автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Совершенствование методических подходов к управлению техническим состоянием и оценке долговечности навесных вентилируемых фасадов зданий

На правах рукописи

Запащикова Наталья Петровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ И ОЦЕНКЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НАВЕСНЫХ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ФАСАДОВ ЗДАНИЙ

05.23.08 - «Технология и организация строительства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о СЕН 2075

005562792

Ростов-на-Дону — 2015

005562792

Работа выполнена на кафедре «Технология, организация и экономика строительства» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС)

Научный руководитель: Воробьев Валерий Степанович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Титов Михаил Михайлович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой технологии строительного производства, профессор Зильберова Инна Юрьевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», кафедра городского строительства и хозяйства, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «30» октября 2015 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, корп. 1, ауд.1125. Тел./факс 8 (863) 201-90-99. e-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Ростовского государственного строительного университета www.rgsu.ru.

Автореферат разослан «30» сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент — A.B. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Управление техническим состоянием объектов недвижимости является относительно новым и актуальным направлением как в научных исследованиях, так и в практической деятельности управляющих компаний жилищно-коммунального комплекса, что обусловлено прежде всего отсутствием нормативов по долговечности многослойных ограждающих конструкций.

В процессе эксплуатации зданий с многослойными ограждающими конструкциями одним из факторов, определяющих качество функционирования последних, является надежность их элементов, технологий и качество строительно-монтажных работ. Прогнозирование по времени предельно допустимых значений параметров материалов и срока службы системы в целом в условиях механических и природно-климатических воздействий является малоисследованным и актуальным направлением, которое позволит повысить надежность ограждающих конструкций в процессе эксплуатации.

До настоящего времени не в полной мере решены задачи физического и вероятностного моделирования надежности навесных вентилируемых фасадов зданий, основанные на учете температурно-влажностных условий, эксплуатационных параметров, параметров нагрузок конструктивных элементов, индексов надежности и вероятности отказов, а также недостаточно обоснована целесообразность их массового применения

Остаются нерешенными вопросы оценки эффективности управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов из-за отсутствия системного обоснования количественных и качественных критериев. Актуальной остается проблема оценки качества реконструкции навесных вентилируемых фасадов, определяющая энергоэффективность зданий.

Поэтому разработка методического подхода к управлению техническим состоянием и оценке долговечности навесных вентилируемых фасадов является актуальной.

Степень разработанности темы.

Проблеме разработки методов повышения долговечности и управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов в процессе эксплуатации, реконструкции или модернизации посвящены исследования ведущих НИИ России и ряда ученых. Проблемы и решения современных вентилируемых фасадных систем исследовались A.B. Грановским, Д.А. Киселевым, А.Б. Крутилиным, Н.И. Ватиным, A.M. Протасевичем, A. Abdullah, М. Ronnett и др.

Технологии восстановления эксплуатационной надежности жилых зданий разрабатывались A.A. Афанасьевым, Е.П. Матвеевым, мониторинг технического состояния и эксплуатационная работоспособность элементов здания рассмотрены в

работах ВЛ. Мищенко, надежность и долговечность навесных фасадных систем - в работах В.В. Бабкова, Г.С. Колесника, B.C. Воробьева, A.C. Горшкова, М.В. Кнатько, П.П. Рымкевича, А.Н. Добромыслова, В.Н. Куприянова.

Организационно-технологические решения устройства навесных фасадных систем при капитальном ремонте жилых зданий разрабатывали Б.В. Жадановский, М.Ф. Кужин. Оценка методов повышения энергоэффекгивности и экономических аспектов повышения теплозащиты ограждающих конструкций зданий выполнены В.Г. Гагариным, Н.П. Умняковой, С.Н. Федоровым, С.Г. Шейной, В.Н. Семеновым, В.А. Лукиновым, P. Bruzgevicius, М. Bomberg. Моделированием повреждений и оценкой долговечности ограждающих конструкций высотных зданий занимались Л.М. Пухонто, А.И. Козлов, В.А. Соколов, Ph. Parker, С. Lozinsky и др. Создание системы менеджмента качества в строительстве в условиях саморегулирования исследовали Л.Р. Маилян, А.Л. Зеленцов.

Роль и значение фасадных систем в конструктивных решениях зданий и целесообразность их массового применения в условиях воздействия природно-климатических и техногенных факторов Сибири обусловлены рядом преимуществ экономического, дизайнерского и временного характера. Однако на протяжении жизненного цикла строений с навесными вентилируемыми фасадами возникает широкий круг технических, организационно-технологических и экономических задач, комплексная оценка которых ставит перед исследователями новые цели. Актуальными остаются задачи разработки новых технических решений и технологий монтажа ограждающих конструкций применительно к условиям Сибири. Требуют научно-практического обоснования и методические подходы к управлению техническим состоянием и к оценке долговечности навесных вентилируемых фасадов зданий, что определяется условиями рыночных отношений и необходимостью привлечения частного капитала в виде инвестиций.

Объект исследования: навесные вентилируемые фасады зданий.

Предмет исследования: методы и модели управления техническим состоянием и оценки долговечности навесных вентилируемых фасадов зданий в условиях воздействия природно-климатических факторов Сибири.

Цель исследования: разработка методики управления техническим состоянием и оценки долговечности навесных вентилируемых фасадов зданий.

Задачи исследования.

Достижение цели исследования осуществлено посредством постановки и решения согласованных и логически связанных задач:

- оценить роль и значение фасадных систем в конструктивных решениях зданий и целесообразность их массового применения в условиях воздействия природно-климатических и техногенных факторов Сибири;

- разработать модель оценки долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций зданий методами вероятностного моделирования;

- обосновать основные характеристики и критерии эффективности системы управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов;

- разработать модель оценки качества управления техническим состоянием навесных фасадных систем;

- выполнить тепловизионную съемку элементов наружных ограждающих конструкций зданий и обосновать подход к оценке работоспособности навесного вентилируемого фасада по сопротивлению теплопередаче при последовательных отказах слоев конструкции;

- разработать новые технические решения и технологии монтажа элементов ограждающих конструкций, повышающих их эффективность;

- разработать методику управления техническим состоянием и оценки долговечности многослойных навесных вентилируемых фасадов.

Научная новизна исследования представлена следующими результатами:

- оценены роль и значение фасадных систем в конструктивных решениях зданий и целесообразность их массового применения в условиях воздействия природно-климатических и техногенных факторов Сибири;

- разработана модель оценки долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций зданий методами вероятностного моделирования;

- обоснованы основные характеристики и критерии эффективности системы управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов;

- разработана модель оценки качества управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов;

- обоснован подход к оценке работоспособности навесного вентилируемого фасада по сопротивлению теплопередаче при последовательных отказах слоев конструкции на основе данных тепловизионной съемки элементов наружных ограждающих конструкций зданий;

- разработаны новые технические решения и технологии монтажа элементов ограждающих конструкций, повышающих их эффективность;

- разработана методика управления техническим состоянием и оценки долговечности навесных вентилируемых фасадов.

Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования.

Выполненные исследования вносят реальный вклад в теорию организации строительного производства в части повышения долговечности навесных вентилируемых фасадов за счет создания системы управления их техническим состоянием. Модели оценки долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций зданий методами вероятностного моделирования и

оценки качества управления техническим состоянием навесных фасадных систем позволяют прогнозировать снижение комфортности помещений и сроки проведения ремонтов. Практическая значимость определяется повышением комфортных условий внутри помещений и снижением затрат на эксплуатацию НВФ.

Методология и методы исследования: базируются на нормативно-методических документах, использовании математического аппарата теории графов, надежности, методов математического и вероятностного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель оценки долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций зданий методами вероятностного моделирования.

2. Основные характеристики и критерии эффективности системы управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов.

3. Модель оценки качества управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов.

4. Методика управления техническим состоянием и оценки долговечности навесных вентилируемых фасадов.

Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности 05.23.08 — Технология и организация строительства, диссертационная работа соответствует по п. 11. — Разработка научных основ, системного подхода, методов и технологий повышения эксплуатационного качества промышленных и гражданских зданий с учетом круглогодичного производства работ, инструментального контроля и способов повышения надежности зданий при их возведении и реконструкции.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов исследования подтверждена приведенными в диссертации теоретическими разработками и практическими рекомендациями, экспериментальными исследованиями, проведенными на ряде реальных объектов, математическими расчетами, а также обоснована доказательной базой производственных экспериментов, получивших практическое внедрение. Основные положения, материалы и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Россия, Новосибирск, 2012 г.); на научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию СГУПСа «Наука и молодежь XXI века» (Россия, Новосибирск, 2012 г.); на VIII Международной научно-технической конференции Политранспортные системы в рамках года науки Россия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (Россия, Новосибирск, 2014 г.); на Международной научно-практической конференции «Современная наука:

теоретический и практический взгляд» (Россия, Уфа, 2014 г.); на XXXVI Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук» (Россия, Москва, 2015 г.).

Личный вклад автора состоит в обобщении опыта эксплуатации навесных вентилируемых фасадов, оценке роли и значения фасадных систем в конструктивных решениях зданий и технического состояния их массового применения в условиях воздействия природно-климатических и техногенных факторов Сибири; в разработке моделей оценки долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций зданий, качества управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов; в обосновании подхода к оценке работоспособности навесного вентилируемого фасада по сопротивлению теплопередаче при последовательных отказах слоев конструкции; в разработке новых технических решений элементов ограждающих конструкций, защищенных патентами; методики управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов.

Публикации и изобретения. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах общим объемом 2,62 п. л. (в том числе авт. 2,00 п. л.), среди них пять работ объемом 1,58 п. л. (в том числе авт. 1,18 п. л.) - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России. По результатам исследований получено три патента РФ на полезную модель: устройство для крепления котлована; конструкционно-теплоизоляционный элемент; теплоизоляционная панель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем диссертационной работы - 137 страниц основного текста, 52 рисунка, 15 таблиц, 3 приложения. Список литературы включает 153 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, определяются объект, предмет, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе работы «Многослойные ограждающие конструкции зданий в строительной индустрии» определены роль и значение фасадных систем в конструктивных решениях зданий, рассмотрены назначение и типы фасадных систем, возможность их применения для реконструкции жилищного фонда, конструктивные и технологические решения, основные требования к навесным вентилируемым фасадам, системы навесных фасадов на строительном рынке России, область исследований по управлению техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов и их долговечности.

В России в последние годы наиболее перспективной технологией отделки зданий стал монтаж навесных вентилируемых фасадов с воздушным зазором. Современное фасадное строительство позволяет быстро и с минимальными затратами преобразить внешний вид здания посредством создания эффективной конструкции, улучшающей эксплуатационные и дизайнерские характеристики соответствующих строений. Однако при этом для условий Сибири возникает комплекс технических, организационно-технологических и экономических задач, ставящий проблему поиска методов управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов в процессе их эксплуатации, реконструкции или модернизации. Достаточно остро стоит проблема оценки долговечности, т. к. на фасад действует множество перегрузок, вызванных техногенными и климатическими условиями.

Общим концептуальным решением обустройства фасадов при возведении любого объекта в повсеместном строительстве Новосибирска по совокупности климатических и техногенных условий Сибири и, в частности, в соответствии с предъявляемыми повышенными требованиями к энергоэффективности оболочек зданий, является создание навесных вентилируемых фасадов. Часто наблюдаемое нарушение технологии производства работ и их низкое качество приводит к закупориванию вентиляционных зазоров и, соответственно, к нарушению циркуляции воздуха и снижению теплоизоляционного эффекта. Поэтому наряду с повышением контроля за качеством необходима система моделей и методов управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов.

Во второй главе «Методы, модели и методики исследования многослойных ограждающих конструкций» рассмотрены надежность и долговечность многослойных ограждающих конструкций, технологические и физические процессы, методические основы долговечности ограждающих конструкций зданий, дана оценка долговечности и надежности многослойных ограждающих конструкций зданий методами вероятностного моделирования, предложена модель оценки качества управления техническим состоянием навесных фасадных систем, изложены методы, способы проведения лабораторных испытаний материалов ограждающих конструкций, приведена методика определения теплопроводности материалов, методы оценки тепловой защиты зданий.

Несмотря на активно накапливающийся в России опыт проектирования, монтажа и эксплуатации вентилируемых фасадных систем в самых разнообразных климатических и географических зонах, имеется ряд нерешенных научно-практических задач. Остается актуальной оценка вероятности безотказной работы всей системы, которая, согласно теории надежности, равна произведению вероятностей безотказной работы каждого элемента или слоя данной конструкции. На практике это означает, что в системе последовательно соединенных элементов выход одного из них за допустимые пределы оказывает принципиальное влияние на

надежность всей системы многослойной конструкции (нарушает условия нормальной эксплуатации). Долговечность (эксплуатационный срок службы) разных стеновых конструкций складывается из нескольких составляющих — качества используемых материалов, применения материалов для конкретных климатических условий, соблюдения технологии монтажных работ и качества их выполнения, а также обеспечения нормальных условий эксплуатации.

Комплексное исследование конструкций навесных вентилируемых фасадов в Сибирском регионе с действенной системой мониторинга вентилируемых фасадов разных компаний разработчиков и производителей и с подробной фиксацией процессов деградации, отказов и выявления причин их возникновения на сегодняшний день остается особо актуальным.

Реализация такого рода программы научных исследований при условии исключения из сферы строительного рынка некачественных навесных вентилируемых фасадов и непрофессиональных производителей монтажных работ, а также с учетом разработки современной нормативной базы позволит действенно повысить надежность этих сложных теплоизоляционно-отделочных систем и будет способствовать увеличению межремонтных циклов в процессе их эксплуатации.

В настоящей работе под оптимальной долговечностью автор понимает срок службы здания, степень износа которого позволяет восстанавливать его при условии экономической целесообразности. Также под долговечностью многослойных ограждающих конструкций будем понимать свойство каждого материала, составляющего конструкцию, и свойство конструкции в целом сохранять работоспособность до предельно допустимого состояния с учетом потенциально возможных ремонтов. Долговечность, определяемая эксплуатационными сроками службы строительных конструкций здания, в настоящее время при проектировании практически не оценивается. Вместе с тем, уделяется серьезное внимание проблеме энергоэффективности. Указанные параметры имеют между собой достаточно тесную взаимосвязь, в совокупности определяющую экономическую эффективность эксплуатации здания. В настоящее время требования по уровню тепловой защиты зданий повышены в 2-3 раза, но при этом требования по долговечности полностью исключены из нормативной документации. Износ характеризуется временем ухудшения эксплуатационных качеств материалов и носит вероятностный характер. Автором предложено охарактеризовать износ каждого материала ограждающей конструкции вероятностью, которую можно описать уравнением параболы - й степени (рис. 1).

Р(0=£е« (1)

Точка А на кривой 1 обозначает, что к моменту времени V износ при сроке службы Т с вероятностью Р = 0,5 составит 50 % запланированного ресурса.

Точки А', А" обозначают, что те же 50 % износа, запланированного на периоде Тнаступят к моменту времени 1'и I " (кривые 2, 3).

К концу срока службы Т ожидается полный износ с вероятностью Р = 1 (кривые 1, 2, 3). В соответствии с кривой 4 на конец периода Т износ материалов может произойти с вероятностью Р = 0,9 и т.д.

конструкций

Таким образом, долговечность элементов многослойных ограждающих конструкций целесообразно характеризовать временем их нахождения в работоспособном состоянии и вероятностью, обратной вероятности износа. Задавая предельные значения износа материалов и конструкций, можно установить их долговечность.

Одним из современных методов расчета предельных значений параметров конструкций является вероятностный метод проектирования. В странах ЕС в течение последних 10-15 лет применяется стандарт вероятностного моделирования К^Б. Это документ, представляющий комплекс моделей и процедур для вероятностной оценки и разработки проектов. Метод вероятностного моделирования применяется в случаях, недостаточности физических или статистических данных. Уникальность решения достигается соглашением экспертов с применением метода экспертных оценок. В этом стандарте основное внимание уделено статистическому моделированию параметров нагрузок, материалов и геометрических параметров во времени и в пространстве. Однако его применение в Сибири существенно ограничено и требует дополнительной доработки.

Энергоэффекгивностъ зданий закладывается на стадии проектирования и обосновывается теплотехническими расчетами. На стадии строительства возможно ее снижение из-за замены теплоизоляционных материалов, нарушения отдельных конструктивных решений, технологии производства строительно-монтажных работ,

снижения качества их выполнения. На стадии эксплуатации энергоэффекгивность зданий уменьшается из-за отсутствия системного управления техническим состоянием навесных фасадов. Поэтому актуальной задачей является оценка технического состояния многослойных ограждающих конструкций и выбор методов управления, обеспечивающих тепловую защиту зданий.

Основные характеристики системы управления техническим состоянием (УТС) НВФ автор представил тремя группами (таблица 1).

Таблица 1 - Основные характеристики управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов

№ п/п Характеристика УТС Наименование показателя Критерий эффективности

1 Количественные характеристики УТС НВФ Количество строительно-эксплуатационных модулей (СЭМ)

2 Трудоемкость производства монтажных работ Минимум времени производства работ

3 Сметная стоимость

4 Трудоемкость эксплуатации навесных фасадов Минимум трудозатрат

5 Экономическая эффективность системы управления техническим состоянием НВФ Минимум затрат на эксплуатацию СЭМ

6 Качественные характеристики УТС НВФ Надежность

7 Долговечность Максимум срока службы

8 Ремонтопригодность

9 Предельное состояние надежности

10 Дефект, повреждение, отказ Минимум числа отказов СЭМ

11 Наработка Максимум времени до отказа системы

12 Качественные характеристики информации Комплексность принимаемых решений (полнота) при управлении техническим состоянием НВФ

13 Достоверность принимаемых решений Максимум достоверности (минимум энтропии)

Автором введена новая категория: «строительно-эксплуатационный модуль» (СЭМ) - совокупность несущей части здания и многослойной ограждающей конструкции, совпадающей по геометрическим размерам с площадью вертикальной панели внутреннего помещения. Тогда всю внешнюю площадь здания можно представить в виде набора СЭМ. Совокупность СЭМ можно считать сложной системой, требующей создания собственной системы управления ее техническим состоянием. В качестве мероприятий управления техническим состоянием (МУТС) навесных фасадов могут выступать мониторинг СЭМ; контроль их качества с целью

выявления предотказного состояния и отказа; планирование ремонтов СЭМ или их замены на новые вставки; организация и проведение ремонтных работ и др.

В работе приведены принятые автором ограничения по видам количественных и качественных показателей системы управления техническим состоянием НВФ:

- трудоемкость производства монтажных работ должна быть ориентирована на минимизацию времени. В качестве ограничения принято директивное время их выполнения;

- трудоемкость эксплуатации навесных фасадов ограничена плановой трудоемкостью;

- стоимость работ должна вписываться в ограничения бюджета управляющей компании;

- экономическая эффективность системы управления техническим состоянием НВФ возрастает при минимизации затрат на эксплуатацию СЭМ;

- количество дефектов, повреждений, отказов СЭМ также должно нормироваться и ограничиваться некоторой величиной;

- наработка на отказ СЭМ должна стремиться к максимальному времени и минимальному времени восстановления;

- достоверность принимаемых решений должна быть максимальной.

На рисунке 2 приведены вероятности того, что показатели оценок СЭМ не превысят заданных значений. Для принятия решений о величине этих показателей можно использовать известный в теории подход, основанный на зонах «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно» функции желательности Харрингтона.

1 время эксплуатации системы

Рисунок 2 - Вероятности того, что показатели оценок СЭМ не превысят заданных значений: 1 - вероятность выполнения монтажных работ в заданные сроки; 2 - вероятность того, что трудоемкость эксплуатации не будет превышать заданную;

3 - вероятность того, что сметная стоимость не превышает бюджет управляющей компании; 4 - вероятность того, что затраты не превысят лимиты; 5 - вероятность того, что количество дефектов СЭМ не превысит заданного значения; 6 - вероятность того, что время восстановления не превысит нормативного или планового значения; 7 - время эксплуатации системы; t - время выполнения монтажных работ; Т -трудоемкость; С - сметная стоимость; 3 - затраты; Д - количество дефектов СЭМ; t -время восстановления; t - время эксплуатации системы.

Оценку технического состояния многослойных ограждающих конструкций целесообразно выполнять по строительно-эксплуатационным модулям. Для этого автор вводит обобщающий показатель эффективности мероприятий по энергосбережению системы (ЭС). При переходе от оценки системы (качества ее функционирования) к надежности воспользуемся известным в теории надежности подходом, заключающимся в построении графа работоспособных и неработоспособных состояний (рис.3). Здесь состояния: 0 - фасадная система работоспособна; 1 - отказ облицовочного экрана; 2 - отказ подоблицовочной подконструкции; 3 - отказ вертикальной подконструкции; 4 - отказ утеплителя и ветро-гидрозащитной мембраны; 5 - отказ наружной стены.

P5(t) P„(t) P,(t)

Рисунок 3 - Граф состояний вентилируемого фасада при произвольном отказе элементов и восстановлении работоспособного состояния Вентилируемый фасад может находиться в п+1 состояниях: 0-е состояние —-все элементы СЭМ ограждающей конструкции работоспособны и вентилируемый фасад работоспособен; 1- 5 состояния отражают отказ одного из элементов конструкции при работоспособности остальных. При этом допускаем, что при отказе одного из элементов вся система неработоспособна. Такой вариант возможен при значительных механических повреждениях слоев вентилируемого фасада. Для этого случая при отсутствии репрезентативных выборок по отказам элементов примем следующие допущения: интенсивность отказов облицовочного экрана; подоблицовочной подконструкции; вертикальной подконструкции; утеплителя и ветро-гидрозащитной мембраны, а также наружной стены постоянны и, соответственно, равны А.1, Х.3> Х.4 и Х,5, интенсивности их восстановления также

постоянны и равны ць ц2, Из. Р4 и ц5. В этом случае граф состояний описывается системой дифференциальных уравнений:

Г =р'+А л М+м, л (Ор, (0+р, (0 ~(л,+л2+л1+л,+лМ (О

) = Л г А (0 ~ ¡л2 Рг (0: (2)

В стационарном режиме эксплуатации здания = 0 (п=0,1,____)•

Л

Тогда

ЛгР.-МгР^0'

А3Ро-М,Р> = 0' (3)

<

ч.

Вероятности неработоспособных состояний элементов ограждающей конструкции из-за отказа одного из них определяются решением системы алгебраических уравнений (3):

= (4)

Далее по известным формулам теории надежности рассчитываются коэффициент готовности СЭМ, коэффициент готовности г-го элемента СЭМ навесного фасада, вероятность риска отказа СЭМ, среднее время восстановления СЭМ, средняя наработка на отказ » -го элемента СЭМ.

Вероятность риска отказа СЭМ можно интерпретировать как потери эффективности под воздействием случайных факторов, действующих на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации зданий с многослойными ограждающими конструкциями из-за ненадежности элементов, связанные с

понижением внутренней температуры помещения. Ее компенсация может осуществляться дополнительными расходами тепловой энергии, что ведет к росту энергопотребления и снижению энергоэффективности. В практике эксплуатации НВФ достаточно высока вероятность отказа одного и двух элементов (слоев). Этот случай в работе представлен следующими допущениями: «система одного состояния» при неработоспособности одного из п - элементов, («система одного отказа»), произошедшего в v-м состоянии при достижении выходного эффекта 3v; «система двух отказов» при возможных состояниях неработоспособности не более 2-х элементов. Общее число возможных состояний графа равно п + 1 + С„. Здесь С -число сочетаний состояний п элементов СЭМ по двум отказавшим.

Потерю ЭС из-за ненадежности элементов для «схемы одного состояния» определим как

Л„» = 1л = 1-Ро = 1-^=П/Эо (5)

/=1

где П - средние потери эффективности в единицу времени (например, снижение градиента температур внешнего и внутреннего воздуха);

Э„- средний эффект для работоспособной (идеальной) системы в единицу времени (например, потребление тепловой энергии на обогрев помещения);

Р0 — вероятность того, что все элементы ограждающей конструкции работоспособны.

Риск снижения ЭС при расчете по «схеме двух отказов» определяются по формуле:

п s

Ясэм = 1-P0-^£VPV- ^ £vPj, (6)

v=l j=n-1

Первая сумма по n(v = 1,п) характеризует потери ЭС по «схеме одного отказа», вторая сумма по s(J = n — l,s) характеризует потери ЭС по «схеме двух отказов», £v - коэффициент потери эффекта из-за отказа V - го элемента. Вероятности Pv и Pj находят по графу состояний (рис. 2).

Автором выполнены исследования зависимости скорости воздушного потока в воздушном зазоре вентилируемого фасада от внешних факторов. Дана оценка воздухопроницаемости ограждающих конструкций. Для изучения скорости влагоудаления при различных внешних факторах были выполнены расчеты в модуле FLOWSTAR программного комплекса COSMOS/M. Рассматривалось влияние на скорость движения воздуха в зазоре следующих факторов: физических характеристик воздуха при разной температуре; ширины воздушного зазора; расстояния между входной и выходной щелями (600 и 1200 мм); сужения входной щели; сужения выходной щели; шероховатости воздушного канала.

В качестве примера приведем графики изменения скорости воздушного потока в зависимости от ширины вентилируемого зазора (рисунок 4).

ё. 8,00 Я

Я 7.00

со

3 6,00

& 5,00 о

| 4,00

| 3,00

2,оо § 1,00 ^ 0,00

430 432 434 436 438 440

Номер узла

-ширина зазора 20 мм -ширина зазора 30 мм

-ширина зазора 40 мм -ширина зазора 50 мм

-ширина зазора 60 мм -ширина зазора 70 мм

-ширина зазора 100 мм

Рисунок 4 - Изменение скорости воздушного потока в зависимости от ширины

вентилируемого зазора Качество функционирования систем ограждающих конструкций зданий определяется надежностью их элементов, технологий и качеством строительно-монтажных работ и может быть спрогнозировано во времени для определения предельно допустимых значений параметров материалов и срока службы системы в целом. А это позволяет создать систему управления техническим состоянием навесных фасадов, включающую прогнозирование отказов конструктивных элементов и строительно-эксплуатационных модулей, планирование текущего содержания и ремонта СЭМ и капитального ремонта навесных фасадов в целом.

Своевременное принятие организационно-технологических решений по оценке состояния СЭМ навесных фасадов позволит повысить энергоэффективность зданий.

В третьей главе «Экспериментальные исследования ограждающих конструкций зданий. Обоснование работоспособности навесного

вентилируемого фасада» приводятся экспериментальные исследования конструкций, результаты тепловизионной съемки и обосновывается работоспособность навесного вентилируемого фасада по сопротивлению теплопередаче при последовательных отказах слоев конструкции, а также экономическая эффективность навесных вентилируемых фасадов.

Термографирование поверхности стены производилось в перпендикулярном направлении к стене либо при отклонении от этого направления влево, вправо, вверх и вниз, не превышающем 30°, что тепловые потери через трещины, щели и полости в стенах, стыках между соединениями плит, панелей. Большая часть тепла теряется через деревянные окна, двери и др. Так как сопротивление теплопередаче отдельного

здания соответствует санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, проведение мероприятий по дополнительному утеплению ограждающих конструкций можно считать нецелесообразным, поскольку данное мероприятие является высокозатратным и имеет значительные сроки окупаемости, во многих случаях превосходящие срок службы материала утеплителя (десятки лет). В остальных зданиях необходимо провести мероприятия по дополнительному утеплению ограждающих конструкций. Настоящее решение имеет практическую направленность в части обоснования необходимости управления техническим состоянием фасадов.

Сопротивление теплопередаче навесного вентилируемого фасада при последовательных отказах многослойной ограждающей конструкции приведены в диссертации и согласно модели п. 2 приведено на рисунке 5.

В диссертации установлены комбинации элементов НВФ, удовлетворяющие допустимым нормам сопротивления теплопередаче многослойной ограждающей конструкции при последовательных отказах слоев конструкции.

4,50

012345678 Комбинации состояний

Рисунок 5 - Сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции при последовательных отказах слоев конструкции Комбинации состояний: 0 - работоспособны все слои конструкции навесного вентилируемого фасада; 1 - отказ работоспособности одного слоя (утеплитель (50 мм) "Эковер Вент-фасад"); 2 - отказ работоспособности одного слоя (утеплитель (120 мм) "Эковер Лайт"); 3 - отказ работоспособности одного слоя (конструкция стены); 4 - отказ работоспособности одного слоя (внутренняя отделка помещения); 5 - отказ работоспособности двух слоев (утеплитель (120 мм) "Эковер Лайт", утеплитель (50 мм) "Эковер Вент-фасад"); 6 - отказ работоспособности двух слоев (утеплитель (50 мм) "Эковер Вент-фасад" конструкция стены; 7 - отказ работоспособности двух слоев (утеплитель (50 мм) "Эковер Вент-фасад", внутренняя отделка помещения); 8 - отказ работоспособности двух слоев (конструкция стены, внутренняя отделка помещения).

При принятии технического решения о выборе той или иной конструкции вентилируемого фасада из значительного числа вариантов, реальных с точки зрения технических, технологических и организационных обоснований, следует руководствоваться в т.ч. экономическими соображениями. Автором применена методика, предложенная В.Г. Гагариным, которая основана на оценке обеспечения теплоизоляции ограждающих конструкций.

В четвертой главе «Технические, технологические и методические решения по повышению долговечности зданий» диссертации разработаны технические и технологические решения по комплексному повышению долговечности зданий и сооружений. К ним относятся: устройство для крепления котлована, обеспечивающее повышение качества, упрощение технологии, сокращение сроков строительства и повышение долговечности функционирования зданий; конструкционно-теплоизоляционный элемент, теплоизоляционная панель, отнесенные автором к области строительства, а именно к конструкциям наружных панелей зданий и сооружений, возводимых в суровых климатических условиях, обеспечивают повышение долговечности зданий. Автором разработана методика управления техническим состоянием и оценки долговечности навесных вентилируемых фасадов. Ее краткое описание приведено в виде алгоритма на рисунке 6. Принципиально алгоритм включает два раздела, разбитых на блоки - первый раздел характеризует последовательность выполнения расчетов и работ, второй -анализ технического состояния НВФ по изложенным в главе 2 критериям.

1. Характеристика объекта недвижимости: этажность, геометрические размеры, вид и условия эксплуатации навесных вентилируемых фасадов; проектный срок эксплуатации, сметная стоимость; количество строительно-эксплуатационных модулей (СЭМ).

2. Мониторинг СЭМ: внешний осмотр; инструментальный контроль (тепловизионная съемка, методы неразрушающего контроля и др.).

3. Оценка технического состояния НВФ: количество дефектов, повреждений, отказов СЭМ.

4. Определение состояний при отказе элементов СЭМ. Построение графа состояний.

5. Расчет вероятности неработоспособных состояний элементов НВФ, среднего времени восстановления, величины средних потерь эффективности, риски снижения эффективности СЭМ, величины потерь качества системы из-за ненадежности элементов.

6. Оценка воздухопроницаемости помещений и влагозащищенности; тепловизионная диагностика.

Рисунок 6 - Алгоритмическая последовательность методического подхода к управлению техническим состоянием НВФ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований была достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:

1. Рост объемов жилищного строительства в Сибири с использованием новых технологий, основанных на широком применении навесных вентилируемых фасадов, актуализировал проблему оценки и повышения их долговечности, поиска методов управления их техническим состоянием в процессе эксплуатации, реконструкции или модернизации.

2. Общей концепцией возведения любого объекта, включая повсеместное строительство в Новосибирске, по совокупности климатических и техногенных условий Сибири является обеспечение энергоэффективности оболочек зданий, часто снижаемое нарушением технологии производства работ и их низким качеством. Поэтому наряду с повышением контроля за качеством необходима система моделей и методов управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов.

3. Комплексное исследование организационно-технологических мероприятий, включающих конструктивные и технологические решения навесных вентилируемых фасадов в Сибирском регионе с эффективной системой мониторинга и подробной фиксацией процессов деградации, отказов и выявления причин их возникновения, на сегодняшний день остается особо актуальным.

4. Одним из показателей долговечности следует принять износ, характеризуемый временем ухудшения эксплуатационных качеств материалов и носящий вероятностный характер. Предложена модель оценки долговечности по износу каждого материала ограждающей конструкции, описываемого уравнением параболы - й степени, что позволяет оценить время нахождения в работоспособном состоянии, и вероятностью, риска износа материалов и конструкций при задаваемых предельных значениях.

5. Относительно новым и актуальным направлением в научных исследованиях и деятельности управляющих компаний жилищно-коммунального комплекса является управление техническим состоянием объекта недвижимости, обусловленное отсутствием нормативов по долговечности многослойных ограждающих конструкций. Новая введенная автором категория «строительно-эксплуатационный модуль» (СЭМ) - совокупность несущей части здания и многослойной ограждающей конструкции, совпадающей по геометрическим размерам с площадью вертикальной панели внутреннего помещения, - позволяет ввести обобщающий показатель эффективности мероприятий по энергосбережению системы (ЭС), основанный на оценке качества ее функционирования методом теории надежности, заключающимся в построении графа работоспособных и неработоспособных состояний и определения их вероятности решением системы

алгебраических уравнений с последующим расчетом потери эффективности СЭМ, связанной с понижением внутренней температуры помещения.

6. Для принятия организационно-технологических решений предложена методика, учитывающая различные критерии оптимизации при ограничениях технического характера, обосновывающих работоспособность навесного вентилируемого фасада по сопротивлению теплопередаче.

7. Уточнены оценки экономического эффекта, получаемого за счет снижения затрат на отопление из расчета на 1 м2 вентилируемых фасадов. Показано, что при утеплении существующих ограждающих конструкций (т. е. - реконструкции) зданий устройством фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором экономический эффект зависит от комбинации элементов НВФ, удовлетворяющих допустимым нормам сопротивления теплопередаче многослойной ограждающей конструкции при последовательных отказах слоев конструкции.

8. Разработаны технические и технологические решения, которые обеспечивают повышение долговечности зданий, а именно: устройство для крепления котлована, обеспечивающее повышение качества, упрощение технологии и сокращение сроков строительства и повышение долговечности функционирования зданий; конструкционно-теплоизоляционный элемент, теплоизоляционная панель, отнесенные автором к области строительства, а именно к конструкциям наружных панелей зданий и сооружений, возводимых в суровых климатических условиях.

9. Методика управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов позволяет использовать теоретические результаты по оценке степени износа элементов НВФ, организовать мониторинг, содержание и ремонт для обеспечения комфортного проживания людей.

10. Основным направлением продолжения научных исследований должны стать исследования по созданию комплексных систем автоматизированного управления техническим состоянием навесных вентилируемых фасадов на основе методов мониторинга и компьютерной диагностики строительно-эксплуатационных модулей зданий.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА:

Публикации в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России:

1. Запащикова, Н.П. Основные подходы к исследованию надежности навесных вентилируемых фасадов в домостроении в условиях Сибири / Н.П. Запащикова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014. - № 1-2. - С. 153155 (0,224 п.л.).

2. Запащикоеа, Н.П. Оценка качества управления техническим состоянием объекта недвижимости / Н.П. Запащикова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014. -№ 3. - С. 21-23 (0,142 п.л.).

3. Запащикова, Н.П. Оценка надежности ограждающих конструкций зданий методами физического и вероятностного моделирования / Н.П. Запащикова // Науковедение: интернет-журнал. - 2014. - № 5 (24). Идентификационный номер статьи в журнале - 76TVN514 (0,428 п.л.).

4. Воробьев, B.C. Оценка технического состояния навесных фасадных систем как инструмент энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий / B.C. Воробьев, Н.П. Запащикова // Науковедение: интернет-журнал. - 2015,-№ 3 (28). Идентификационный номер статьи в журнале - 99TVN315 (0,43, в т.ч. авт. 0,215 пл.).

5. Воробьев, B.C. Оценка состояния инженерных сетей в системах коммунальной инфраструктуры и повышение эффективности энергосбережения / B.C. Воробьев, Н.П. Запащикова, И.В. Яньшина // Науковедение: интернет-журнал. -2015.- № 3 (28). Идентификационный номер статьи в журнале - 171TVN315 (0,35, в т.ч. авт. 0,17 п.л.). Патенты:

1. Патент на полезную модель № 143618. Устройство для крепления котлована / П.С. Пинчук, B.C. Воробьев, Н.П. Запащикова, С.Н. Распопин, Е.П. Пинчук; СГУПС.

- Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ № 143618 от 25.06.2014 г.

2. Патент на полезную модель № 146814. Конструкционно-теплоизоляционный элемент / B.C. Воробьев, Н.П. Запащикова, П.С. Пинчук, С.Н. Распопин, Е.П; СГУТТС

- Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ № 146814 от 18.09.2014 г.

3. Патент на полезную модель заявка № 2014129667 / 03 (047855). Теплоизоляционная панель / B.C. Воробьев, Н.П. Запащикова, П.С. Пинчук, С.Н. Распопин, Е.П. Пинчук; СГУПС. - Получено решение о выдаче патента от 26.05.2015 г.

Публикации в журналах и научных сборниках:

1. Запащикова, Н.П. Оценка долговечности строительных материалов при возведении зданий / Н.П. Запащикова // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения. Тезисы конференции. Ч. 1. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2012. - С. 189-190 (0,066 п.л.).

2. Запащикова, Н.П. Методика проведения экспериментальных исследований по определению долговечности строительных материалов для возведения зданий / Н.П. Запащикова // Наука и молодежь XXI века: Материалы XI научно-технической

конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию СГУПСа (г. Новосибирск, 14-15 ноября 2012 г.). 4.1, Технические науки. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2013 г. - С. 57-58 (0,09 пл.).

3. Запащикова, Н.П. О состоянии нормативной базы в строительстве / Н.П. Запащикова // Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии: сб. науч. ст. аспирантов и аспирантов-стажеров, посвященный 80-летию СГУПСа. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2013. - Вып. 1. - С. 61-66 (0,287 пл.).

4. Запащикова, Н.П. Методический подход к оценке надежности и экономичности вентилируемых фасадов / Н.П. Запащикова, Ю.В. Плехотко // Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии: сб. науч. статей аспирантов и аспирантов-стажеров - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2014. - Вып. 3. - С. 39-46 (0,343 пл., в т.ч. авт. 0,172 пл.).

5. Запащикова, Н.П. Оценка долговечности многослойных ограждающих конструкций / B.C. Воробьев, Н.П. Запащикова // Современная наука: теоретический и практический взгляд: сборник статей Международной научно-практической конференции (15 августа 2014 г., г. Уфа). - Уфа: Аэтерна, 2014. - С. 15-17 (0,114 пл., в т.ч. авт. 0,057 пл.).

6. Запащикова, Н.П. Надежность инфраструктурных объектов промышленно-гражданского назначения на сухопутных путях сообщения / Н.П. Запащикова // Политранспортные системы: Тезисы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке». - Новосибирск, Изд-во СГУПС, 2014. - С. 114-117 (0,147 пл.).

ЗАПАЩИКОВА НАТАЛЬЯ ПЕТРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ И ОЦЕНКЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НАВЕСНЫХ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ФАСАДОВ ЗДАНИЙ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.08 - «Технология и организация строительства»

Подписано в печать 17.08.2015 г. 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. Тел./факс (383) 328-03-81