автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Прочностные и теплотехнические характеристики эффективных кирпичных кладок из местных строительных материалов

Гнедина Любовь Юрьевна

УДК 666.96.968

ПРОЧНОСТНЫЕ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ 4 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭФФЕКТИВНЫХ КИРПИЧНЫХ КЛАДОК ИЗ МЕСТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

05.23.01 - Строительные конструкции; здания и сооружения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т.н., профессор Федосов Сергей Викторович

Научный консультант: к. т.н., доцент

Ибрагимов Александр Майорович

Иваново - 1999

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

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

Глава 1. Состояние вопроса.......................................9

1.1. Краткая история развития конструкций облегченных каменных стен..........................................9

1.2. Общая постановка задачи...............................19

Глава 2. Методы определения термического сопротивления стенового ограждения........................\............22

2.1. Исходные предпосылки теоретических исследований.......22

2.2. Определение оптимального местоположения утеплителя в теле многослойной кладки по методике СНиП

11-3-79* *.............................................23

2.3. Теоретические основы теплопередачи через плоскую многослойную стену при неустйшЩвшемся режиме........31

2.3.1. Физико-математическая постаной'4..-задачи' о нестационарной теплопередаче через многослойное ограждение...................................................32

2.3.2. Предлагаемая математическая модель процесса нестационарного теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции.......................................37

Глава 3. Конструктивные и методические разработки..............63

3.1. Конструктивные разработки новых типов кладки..........63

3.2. Методика прочностного расчета предлагаемых типов кладки............................•....................67

3.3. Методика проведения прочностных испытаний кирпича

и кладки.............................................71

3.3.1. Определение прочности кирпича на сжатие......'........71

3.3.2. Определение прочности кирпича на изгиб................74

3.3.3. Методика проведения прочностных испытаний кладки на центральное сжатие....................................76

3.3.4. Методика проведения прочностных испытаний кладки на внецентренное сжатие..................................82

3.4. Методика определения сопротивления теплопередаче многослойных кладок...................................84

3.5. Методика определения сопротивления теплопередаче утеплителей...........................................96

3.5.1. Общие положения.......................................96

3.5.2. Изготовление образцов.................................96

3. 5. 3. Аппаратура и оборудование.............................96

3. 5. 4. Подготовка к испытанию................................97

3.5.5. Проведение испытаний..................................97

3.5.6. Обработка результатов................................101

Глава 4. Разработка нового утеплителя и исследование его характеристик..........................................102

4. 1. Патентный поиск.....................................102

4.2. Создание опытных образцов утеплителя.................103

4.3. Исследования характеристик утеплителя................105

4.4. Перспективы практического применения утеплителя......112

Глава 5. Экспериментальные исследования и разработки..........114

5.1. Определение расхода основных строительных материалов при кладке стен из различных видов кирпича.......114

5.2. Определение прочностных характеристик различных видов кирпичей и кладок из них.........................118

5.2.1. Прочностные испытания кирпича........................118

5.2.2. Прочностные испытания кладки при центральном сжатии..119

5.2.3. Прочностные испытания кладки при внецентренном сжатии..................................................125

Заключение....................................................130

Библиографический список использованной литературы............133

Приложение 1. Блок-схема теплотехнического расчета многослойной ограждающей конструкции.................140

Приложение 2. Экономический анализ разработок.........:.......144

Приложение 3. Материал "ЛИКО". Технические условия (проект)..148

Приложение 4.................................................166

Положительное решение по заявке на изобретение............................................

Заключение пожарной лаборатории по материалу

"ЛИКО".........................................

Акты о внедрении материала "ЛИКО"...............169

Приложение 5. Исходные строительные материалы и применяемое

лабораторное оборудование.......................171

167

168

ВВЕДЕНИЕ

Издревле зодчие, в том числе и русские, не имея надежных методов инженерных расчетов на прочность и теплопроводность естественных и искусственных строительных материалов, строительных конструкций зданий и сооружений, возводимых с их применением, опираясь на опыт предыдущих поколений, беря всеЧяучшее из этого опыта, приобретая свой опыт, а зачастую интуитивно, возводили замки, дворцы, храмы, жилые дома, бани, хозяйственные постройки и т.п.. При этом учитывались назначение постройки, рельеф, рслимат, свойства строительных материалов и даже мода.

Ознакомление с сохранившимися до наших дней искусственными сооружениями прошлых веков очень часто вызывает чувство удивления и восхищения не только пропорциями, архитектурной выразительностью, но и инженерными решениями. Например, многие храмы на Руси отапливались свечами, настолько сбалансированно были выполнены в теплотехническом отношении ограждающие конструкции этих храмов. Однако, развитие общества, увеличение народонаселения обусловили необходимость создания в большом количестве искусственной среды для обитания людей и, как следствие, развитие наук, связанных со строительством. Эти науки получают мощный импульс на рубеже Х1Х-ХХ вв. В 30-х годах XX века впервые в Иваново-Вознесенске осуществлена на практике застройка типовыми жилыми домами по единому генеральному плану первого рабочего поселка. Регулярные метеорологические наблюдения за состоянием погоды, которые выявили ряд закономерностей, проведение лабораторных исследований прочностных характеристик строительного кирпича, синтез синтетических материалов, постановка производства строительных материалов и самого строительного производства на индустриальные рельсы и т.д. обусловили необходимость разработки нормативных документов, таких как ГОСТ, СНиП, ОН, ТУ, регулирующих проектирование и строительство зданий и сооружений. Аккумулируя накопленные знания, эти нормы продолжают совершенствоваться и по сей день, в соответствие с требованиями времени. Минстроем России принят ряд постановлений, направленных на снижение теплопотерь через ограждающие конструкции зданий, в частности, изменения NN 3 и 4 к СНиП П-3-79** "Строительная теплотехника'; в которых утверждены повышенные тре-

бования по обеспечению сопротивления теплопередаче наружных стен зданий. Согласно этим требованиям, приведенное сопротивление теплопередаче кирпичных стен должно возрасти к 2000 году в 3, 5 раза, таким образом, "калибр" сплошной кирпичной кладки должен составить 1,5 м для средней полосы России и около 2, 5 м - для северных районов. Естественно, что сплошная кирпичная кладка толщиной в 6... 10 кирпичей становится абсурдом, поэтому перед проектировщиками остро встал вопрос о необходимости разработки и внедрения в практику строительства многослойных стен из облегченных кладок, содержащих эффективный утеплитель.

Данная работа посвящена дальнейшему изучению и развитию конструкций многослойных кладок, совершенствованию методов их расчета, а также созданию новых эффективных утеплителей, работающих в составе кладки.

Актуальность работы основывается на том, что в настоящее время жизненно важным для России является экономия энергоресурсов, начиная с их добычи и заканчивая использованием. Одним из способов энергосбережения является направление на снижение эксплуатационных затрат при содержании зданий. Результаты, полученные в данной работе, позволяют ответить на ряд важных вопросов проектирования и обеспечивают снижение материалоемкости в ограждающих конструкциях зданий без каких-либо дополнительных затрат.

Работа выполнялась согласно постановлению Главы Администрации г. Иванова Ш773р от 20.11.96 г. в рамках Федеральной программы "Жилище" и включена в тематический план научно-исследовательских работ Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.

Целью работы является создание эффективных, с точки зрения экономических факторов, ограждающих конструкций, отвечающих требованиям изменений N3 и N4 СНиП I1-3-79** "Строительная теплотехника". Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-"привязать" существующие проектные решения по эффективным ограждающим конструкциям к условиям Ивановского региона; -разработать новые решения эффективных многослойных кладок для строительства коттеджей, 5-ти, 9-ти этажных жилых домов;

-получить опытные результаты по прочностным и теплотехническим характеристикам многослойных кладок, изготовленных из местных строительных материалов;

-разработать новый утеплитель из отечественных недефицитных материалов и экспериментально исследовать его свойства; -провести сравнительный экономический анализ различных типов кладок из различных видов кирпичей и различных видов утеплителей; -разработать порядовки наиболее эффективных кладок4; -разработать рекомендации для проектирования и возведения таких кладок;

-разработать методики проведения прочностных и теплотехнических испытаний многослойных кладок;

-разработать математическую модель теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции, а также программу расчета, учитывающую нестационарность процесса теплопереноса в таких конструкциях, показать ее возможности для расчета Еэфф в сравнении с известными методами расчета.

Научная новизна работы заключается в следующем: -с помощью численных и аналитических методов получено решение краевой задачи теплопроводности для трехслойной (п-слойной) ограждающей конструкции, работающей в условиях максимально приближенных к натуре, таким образом решена задача расчета теплопереноса в многослойной ограждающей конструкции;

-разработана методика определения Иэфф для многослойных ограждающих конструкций, работающих в условиях нестационарного теплопереноса;

-разработаны новые виды эффективных в теплотехническом отношении многослойных кладок с использованием местных строительных материалов;

-получен ряд качественных и количественных характеристик при расчете кладок по- прочности и теплопроводности в зависимости от их конструкции, вида используемого кирпича и утеплителя.

На защиту выносятся: -математическая модель теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях;

-методики проведения прочностных и теплотехнических испытаний многослойных кладок;

-результаты теоретических и экспериментальных исследований прочностных и теплотехнических характеристик различных видов кирпичей и многослойных кладок из них в сочетании с различными утеплителями, а также нового утеплителя;

-предложения по расчету к проектированию многослойных кладок;

Практическое значение работы состоит в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований получены новые решения многослойных кладок, создан новый утеплитель, что позволяет добиться существенной экономии строительных материалов при соблюдении требований СНиП П-3-79** и постановления Минстроя России N18-81 от 11.08.95 г.

Результаты исследований использованы при строительстве комбината детского питания в г. Иванове, жилого дома по Педагогическому переулку в г. Иванове, а также могут быть использованы при составлении проектов, дополнений и новых редакций разделов нормативных документов, касающихся прочностных и теплотехнических характеристик ограждающих строительных конструкций.

Благодаря предложенной математической модели и методу расчета многослойных ограждающих конструкций на теплопроводность, у проектировщиков и исследователей появилась возможность отказаться от длительных по времени, достаточно громоздких (в отношении приборного обеспечения) испытаний таких конструкций и аппроксимировать данные нестационарного процесса теплопереноса на состояние конструкции при стационарном процессе.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на: -трех областных научно-технических конференциях, состоявшихся в ИГАСА (1996, 1997,1999 гг. );

-первой научной конференции аспирантов ИГАСА (1997 г.); -четырех технических совещаниях в администрации г. Иванова с приглашением директоров кирпичных заводов, директоров и главных инженеров проектных институтов г. Иванова;

-на заседании архитектурно-строительной секции Ивановского отделения Петровской академии наук и искусств (1999 г.); -опубликованы в трех статьях и информационном листке Ивановского ЦНТИ;

-по результатам исследований подана заявка на изобретение нового утеплителя и получено положительное решение.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения с основными выводами. Она содержит 178 страниц машинописного текста, включая: 18 таблиц и 44 рисунка - в основном тексте, 9 таблиц и 12 рисунков - в приложениях, список литературы из 56 наименований и 5 приложений.

Работа выполнялась в^ Ивановской архитектурно-строительной академии на кафедрах "Строительные конструкции" и "Строительного материаловедения и специальных технологий" под руководством ректора ИГАСА, заслуженного деятеля науки Российской Федерации, лауреата премии Правительства России в области науки и техники, действительного члена Академии инженерных наук и Петровской академии наук и искусств, д.т.н., профессора Федосова Сергея Викторовича.

Автор выражает благодарность первому заместителю главы города Иванова, к.т.н., доценту Салихову И.Ф., директору МУПпоКС г. Иванова Петрову A.n., генеральному директору АО "Ивановский силикатный завод" Толдину В.А., заместителю директора АО "Пелгусо-во-стром" Швецову А.А , начальнику отдела маркетинга АО "Пелгусо-во-стром" Моисеевой И.В., начальнику проектной мастерской проектного института АО "Гражданпроект" Ананьеву Ю.В. за содействие при выполнении исследований, к.т.н., доценту кафедры "Строительные конструкции" ИГАСА Ибрагимову A.M. за консультирование по вопросам теории расчета сооружений и помощь в проведении лабораторных испытаний, директору МП "ЛиКО" Лабутину А.Н. за безвозмездно предоставленные строительные материалы и производственную базу для изготовления образцов нового утеплителя и конструкций с его применением.

Глава 1. Состояние вопроса

1.1. Краткая история развития конструкций облегченных каменных стен

Кладка, как конструкция, известна с древнейших времен. Сохранившиеся сооружения к археологические раскопкМ подтверждают зто. Общедоступность природных и относительно простая технология изготовления искусственных материалов, долговечность и огнестойкость обусловили широкое распространение различных конструкций, в основе которых лежит кладка.

Самыми древними считаются постройки каменного века - дольмены. Позже появилась, так называемая, циклопическая кладка из массивных камней - крепостные стены, гробницы - пирамиды египетских фараонов. В южных странах (в Египте более 6 тыс. лет и Вавилоне более 4 тыс. лет назад) для кладки применяли в начале отформованные блоки из сырцовой глины, а позднее - сырцовый и обожженный кирпич. Природный камень и кирпич-сырец широко использовались в Древнем Риме и Древней Греции, в средние века в Западной Европе. Самой простой являлась бутовая кладка, кладка из тесанных камней (кирпичей) правильной формы требовала значительных трудозатрат, поэтому наряду с полнотелой кладкой появляются облегченные кладки, которые позволяют экономить дорогостоящие материалы(тесанный камень и кирпич), а также уменьшить вес стен.

В Древнем Китае применялись стены типа колодцевых, с внутренней и наружной верстой, которые соединялись между собой поперечными вертикальными стенками (толщина верст и соединительных стенок составляла 0,5 кирпича), таким образом,в стене оставлялись вертикальные пустоты (колодцы), которые оставались незаполненными.

Облегченная кладка в истории России известна с времен Киевской Руси. Стены Дмитриевского собора во Владимире (1193- 1197 гг.) выполнены трехслойными: наружные слои из тесанных камней тяжелого известняка, а внутренний - из туфового легкого известняка неправильной формы.

Принцип использования заполнителя облегченных стен в качестве утеплителя впервые предложил русский инженер А.И.Герард. В

Москве в 1829 г. по его проекту был построен одноэтажный дом, стены которого представляли собой две версты толщиной в 0,5 кирпича, соединенные между собой для увеличения устойчивости металлическими скобами. Пространство между верстами заполняла засыпка. Для устранения последствий осадки засыпки в процессе эксплуатации А.И.Герард предложил производить досыпку утепляющего слоя через отверстия в чердачном перекрытии и съемные подоконные доски.

Принцип А.И.Герарда послужил основой для многочисленных модификаций облегченных стен.

Все модификации, с точки зрения конструктивного решения, можно разделить на две группы:

- к первой группе кладок от�