CC BY
22УДК 699.86:691.327.33
Т.А. КОРНИЛОВ, д-р техн. наук, И.Р. КЫЧКИН, инженер
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова (677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58)
Наружные ограждающие конструкции с применением автоклавного пенобетона для каркасно-монолитных зданий Якутска
С учетом климатических особенностей Крайнего Севера и на основе опыта строительства разработаны конструктивные решения стен из пенобетонных блоков автоклавного твердения для каркасно-монолитных зданий. В торцах железобетонных перекрытий в качестве дополнительной теплозащиты предложены термовкладыши из минераловатных плит. Дан анализ полученных температурных полей для стеновых конструкций с разной толщиной термовкладышей. Приведены результаты тепловизионного обследования многоэтажного дома с наружными стенами из пенобетонных блоков в Якутске. Выполнено сравнение теоретических значений температуры на поверхности стены с фактическими данными. Рассмотрены дополнительные пути повышения теплозащитных свойств стеновых ограждений с применением пенобетонных блоков.
Ключевые слова: тепловая защита, автоклавный пенобетон, энергоэффективность, температурные поля, ограждающие конструкции, тепловизионная съемка.
T.A. KORNILOV, Doctor of Sciences (Engineering), I.R. KYCHKIN, Engineer
M.K. Ammosov North-Eastern Federal University (58, Belinsky Street, Yakutsk, 677000, Russian Federation)
External Enclosing Structures with the Use of Autoclaved Concrete for Frame-Monolithic Buildings of Yakutsk
Structural concepts of walls made of foam concrete blocks of autoclaved hardening for frame-monolithic buildings have been developed with due regard for climatic features of the Far North and on the basis of construction experience. Heat-insulating inserts made of mineral wool are proposed to use in the ends of reinforced concrete floors as additional heat protection. The analysis of temperature fields obtained for wall structures with different thickness of heat-insulating inserts is made. Results of the thermal imaging inspection of a high-rise building with external walls made of foam concrete in Yakutsk are presented. The comparison of theoretical values of temperature on the wall surface with factual data is made. Additional ways of improving heat protection properties of wall enclosures with the use of foam concrete blocks are considered. Keywords: heat protection, autoclaved foam concrete, energy efficiency, temperature fields, enclosing structures, thermal imaging survey.
Ежегодно в Якутске вводится в эксплуатацию около 200 тыс. м2 жилых многоэтажных зданий с железобетонным каркасом. При этом в качестве стеновых ограждений традиционно используются бетонные блоки с наружной теплоизоляцией из минераловатных или пено-полистирольных плит. Бетонные блоки являются теплопроводными включениями и снижают сопротивление теплопередаче наружного ограждения в угловом соединении «стена—цокольное перекрытие» [1]. В данной статье рассмотрена возможность применения пено-бетонных блоков автоклавного твердения конструктивно-теплоизоляционного класса в наружных ограждениях многоэтажных зданий с монолитным железобетонным каркасом в условиях Крайнего Севера. В настоящее время малым инновационным предприятием СВФУ «Стройкомпозит» на основе разработанного технологического регламента организовано производство пенобетонных блоков автоклавного твердения с использованием местного сырья.
Известно, что автоклавный ячеистый бетон характеризуется отличными теплоизоляционными и звукоизоляционными показателями. При использовании блоков из ячеистого бетона появляется возможность уменьшения толщины наружного теплоизоляционного слоя или полного отказа от него. Стеновые ограждения этого типа обладают повышенной ремонтопригодностью, так как высокие теплозащитные свойства автоклавного пенобетона позволяют проводить монтаж теплоизоляционного слоя стенового ограждения в холодный период года. Кроме того, немаловажным фактором для холодных регионов является высокая теплоаккумулирующая способность стенового ограждения с применением бло-
ков из автоклавного пенобетона. Как показал опыт запуска тепла в 9-этажном жилом доме в Якутске, длительность предварительного обогрева здания с предлагаемыми ниже конструкциями стен с использованием блоков из автоклавного пенобетона составляет не более 12 ч при температуре наружного воздуха -30оС, тогда как для зданий с традиционными решениями стен этот процесс занимает 2 сут и более.
В России многими крупными производителями газобетонных блоков разработаны рекомендации по проектированию и возведению стен с использованием своей продукции [2—4]. В основном предлагаются конструктивные решения стен домов на фундаментах мелкого заложения с самонесущими или несущими стенами с применением ячеистого бетона в виде конструктивно-теплоизоляционного материала. Для многоэтажных зданий с железобетонным каркасом рекоме-дуется использовать автоклавный газобетон в виде теплоизолирующего слоя или предусмотреть перфорацию плиты газобетонными теплоизоляционными вкладышами D400.
В 2013 г. Национальной ассоциацией производителей автоклавного газобетона издан стандарт организации СТО НААГ 3.1—2013 «Конструкции с применением автоклавного газобетона в строительстве зданий и сооружений. Правила проектирования и строительства». Предложенные в этом стандарте конструктивные решения стен являются наиболее оптимизированным обобщением опыта строительства, накопленного в России и за рубежом в последние годы. Авторами [5, 6] рассмотрены различные варианты сопряжения наружных стен с монолитным междуэтажным перекрытием и балкон-
100 300
а -20°С 00С 100С +17,740С 6 -200С00С 10°С +18,3880С в -200С 00С 100С +18,9350С
'ТЕ
>1—
Рис. 1. Конструктивное решение наружной стены из автоклавного пенобетона: 1 - монолитная плита перекрытия (1=1,92 Вт/(м0С)); 2 - авто-клавные пенобетонные блоки D600 (1=0,16 Вт/(м0С)); 3 - минераловатные плиты марки П125 (1=0,042 Вт/(м0с)); 4 - клеевой раствор (1=0,7 Вт/(м0С)); 5 - цементно-песчаный раствор (1=0,76 Вт/(м0С)); 6 - теплоизоляционный вкладыш из минераловатной плиты П125 (1=0,042 Вт/(м0С)); 7 - пакля (1=0,06 Вт/(м0С)); 8 - пенополиуретан (1=0,036 Вт/(м0С))
ной плитой с целью повышения энергоэффективности зданий. Вместе с тем многие конструктивные решения стен и узлов зданий недостаточно учитывают высокие требования по тепловой защите зданий в сложных климатических условиях Крайнего Севера.
В многоэтажных зданиях с железобетонным каркасом мостики холода возникают на участках расположения монолитных перекрытий. Вопрос влияния теплотехнической неоднородности на теплозащитные свойства не раз поднимался разными авторами [7—9]. С учетом этой проблемы при выборе конструктивного решения стен рассматривались двухслойные конструкции: кладка из пенобетонных блоков автоклавного твердения толщиной 300 мм и наружная теплоизоляция из минераловатных плит плотностью 125 кг/м3 толщиной 100 мм с учетом нормируемого значения приведенного сопротивления теплопередаче (рис. 1). При таком конструктивном решении минераловатные плиты создают не только теплоизоляционный слой, но и перекрывают торцы железобетонных плит. Для обеспечения прочности крепления кронштейнов вентилируемого фасада предлагается использовать пено-бетонные блоки автоклавного твердения плотностью D600. При кладке используется специальный раствор (клей), который позволяет снизить толщину швов до 1—3 мм, тем самым повышая теплозащитные свойства стены.
Кладка выполняется с некоторым свесом на каждом этаже, что позволяет также заполнить создаваемое пространство теплоизоляционным вкладышем. Однако, как показывает опыт строительства каркасных зданий, здесь имеется проблема отклонения краев монолитных перекрытий по вертикали. Например, в результате геодезической съемки железобетонного каркаса 9-этажного жилого дома в Якутске установлено, что при выполнении монолитных работ отклонения плит между собой по вертикали составляют от 0 до 80 мм. С учетом этого рассмотрены различные варианты опирания кладки из блоков без свеса и со свесом до 80 мм с дополнительным
Рис. 2. Результаты расчета распределения температуры в стеновом ограждении при температуре наружного воздуха -520С: а - без свеса кладки; 6 - со свесом кладки 40 мм и при наличии термовкладыша; в - со свесом кладки 80 мм и при наличии термовкладыша
теплоизоляционным вкладышем между торцом междуэтажного перекрытия и наружным теплоизоляционным слоем. Следует отметить, что наиболее трудоемким технологическим процессом является кладка верхнего ряда блоков, где между верхним краем кладки и междуэтажным перекрытием невозможно качественно уложить раствор. На этом участке предлагается горизонтальный зазор проконопатить льняной паклей и заполнить пенополиуретаном (рис. 1). Преимущества такого технологического решения в последующем подтверждены практикой.
Для определения теплотехнических параметров предлагаемой ограждающей конструкции с применением автоклавного пенобетона для каркасно-монолитных зданий использована сертифицированная программа SHADDAN 3D ST. Программа позволяет определять пространственные температурные поля конструкций любой сложной конфигурации, граничащие со средами с различными параметрами. Задача решается методом сеток с помощью разностной схемы второго порядка точности по пространственным переменным на неравномерной прямоугольной сетке [10]. Расчет температурных полей стеновых ограждений выполнен при расчетной температуре наружного воздуха ^=-52°С для Якутска и внутреннего воздуха ^=+20°С. Для расчета рассмотрен фрагмент ограждающей конструкции в зоне расположения междуэтажного перекрытия высотой 3 м и шириной 1,5 м.
Результаты расчета показали, что в стеновой конструкции без свеса кладки линия с нулевой температурой вне участка перекрытия проходит внутри кладки из пенобетонных блоков на расстоянии примерно 100 мм от границы с теплоизоляционным слоем (рис. 2, а). Температурные линии на участке расположения железобетонного перекрытия резко преломляются и сдвигаются в наружную сторону, что связано с высокой теплопроводностью железобетонного перекрытия. Наименьшая температура на внутренней поверхности стены наблюдается в угловой зоне примыкания кладки и плиты перекрытия tв тП=+17,75 °С, что выше температуры выпадения конденсата (^=+11,6 оС при ф(^=55%). Температура в угловых зонах с внутренней стороны сверху и снизу перекрытия примерно одинакова. Средняя температура на поверхности стенового ограждения составляет ^=+18,96°С, что выше нормируемого
2
3
4
5
6
8
7
научно-технический и производственный журнал
16 июнь 2016 ЩДОаЭД1Д/ '
значения температуры (рис. 2, а). Отдельным расчетом установлено, что тарельчатый дюбель для крепления теплоизоляционных плит из стеклопластика играет незначительную роль при формировании температурного поля стенового ограждения, а стальной кронштейн фасадной конструкции оказывает локальное влияние на распределение температуры.
Для исследования влияния плиты перекрытия на теплозащитные свойства стенового ограждения отдельно проведены расчеты температурного поля стены со свесом кладки наружу на 40 и 80 мм и соответственно с теплоизолирующим вкладышем из минераловатной плиты. При применении дополнительного теплоизолирующего вкладыша минимальная температура на внутренней поверхности немного повышается на 0,64 и 1,19оС соответственно при свесе кладки 40 и 80 мм. При наличии дополнительного теплоизолирующего вкладыша линия с нулевой температурой смещается вовнутрь по толщине плиты (рис. 2, б, в).
Согласно расчетам приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции с кладкой без свеса и с термовкладышами толщиной 40 и 80 мм составляет соответственно 4,1 4,27 и 4,38 м2-°С/Вт, что ниже нормируемого значения. Вместе с тем действующие нормы по теплозащите зданий позволяют снижение нормируемого значения приведенного сопротивления для стен при выполнении расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания.
Для примера выполнен расчет удельного расхода тепловой энергии на отопление объекта «Жилой дом с общественными помещениями по ул. Сергеляхская, 2/4 в Якутске» (рис. 3). На данном объекте в качестве наружного ограждения применена предлагаемая стеновая конструкция с использованием пенобетонных блоков из автоклавного пенобетона D600, теплоизоляции толщиной 100 мм из минераловатных плит и вентилируемого фасада. Толщина термовкладышей по торцам железобетонных перекрытий каркаса здания в среднем составила 50 мм. Результаты расчета с учетом площадей стеновых ограждений, окон, дверей, цокольного перекрытия, покрытия и климатических условий для Якутска показали, что удельный расход тепловой энергии на отопление для рассматриваемого объекта составляет 64,82 кДж/(м2^Осут), что ниже требуемого расхода 96,2 кДж/(м2^Осут). Таким образом, нормируемое значение приведенного сопротивления стен с применением блоков из пенобетона автоклавного твердения можно принять Rонорм=5,^0,8=4,08 м2-°С/Вт.
Для оценки теплозащитных свойств предлагаемых решений ограждающих конструкций проведены натурные обследования 9-этажного жилого дома с железобетонным каркасом, построенного по проекту авторов статьи (рис. 3). Результаты тепловизионной съемки показали, что в целом предлагаемые решения наружных ограждений отвечают требованиям норм по теплозащите зданий. На наиболее проблемных зонах — участках примыкания кладки из пенобетонных блоков к нижней стороне междуэтажного перекрытия утечки тепла не наблюдается. Анализ термограмм на нижних этажах, где инфильтрация воздуха гораздо выше, чем на верхних, показал, что предлагаемые технологические решения примыкания кладки к перекрытию обеспечивают воздухонепроницаемость и соответственно теплозащитные свойства на данных участках ограждения отвечают нормам.
На рис. 4 приведены термограммы участков стеновых ограждений со свесом кладки 30, 50 и 80 мм. При этом тепловизионная съемка угловых участков примыкания стеновых ограждений проведена с нижней и верхней сторон междуэтажного перекрытия. Для сравнения
Рис. 3. Монолитно-каркасный жилой дом с применением пенобетонных блоков автоклавного твердения в Якутске
с действительной картиной выполнены температурные расчеты при температуре наружного воздуха ^=-30°С в день проведения обследования и при различной температуре внутреннего воздуха tв на разных отметках здания. В таблице приведено сравнение теоретических и фактических значений температуры по глади стен (линии 1 и 4) и угловой зоне (линии 2 и 3). Расхождение теоретических и фактических значений температуры на поверхности стены составляет от +0,12 до +2,8°С, в угловой зоне — от -1,93 до +1,93°С. Следует отметить, что с учетом фактического нестационарного процесса и влияния имеющихся отопительных приборов в целом расхождение значений температуры находится в допустимых пределах.
Теплозащитные свойства предлагаемого стенового ограждения можно повысить путем перфорации железобетонного перекрытия с термовкладышами из пено-полистирола, как это принято делать проектировщиками в местах расположения балконов зданий [5, 6]. Такой конструктивный подход несколько улучшает температурный режим на этом участке стенового ограждения. Однако, как показывает опыт строительства каркасных зданий, при этом значительно повышается трудоемкость монолитных работ на строительной площадке и соответственно увеличивается время возведения каркаса, что нежелательно в условиях короткого строительного сезона в северных районах.
С учетом результатов натурных обследований и первого опыта строительства каркасного здания с применением блоков из автоклавного пенобетона предлагается кладку верхнего ряда блоков выполнять заподлицо с торцом железобетонного перекрытия (рис. 5, а). В этом случае теплоизоляционный вкладыш будет надежно перекрывать стык верхнего ряда кладки с железобетонным перекрытием. Минимальная температура в угловой
Рис. 4. Термограммы участков стенового ограждения с верхней и нижней отметки междуэтажного перекрытия при температуре наружного воздуха -30°С: а - со свесом 30 мм; 6 - со свесом 50 мм; в - со свесом 80 мм
Сравнение теоретических и фактических значений температуры
в °С Величина свеса кладки, мм Среднее значение температуры по линиям,oC
1 2 3 4
+30,5 30 ^теор +29,14 +27,78 +28,32 -
°-факт +31,9 +28,08 +29,15 -
+28,5 50 ^теор +27,2 +26,06 +26,53 +27,2
°-факт +29,15 +24,12 +24,96 +28,2
+28 80 ^теор +27,2 +25,83 - -
^факт +27,32 +24,08 - -
Примечание. 1 и 4 - линии по глади стены; 2 и 3 - линии по угловому участку.
Рис. 5. Конструктивное решение стенового ограждения с исполнением верхнего ряда блоков заподлицо с торцом железобетонного перекрытия: а - конструктивное решение; б - температурное поле; 1 - монолитная плита перекрытия (1=1,92 Вт/(м0С)); 2 - автоклавные пенобе-тонные блоки D600 (1=0,16 Вт/(м0С)); 3 - минераловатные плиты марки П125 (1=0,042 Вт/(м0С)); 4 - клеевой раствор (1=0,7 Вт/(м0С)); 5 - цементно-песчаный раствор (1=0,76 Вт/(м0С)); 6 - теплоизоляционный вкладыш из минераловатной плиты П125 (1=0,042 Вт/(м0С)); 7 - пакля (1=0,06 Вт/(м0С)); 8 - пенополиуретан (1=0,036 Вт/(м0С))
зоне при расчетной температуре наружного воздуха для Якутска составляет 18,45оС, приведенное сопротивление 4,32 м2-°С/Вт (рис. 5, б).
Таким образом, предлагаемые решения стеновых наружных ограждений многоэтажных зданий с монолитным железобетонным каркасом в целом отвечают требованиям теплозащиты зданий в условиях Крайнего Севера. В дальнейшем планируется проведение длительного мониторинга многоэтажных каркасных зданий с применением пенобетонных блоков в Якутске и совершенствование отдельных элементов и узлов рассматриваемых типов зданий с целью повышения их энергетической эффективности.
научно-технический и производственный журнал Âj^çJ^lj'^jjijiltj]^ Ii июнь 2016 lAjfiÜ*
Список литературы
1. Данилов Н.Д., Собакин А.А., Федотов П.А. Оптимальное утепление стыка стен каркасно-моно-литных зданий с проветриваемыми подпольями // Жилищное строительство. 2016. № 1—2. С. 28—31.
2. АТР БГБ 4.1—2015. Альбом узлов и технических решений для применения в проектах жилых и общественных зданий этажностью более 3 этажей в районах с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов. Иркутск: Байкальский газобетон. 2015. 180 с.
3. Альбом технических решений для строительства жилых и общественных зданий с использованием газобетонных блоков автоклавного твердения Build Stone®, выпускаемых ОАО «ГлавБашСтрой» в г. Уфе. Уфа: Институт «БашНИИстрой». 2011. 182 с.
4. Альбом технических решений по применению изделий из автоклавного газобетона торговая марка «Н+Н» в строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Материалы для проектирования и рабочие чертежи узлов. СПб.: «Н+Н». 2014. 182 с.
5. Умнякова Н.П., Егорова Т.С., Черкас В.Е., Белогуров П.Б., Андрейцева К.С. Повышение энергоэффективности зданий за счет повышения теплотехнической однородности наружных стен в зоне сопряжения с балконными плитами // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 17-19.
6. Умнякова Н.П., Егорова Т.С., Андрейцева К.С., Смирнов В.А., Лобанов В.А. Новое конструктивное решение сопряженных наружных стен с монолитными междуэтажными перекрытиями и балконными плитами // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 28-31.
7. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических неоднородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.
8. Горшков А.С., Рымкевич П.П., Ватин Н.И. О теплотехнической неоднородности двухслойной стеновой конструкции // Энергосбережение. 2014. № 7. С. 58-63.
9. Кузнецов А.В., Утепление узлов сопряжения стен с диском перекрытия в монолитных домах. // Жилищное строительство. 2013. № 8. С. 32-35.
10. Данилов Н.Д., Собакин А.А., Слободчиков Е.Г., Федотов П.А., Прокопьев В.В Анализ формирования температурного поля наружной стены с фасадной железобетонной панелью // Жилищное строительство. 2013. № 11. С. 46-49.
References
1. Danilov N.D., Sobakin A.A., Fedotov P.A. Optimal insulation of wall junction of frame-monolithic buildings with ventilated cellars. // Zhilishchnoe Stroitelstvo [Housing Construction]. 2016. No. 1-2, pp. 28-31. (In Russian).
2. ATR BGB 4.1-2015. Al'bom uzlov i tekhnicheskikh reshenii dlya primeneniya v proektakh zhilykh i ob-shchestvennykh zdanii etazhnost'yu bolee 3 etazhei v raionakh s seismichnost'yu 7, 8 i 9 ballov [Album components and technical solutions for use in projects of residential and public buildings building over 3 floors in areas with seismicity of 7, 8 and 9 points]. Irkutsk: Baikal'skiy gazobeton. 2015. 180 p.
3. Album of technical solutions for the construction of residential and public buildings with concrete autoclaved blocks Build Stone®, produced by JSC «GlavBashStroy » in Ufa. Ufa: Institute «BashNIIstroy». 2011. 182 p.
4. Album of technical solutions for the use of products made of autoclaved aerated concrete trademark "H+H" in the
construction of residential, public and industrial buildings. Materials for the design and working drawings of units (second edition, revised and enlarged). Sankt-Peterburg: «H+H». 2014. 182 p.
5. Umnyakova N.P., Egorova T.S., Cherkas V.E., Belogu-rov P.B., Andreitseva K.S. Rise of energy efficiency level in buildings by increasing the heat engineering uniformity of external walls in pairing area with balcony slabs. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 6, pp. 17-19. (In Russian).
6. Umnyakova N.P., Egorova T.S., Andreitseva K.S., Smirnov V.A., Lobanov V.A., The new design solution coupled with monolithic external walls of intermediate floors and balcony slabs. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 28-31. (In Russian).
7. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Account of thermal non-uniformities during estimation of thermal performance of building enclosures in Russia and European countries. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 14-16. (In Russian).
8. Gorshkov A.S., Rymkevich P.P., Vatin N.I. About ther-motechnical heterogeneity of the two-layer wall construction. Energosberezhenie. 2014. No. 7, pp. 58-63. (In Russian).
9. Kuznetsov A.V. Thermal insulation for interface with the disk walls overlap in monolithic homes. Zhilishchnoe Stroitelstvo [Housing Construction]. 2013. No. 8, pp. 32-35. (In Russian).
10. Danilov N.D., Sobakin A.A., Slobodchikov E.G., Fedotov P.A., Prokop'ev V.V. Analysis of the formation of the temperature field of the outer wall with reinforced concrete faade panel. Zhilishchnoe Stroitelstvo [Housing Construction]. 2013. No. 11, pp. 46-49. (In Russian).
На завод ООО «Камастройиндустрия» в г. Набережные Челны
требуется
ГЛАВНЫЙ ТЕХНОЛОГ
Мы рассматриваем кандидатов с:
• высшим технологическим химическим образованием;
• опытом работы главным технологом на производстве кирпича, керамогранита, санфаянса не менее трех лет.
Условия трудоустройства:
• трудоустройство по ТК РФ;
• заработная плата обсуждается с успешным кандидатом на интервью.
Звоните или присылайте свое резюме:
Тел.: (843) 205-60-02 [email protected]
