автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Рациональное проектирование самонесущих стен из каменной кладки с учетом температурного перепада от воздействия солнечной радиации

Введение.

Глава 1. Обзор технических решений современных наружных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий

1.1. Технико-экономические условия.5

1.2. Сложившаяся инженерная практика.7

1.3. Существующие методы расчёта наружных кирпичных стен зданий.14

1.4. Выбор для дальнейшего исследования конструкции стенового ограждения.17

1.5. Постановка задач исследования.

Глава 2. Критерии качества для оценки проектного решения ограждающей конструкции

2.1. Архитектурно-планировочный критерий.26

2.2. Критерий комфортности.28

2.3. Критерий долговечности.31

2.4. Конструктивно-технологический критерий.

2.5. Нормативный критерий.35

2.6. Качественный подход к оценке проектных решений ограждающих конструкций.

2.7. Получение критерия комфортности для многослойного ограждения.38

2.8. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования температурного перепада от воздействия солнечной радиации по толщине однослойной кирпичной стены

3.1. Цели и задачи эксперимента.42

3.2. Методика проведения эксперимента.

3.2.1. Исходные данные.

3.2.2.Используемые приборы и оборудование.

3.2.3. Термокамера.

3.2.4.Проведение измерений.

3.2.5. Обработка экспериментальных данных.56

3.3. Анализ экспериментальных данных.60

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Расчёт самонесущей стены с учётом температурного перепада от воздействия солнечной радиации

4.1. Определение температурного перепада от воздействия солнечной радиации численным методом.65

4.2. Математическая модель и методика расчёта самонесущей кирпичной стены с гибкими связями от совместного действия собственного веса и температурного перепада.74

4.3. Численный анализ напряжённо-деформированного состояния исследуемой модели стены от действия собственного веса и перепада температуры.87

4.4 . Выводы по главе.95

Глава 5. Рациональное проектирование наружных стен жилых и общественных зданий

5.1. Перспективные решения наружных стеновых ограждений.97

5.2. Практическое использование аналитической методики расчета самонесущей кирпичной стены с гибкими связями.107

5.3. Выводы по главе.

Изменение нормативных требований к термическому сопротивлению наружных стен зданий вывели этот вопрос при проектировании зданий на первое место. Нерациональный выбор конструкции стенового ограждения способен привести к увеличению себестоимости 1 м2 полезной площади до 30 %. В то же время рациональный выбор ограждающей конструкции способен не увеличивать стоимость строительства, либо увеличивать на 8-10 %, с учётом уменьшения нагрузки на фундаменты. Анализ наиболее удачных решений, применяемых ведущими строительными организациями, позволил сформулировать три основных принципа, руководствуясь которыми можно получать наиболее рациональные конструкции наружных стен: 1) принцип дифференцирования функций несущих и теплоизолирующих слоев; 2) принцип максимального использования прочностных свойств несущих слоев; 3) принцип экономической целесообразности применения материалов. Достаточно полно этим принципам отвечает стена с наружной самонесущей кирпичной верстой на всю высоту здания, с вентилируемой прослойкой, отделяющей её от внутренней части стены. В этом случае наружная кирпичная верста воспринимает все климатические воздействия - ветер, дождь, солнечную радиацию, а вентилируемая прослойка препятствует влагона-коплению в теплоизоляционных слоях стены.

Заложенные в нормах [1], [2] методы расчёта каменных стен основаны на эмпирических формулах, расчёт конструкций ведётся по недеформируемой схеме. Анализ существующих методик расчёта самонесущих каменных стен с гибкими связями показал, что учёт одновременного действия нескольких силовых факторов (собственный вес, температурный перепад, усадка и т.д.) производится по принципу суперпозиции. Наиболее подробно такая методика приведена в рекомендациях ЦНИИЭПжилища [3], выпущенных в 1990 году. Причём согласно ним связи рекомендуется устанавливать только в уровне междуэтажных перекрытий. Преимущества такого решения очевидны: 1) резко снижаются требования к конструкционным качествам внутренней части стены из-за отсутствия необходимости заанкеривания в них гибких связей; 2) мостики холода неизбежно возникающие в местах прохождения связей, способных снизить термическое сопротивление стен до 20 %, локализуются в уровне перекрытий и решение этой проблемы становится значительно легче. Однако в [3] не верно оценивается влияние дополнительного изгибающего момента от температурного перепада из-за грубости начальных посылок расчёта.

В настоящем исследовании сделана попытка устранить эти неисследованные факторы и уточнить модель деформирования стены под действием силовых и температурных воздействий. Цель диссертационной работы заключалась в разработке новой методики проектирования и расчёта позволяющей выбрать рациональную систему возведения самонесущей стены, подверженной одновременному воздействию собственного веса и температурного перепада, определить требуемые жёсткости связей и шаг их установки.

1. Обзор технических решений современных наружных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий.

5.3. Выводы по главе.

Применение аналитической методики расчёта для кирпичных стен с гибкими связями позволит рационально выбирать их жесткостные характеристики и шаг установки. Установка гибких связей раскрепляющих самонесущие наружные каменные стены только в уровне междуэтажных перекрытий позволит получить значительный экономический эффект, по сравнению с рекомендуемыми сейчас нормами [1] равномерным распределением связей по всей внутренней плоскости стен.

С использованием разработанных во второй главе критериев качества выполнен альбом перспективных решений наружных ограждающих конструкций. В альбом помимо апробированных решений вошли и новые, проектирование которых осуществлялось с использованием разработанных критериев качества для оценки проектных решений. Все представленные в альбоме варианты стеновых ограждений имеют значения критерия комфортности меньше единицы.

С использованием решений представленных в альбоме, запроектированы стеновые конструкции жилых и общественных зданий, строительство которых в г. Новосибирске ведёт ОАО «АТОН», ООО НИПТиПЦ «Сибстройреконструкция».

Заключение.

Получены новые данные о распределении температуры по толщине однослойной кирпичной стены от действия солнечной радиации в условиях переменной облачности.

Уточнены зависимости температуры наружной поверхности ограждения от температуры наружного воздуха. Для определения температурного перепада М получены формулы: вс^ м Л

Уточнена модель деформирования самонесущей каменной стены на гибких связях при совместном действии силовых и температурных воздействий. Проведён массовый численный эксперимент: решены задачи о термоупругом деформировании при действии собственного веса самонесущих стен, оснащённых системами гибких связей, связывающих стену с жёстким каркасом.

Разработана новая методика проектирования и расчёта, позволяющая выбрать рациональную систему возведения самонесущей стены, определить требуемые жёсткости связей и шаг их установки. Приведены результаты её использования для стен различной высоты. Проведено сравнение аналитических и численных решений тестовых задач. Получено приемлемое согласование результатов.

По результатам численных расчётов можно сделать следующие выводы: 1) нерациональный подбор жесткости связей и шага их установки способны привести к резкому локальному росту горизонтальных смещений стержня. Простое увеличение жёсткости связей приводит к росту усилий в них и возникает проблема их анкеровки в каменной кладке; 2) для конструкции самонесущей стены раскрепляемой гибкими связями важнейшим параметром является шаг их установки.

Проведено сравнение аналитических и численных решений задач. Установлены границы применимости предложенной аналитической методики для проектировочного и проверочного анализа самонесущих каменных стен на гибких связях.

Установка гибких связей раскрепляющих самонесущие наружные каменные стены только в уровне междуэтажных перекрытий обеспечивает минимальные затраты по сравнению с рекомендуемыми сейчас нормами равномерным распределением связей по всей внутренней плоскости стен.

Разработаны и обоснованы критерии качества проектных решений ограждающих конструкций.

Разработан альбом рациональных решений наружных ограждающих конструкций с использованием самонесущих стен из каменной кладки с гибкими связями.

Эффективность использования полученных результатов при проектировании ограждающих конструкций жилых и общественных зданий подтверждается практическим опытом проектирования и строительства.

1. СНиП П-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции». М., 1990.

2. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП П-22-81), ЦНИИСК им. Кучеренко. М., ЦИТП, 1988.

3. Рекомендации по расчёту прочности и деформативности конструкций зданий комбинированных стеновых систем. ЦНИИЭПжилища, 1990.

4. Матросов Ю.А., Бутовский И.Н., ТишенкоВ.В. Новые изменения СНиП по строительной теплотехнике//Жилищное строительство, 1995, №10.

5. Ананенко A.A., Богосювский В.Н., Васьковский AJL, Ваулин Г.В., Коган Б.С. Упрочнение и термическая модернизация наружных стен жилых зданий серии 1-335 в регионах западно-сибирской и красноярской железных дорог.

6. Матюшина Э.Г. О повышении уровня теплозащиты наружных ограждающих конструк-ций//Жилищное строительство, 1996, №9

7. Ю.Г. Граник. Теплоэффективные ограждающие конструкции жилых и гражданских зда-ний//Строительные материалы.-1999.-№2.-С. 4-6.

8. Ю.Г. Граник. Теплоэффективные стены зданий//Библиотека научных статей АВОК, 2002.

9. Силаенков Е.С. Нормативная база системы утепления наружных стен //Строительные мате-риалы.-1998.-№ 6.-С. 7-9.

10. СП 12-101-98. Технические правила производства наружной теплоизоляции зданий с тонкой штукатуркой по утеплителю. М., 1998.

11. Сергеев С.М., Семикин П.В., Свинарчук АЛ. Совершенствование конструкций каменных наружных стен жилых зданий. // Научные труды Общества железобетонщиков Сибири и Урала. Вып. 6 / Под ред. В.В. Габрусенко. Новосибирск, 2000.

12. Шишков Ю. Наружные стены зданий: принципиальное решение //Строительные ведомости-1999.-№14.-С.4.

13. Онищик Л.И. Каменные конструкции. Госстройиздат, 1939.

14. Онищик Л.И. Прочность и устойчивость каменных конструкций. ОНТИ, 1937.

15. Онищик Л.И. Теория прочности каменной кладки на экспериментальной основе.//Экспериментальные исследования каменных конструкций. Сб. ЦНИПС под ред. проф. Л.И. Онищика. Стройиздат, 1939, С.3-18.

16. Дмитриев A.C., Семенцов С.А. Каменные и армокаменные конструкции. Госстройиздат, 1965.18.