CC BY
37Расчет конструкций
1М
I
Научно-технический и производственный журнал
УДК 678.5+699.86(571.56)
А.Е. МЕСТНИКОВ, д-р техн. наук, ТА. КОРНИЛОВ, А.Д. ЕГОРОВА, кандидаты техн. наук, В.Н. РОЖИН, инженер, Якутский государственный университет им. М.К. Аммосова, Республика Саха (Якутия)
Легкие ограждающие конструкции жилых зданий для резко континентального климата Севера
Рассматривается эффект повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций жилых деревянно-каркасных зданий при сочетании высокопористых строительных материалов с различными теплотехническими показателями, а также рациональные конструкции стеновых ограждений малоэтажных зданий для резкоконтинентального климата Севера.
Ключевые слова: легкие ограждающие конструкции, деревянно-каркасные здания, малоэтажные здания
Как известно, климат северных регионов отличается от остальной территории РФ не только наличием вечной мерзлоты и сильными морозами (до -63 - -71оС), но и жарким летом (до +38оС), резкими суточными колебаниями температуры (25-37оС) в весенне-летний период. Причем за весенний период (март-апрель) частота колебаний температуры с переходом через 0оС составляет 61-68 циклов. Особенно высокая интенсивность светового облучения (851,3-928,1 Вт/м2) характерна для Центральной Якутии и сопоставима с условиями Ташкента [1].
В отечественных нормах (СНиП 23-02-2003) теплоустойчивость ограждающих конструкций зданий при их проектировании в условиях Севера не учитывается.
Из теории и практики известно, что в легких слоистых конструкциях влияние температурных колебаний окружающего воздуха заметно и должно быть учтено в расчетах [2].
В естественных условиях режим теплопередачи через ограждения всег-
да является нестационарным. Для решения подобных задач в математической физике разработан ряд численных методов, которые с успехом применяются в строительной теплофизике с 20-х гг. прошлого столетия [3-6]. Эффект повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций при сочетании материалов с малым значением коэффициентов теплопроводности и температуропроводности был впервые научно обоснован А.Т. Тимошенко и развит в [7].
Задача оптимального проектирования теплоизоляционных стеновых конструкций минимальной толщины и массы из конечного набора материалов связана с определением декремента затухания температурных колебаний V. Его величина показывает, во сколько раз гасятся температурные колебания, проходя через слой материала толщиной б. Он равен отношению амплитуды температурных колебаний наружной и внутренней поверхностей ограждающей конструкции соответственно.
Для теоретической оценки повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций при сочетании материалов с различными теплотехническими показателями рассмотрим конструкцию с двухслойной теплоизоляцией, выполненной из различных материалов: пенобетона, пенофеноплас-та (ПФП) и пенополиуретана (ППУ). Теплотехнические показатели пенобетона с у0 = 400 кг/м3, ПФП (у0=100 кг/м3 и у0 = 40 кг/м3) и ППУ (у0 = 40 кг/м3) заданы в СП 23-101-2004 «Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой защиты зданий». Расчетная схема для выбора материалов легких ограждающих конструкций и результаты вычислительного эксперимента по классической методике [2] показаны на рис. 1 и 2 соответственно. Отношение толщины материала с малой температуропроводностью б1 к полной толщине слоя теплоизоляции б изменяли от 0 до 1.
Расчеты проведены для двух случаев: материал с низким коэффициентом температуропроводности (ПФП б
20
0
0,2 0,4 0,6 0,8 Отношение, д^д
1
10
0 0,2 0,4 0,6 0,8 Отношение, д1/д
1
Рис. 1. Расчетная схема для выбора материалов легких ограждающих конструкций: 1 — сухая штукатурка; 2 — материал с низкой температуропроводностью (ПФПили пенобетон); 3 — материал с низкой теплопроводностью (ППУ); 4 — цементо-стружеч-ная плита: а — расположение 1; б — расположение 2
Рис. 2. Эффект повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций при сочетании различных материалов:--
расположение 1 и---— расположение 2 (рис. 1); а — ПФП и
ППУ; б — пенобетон и ПФП; теплотехнические свойства материалов приняты в условиях эксплуатации А (I) и сухом состоянии (II) согласно СП23-101-2004
46
www.rifsm.ru
1'2010
Научно-технический и производственный журнал
—-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Расчет конструкций
2 3
каркасом
или пенобетон) расположен с внутренней стороны, а материал с низким коэффициентом теплопроводности (ППУ или ПФП) - с наружной (рис. 1, а) и наоборот (рис. 1, б). Направление тепловой волны q(т) принято от наружной поверхности к внутренней стороне. По результатам выполненных расчетов построены графики изменения V в зависимости от отношения б1/б (рис. 2). Оказалось, что в зависимости от порядка расположения слоев значения декременты затухания температуры отличаются незначительно. При расположении 1, т. е. когда плотный материал находится с внутренней стороны, а легкий с наружной, декремент затухания V примерно в 1,1-1,2 раза выше, чем при расположении 2. При сочетании ПФП (у0 = 100 кг/м3) и ППУ (у0 = 40 кг/м3 ) оптимальное соотношение б1/б составило 0,6-0,8 (рис. 2, а). Соотношение б1/б = 0,1-0,3 является наихудшим, так как при этом теплоустойчивость конструкции минимальная. Сочетание пенобетона и ПФП не дало желаемых результатов (рис. 2, б). Как видно из рис. 2, при минимальной плотности материала наибольшее влияние на повышение теплоустойчивости ограждающих конструкций имеет значение коэффициента теплопроводности, что может быть одним из основных требований при разработке теплоизоляционных материалов.
Таким образом, при правильном подборе материалов по теплофизическим характеристикам, оптимальном соотношении их по толщине и рациональном расположении в конструкции теплоустойчивость ограждения может быть повышена на 25-120%. Дальнейшие исследования показали, что наибольшей теплоустойчивостью обладает трехслойная теплоизоляционная конструкция, где средний слой должен быть из материала с наибольшим коэффициентом температуропроводности при малой плотности. Таким качеством обладает только древесина, удельная теплоемкость с0 = 2,3 кДж/(кг°С).
Предлагаемая строительная панель [8] с применением древесины пониженной сортности и эффективного утеплителя обеспечивает повышение теплотехнических свойств, пожарной и экологической безопасности легких ограждающих конструкций. На рис. 3 показана строительная панель, которая включает внутреннюю обшивку 1, наружную облицовку 2, теплоизоляцию 3, плоскую диафрагму в виде клееного деревянного щита 4, дополнительную теплоизоляцию 5. Панель изготавливается следующим образом. Предварительно монтируют оболочку панели - внутреннюю обшивку 1, покровную облицовку 2 и плоскую диафрагму в виде клееного деревянного щита 4, которые крепят к деревянной обвязке 6. Образовавшиеся полости заполняют трудносгораемым (группа горючести Г1) пенопластом «Пе-норезол-НТ» с пониженной токсичностью, причем полость для дополнительной теплоизоляции 5 может быть заполнена негорючим теплоизоляционным пенобетоном. После отверждения пенопласта и пенобетона панель готова к использованию. В качестве несущего слоя стены используются ребристые клееные блоки, располагаемые вертикально. При изготовлении таких блоков можно использовать узкие недефицитные и корот-комерные доски пониженной сортности и самые дешевые синтетические средне-водостойкие клеи. Несущий клееный деревянный щит из вертикально расположенных брусьев работает как центрально-сжатый элемент, обеспечивая равномерное распределение нагрузки по всему каркасу здания.
Клееный деревянный щит, находясь в толще теплоизоляции, менее подвергается температурно-влажно-стным напряжениям, которые способны привести к расслоению клеевого шва. Применение клееного деревянного щита снижает стоимость панели, увеличивает несущую способность каркаса здания, а дополнительная теплоизоляция повышает теплозащитные качества конструкции. В качестве дополнительной теплоизоляции и одновременно противопожарной преграды могут быть применены негорючие неорганические материалы, например стекловата, пеностекло, пенобетон, керамзитобетон, арболит и др., в качестве внутренней обшивки - относительно дешевые огнестойкие материалы, например гипсокартон, ГВЛ. Соотношение толщины пенопласта и дополнительной теплоизоляции опре-
деляется теплотехническим расчетом.
Наиболее приемлемым материалом для сельского строительства является арболит на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВВ), содержащего портландцемент, гипс, молотый цеолит и суперпластификатор С-3 при следующем соотношении компонентов, мас.% соответственно: 22-30, 50-60, 18-20 и 2 [9].
Таким образом, использование предложенной строительной панели обеспечивает не только повышение уровня тепловой защиты и теплоустойчивости стеновых ограждений в целом, но и снижение стоимости строительной панели при ее достаточной огнестойкости и несущей способности. Предложенная конструкция наружной стены использована в строительстве сельской школы на 80 мест в селе Окоемовка Усть-Алданского района и ряда индивидуальных домов и офисных зданий в Якутске.
Список литературы
1. Местников А.Е. Северное жилище: энергосбережение, безопасность. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2006. 168 с.
2. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1979. 248 с.
3. Власов О.Е. Плоские тепловые волны // Изв. Теплотехн. ин-та, 1927. № 3/26.
4. Муромов С.И. Расчетные температуры наружного воздуха и теплоустойчивость зданий. М.-Л.: Гос-стройиздат, 1939. 72 с.
5. Шкловер А.М. Теплопередача при периодических воздействиях. М.-Л.: Госстройиздат, 1961. 160 с.
6. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массообмена. Минск: Изд-во АН БССР, 1961. 520 с.
7. Никитина Л.М., Тимошенко А.Т., Попов Г.Г. и др. Эффект повышения теплоустойчивости легких ограждающих конструкций при сочетании утеплителей // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1980. № 6. С. 99-103.
8. Патент 22118998 РФ. МКИ 7Е04С2/26. Строительная панель / Андрианов Р.А., Местников А.Е., Ту-рантаев Г.Г. и др. // Заявл. 18.01.2002. Опубл. 10.09.2003. Бюл. № 25.
9. Патент 2361899 РФ. МПК С09К 8/467. Расширяющийся тампонажный материал / Егорова А.Д., Местников А.Е., Народов В.В. // Заявл. 10.04.2007. Опубл. 20.07.2009. Бюл. № 20.
1'2010
www.rifsm.ru
47
