Новое конструктивное решение сопряжения наружных стенс монолитными междуэтажными перекрытиями и балконными плитами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.86

Н.П. УМНЯКОВА, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе, Т.С. ЕГОРОВА, К.С. АНДРЕЙЦЕВА, инженеры-математики, В.А. СМИРНОВ, инженер, В.А. ЛОБАНОВ, зав. лабораторией, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва)

Новое конструктивное решение сопряжения наружных стен с монолитными междуэтажными перекрытиями и балконными плитами

Одной из задач, необходимых для решения проблемы энергосбережения, является обеспечение требуемого уровня тепловой защиты наружной оболочки здания. Известно, что в теплотехническом отношении наружные ограждения являются достаточно неоднородными. При обеспечении высокого сопротивления теплопередаче по глади наружные стены на отдельных участках имеют меньшую тепловую защиту: в зоне оконных откосов, межпанельных стыков, в сопряжении наружных стен с междуэтажными перекрытиями и балконными плитами (рис. 1).

Из-за мостиков холода в узле сопряжения трехслойной наружной стены, междуэтажного перекрытия и балконной плиты, возникающих из-за несовершенного конструктивного решения узла, через него происходят дополнительные тепловые потери, превышающие тепло-потери через гладь стены и приводящие к понижению температуры ниже точки росы на внутренней поверхности стены около потолка или пола, созданию условий для образования конденсата, развитию плесени и промерзанию конструкции. Поэтому для снижения те-плопотерь через наружные ограждения и создания комфортных условий для нахождения человека в помещении необходимо уменьшить негативное воздействие данных мостиков холода, модернизировав этот узел за счет использования в нем теплоизоляционного несущего элемента Schoeck Isokorb [1].

Оценить эффективность данного решения можно при расчете приведенного сопротивления оболочки зда-

ния. В актуализированной редакции СП 50.13330.2012 СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий» представлена новая методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций здания, учитывающая влияние теплопроводных включений:

1 1

кр=-

4"

где — осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, м2-°С/Вт; /у — протяженность линейной неоднородности у-го вида, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания или выделенной ограждающей конструкции, м/м2; — удельные потери теплоты через линейную неоднородность к-го вида, Вт/(м-оС); пк — количество точечных неоднородностей к-го вида, приходящихся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания или выделенной ограждающей конструкции, шт./м2; Хк — удельные потери теплоты через точечную неоднородность к-го вида, Вт/оС; Щ — удельные потери теплоты через плоский элемент ;-го вида, Вт/(м2-оС).

Как видно, данная методика позволяет на стадии проектирования оценить влияние линейных и точечных теплотехнических неоднородностей [2], в том числе в зоне сопряжения наружной стены с междуэтажным перекрытием и балконом.

Рис. 1. Общий вид жилого здания и термограмма фасада. На термограмме хорошо видны зоны с повышенными теплопотерями в сопряжении стен с междуэтажными перекрытиями и балконными плитами

научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 28 июнь 2013 Ы *

Перекрытие

Стержень, работающий на растяжение (нержавеющая сталь) Стержень, воспринимающий поперечные силы (нержавеющая сталь)

Изоляционное тело Опорный элемент(модуль HTE)

Рис. 2. Общий вид и разрез теплоизоляционного несущего элемента

Однако реально модернизировать конструктивное решение данного сопряжения и повысить тепловую защиту стыка можно при установке в него теплоизоляционного несущего элемента Schoeck Isokorb (рис. 2), состоящего из эффективного теплоизоляционного материала Neopor; арматуры, выполненной из коррозионно-стойкой стали, работающей на изгиб и на срез; опорного элемента из высокопрочного фибробетона в несъемной пластиковой опалубке.

Установленный в узел сопряжения стены с монолитным перекрытием и балконными плитами, этот элемент создает непрерывный теплоизоляционный контур в ограждении и одновременно выполняет несущую функцию [3].

Для оценки эффективности теплоизоляционного несущего элемента в НИИСФ РААСН проведены теплотехнические испытания. Для этого в климатических камерах смонтирована экспериментальная конструкция: узел сопряжения наружной стены из железобетона толщиной 200 мм, утепленной снаружи пенопо-листиролом 120 мм с тонким штукатурным слоем по полимерной сетке, с монолитной балконной плитой и монолитным междуэтажным перекрытием. Экспериментальная конструкция состояла из двух частей: один вариант предусматривал наличие в узле сопряжения наружной стены с междуэтажным перекрытием и балконной плитой несущего теплоизоляционного элемента Schoeck Isokorb; второй — традиционный вари-

ант узла сопряжения наружной стены с междуэтажным перекрытием и балконной плитой при наличии перфорации (отверстий) длиной по 500 мм в междуэтажном перекрытии со вставками из теплоизоляционного материала — пенополистирола (рис. 3). Плиты балкона перфорировались в отношении термовставка — железобетонный мостик холода 2,5:1.

Для исключения взаимного влияния частей конструкции друг на друга они были разделены на всю высоту вставками из пенополистирола толщиной 200 мм. Геометрические размеры экспериментального образца — высота 2,7 м и суммарная ширина 3,15 м позволили исключить в ходе эксперимента искажения температурного поля, вызванного краевыми эффектами.

На экспериментальной конструкции датчики температуры и теплового потока установлены в трех сечениях — по центру участка конструкции с теплоизоляционным несущим элементом; в конструкции с термовставками по центру теплопроводного включения из бетона и по центру термовставки.

В ходе исследования проводились пошаговые испытания конструкции при различных температурах воздуха в холодном отделении (от -8 до -38оС). При этом выполнялась тепловизионная съемка экспериментальной конструкции, замеры температуры и тепловых потоков, велось математическое моделирование численными методами в программном комплексе NASTRAN.

В процессе эксперимента установлено, что при включении «холода» в холодном отделении климатической камеры наибольшее понижение температуры на внутренней поверхности конструкции наблюдалось в углу сопряжения наружной стены и междуэтажного перекрытия в зоне железобетонного мостика холода (железобетонной перемычки). В сечении в зоне термовставки из пенополистирола температуры были несколько выше, а наиболее высокие температуры отмечены в узле с использованием элемента Schoeck ЬокогЬ (рис. 4).

На основе проведенного сопоставительного анализа характера распределения температур на поверхности конструкции при всех режимах испытаний установлено, что наиболее высокие температуры на внутренней поверхности конструкции в зоне примыкания междуэтажного перекрытия к стене наблюдаются при установке в узел теплоизоляционного несущего элемента. В зоне расположения термовставки из пенополистиро-ла температуры были несколько ниже и наиболее низкие — по центру сечения железобетонного теплопроводного включения (рис. 5).

Плита перекрытия

Опалубочные чертежи 1-1

Болть д/крепления

2-2 А]

Рис. 3. Схема экспериментальной конструкции, установленной в климатической камере НИИСФ РААСН

rj научно-технический и производственный журнал

М ® июнь 2013 29

25

20

15

10

Ряд 1 Ряд 2 Ряд 3

Рис. 4. Изменение температуры в углу при сопряжении внутренней поверхности стены и междуэтажного перекрытия: ряд 1 - в зоне мостика холода монолитного бетона; ряд 2 - в зоне с несущим теплоизоляционным элементом; ряд 3 - в зоне утеплителя при традиционном решении с перфорацией в перекрытии

20

— Ряд 1 Ряд 2 Ряд 3

1

101

201

301

401 501

601

Рис. 7. Термограммы экспериментальной конструкции при традиционном решении узла сопряжения с перфорацией (а) и при установке в узел теплоизоляционного несущего элемента (б)

S

®

ф

©

--- ----,

--- и

--- JS-

®

-V

- С теплоизоляционным несущим элементом Schoeck Isokorb

- С термовставкой

из пенополистирола

-С железобетонным мостиком холода

Рис. 5. Распределение температуры на внутренней поверхности в углу при сопряжении стены с междуэтажным перекрытием: ряд 1 - в зоне установки несущего теплоизоляционного элемента; ряд 2 - в зоне перфорационных отверстий с заполнением утеплителем; ряд 3 - в зоне перемычки из монолитного бетона

Со стороны «холодной» камеры наиболее теплой была поверхность конструкции в зоне железобетонной перемычки, наиболее холодной — в узле с применением теплоизоляционного несущего элемента Schoeck Isokorb. Общий характер распределения температур на поверхности конструкции в исследуемых сечениях представлен на рис. 6.

Проведенная тепловизионная съемка экспериментальной конструкции также подтвердила, что наиболее высокие температуры наблюдаются на внутренней поверхности узла сопряжения при установке теплоизоляционного несущего элемента. В зоне термовставки из пено-полистирола при отсутствии армирования как нижнего,

Рис. 6. Характер распределения температур на внутренней и наружной поверхностях междуэтажного перекрытия и балконной плиты: 1 - монолитное междуэтажное перекрытие; 2 - монолитная балконная плита; 3 - наружная стена

так и верхнего, температуры оказываются ниже, а наиболее низкие наблюдаются в зоне железобетонной перемычки при наличии нижнего и верхнего армирования.

На термограммах видно, что при традиционном решении с перфорацией происходит сильное понижение температуры в зоне мостика холода из монолитного железобетона. Также хорошо прослеживается влияние этого теплопроводного включения на участок стены с термовставкой из пенополистирола, вызывающее понижение температуры поверхности в зоне термовставки (рис. 7, а). При установке теплоизоляционного несущего элемента Schoeck Isokorb (рис. 7, б) распределение температур по внутренней поверхности носит равномерный характер, и резкого понижения температуры в углу конструкции не наблюдается.

Анализ результатов математического моделирования с распределением температур по поверхности и в толще конструкции показал, что при традиционном решении с перфорацией перекрытия наибольшее изменение температур и искривление изотерм происходит в зоне монолитных железобетонных мостиков холода около несущих стальных арматурных стержней, выполненных из хорошо проводящей тепло черной стали (коэффициент теплопроводности стали 50 Вт/(м-°С). Наличие такого массивного теплопроводного включения из тяжелого бетона и арматурной стали вызывает значительные тепловые потери и понижение температуры на внутренней поверхности и толще конструкции, которое распространяется не только на зону мостика холода, но и на участки стены и перекрытия в зоне термовставки из пенополистирола (рис. 8).

При установке теплоизоляционного несущего элемента Schoeck Isokorb, выполненного из эффективного теплоизоляционного материала Neopor, стержней

научно-технический и производственный журнал Q'j'prjyfj'ijj^jlj^js 30 июнь 2013 M ®

Рис. 8. Распределение температур в толще наружной стены при традиционном решении с устройством перфорации в междуэтажном перекрытии, полученное на основе расчета трехмерных температурных полей в программном комплексе NASTRAN

Рис. 9. Распределение температур в толще наружной стены при использовании теплоизоляционного несущего элемента в узле сопряжения наружной стены с монолитным железобетонным перекрытием и монолитной балконной плитой, полученное на основе расчета трехмерных температурных полей в программном комплексе NASTRAN

из коррозионно-стойкой стали с низким коэффициентом теплопроводности (коэффициент теплопроводности стали 17 Вт/(м-°С)) и вставок из фибробетона происходит незначительное искривление изотерм в толще конструкции около несущих стержней из коррозионно-стойкой стали (рис. 9). Этим и объясняется, что температура на внутренней поверхности при традиционном решении конструкции в зоне перфорационного отверстия с пенополистиролом оказывается ниже.

Таким образом, сопоставительный анализ характера распределения температур на внутренней и наружной

поверхностях ограждения в зоне сопряжения междуэтажного перекрытия с балконом и наружной стеной позволил сделать вывод, что узел с несущим теплоизоляционным элементом позволяет обеспечить наиболее благоприятные температуры на поверхности ограждения и обладает большим уровнем тепловой защиты по сравнению с традиционной перфорацией и заполнением отверстий эффективным утеплителем. В связи с этим исследуемый теплоизоляционный несущий элемент можно рекомендовать для применения в жилых и общественных зданиях с монолитными железобетонными перекрытиями.

Ключевые слова: теплотехническая однородность, наружные стены, перфорационные отверстия, мостик холода, теплоизоляционный несущий элемент, математическое моделирование, тепловая защита зданий.

Список литературы

1. Егорова Т.С., Черкас В.Е. Повышение эффективности зданий благодаря устранению критических мостиков холода и непрерывной изоляции выступающих строительных конструкций // Вестник МГСУ. 2011. № 3. С. 421-428.

2. Шубин И.Л., Умнякова Н.П. Нормативные документы по энергосбережению и строительной акустике, разработанные в НИИСФ РААСН // БСТ. 2012. № 2. С. 7-13.

3. Умнякова Н.П., Егорова Т.С, Белогуров П.С., Андрей-цева К.С. Повышение энергоэффективности зданий за счет повышения теплотехнической однородности наружных в зоне сопряжения с балконными плитами // Строительные материалы. 2012. № 6 С. 19-21.

Г®т®вгат©я к выподу книг© Защита деревянных конструкций

Автор - А.Д. Ломакин, канд. техн. наук, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

В книге приведены результаты исследований, проведенных автором и разработанные им рекомендации по конструкционной и химической защите деревянных конструкций. Большое внимание уделено защите несущих ДКК и конструкций из ЛВЛ от эксплуатационных воздействий и возгорания.

Приведены известные и разработанные автором методы оценки защитных свойств покрытий для древесины, методика и результаты натурных климатических испытаний покрытий на образцах и фрагментах конструкций. Описаны результаты мониторинга влажностного состояния несущих КДК в таких крупных объектах, как ЦВЗ «Манеж», крытый конькобежный центр в Крылатском в Москве и др., при проведении которого использована разработанная автором методика оценки влажности древесины с использованием модельных образцов. В книге также уделено внимание вопросам эксплуатации деревянных конструкций и обеспечению их сохранности при транспортировании, складировании на строительной площадке и проведении монтажных работ.

Книга рассчитана на специалистов и научных работников, работающих в области защиты деревянных конструкций, технологов предприятий по производству КДК и заводов деревянного домостроения, сотрудников проектных организаций и преподавателей вузов. Она может быть полезна также и для организаций, занимающихся строительством зданий и сооружений с применением деревянных конструкций.

Формат книги 165x235 мм, 428 стр.

Ориентировочная цена 700 р., цена по предварительной заявке 550 р.

Срок выхода книги июль 2013 г.

Заявки для прибретения направлять по тел./факсу: (499) 976-20-36, 976-22-08 E-mail: [email protected]

научно-технический и производственный журнал

июнь 2013

31

02323218