CC BY
11Методика расчета эксплуатационных затрат напечатанных затрат
со см о см
!Л
О Ш
т
X
<
т О X X
Кротов Олег Михайлович
студент, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, krotovom@mail.ru
Кузнецов Максим Владимирович
студент, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), kuzkuz677@gmail.ru
Птухина Ирина Станиславовна
кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, irena_ptah@mail.ru
Одна из самых быстро развивающихся отраслей современного строительства - строительная печать все сильнее начинает выглядеть не как необычный стартап проект, а применимая для строительства жилых объектов технология. Все больше появляется компаний уже в данный момент готовые предложить возведение ИЖС на строительном принтере. Однако скорость развития данной технологии сильно опережает возможные возникающие проблемы при эксплуатации данных зданий и сооружений, в данной работе рассматриваются эксплуатационные затраты потребителя решившего приобрести себе дом, возведенный по данной технологии. В процесс проведения исследовательской деятельности по строительной печати была разработана смесь для применения в печати зданий и сооружений. Для получения эксплуатационных характеристик были проведены испытания на прочность и теплотехнику. По результатам данных исследований смесь показала класс прочности равный классы прочности цемента 32.5 Мпа. А по теплотехническим показателям сопротивление теплопередаче составило 3,06 Вт/м2. На основе нормативных документов по жилищно-коммунальному хозяйству были выделены основные методики расчета эксплуатационных затрат для жилых зданий на обслуживание. Применяя данные методики расчета, а также теплотехнический расчет по теп-лопотерям зданий было проведен сравнительный расчет затрат на эксплуатацию двух зданий одинаковых габаритных размеров и форм, но одно было исполнено обычными материалами, а второе напечатанное на строительном принтере. По итогу, благодаря возможностям применения нестандартных форм и физическим характеристиками материалов, применяемых в строительной печати, напечатанный дом за весь срок эксплуатации вышел дешевле на 8.2% чем его аналог из классических материалов. В итоге, напечатанные дома не только выигрывают по стоимости возведения у обычных, но и экономят на своей эксплуатации для конечного потребителя.
Ключевые слова: аддитивные технологии, строительная печать, напечатанные здания и сооружения, строительный принтер, эксплуатационные затраты.
Введение
Аддитивные технологии, также известные как 3D-печать, давно применяются в производственной сфере и медицине. В последние годы, эти технологии все больше привлекают внимание в строительстве благодаря своим преимуществам: быстроте, гибкости и экономической эффективности. Аддитивные технологии открывают новые возможности в проектировании и строительстве зданий, мостов, дорог и других инфраструктурных объектов. Кроме того, использование этих технологий позволяет уменьшить воздействие на окружающую среду и создать более безопасные и устойчивые конструкции [6-10].
Сам процесс возведения здания происходит послойно на специальном оборудование схожим с принтерами по пластику (рисунок 1), но основной его элемент — это выдавливающая головка для смеси, схема расположения элементов принтера представлена на рисунке 2.
Рисунок 1. Схема работы строительного принтера
Рисунок 2. Расположение элементов принтера
Одна из главных преимуществ аддитивных технологий в строительстве — это возможность быстрой и точной подгонки деталей, что позволяет ускорить процесс строительства и снизить количество ошибок. С помощью 3D-печати можно проектировать и изготавливать элементы зданий, такие как фасады, колонны, бетонные панели, перекрытия и даже целые помещения [11].
Другим преимуществом аддитивных технологий в строительстве является их экономичность. Печать деталей в здании
может снизить затраты на транспортировку, складирование и утилизацию материалов. Также можно использовать более экологически чистые материалы, такие как биопластик, что дает возможность уменьшить отходы [11-13].
Наконец, аддитивные технологии могут существенно увеличить скорость и производительность строительства, позволяя строителям быстро и точно создавать и монтировать здания.
По всем этим причинам, аддитивные технологии могут революционизировать строительную индустрию, и, судя по их текущему успеху, они очень перспективны в будущем.
Материалы и методы
Для расчета эксплуатационных затрат требуется провести экспериментальные исследования конструкций и материалов, применяемых в строительной печати. На основе разработанной нами смеси для строительной печати были проведены испытания данной смеси на прочность по ГОСТ 18105-2018, а также теплотехнические испытания по ГОСТ 530 и ГОСТ Р 54853.
Для проведения испытаний образцов используется пресс-комбинированная машина. Машина должна иметь диапазон нагрузки до 10 кН с точностью до ±1,0 % и скорость нагрузки в 50±10 Н/сек. При этом опоры и верхняя часть образцов должны иметь круглую форму диаметром 10,0±0,5 мм, а расстояние между нижними опорами должно быть 100±0,5 мм при длине опорных элементов от 45 до 50 мм. Нагрузка на образец осуществляется по схеме, изображенной на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема проведения испытаний на изгиб
Предел прочности на изгиб рассчитывается по формуле
2.19:
r _ 1.5 ■ Ff ■ l
Rf _f
(1)
где: R/ — предел прочности при изгибе, МПа;
Ь — ширина поперечного сечения призмы, мм;
F^ — максимальная нагрузка, предшествующая моменту разрушения образца, Н;
I — расстояние между опорными элементами, мм.
Испытание на сжатие проходит после испытания на изгиб. Половинки балок устанавливаются в специальную комбинированную машину для испытаний половинок образцов из раствора с фиксированной площадью 1600 мм2. Результаты представляются в МПа (соответствует Н/мм2). Усилие прилагается вертикально до момента разрушения.
Предел прочности на сжатие считает по формуле 2:
R _
F
(2)
' 1600
где: Rс — предел прочности на сжатие, МПа; Fс — максимальное усилие, предшествующее разрушению образца, Н;
1600 — площадь накладных пластин, (40х40 мм) мм2.
Для испытаний на теплотехнику в полости внутри стены были установлены элементы минеральной ваты, как самый популярный и легко устанавливаемый вариант утеплителя.
Испытания проводились по ГОСТ 530 и ГОСТ Р 54853. При проведении испытаний температура и относительная влажность воздуха в отсеках климатической камеры поддерживалась автоматически с точностью ±1 °С и ±5 % соответственно.
Приведенное термическое сопротивление теплопередаче участка стены определялось как средневзвешенное значение Rпрк по формуле 3, а приведенное сопротивление теплопередаче кладки Rпро по формуле 4.
£ ^ • А (3)
Rk
Z A,
где: Rкi - термическое сопротивление теплопередаче ко участка стены, м2/Вт.;
А - площадь ко участка стены, м.
Rnp _
.+ rk + —
а..
(4)
где: Rпрк - приведенное термическое сопротивление теплопередачи стены м2/Вт;
авн, ан - коэффициенты теплоотдачи с внутренней и внешней сторон кладки, Вт/(м2).
Средние значения температуры воздуха в теплом Ьрв и холодном ^рн отсеках климатической камеры измерялись на расстоянии 0,1 м от поверхностей стены, равны соответственно 19,7 и -28,1 0С. Среднее значения коэффициента теплоотдачи с внутренней стороны стены асрв равно 8 Вт/(м2), с внешней стороны асрн - 17,5 Вт/(м2).
После получения данный по теплотехническим испытаниям для проведения теплотехнического расчета здания используется формула 5
Qo
n • (tint - text) • A
R„
(5)
где: n- коэффициент, принимаемый в зависимости от положения ограждения по отношению к наружному воздуху/ Для наружных стен и бесчердачных перекрытий n = 1;
tint - расчетная температура внутреннего воздуха, °С; text - расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С; А - площадь стены, м2.
R0 -фактическое сопротивление наружного ограждения. На основе данной формулы производится расчет каждой ограждающей стены и собираются общие теплопотери зданий.
Для получения значений затрат на отопление напечатанного здания используется формула 6.
P _ V• t• 8,6•lO-7 • Q (6)
где: P - это полная оплата, руб.; V - это потери тепла за отопительный сезон, Гкал; t - это время в месяце = 672 ч.; Q - это цена за 1 Гкал тепловой энергии, Гкал/руб. Помимо затрат на отопление для любого здания существуют затраты на его обслуживание рассчитывающиеся по формуле 7.
С _ С _ + С + С + С + С + С
С
С,
(7)
убор м тер от г проч ТБО лифт
где: С - годовые минимально необходимые затраты на выполнение работ и оказание услуг, входящих в Типовой перечень, руб.;
Субор - минимальные годовые затраты на работы по санитарной уборке подъездов и лестничных клеток, входящие в Типовой перечень, руб.;
См - минимальные годовые затраты на работы и услуги по содержанию мусоропровода, входящие в Типовой перечень, руб.;
I I О CD А J=
вн
со см
0 см
!Л
01
О Ш
т
X
<
т О X X
Стер - минимальные годовые затраты на работы по содержанию придомовой территории, входящие в Типовой перечень, руб.;
Сот - минимальные годовые затраты на работы и услуги по содержанию и обслуживанию системы отопления, входящие в Типовой перечень, руб.;
Сг - минимальные годовые затраты на работы и услуги по обслуживанию газовых сетей, входящие в Типовой перечень, руб.;
Спроч- минимальные годовые затраты на прочие работы и услуги по содержанию общего имущества в многоквартирных домах, входящие в Типовой перечень;
СТБО - годовая стоимость вывоза твердых бытовых отходов, руб.;
Слифт - годовая стоимость работ по обслуживанию и ремонту лифтов, руб.
Расчет минимально необходимых годовых затрат на работы по санитарной уборке подъездов и лестничных клеток, входящих в Типовой перечень, осуществляется по формуле 8:
Субор ^С
убор1
(8)
Параметр здания Монолитный дом Напечатанный дом
1. Этажность, эт. 3 3
2. Общая площадь, м2 1278,9 1163,7
3. Площадь МОПов, м2 124,2 86,2
4. Площадь лестничных площадок и маршей, м2 63 54
5. Площадь этажа, м2 426,3 387,9
6. Площадь подвала, м2 426,3 387,9
7. Площадь территории, м2 1500 1500
Монолитный дом Напечатанный дом
Субор1 (руб) 78305 58645
Субор4 (руб) 23315 17461
Субор6 (руб) 5000 5000
Субор7 (руб) 2002 1823
С/бор8 (руб) 1417 1417
Стер (руб) 257325 237510
Сот (руб) 258 258
Спр(руб) 53344 53344
Итого (руб): 420956 375458
По итогам данного расчета напечатанное здание за счет только возможности применения сложных геометрических форм способно сэкономить на своей эксплуатации порядка 10,8% в год в сравнение с обычным монолитным домом.
По итогам всех испытаний на прочность были получены результаты разработанной смеси, которые представлены в таблице 3.
Таблица 3
где: Субор - минимальные годовые затраты на работы по санитарной уборке подъездов и лестничных клеток, входящих в Типовой перечень, руб.;
Субср - минимальные годовые затраты на i работу по санитарной уборке подъездов и лестничных клеток, руб.
На основе экспериментальных исследований и методик расчета были рассчитаны затраты для двух идентичных домов, но один выполнен из монолитного бетона, а второй напечатан на ЗД-принтере.
Результаты исследования
Руководствуясь методикой, описанной в данной статье, было проведено сравнение эксплуатационных затрат для двух схожих по габаритным размерам зданий. Одно исполнено в стандартном варианте с монолитными стенами, а второе выполнено технологией строительной печати, технические характеристики представлены в таблице. 1.
Таблица 1
Номер образца Предел прочности на изгиб, МПа Предел прочности на сжатие, МПа Схожая марка цемента
1 5,74 42,13 М400
2 5,78 47,50 М400
3 5,42 46,32 М400
4 5,62 41,12 М400
5 5,89 45,63 М400
6 5,63 44,35 М400
7 5,12 48,62 М400
8 5,89 47,15 М400
9 5,76 42,36 М400
По итогам испытаний все образцы показывают прочность на ровне цемента марки М400, что по итогу дает бетон прочностью не менее В20, а значит конструкции напечатанные на 3Д принтере не уступают по прочности классическим бетонным и из газоблока.
Результаты измерений теплотехнических характеристик стены приведены в таблице 4. Средние значения температуры воздуха в теплом !срв и холодном Ьрн отсеках климатической камеры измерялись на расстоянии 0,1 м от поверхностей стены, равны соответственно 19,7 и -28,1 0С. Среднее значения коэффициента теплоотдачи с внутренней стороны стены асрв равно 8 Вт/(м2), с внешней стороны асрн - 17,5 Вт/(м2).
Таблица 4
Вид конструкции Средний тепловой поток qср, Вт/м2 Средняя температура, °С Термическое сопротивление теплопередаче Rk, Вт/м2
на внутренней поверхности тсрв, °С на наружной поверхности тсрн, °С
Печатная стена 34,1 14,6 -25,3 3,06
Отталкиваясь от описанной методики и технических характеристик, был произведен годовых затрат на эксплуатацию данных домов по формулам 7-8. Ниже представлен вариант расчета для напечатанного дома, обычный дом рассчитывается аналогично и результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Общие теплопотери монолитного здания рассчитываются по методике из СП 23-101-2004 по формулам 5 и 6. Итоговые теплопотери для монолитного дома составляют 14020 Вт, и итоговые значения затрат на отопление считает по формуле:
Р=14020• 672-8,6-107-1818,7=36839руб/мес
2. Расчет для печатного дома происходит по тем же формулам и методикам. Итоговые теплопотери для напечатанного дома составляют 13560 Вт, итоговые затраты определяются по формуле:
Р = 13560 • 672 • 8,6-107-1818,7 = 35631руб/мес Заключение и обсуждение
По итогам всех расчетов оба вида домов рассчитаны на стандартную эксплуатацию в 50 лет и имеют по 15 квартир, исходя из этого срока были рассчитаны затраты на 1 квартиру в
течение всего срока эксплуатацию зданий. Результаты представлены в таблице 5
Таблица 5
Виды затрат на 1 квартиру Монолитный дом Напечатанный дом
Платежи за обслуживание дома в месяц, руб 2338,6 2085,8
Платежи за услуги отопления за 1 месяц, руб 2455,9 2375,4
Платежи за обслуживание дома в год, руб 28063,2 25029,6
Платежи за услуги отопления за 1 отопительный сезон, руб 14735,5 14252,4
Итоговые затраты за срок эксплуатации, руб 2139935 1964100
По итогам расчета эксплуатационных затрат на содержание двух одинаковых домов, но один в монолитном исполнение, а второй напечатанный на строительном 3Д-принетере можно сделать несколько выводов:
1. Благодаря легкому исполнению любых форм здания применяем технологии строительной печати способно уменьшить базовые затраты на обслуживание жилого дома на 10,8% в год
2. Итоговые затраты потребителя на обслуживание своей квартиры в данных домах меньше на 8,2% за весь срок эксплуатации в непечатном доме
3. Напечатанные конструкции стен способны уменьшить теплопотери благодаря своей форме на 3,2%.
Также были проведены экспериментальные испытания на прочность для смеси, разработанной для строительной печати, и показали результаты в 32.5м Мпа. Помимо прочностных испытаний были проведены теплотехнические испытания, которые показали, что напечатанные конструкции не уступают по своих характеристиками всем классическим варианта а какие-то даже превосходят.
Литература
1. Жилищный кодекс Российской Федерации от 29 декабря 2004 г. N 188-ФЗ.
2. Постановление Правительства РФ от 13 августа 2006 г. N 491 "Об утверждении Правил содержания общего имущества в многоквартирном доме и Правил изменения размера платы за содержание и ремонт жилого помещения в случае оказания услуг и выполнения работ по управлению, содержанию и ремонту общего имущества в многоквартирном доме ненадлежащего качества и (или) с перерывами, превышающими установленную продолжительность".
3. Методические рекомендации по финансовому обоснованию тарифов на содержание и ремонт жилищного фонда (утв. приказом Госстроя РФ от 28 декабря 2000 г. N 303).
4. Постановление Правительства РФ от 3 апреля 2013 г. N 290 "О минимальном перечне услуг и работ, необходимых для обеспечения надлежащего содержания общего имущества в многоквартирном доме, и порядке их оказания и выполнения".
5. Постановление Правительства РФ от 6 февраля 2006 г. N 75 "О порядке проведения органом местного самоуправления открытого конкурса по отбору управляющей организации для управления многоквартирным домом".
6. Несветаев, Г. В. О влиянии состава модифицированного гипсоглиноземистого расширяющегося цемента на прочность и темп твердения / Г. В. Несветаев, С. А. Удодов, О. А. Бычкова // Интернет-журнал Науковедение. - 2015. - Т. 7, № 6(31). - С. 122. - DOI 10.15862/01^615.
7. Лесовик, В. С. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении / В. С. Лесовик. - 2-е издание, дополненное. - Белгород : Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2016. - 287 с. - ISBN 978-5-361-00354-9.
8. K. T. Jeong, J. Y. Yun, K. H. Kim, D. Lee. (2020) Development of Operation Technology and TwoSided Multi-Point Press Equipment for Improving Accuracy of FCP. Journal of Test Engineering & Management. 83vol:4222-4233.
9. K. Lee. (2008) Construction Issues of Irregular-Shaped Buildings. Architectural institute of korea. 52(4):63-65.
10. D. Lee, D. B. Jang, S. Kim. (2014) Production Technology of Free-form Concrete Segments using Phase Change Material. International Conference on Advances In Civil and Structural Engineering. CSE 2014, Kuala Lumpur, Malaysia. 45-48. 4. H. H. Kim, E. C. Kang. (2010) Dongdaemun Design Plaza & Park. Magazine of the Korea Concrete Institute. 22(5):100-104
11. R.W.A. Verhaegh. (2010) Free forms in concrete: the fabrication of free-form concrete segments using fabric formwork [master's thesis]. Eindhoven University of Technology. 153 p.
12. K. Kim, C. Lim, S. Kim. (2013) A basic study of manufacturing technology of free-form concrete segments. Conference of the Korea Institute of Building Construction. 13(1):12-13.
13. J. H. Seo, D. H. Hong. (2017) 3D Cutting Machine of EPS Foam for Manufacturing Free-Formed Concrete Mold. Journal of the Korean Society for Precision Engineering. 34(1):35-39
Methodology for calculating the operating costs of printed costs Krotov O.M., Kuznetsov M.V., Ptukhina I.S.
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
JEL classification: G20, G24, G28, H25, H30, H60, H72, H81, K22, K34
One of the fastest growing branches of modern construction - construction printing is increasingly starting to look not like an unusual startup project, but a technology applicable for the construction of residential facilities. More and more companies are already appearing at the moment ready to offer the construction of residential housing on a construction printer. However, the speed of development of this technology is far ahead of the possible problems that arise during the operation of these buildings and structures, this paper examines the operating costs of a consumer who has decided to purchase a house built using this technology. In the process of conducting research on construction printing, a mixture was developed for use in printing buildings and structures. In order to obtain operational characteristics, strength and thermal engineering tests were carried out. According to the results of these studies, the mixture showed a strength class equal to the cement strength classes of 32.5 Mpa. And according to thermal engineering indicators, the resistance to heat transfer was 3.06 W/m2. On the basis of normative documents on housing and communal services, the main methods of calculating operating costs for residential buildings for maintenance were identified. Using these calculation methods, as well as heat engineering calculation for heat losses of buildings, a comparative calculation of the operating costs of two buildings of the same overall dimensions and shapes was carried out, but one was made with conventional materials, and the second was printed on a construction printer. As a result, due to the possibilities of using nonstandard forms and the physical characteristics of materials used in construction printing, the printed house for the entire service life came out cheaper by 8.2% than its counterpart from classical materials. As a result, printed houses not only benefit from the cost of construction from ordinary ones, but also save on their operation for the end user.
Keywords: additive technologies, construction printing, printed buildings and structures, construction printer, operating costs.
References
1. Housing Code of the Russian Federation of December 29, 2004 N 188-ZZ.
2. Resolution of the Government of the Russian Federation of August 13, 2006 N 491
"On approval of the Rules for the maintenance of common property in an apartment building and the Rules for changing the amount of payment for the maintenance and repair of residential premises in the case of services and work on the management, maintenance and repair of common property in an apartment building of inadequate quality and (or) intermittently, exceeding the prescribed duration.""
3. Methodological recommendations on the financial justification of tariffs for the
maintenance and repair of housing stock (approved by the Order of the State Construction Committee of the Russian Federation of December 28, 2000 N 303).
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О
м
CJ
4. Decree of the Government of the Russian Federation of April 3, 2013 In N 290 "On
the minimum list of services and works necessary to ensure the proper maintenance of common property in an apartment building, and the procedure for their provision and execution"".
5. Resolution of the Government of the Russian Federation of February 6, 2006 N 75
""On measures to prevent unauthorized access"" of the management organization for the management of an apartment building"".
6. Nesvetaev, G. V. On the influence of the composition of modified gypsum-alumina
expanding cement on the strength and rate of hardening / G. V. Nesvetaev, S. A. Udodov, O. A. Bychkova // Online journal of Science Studies. - 2015. - Vol. 7, No. 6(31). - p. 122. - DOI 10.15862/01TVN615.
7. Lesovik, V. S. Geonics (geomimetics). Examples of implementation in building
materials science / V. S. Lesovik. - 2nd edition, supplemented. - Belgorod : Belgorod State Technical University named after V.G. Shukhov, 2016. - 287 p. -ISBN 978-5-361-00354-9.
8. K. T. Jung, J. Y. Yun, K. H. Kim, D. Lee. (2020) Development of operation
technology and equipment for a two-way multipoint press to improve the accuracy of FCP. Journal of test development and management. 83vol: 42224233.
9. K. Li. (2008) Problems of construction of buildings of irregular shape. Architectural
Institute of Korea. 52(4): 63-65.
10. D. Lee, D. B. Jang, S. Kim. (2014) Technology of production of concrete segments
of arbitrary shape using a material with a phase transition. International Conference on Achievements in the Field of Civil Engineering. CSE 2014, Kuala Lumpur, Malaysia. 45-48. 4. H. H. Kim, E. S. Kang. (2010) Dongdaemun Design Plaza & Park. Journal of the Korean Concrete Institute. 22(5): 100-104
11. R.V.A. Verheg. (2010) Free forms in concrete: production of free-form concrete
segments using fabric formwork [Master's thesis]. Eindhoven University of Technology. 153 p .
12. K. Kim, S. Lim, S. Kim. (2013) Fundamental research of the technology of manufacturing concrete segments of arbitrary shape. Conference of the Korean Institute of Building Construction. 13(1): 12-13.
13. J. H. Seo, D. H. Hong. (2017) 3D polystyrene foam cutting machine for the
production of free-form concrete mold. Journal of the Korean Society of Precision Engineering. 34(1): 35-39
fO CN O CN
U3
O HI
m x
<
m o x
X
