияние изгибной жесткости ригеля на перекосы этажных ячеек рамы

- одновременное нагружение 20 этажной рамы —последовательное нафуженне 20 этажной рамы

- одновременное нагружение 40 этажной рамы —•— последовательное нагружение 40 этажной рамы

0 0 5 1 1 5 2 2 5 3., ЦЧ3.5 4 4 5 5 Перенаем этажных ячеек, У*10 м/м

Рис. 11. Перекосы этажных ячеек рамы с учетом длительности действия прилкладываемых нагрузок ■ сочетании их при монтаже

• Изгибная жесткость Зм ригеля 0-22 ЗМН*м2 —■—Изгибная жесткость Зм ригеля 0=109 7МНм' —Л— Изгибная жесткость 6м ригеля 0-22 ЗМН*м2 —•—Изгибная жесткость 6м ригеля 0~109 7МН и' Ж Изгибная жесткость 9м ригеля 0=22 ЗМН*м2 111 Изгибная жесткость 9м ригеля 0=109.7МИм1

Учитывая, что предельные значения перекосов заполнения этажных ячеек значительно меньше перекосов каркаса конструктивной системы, необходимо предусматривать деформационные швы. Толщина горизонтального деформационного шва при максимальном нормативном вертикальном перекосе и пролетах ригеля 3, 6 и 9м должна быть соответственно не менее 25,41 и 53мм. Толщину вертикальных швов е„ предлагается определять по формуле:

е. = Д?-Д Г (2)

где горизонтальное смещение перекрытий, вызвавшее перекос этажной ячейки от ветровой нагрузки; А£° - предельная горизонтальная совместная деформация каркаса и заполнения без образования диагональной трещины. Устройство вертикальных швов не требуется, если перекос каркаса не превышает предельно допустимых значений для рассматриваемого заполнения 1/2000.

Учитывая, что для ограждающих конструкций горизонтальные ветровые нагрузки создают опрокидывающий момент значительно больше удерживающего от собственного веса, выполнен расчет крепления ненесущего ограждения при опрокидывании в процессе монтажа и эксплуатации. Расчет по предложенной методике показал, что легкие однослойные и двухслойные стеновые конструкции из ячеистого бетона в процессе монтажа и эксплуатации необходимо раскреплять, а выкладывать облицовочный слой в половину толщины кирпича без основного недопустимо.

В пятой главе предложена функциональная модель ограждающей конструкции, учитывающая требования основных участников инвестиционного проекта. Используя метод функционально-стоимостного анализа, по предложенной модели выполнена сравнительная оценка экономической эффективности трех вариантов наружных стен.

При разработке функциональной схемы учитывались требования, характеризующие суммарную потребительскую стоимость конструкции, предъявляемые всеми участниками инвестиционного проекта. Функции первого уровня (рис.12): 1 - безопасность; 2 - затраты; 3 - архитектурно-физиологические, задают основные требования для проектирования (степень ответственности и коэффициент надежности по ответственности здания, экологические и градостроительные условия участка, категорию качества здания по уровню комфорта, стоимости проекта, продолжительность строительства, срок службы здания, долговечность материалов и т.д.).

Функции первого уровня можно развернуть в двенадцать функций второго уровня (рис.12), которые в полной мере раскрывают и оценивают потребительские свойства конструкции стены. Например, безопасность наружной стены, как функции первого уровня, может быть разложена на следующие функции второго уровня: 1) несущая способность; 2) теплозащита; 3) пожарная безопасность; 4) экологическая безопасность. При рассмотрении функций второго уровня отмечается появление горизонтальных связей Так архитектурно-эстетические качества сильно влияют на технологичность, ремонтопригодность, долговечность, стоимость и в целом на экономичность стены. На схеме эти связи не показаны, но учитываются при разворачивании функций второго уровня в функции третьего и назначении веса на основе экспертной оценки. Решение задачи любого уровня связано с развертыванием ее в функции низшего порядка. При оценке функции необходимо учитывать

три основные исторически сложившиеся направления: экономическое, архитектурно-конструктивное и строительной физики. Рассмотрение одного направления без других невозможно. Выбор материала конструкции стены можно считать завершающей функцией, объединяющей вышележащие деления.

Инвесторы Жильцы- Проектная Строительная Служба Государство

покупатели организация организация эксплуатации

Потребители

потребительские свойства наружных стен

Рис. 12. Функциональная схема наружной стены

Следующим шагом в формировании функциональной модели при определении показателя потребительских свойств конструкции является определение относительной важности (веса) функций. Важность функции определяется из условия, что сумма весов функции низшего уровня, в которые развернута функция высшего уровня, равна единице. Для определения важности функции традиционно используется метод экспертной оценки. При большом количестве требований-функций, по которым рассматривается конструкция, влияние различия их важности не столь значительно и показатель потребительских свойств конструкции можно определить при одинаковой важности всех требований-функций 1/12. Для предложенных двенадцати функций 2-го уровня одинаковой важности значение показателя потребительских свойств П, можно определить по формуле:

где р,2 - коэффициент потребительской стоимости ¡-ой функции второго уровня;

1/12 - значение веса требований-функций второго уровня функциональной модели.

Вариант №1 Вариант №2 Вариант №3

Рис.13. Варианты наружных стен Условные обозначения: 1 - кладка из ячеистых блоков марки по плотности: а - 0400, б - Э600; 2 - плита перекрытия; 3 - термовкладыш; 4 - деформационный шов; 5 - штукатурка; 6 - кирпичная кладка; 7 - мине-раловатный утеплитель из базальтовой ваты плотностью 90 кг/мЗ; 8 - невентилируемый воздушный зазор; 9 - облицовочные панели; 10 - вентилируемый воздушный зазор; 11 - кронштейн; 12 - "Т"-образная направляющая; 13 - кладка из керамзитобетонных блоков СКЦ; 14 -диффузионная пленка; 15 - оцинкованная сетка; 16 - базальтопластиковые связи; 17- стекло-пластиковая сетка; 18 - маропроницаемая штукатурка

Согласно функционально-стоимостному анализу критериальной оценкой технико-экономической эффективности стены является показатель эффективности, определяемый по формуле: Э„=П,/3„ (4)

где 3„ - показатель совокупных затрат для ограждающей конструкции (денежных, трудовых, ресурсных, временных и т.д.).

При проведении сравнительного анализа нескольких конструкций используется одна функциональная модель при одинаковых значениях весов требований-функций. Рассмотрены три варианта ненесущих наружных стен наиболее широко применяемых при возведении многоэтажных зданий, представленных на рис.13. Сравнение вариантов конструкции для жилою 40-этажного здания (высота этажа 3,3м) расположенного в г. Москва со сроком службы не менее 50 лет приведено в таблице 3.

После определения значений потребительских коэффициентов отдельных требований-функций находим по формуле (3) значение показателя потребительских свойств, которые по вариантам составили: 0,95:0,75:0,80. Принимая за единицу показатель совокупных затрат на возведение и эксплуатацию конструкции для варианта с минимальной стоимостью, найдем их соотношение: 1:1,2:1,6.

Таблица 3. Технико-экономические показатели ограждающих конструкций

Показатели ограждающей конструкции Бд. изм. Вариант

№1 №2 Х°3

Толщина стены м. 0,45 0,45 0,45

Вес 1 п.м. стены кг. 788 1138 629

Приведенное расчетное термическое сопротивление м^С/Вт 3,0 2,95 3,0

Сопротивление воздухопроницанию м^-Ч'Па/кг 885 525 504

Требуемые значения сопротивления паропроницанию м -ч-Па/м1 0,227 2,77 -

Сопротивление паропроницанию в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации м2-чПа/мг 1,5 2,78 1,37

Предел огнестойкости, не менее ч. 11 6 6

Топливно-энергетические затраты на матер. 1 п.м. стены кг. УТ 180 290 300

Стоимость материалов 1 п.м. стены руб. 4527 5187 8840

Трудозатраты на возведение 1п.м. стены чел.ч. 13,2 20,6 31,2

Сметная стоимость 1п.м. стены руб. 6632 8584 12761

Потери тепла через 1 п.м. стены за 50 лет кВтч 5960 6060 5960

Затраты на эксплуатацию 1п.м. стены при цене за 1 кВт-ч тепловой энергии - 0,6 руб. руб. 3576 3636 3576

Экономическая эффективность рассматриваемых вариантов по формуле (4) составит:

1:0,63:0,5. Из полученных данных видно, что с потребительской точки зрения наиболее эффективно применять однослойную ограждающую конструкцию из ячеистобетонных блоков.

ВЫВОДЫ

1. Получены значения коэффициентов теплопроводности ячеистых бетонов плотностью 0500-Б600 для стеновых блоков, изготовленных по современным технологиям, >.=0,15-0,17 Вт/(м°С), что ниже нормативных на 25-35%. Уточнены коэффициенты теплотехнической однородности ограждения («г» = 0,64-0,94) при различных теплопроводных включениях и решениях узлов сопряжения заполнения с консгруктивной системой здания (с термоэкраном или термовкладышем).

2. Получена зависимость прочности ячеистого бетона от количества выдержанных циклов замораживания-оттаивания при изменении его влажности от сухого состояния до максимального водонасыщения.

3. Разработаны и запатентованы новые конструкции и технологии изготовления двух видов составных перемычек (из конструкционно-теплоизоляционных ячеистобетонных блоков и из фасонного кирпича) с пониженным более чем в 3 раза расходом стали. Перемычки применены при строительстве жилого многоэтажного здания в г. Москва.

4. Изучены особенности работы составных перемычек ПСБ, армированных проволочной, стержневой и АД арматурой при изгибе, и установлены механизмы разрушения. Полосовое асбестоцементное армирование перемычек наиболее экономично, обеспечивает коррозионную стойкость и анкеровку без дополнительных мероприятий.

Составные блочные перемычки независимо от способа армирования могут быть использованы в наружных ненесущих стенах, так как при максимальной расчетной эксплуатационной нагрузке они обладают 9-кратным запасом прочности и в них отсутствуют трещины, а прогибы перед разрушающей нагрузкой в 3 раза меньше допустимых.

5. По результатам экспериментальных исследований перемычек ПСК выявлено, что несущая способность уголка в составе перемычки возрастает в 3 раза, а после образования и развития трещин изгибная жесткость составной перемычки приближается к изгибной жесткости уголкового профиля. Расчет прочности нормального сечения перемычек ПСК можно выполнять по МНС, где в сжатой зоне работает уголок и кирпично-бетонная обойма, а в растянутой - горизонтальная полка уголка. При расчете прогибов учитывается в запас только изгибная жесткость уголка. Благодаря включению двух слоев кладки в совместную работу с перемычками жесткость ПСК возросла в 13,5 раз, а прочность - в 2,5 раза.

6. Разработана практическая методика расчета перекосов этажных ячеек многоэтажной рамы по деформированной схеме при вертикальных нагрузках с учетом влияния последо-вахельности возведения здания. Установлено, что перекосы имеют максимальное значение на 0,7-0,9 высоты здания, а их величина в 1,25-1,4 раза меньше значений, полученных при одновременном приложении нагрузки Величину максимальных перекосов этажных ячеек от действия вертикальных нагрузок необходимо учитывать при проектировании зданий, так как она может превышать максимальные нормативные значения.

7. Разработана методика расчета толщины деформационных швов между заполнением из ячеистого бетона и несущей конструктивной системой, обеспечивающих их безопасную работу при перекосах этажных ячеек каркаса. Толщина горизонтального деформационного шва при максимальном нормативном вертикальном перекосе и пролетах ригеля 3, 6 и 9м должна быть соответственно не менее 25, 41 и 53мм Устройство вертикальных деформационных швов не требуется, если перекос ячеек не превышает 1/2000.

8. Легкие Однослойные и двухслойные ненесущие стены из ячеистого бетона необходимо дополнительно закреплять при монтаже здания, расположенного даже в первом ветровом районе. Облицовочный слой в половину толщины кирпича выкладывать без основного недопустимо, так как удерживающий момент меньше опрокидывающего до 10 раз.

9. Разработана методика для оценки технико-экономической эффективности наружных ограждающих конструкций, учитывающая потребительские требования участников инвестиционного процесса строительства и эксплуатации здания. Установлено, что

однослойная конструкция из ячеистобетонных блоков эффективнее, чем многослойные наружные стены с минераловатным утеплителем и стены с вентилируемым фасадом.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Семченков.А.С., Литвиненко Д.В Выбор легких, экологичных, экономичных, энергоэффективных, негорючих, долговечных (ЛЭЭЭНД) минеральных материалов для индивидуальных домов с учетом особенностей России. / Сб. докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях» 6-я научно-практическая конференция, Москва, НИИСФ, 2001, - с. 149-161.

2. Семченков.А.С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В., Антонов И.М. Приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен с неоднородными теплопроводными включениями в зоне перекрытий.! Сб. докладов «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях» 6-я научно-практическая конференция, Москва, НИИСФ, 2001, - с. 241-246.

3. Семченков.А.С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В Выбор эффективных конструкционно-теплоизоляционных минеральных материалов требующих минимальных капитальных вложений при внедрении. / Труды Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосберегающие проекты и технологии».- М.. Изд. ЗАО «Информ-Знание», 2001, - с.132-145.

4 Семченков.А.С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В., Антонов И.М. Проектировать надо грамотно: прогрессивные ненесущие стеновые ограждения из строительных материалов на основе легких бетонов. / Технологии строительства №4 (26), 2003, - с. 14-18.

5. Семченков.А С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В., Антонов И.М. Проектирование перспективных стеновых ограждений из минеральных материалов. / Строительный эксперт №12 (151), 2003,-с. 16-17.

6. Семченков.А.С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В.. Антонов И.М. Прогрессивные ненесущие стеновые ограждения из ЛЭЭЭНДТ минеральных материалов / Сб. докладов «Стены и фасады. Ак1уальные проблемы строительной теплофизики» 8-я научно-практическая конференция, Москва, НИИСФ, 2003, - с. 144-152.

7. Семченков.А.С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В., Антонов И.М. Проектирование ЛЭЭЭНДТ стеновых ограждений для условий России. / Строительные материалы №1(589),2004.-с. 31-32.

8. Патенты №2232676, № 2232677 - Бюллетень №20.20 июля - 2003

9. Семченков А.С, Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В. Комплексный подход к проектированию наружных стен. / Научные труды 2-ой Всероссийской (Международной)

конференции по бетону и железобетону «Бе! он и железобетон - пути развития» Том 2 -М.: НИИЖБ, 2005, - с. 213-222. 10. Семченков.А.С., Семечкин А.Е. Литвиненко ДВ Проектирование наружных стен. Комплексный подход. / Строительная Инженерия №¡5,2005,- с.48-55.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 24.11.05 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,5 Печать авторефератов (095) 730-47-74,778-45-60

j

«226345

РНБ Русский фонд

2006z4 29839

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Конструкции и материалы ненесущих наружных стен для многоэтажных зданий.

1.2. Новые энергоэффективные долговечные конструкционно-теплоизоляционные материалы для стен.

1.3. Перемычки наружных стен.

1.4. Работа стенового заполнения этажных ячеек здания с каркасно-стеновой конструктивной системой.

1.5. Теплофизические и механические свойства ячеистого бетона в наружных ограждающих конструкциях.

1.6. Функционально-стоимостной анализ при оценке технико-экономической эффективности конструкции стенового ограждения.

1.7. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АВТОКЛАВНОГО ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА МАРКИ

040(43600 И НАРУЖНЫХ СТЕН ИЗ НЕГО.

2.1. Исследование влияния теплопроводных включений элементов стенового ограждения на приведенное термическое сопротивление однослойной стены из ячеистобетонных блоков марки 0400

2.1.1. Определение теплотехнических характеристик ячеистого бетона марок по плотности 0400-0600.

2.1.2. Определение теплотехнической однородности кладки из ячеистобетонных блоков марок по плотности 0400-0600.

2.1.3. Определение влияния теплопроводных включений несущих элементов каркаса на теплотехническую однородность однослойной стены из ячеистого бетона.

2.2. Экспериментальные исследования влияния влажности на прочность автоклавного конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона при циклических температурных воздействиях.

2.2.1. Методика исследования влияния влаэтюсти ячеистого бетона на его прочность.

2.22. Основные результаты исследования.

2.2.3. Анализ изменения прочностных свойств конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона в процессе эксплуатации.

2.3.Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВНЫХ ПЕРЕМЫЧЕК ИЗ ЯЧЕИСТОБЕТОННЫХ БЛОКОВ

И ФАСОННЫХ КИРПИЧЕЙ НА ИЗГИБ.

3.1. Конструкции перемычек изготавливаемых в построечных условиях.

3.1.1. Конструкция составных блочных перемычек.

3.1.2. Конструкция составных сталекирпичных перемычек.

3.1.3. Изготовление в построечных условиях составных перемычек.

3.2.Экспериментальные исследования прочности сцепления различных растворных смесей с блоками из ячеистого бетона Б400-Б600 и асбестоцементной полосовой арматурой.

3.2.1. Определение сцепления растворных смесей с ячеистым бетоном.

3.2.2. Сцепление асбестоцементной полосы с ячеистым бетоном. 70 3.3.Экспериментальные исследования составных блочных перемычек из ячеистого бетона марки Б400 с различным армированием.

3.3.1. Конструкции опытных образцов и их изготовление.

3.3.2. Методика испытания образцов-перемычек на поперечный изгиб.

3.3.3. Основные результаты испытаний.

3.4.Экспериментальные исследования составных перемычек из уголка и кирпичей.

3.4.1. Конструкции опытных образцов и их изготовление.

3.4.2. Методика испытания образцов-перемычек на поперечный изгиб.

3.4.3. Основные результаты испытаний.

3.5.Методика расчета прочности составных перемычек из ячеисто-бетонных блоков и фасонных кирпичей.

3.5.1. Расчет прочности перемычек изячеистобетонных блоков с различным армированием.

3.5.2. Расчет прочности сборных перемычек из уголка и фасонных кирпичей.

3.6.Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

НАРУЖНЫХ СТЕН ПРИ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

4.1. Обоснование выбора расчетных схем и вертикальных нагрузок при определении перекоса этажных ячеек здания с учетом монтажа.

4.1.1 Выбор упрощенных расчетных схем.

4.1.2 Анализ и определение вертикальных нагрузок.

4.1.3 Исследование жесткостей элементов конструктивной системы.

4.2. Численные исследования максимальных перекосов этажных ячеек по расчетной схеме 1 от вертикальных нагрузок с учетом монтажа.

4.2.1 Методика исследований рамы.

4.2.2 Практический метод расчета рамы.

4.2.2 Основные результаты исследования перекосов этажных ячеек

4.3.Численные исследования максимальных перекосов этажных ячеек по расчетной схеме 2 от вертикальных нагрузок с учетом монтажа.

4.3.1 Методика исследований рамы.

4.3.2 Практический метод расчета рамы.

4.3.2 Основные результаты исследования перекосов этажных ячеек

4.4. Методика расчета прочности и устойчивости на опрокидывание наружных стен.

4.4.1. Обеспечение прочности ненесущего ограждения при перекосе этажных ячеек.

4.4.2. Расчет креплений ненесущего ограждения на опрокидывание в процессе эксплуатации и монтажа.

4.4.3. Расчет ненесущего ограждения от действия ветровой нагрузки.

4.5.Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ НОВЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ТЕПЛОЗАЩИТЕ ЗДАНИЙ.

5.1.Методика оценки экономической эффективности ограждающей конструкции с учетом ее потребительских свойств.

5.2. Анализ конструкций наружных ненесущих стен высотного здания с учетом новых требований к теплозащите здания.

5.2.1. Конструирование наружных стен с учетом тепловой защиты здания.

5.2.2. Проверка устойчивости теплоэффективных конструкций стеновых ограждений на опрокидывание в процессе монтажа и эксплуатации.

5.2.3. Сравнительный анализ затрат на возведение погонного метра конструкций.

5.3.Технико-экономический анализ конструкций наружных ненесущих стен высотного здания с учетом потребительских свойств.

5.4.Выводы по главе 5.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

На ближайшие годы перед строительной индустрией поставлены задачи [21] снижения стоимости строительства на треть, а сроков строительства, эксплуатационных расходов для строительства, отходов и загрязнения окружающей среды и энергоемкости в два раза. В связи с энергетическим кризисом, продолжающимся ростом цен на энергоносители и сокращением их запасов, энергосбережение стало одной из важнейших задач коммунального хозяйства и строительной индустрии жилых и общественных зданий. Глобальное потребление энергии возросло в 30 раз за последние 200 лет и достигло к 2000г 14,0 Гт.у.т/год [117]. В 1992г на бытовые нужды страна израсходовала около 364 млн. т.у.т. тепловой энергии, что составляет примерно 25% годовых энергозатрат страны, из которых на ЖКХ 117 млн. т.у.т. при общей площади эксплуатируемых зданий около 5 млрд. м . Расход тепловой энергии на отопление жилых домов средней полосы России составлял

350-600 кВт*ч/м [87, 62].

В целях стабилизации кризисных явлений в энергообеспечении и учитывая направления развития прогресса в строительстве Правительством РФ с 1994г. были сформированы основы нормативно-правовой базы энергосбережения: «Энергетическая стратегия России» на период до 2010г., федеральный закон «Об энергосбережении» №28-ФЗ, Федеральная целевая программа «Энергосбережение России на 1998-2005гг» от 24.01.1998 №80.

При применении отдельных различных архитектурно-технических мероприятий можно ожидать следующую экономию энергоресурсов за счет: компактности здания - 20%, повышенной нормативной теплозащиты ограждающих конструкций - 15%, совершенствования систем воздухообмена и вентиляции при притоке воздуха - 7-10%, а при вытяжке - 18-20%, электроосвещения - 3-5%, использования нетрадиционных источников тепла от 5-10% (тепло грунта) до 20% (солнце, ветер) [56].

Потенциал структуры энергосбережения в новом строительстве согласно [62] может быть представлен на рис. 1.

Архшект^рно-планиржочные средства энергосбережения

Теплозащита ограждений Инженерные системы

Основной путь снижения энергозатрат в жилищно-гражданском строительстве до 45-55% экономии энергоресурсов на отопление зданий лежит в повышении сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов. Известно, что 1м' теплоизоляционных материалов в среднем экономит 1,4-1,6 т.у.т. в год. Для уменьшения топливно-энергетических затрат при эксплуатации зданий с 1995г были введены новые нормы [88, 162, 163, 165, 170] предполагающие обеспечить поэтапное снижение до 40% [87] уровня энергопотребления на отопление здания по сравнению с периодом до 1995г.

В современных условиях наиболее экономичными и энергоэффективными для массового строительства являются многоэтажные многоквартирные здания, увеличенной ширины. Малоэтажные дома не могут считаться теплоэффективными из-за большой удельной поверхности наружных ограждений по отношению к объему здания. Согласно нормам [88] и исследованиям, проведенным в НИИСФ, по величине компактности и допустимому расходу энергии на отопление наиболее оптимальной этажностью зданий можно считать диапазон в 9-16 этажей [56, 170].

Для многоквартирных домов этажностью 5-9 этажей теплопотери составят через: наружные стены - 36%, окна - 24%, потолок - 5%, пол - 3%, с инфильтрующимся воздухом - 32%. При увеличении высоты здания до 14-17 этажей потери тепла составят через: стены - 36%, окна - 24%, пол первого этажа - 2%, потолок верхнего этажа — 1%, с инфильтрующимся воздухом - 37% [62]. При этом стоимость возведения 1м2 наружных стеновых конструкций в 1,83,7 раза выше стоимости изготовления внутренних несущих стен и перекрытий. Согласно [88] наружные стены 9-16 этажных зданий при различных конструктивных решениях составляют 15,9 - 35,9% от общей величины укрупненных показателей стоимости конструктивных элементов здания, оказывая значительное влияние на сметную стоимость и экономические показатели здания. В связи с этим, одним из основных, актуальных направлений энерго- и ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве является повышение потребительских свойств наружных стен при общем снижении их сметной стоимости.

При строительстве сборных и монолитных многоэтажных зданий в основном применяются навесные ненесущие наружные стеновые ограждения в основном двух типов: в виде панелей и из штучных материалов. В 60-80 годы применяли однослойные стены из кирпича и из легкого бетона на пористом заполнителе, которые были энергоемкими в производстве и малоэффективными как утеплители. Поэтому планировалось многократно увеличить производство изделий из легкого ячеистого бетона, доведя объем к 1990 году до 8-10 млн. м3, а к 1995 году-до 40-45 млн. м3 в год [188].

Актуальность темы. Последнее десятилетие все более широко применяются энергоэффективные многоэтажные здания из монолитного железобетона со смешанной конструктивной системой и ненесущими наружными стенами, являющимися заполнением каркаса. Наружные стены многоэтажных зданий, имея большую площадь, оказывают значительное влияние на общую сметную стоимость здания, так как сметная стоимость их возведения в 1,8-3,7 раза выше сметной стоимости возведения внутренних несущих стен и перекрытий. В связи с этим, одним из основных, актуальных направлений энерго- и ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве является повышение потребительских свойств наружных стен при снижении их сметной стоимости.

В связи с формированием нормативно-правовой базы энерго-сбережения и введением новых норм [88, 162, 163, 165, 170], предполагающих обеспечить поэтапное снижение до 40% [87] уровня энергопотребления на отопление здания по сравнению с периодом до 1995г, возведение однослойных наружных стен из кирпича и керамзитобетона - традиционных материалов, стало нецелесообразным. Сегодня широкое применение получили легкие ограждающие конструкции с эффективным утеплителем из базальтовой ваты, наружным облицовочным слоем из кирпича и внутренним слоем из различных материалов в виде блоков. По сравнению с однослойными наружными стенами такие конструкции обладают высокой стоимостью, трудоемкостью и недостаточной долговечностью. Поэтому исследование и обоснование конструкций наружных стен для многоэтажных зданий из новых легких, экономичных, экологичных, энергоэффективных, негорючих, долговечных, технологичных материалов является актуальной задачей. При этом необходимо учитывать совместную работу наружных стен с монолитной смешанной несущей конструктивной системой здания, которая существенно отличается от таковой в каркасных и панельных зданиях.

Целью диссертационной работы является:

Исследование наружных ненесущих стен из ячеистобетонных блоков при неравномерных вертикальных деформациях смешанной конструктивной системы многоэтажных зданий и температурно-влажностных и силовых воздействиях.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать теплотехническую однородность ограждения из ячеистобетонных блоков при различных теплопроводных включениях;

- разработать и исследовать конструкции перемычек для стен с повышенной теплотехнической однородностью при минимальном расходе защищенной от коррозии арматуры;

- исследовать влияние вертикальных и ветровых воздействий при монтаже и эксплуатации на наружные ненесущие стены многоэтажных монолитных зданий;

- разработать методику для оценки технико-экономической эффективности наружных ограждающих конструкций, учитывающую потребительские требования участников инвестиционного процесса строительства и эксплуатации здания.

Научную новизну работы составляют:

- результаты численных исследований влияния толщины швов кладки, внутренних стен и перекрытий на величину теплотехнической однородности наружных стен из ячеистобетонных блоков;

- конструкция, результаты экспериментальных исследований и методика расчета прочности составных перемычек из фасонного кирпича с арматурой уголкового профиля;

- конструкция и результаты экспериментальных исследований сборных перемычек из ячеистобетонных блоков с арматурой из проволоки, стержней и асбестоцементной полосы;

- методика расчета и результаты численных исследований перекосов этажных ячеек смешанной конструктивной системы с учетом влияния последовательности возведения здания, и толщины деформационных швов стенового заполнения;

- функциональная модель и результаты расчета экономической эффективности конструкций наружных стен с учетом их потребительских свойств.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- уточнены значения коэффициентов теплопроводности ячеистого бетона и теплотехнической однородности ограждений из блоков, позволившие более точно рассчитать приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции и определить ее толщину;

- для наружных ненесущих стен с повышенной теплотехнической однородностью разработаны, запатентованы и внедрены конструкции и технология изготовления двух типов составных перемычек из фасонного кирпича и ячеистобетонных блоков при минимальном расходе защищенной от коррозии арматуры;

- разработан практический метод расчета перекосов вертикальных ячеек конструктивной системы с учетом порядка монтажа и деформаций несущих конструкций от вертикальных нагрузок и определены толщины деформационных швов в заполнении этажной ячейки, обеспечивающие их безопасную совместную работу с конструктивной системой здания;

- разработана методика технико-экономического сравнения различных конструкций наружных стен, позволяющая учитывать их потребительские свойства.

Апробация работы. Основные результаты доложены на:

- научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС, Москва, МГСУ, 2001;

- шестой научно-практической конференции (академические чтения)

Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», Москва, НИИСФ, 2001;

- 1-ой Всероссийской научно-практической конференции по проблемам бетона и железобетона «Ресурсо-энергосберегающие проекты и технологии», Москва, НИИЖБ, 2001;

- восьмой научно-практической конференции (академические чтения) «Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики», Москва, НИИСФ, 2003;

- 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития», Москва, НИИЖБ, 2005;

- международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплоснабжения и вентиляции», Москва, МГСУ, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Получены значения коэффициентов теплопроводности ячеистых бетонов плотностью 0500-0600 для стеновых блоков, изготовленных по современным технологиям, А,=0,15-0,17 Вт/(м°С), что ниже нормативных на 25-35%. Уточнены коэффициенты теплотехнической однородности ограждения («г» = 0,64-0,94) при различных теплопроводных включениях и решениях узлов сопряжения заполнения с конструктивной системой здания (с термоэкраном или термовкладышем).

2. Получена зависимость прочности ячеистого бетона от количества выдержанных циклов замораживания-оттаивания при изменении его влажности от сухого состояния до максимального водонасыщения.

3. Разработаны и запатентованы новые конструкции и технологии изготовления двух видов составных перемычек (из конструкционно-теплоизоляционных ячеистобетонных блоков и из фасонного кирпича) с пониженным более чем в 3 раза расходом стали. Перемычки применены при строительстве жилого многоэтажного здания в г. Москва.

4. Изучены особенности работы составных перемычек ПСБ, армированных проволочной, стержневой и АЦ арматурой при изгибе, и установлены механизмы разрушения. Полосовое асбестоцементное армирование перемычек наиболее экономично, обеспечивает коррозионную стойкость и анкеровку без дополнительных мероприятий. Составные блочные перемычки независимо от способа армирования могут быть использованы в наружных ненесущих стенах, так как при максимальной расчетной эксплуатационной нагрузке они обладают 9-кратным запасом прочности и в них отсутствуют трещины, а прогибы перед разрушающей нагрузкой в 3 раза меньше допустимых.

5. По результатам экспериментальных исследований перемычек ПСК выявлено, что несущая способность уголка в составе перемычки возрастает в 3 раза, а после образования и развития трещин изгибная жесткость составной перемычки приближается к изгибной жесткости уголкового профиля. Расчет прочности нормального сечения перемычек ПСК можно выполнять по МПС, где в сжатой зоне работает уголок и кирпично-бетонная обойма, а в растянутой -горизонтальная полка уголка. При расчете прогибов учитывается в запас только изгибная жесткость уголка. Благодаря включению двух слоев кладки в совместную работу с перемычками жесткость ПСК возросла в 13,5 раз, а прочность - в 2,5 раза.

6. Разработана практическая методика расчета перекосов этажных ячеек многоэтажной рамы по деформированной схеме при вертикальных нагрузках с учетом влияния последовательности возведения здания. Установлено, что перекосы имеют максимальное значение на 0,7-0,9 высоты здания, а их величина в 1,25-2 раза меньше значений, полученных при одновременном приложении нагрузки. Величину максимальных перекосов этажных ячеек от действия вертикальных нагрузок необходимо учитывать при проектировании зданий, так как она может превышать максимальные нормативные значения. Разработана методика расчета толщины деформационных швов между заполнением из ячеистого бетона и несущей конструктивной системой, обеспечивающих их безопасную работу при перекосах этажных ячеек каркаса. Толщина горизонтального деформационного шва при максимальном нормативном вертикальном перекосе и пролетах ригеля 3, 6 и 9м должна быть соответственно не менее 25, 41 и 53мм Устройство вертикальных деформационных швов не требуется, если перекос ячеек не превышает 1/2000. Легкие однослойные и двухслойные ненесущие стены из ячеистого бетона необходимо дополнительно закреплять при монтаже здания, расположенного даже в первом ветровом районе. Облицовочный слой в половину толщины кирпича выкладывать без основного недопустимо, так как удерживающий момент меньше опрокидывающего до 10 раз.

Разработана методика для оценки технико-экономической эффективности наружных ограждающих конструкций, учитывающая потребительские требования участников инвестиционного процесса строительства и эксплуатации здания. Установлено, что однослойная конструкция из ячеистобетонных блоков эффективнее, чем многослойные наружные стены с минераловатным утеплителем и стены с вентилируемым фасадом.

1. Александровский C.B. Метод прогнозирования долговечности наружных ограждающих конструкций // Сб. трудов: «Исследования по строительной теплофизике». М., НИИСФ, 1985, с.81-95.

2. Александровский C.B. Долговечность наружных ограждающих конструкций // Научно-исследовательский институт строительной физики (НИИСФ) Российской Академии Архитектуры и строительных наук (РААСН), Москва, 2004, 332с.

3. Александровский C.B., Ясин Ю.Д., Сильвестров А.Л. Исследование поведения ячеистого бетона при криогенных фазовых превращениях влаги // Сб.трудов: "Теплоизоляция зданий", М., НИИСФ, 1986, c.l 11-115.

4. Александровский C.B., Штанько А.Е., Гузиков М.Н. Новый подход к определению марки по морозостойкости материалов для наружных ограждающих конструкций // Сб. трудов: "Теплоизоляция зданий", М., НИИСФ, 1987, с.122-125.

5. Ананьев A.A., Гояева Т.Н., Ананьев А.И. Долговечность и теплозащитные качества наружных ограждающих конструкций, утепленных пенополистиролом // Сб. докладов: "Актуальные проблемы строительной теплофизики", 7-ая конференция, М., НИИСФ, 2002, с. 124-132.

6. Ананьев А.И. Физико-технические основы создания энергоэкономичных кирпичых стен для жилых зданий // Универсальный справочник застройщика. Теплый дом. М.: ИА NORMA, 2000, - c.l 15-120.

7. Ананьев А.И. , Лобов О.И., Можаев В.П., Вязовеченко П.А. Влияние различных факторов на долговечность конструкций, утепленных пенополистиролом // Жилищное строительство. 2003, №3, с.5-10.

8. Ананьев А.И., Лобов О.И., Можаев В.П., Вязовеченко П.А. Фактическая и прогнозируемая долговечность пенополистирольных плит в наружных ограждающих конструкциях зданий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2003, №10-11, с. 14-17.

9. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем // Избр. тр. Философские аспекты теории функциональной системы. М.: Наука, 1978.

10. Анохин П.К. Теория функциональной системы. Биологические аспекты кибернетики. - М., 1962.1314,15,16