Наружные ненесущие стены из ячеистого бетона плотностью D400-D600 в виде блоков для многоэтажных монолитных зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Литвиненко, Данил Валентинович

• Литвиненко, Данил Валентинович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Литвиненко, Данил Валентинович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наружные ненесущие стены из ячеистого бетона плотностью D400-D600 в виде блоков для многоэтажных монолитных зданий»

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

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Литвиненко, Данил Валентинович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Литвиненко, Данил Валентинович, 2005 год

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