CC BY
101
http://vestnik-nauki.ru/
УДК 69.036.3: 694.1
ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СТРОЕНИЙ ДЛЯ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
С.И. Овсянников, А.С. Родионов
DEVELOPMENT OF THE EFFECTIVE FOR THE FAR NORTH
S.I. Ovsyannikov, A.S. Rodionov
Аннотация. В статье рассмотрены традиционно сложившиеся и перспективные конструкции жилых строений для Крайнего Севера. Обоснована эффективность использования купольных строений. Произведен анализ и обоснован комплект теплоизоляционных материалов панелей купольных строений. Рассмотрена конструкция разборно-сборных купольных строений.
Ключевые слова: купольные дома; каркас; геодезический купол; теплоизоляция.
Abstract. In the article the traditionally folded and perspective constructions of dwellings structures are considered for The far north. Efficiency of the use of dome structures is grounded. An analysis is produced and the complete set of heat-insulation materials of panels of dome structures is grounded. The construction of the combined demountable-teams of dome structures is considered.
Key words: dome at home; framework; geodesic dome; heat-insulation.
Введение
Экономическое развитие территорий Российской Федерации все больше смещается к северным районам, как европейской части, так и Сибири [1]. В основном это связано с разведкой и добычей полезных ископаемых. В свою очередь Министерство обороны России укрепляет рубежи северных границ вплоть до Северного полюса. Учитывая тяжелые природные условия, большинство работ выполняется вахтовым методом, а также переселенцами с материковой части, т.е. привлекаются люди не адаптированные к реалиям Крайнего Севера. Поэтому естественным является обеспечение соответствующих условий в жилищах и местах их отдыха. Учитывая, что места дислокации поселений часто меняются, строения должны быть транспортабельными с многократными циклами сборки - разборки. Поэтому, существует необходимость в разработке компактных в транспортировке, энергоэффективных, простых в сборке и удобных в эксплуатации строений [2, 3, 7].
Крайним Севером называется территория, расположенная в основном к северу от Северного полярного круга. Еще одним определением Крайнего Севера является отсутствие наземного транспортного соединения с «большой землей», или эта связь подвержена сезонным нарушениям. По климатическим условиям территория относится к арктической и субарктической зонам, тундре, лесотундре и северным районам тайги. Зима длится более полугода. Среднегодовая температура отрицательная в пределах от -1 до -5°С. В летние месяцы температура достигает + 5 - + 15°С, может иногда достигать и +30°С, в зимний период опускается до -40°С и ниже. Вечная мерзлота не пропускает талые воды, что способствует образованию многочисленных озер в равнинной местности и каменистых рек в горной. Районом Крайнего Севера присущи резкие изменения погодных условий, связанных с частой сменой воздушных масс, сопровождающихся сильными ветрами. Отсутствие лесной растительности способствует ветровой нагрузке.
Традиционными жилищами народов Крайнего Севера являются легко возводимые строения округлой формы из подручных материалов. Так, эскимосы строят иглы - снежные купольные дома (рис. 1, а), вырытые в сугробе или сложенные из снежных блоков. Отопление и освещение в них осуществляется от жировых плошек. Для естественного освещения используются вставки изо льда. Кочующие ненцы строят чумы (рис. 1, б) -
конусообразные строения из деревянных шестов, накрытых шкурами животных или брезентом. Отапливаются помещения костром в центре чума, дым выходит через отверстие в верхней части. Примерно такую же конструкцию имеют жилища американских индейцев -вигвамы. Многие кочевые народы (буряты, киргизы, туркмены и др.) используют для жилья юрты (рис. 1, в), состоящие из деревянного каркаса и войлочного покрывала. Отапливаются очагом в центре юрты, дым выходит в верхней части купола. Кочующие монголы называют свои строения, похожие на юрты, гэры. Таким образом, можно сделать вывод, что исторически определилась конструкция строений кочующих народностей в виде округлой формы, заканчивающиеся конусом или куполом.
а б в
Рисунок 1 - Традиционные жилища народов Крайнего Севера: а - иглы эскимосов; б - чумы ненцев; в - юрты киргизов, бурятов, монголов (гэр)
Преимущества и недостатки купольных строений
Рассматривая преимущества и недостатки купольных (шатровых) строений, необходимо отметить следующее. Площадь стен купольного дома значительно меньше, чем у прямоугольных строений. Так, дом прямоугольной формы размером 10х10 м имеет площадь 100 м , а периметр основания 40 м. Купольный дом такой же площади имеет радиус 5,65 м. При этом периметр основания составит 35,5 м, а общая площадь поверхности составит 200,5 м . Площадь стен и потолка прямоугольного строения такой же высоты составит 326 м2 не считая площади крыши.
Купольные строения за счет своей обтекаемой формы менее подвержены ветровой нагрузке. Давление стен на основание распределяется равномерно, а малый вес строения не требует массивного глубокого фундамента. В качестве основания зачастую достаточно бетонной площадки, так называемого плавающего фундамента, в большей мере служащего для удержания каркаса при ветровом воздействии. За счет этого купольные строения являются сейсмоустойчивыми. Купольные строения имеют одну цельную крышу, одновременно являющуюся и стенами. Для купольных строений не требуются системы водоотведения. Это способствует экономии строительных материалов. Циркуляция воздуха в купольных строениях происходит более равномерно, не создавая мертвых зон, как в углах прямоугольных строений. За счет этого тепло равномерно распространяется по всему помещению. Отопление осуществляется через теплый пол по всей площади или по периметру. Затраты на отопление купольных строений до 40 % меньше прямоугольных. Еще одним преимуществом купольных строений является простота сборки, не требующая тяжелой строительной техники.
К недостаткам купольных строений относят особенности остекления, для чего используют оконные системы эксклюзивных конструкций, что увеличивает их стоимость. Стандартную мебель устанавливать вдоль стен достаточно сложно, для купольных строений для плотного примыкания к стенам и навешивания на них необходима мебель дугообразной формы. Площадь застройки купольных строений при вписывании на прямоугольный участок
http://vestnlk-nauki.ru/
несколько больше, чем для прямоугольных строений. Но для районов Крайнего Севера это не является существенной проблемой.
Как видно из проведенного анализа, преимущества купольных строений для Крайнего Севера значительно превышают прямоугольные.
ГТ1 __« __«
Типы конструкции купольных строении
Типы конструкций купольных строений делятся на стратодезические и геодезические.
Стратодезический каркас (рис. 2) изготавливают из гнутоклееных балок, установленных в меридианном направлении, подобно долькам апельсина. Такая конструкция более сложная в изготовлении и сборке, но она выдерживает большие нагрузки, позволяет создавать различные формы куполов - со шпилем, маковками, яйцеобразные, яблокообразные и др.
Геодезический каркас (рис. 3) состоит из треугольников различного размера, соединяющихся с помощью коннекоторов (рис. 4), или безконнекторное (рис. 5) соединение. Соединения треугольников образуют чередующиеся с различной частотой пяти и шести лучевые формы (рис. 6). Ребра геодезического каркаса формируются в несколько групп, отличающихся длиной и углами прирезки стыкующихся ребер.
По форме купольные сооружения делятся на: поясные, выпуклые, овальные, полигональные, полукруглые.
Рисунок 2 - Стратодезический каркас.
Рисунок 3 - Геодезический каркас.
Рисунок 4 - Коннектор для узловых соединений геодезического купола.
Рисунок 5 - Без коннекторное соединение ребер узла геодезического купола.
Расчет элементов геодезического каркаса можно произвести с помощью программы расчета купольных строений [8], а именно выполнить расчет ребер треугольников (длины, углы прирезки, количество элементов, схемы сборки) в зависимости от типа фигуры купольной поверхности, количества вершин, размеров основания и др. параметров.
На основе анализа конструкций купольных строений можно сделать вывод, что для сборно-разборных купольных строений целесообразно использовать геодезическую
http://vestnik-nauki.ru/
ISSN 2413-9858
конструкцию купола. Треугольные блоки, состоящие из деревянного каркаса, заполненного утеплителем и облицованные с наружи кровельным материалом, а с внутренней стороны -отделочным материалом [4, 5, 6], необходимо изготавливать в заводских условиях. К местам сборки должны поставляться комплекты готовых элементов.
Выбор теплоизоляционного материала
Не маловажным вопросом является выбор теплоизоляционного материала для заполнения блоков. На рынке представлен довольно большой спектр теплоизоляционных материалов: минеральные ваты, пенопласт, пенополиуретан, пенополистирол. Относительно недавно появился новый вид материала - полиизоцианурат (PIR) [9], близкий родственник пенополиуретана (PUR). Для производства обоих материалов используются одинаковые химические реакции, только PIR образуется при более высокой температуре и взаимодействует с другими катализаторами и сопутствующими веществами. При производстве PIR-панелей используются крафт-бумага, стеклохолст, стекловолокно с битумным покрытием, алюмоламинат, графитное противопожарное покрытие. Технология позволяет получать готовые сендвич-панели с отделкой внешней и внутренней поверхностей.
Полиизоцианурат относится к огнестойким материалам на уровне минеральной ваты, группа горючести Г1, хорошо отталкивает влагу, обладает достаточной прочностью, малым весом (30-50 кг/м3), обладает наименьшей теплопроводностью из всех известных утеплителей (0,024-0,027 Вт/м2 К). Существенным фактором, ограничивающим применение PIR-панелей, является высокая стоимость, которая в 2 раза превышает стоимость полистирола, в 9 раз - стоимость пенопласта.
Минеральная вата не горит, но уступает по сроку службы полиизоцианурату. В процессе эксплуатации из нее выделяют вредные для здоровья фенолы. Экструдированный полистирол обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, однако он плавится и горит при контакте с огнем, при этом выделяются токсичные стиролы. На рис. 6 представлена диаграмма расчетной толщины стен для различных строительных материалов для обеспечения теплопередачи Ro=3,69 м2-°С/Вт. Как видно из диаграммы, наиболее «теплыми» являются PUR- и PIR-панели.
0,11 0,12
0,16
0,49
""I 0,6
0,7
1,6
2,6
4
0 0,5
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Толщина стены, м
□ Бетон
□ Керамзитобетон
□ Брус из массивной древесины
□ Брус древесно-полиуритановый
□ PIR-панели
□ Кирпич силикатный
□ Пенобетон
□ Брус из клееной древесины
□ PUR-панели
Рисунок 6 - Расчетная толщина стен для обеспечения теплопередачи Ro=3,69 м2-°С/Вт.
Заключение
На основе выше изложенного можно сделать следующие выводы. Условия Крайнего Севера характеризуются низкой температурой, сильными ветрами, снежным покровом, вечной мерзлотой, отсутствием постоянного наземного транспортного сообщения. Традиционное жилье жителей Крайнего Севера имеет округлое конусное или куполообразную форму, что позволяет с минимальными затратами перевозить их и монтировать на новом месте. Купольная форма имеет меньшую ограждающую поверхность, улучшенную циркуляцию воздуха и равномерное распределение тепла, что позволяет существенно снизить удельную стоимость строения и его эксплуатационные затраты. Купольные строения ветро- и сейсмоустойчивы. Для обеспечения транспортабельности и быстрой сборки целесообразно использовать геодезическую форму купола, каркас изготавливать из обработанных антисептиками и антипиренами досок сечением 150х50мм. В качестве теплоизоляционных материалов предпочтение необходимо отдать PIR-панелям, облицованных с наружной и внутренней сторон.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лесовик В.С. Архитектурная геоника // Жилищное строительство. 2013. № 1. С.
9-12.
2. Экологичное жилье. Влияние древесины на здоровье и эмоциональное состояние человека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.woodtrade.pro/info/53-764.html (дата обращения: 01.03.2017).
3. Лисенко Л.М. Дерево в архитектуре. М.: Стройиздат, 1984. 176 с.
4. Орешко А.Н. Применение дерева в архитектуре как способ гуманизации городской среды [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://archvuz.ru/2009_22/5 (дата обращения: 01.03.2017).
5. Титунин А.А., Вахнина Т.Н., Каравайков В.М. Проблемы использования древесных материалов в строительстве // Жилищное строительство. 2009. № 7. С. 10-12
6. Овсянников С.И., Пшеничных К.В. Оптимизация раскроя листовых материалов с помощью прикладной компьютерной программы «Базис-мебельщик» \\ Сб. науч. трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции «Эколого- и ресурсосберегающие технологии и системы в лесном и сельском хозяйстве». Воронеж: Изд-во Воронежского гос. лесотехнического университета, 2014. № 3, часть 4. С. 347-351.
7. Овсянников С.И., Богданов И.И. Федоренко А.В. Экологические аспекты деревянного домостроения // Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., Белгород, 24-25 ноября, 2015 г. Белгород: Изд-во Белгородского гос. технического университета, 2015, часть 2. С. 236-242.
8. Geodesic dome calculator [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://acidome.ru/lab/calc (дата обращения: 01.03.2017).
9. Последнее поколение утеплителей - теплоизоляционные PIR-плиты [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://energylogia.com/home/izoliacia/pir-plita.html (дата обращения: 01.03.2017).
10. Pacific Northwest National Laboratory scientists can mineralize wood in record time // Journal Advanced Materials // Public Release: 24-Jan-2005. Режим доступа: https://www.eurekalert.org/pub releases/2005-01/dnnl-wtp012405.php (дата обращения: 01.03.2017).
http://vestnik-nauki.ru/
REFERENCES
1. Lesovik V.S. Arkhitekturnaia geonika [Architectural geonik]. Zhilishchnoe stroitel'stv,. 2013. No 1, pp. 9-12.
2. Ekologichnoe zhil'e. Vliianie drevesiny na zdorov'e i emotsional'noe sostoianie cheloveka [Eco-friendly housing. The wood effect on the health and emotional state of a person] [Electronic resource]. Mode of access: http://www.woodtrade.pro/info/53-764.html (date accessed: 01.03.2017).
3. Lisenko L.M. Derevo v arkhitekture [Wood in architecture]. Moscow: Stroiizdat Publ., 1984. 176 p.
4. Oreshko A.N. Primenenie dereva v arkhitekture kak sposob gumanizatsii gorodskoi sredy [The use of wood in architecture as a way of humanization of the urban environment] [Electronic resource]. Available at: http://archvuz.ru/2009_22/5 (date accessed: 01.03.2017).
5. Titunin A.A., Vakhnina T.N., Karavaikov V.M. Problemy ispol'zovaniia drevesnykh materialov v stroitel'stve [Problems of the use of wood materials in construction]. Zhilishchnoe stroitel'stvo, 2009. No 7, pp. 10-12.
6. Ovsiannikov S.I., Pshenichnykh K.V. Optimizatsiia raskroia listovykh materialov s pomoshch'iu prikladnoi komp'iuternoi programmy «Bazis-mebel'shchik» [Optimization of cutting tickets of sheet materials using computer applications «Bazis-mebelschik»]. Sb. nauch. trudov po materialam mezhdunarodnoi zaochnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Ekologo- i resursosberegaiushchie tekhnologii i sistemy v lesnom i sel'skom khoziaistve». Voronezh: Publishing house of State forestry engineering University, 2014. No 3, part 4, pp. 347-351.
7. Ovsiannikov S.I., Bogdanov I.I. Fedorenko A.V. Ekologicheskie aspekty dereviannogo domostroeniia [Ecological aspects of wooden construction] Energo- i resursosberegaiushchie ekologicheski chistye khimiko-tekhnologicheskie protsessy zashchity okruzhaiushchei sredy: sb. dokl. Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., Belgorod, 24-25 noiabria, 2015. Belgorod: Publishing house of State technical University, 2015, Part 2. pp. 236-242.
8. Geodesic dome calculator. Available at: http://acidome.ru/lab/calc (date accessed: 01.03.2017).
9. Poslednee pokolenie uteplitelei - teploizoliatsionnye PIR-plity [Latest generation of insulation - insulation PIR-plates]. Available at: http://energylogia.com/home/izoliacia/pir-plita.html (date accessed: 01.03.2017).
10. Pacific Northwest National Laboratory scientists can mineralize wood in record time. Journal Advanced Materials. Public Release: 24-Jan-2005. Available at: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2005-01/dnnl-wtp012405.php (date accessed: 01.03.2017).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Овсянников Сергей Иванович
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций
E-mail: ovsrg@mail.ru
Ovsyannikov Sergey Ivanovich
Belgorod State Technological University named after V.G.Shoukhov, Belgorod, Russian, PhD., associate professor of the department "Build materials, wares and constructions"
E-mail: ovsrg@mail.ru
Родионов Антон Сергеевич Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия, магистрант
E-mail: gorodmaster@list.ru
Rodionov Anton Sergeevich Belgorod State Technological University named after V.G.Shoukhov, Belgorod, Russian, magistrate
E-mail: gorodmaster@list.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 308012, Россия, Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, каф. СМИиК, каб. 203 ЛК. Овсянников С И. 8(4722)558201
