CC BY
35УДК 693.9:699.841
Н.И. КАРПЕНКО, д-р. техн. наук, академик РААСН,
В.Н. ЯРМАКОВСКИЙ, канд. техн. наук, почетный член РААСН ([email protected]), Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва)
Основные направления
ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Часть 2
Ресурсоэнергосбережение на стадии монтажа (возведения) конструктивной системы здания и его эксплуатации*
2.3. Ресурсоэнергосбережение на стадии монтажа и возведения конструктивно-технологической системы (КТС) здания
2.3.1. Снижение металлоемкости КТС здания при монтаже сборно-омоноличенного каркаса с усовершенствованными стыками его элементов
В результате выполненных в НИИСФ аналитических исследований было установлено, что значительный резерв в снижении металлоемкости конструктивно-технологической системы здания, а следовательно, и энергозатрат при ее монтаже в процессе возведения здания может быть реализован за счет совершенствования конструкций стыков элементов сборно-омоно-личенного каркаса, а именно: - стыков колонн с колоннами; стыков внутренних стен с колоннами в составных устоях; ригелей с колоннами.
Это положение подтвердили результаты соответствующих экспериментальных исследований по совершенствованию сборно-омоноличенного каркаса «Экспериментальная архитектурная строительная система» «ЭАСС «КАСКАД» 16-этажного здания, выполненных НИИСФ** совместно с ОАО «Томская домостроительная компания», в том числе ООО «Строй-техинновации ТДСК» и кафедрой железобетонных конструкций Томского ГАСУ.
Совершенствование конструкции стыков осуществлялось за счет: уточнения методики расчета стыков; изменения конструкции стыков на основании результатов проведенных испытаний и результатов изменения технологии монтажа КТС здания, в частности, использования подкосов и одиночных кондукторов.
Результаты совершенствования стыков вышеназванных элементов каркаса, отраженные в табл. 1, выразились в том, что определилась возможность снижения металлоемкости стыков на 30—54% (в зависимости от типа стыка и его исходной и усовершенствованной конструкций).
В целом количество сэкономленного металла (нена-прягаемой стальной арматуры А500ПС и листовой стали С345 для закладных деталей) в стыках составило в расчете на все вышеуказанные основные элементы сборно-омоноличенного каркаса «ЭАСС КАСКАД» 16-этажного здания, возводимого Томской ДСК, 89,2 т. Соответственно снижение энергозатрат ДЭк на возведе-
ние (монтаж) такого каркаса за счет сокращения его металлоемкости ДМ составило: ДЭк = ДМ х ДЭм = 178 т у.т., где ДЭм — средневзвешенный показатель удельных энергозатрат (тонн усл. топлива) на производство 1 т не-напрягаемой стальной арматуры А500СП и листовой стали С345.
К вышеизложенному следует добавить установленную при проведении данной НИР возможность экономии до двух раз объема сварных швов в стыках несущих конструкций и соответствующее снижение энергозатрат на их устройство.
2.3.2.Сокращение требуемого расхода арматурной стали в КТС здания при возведении монолитного каркаса здания
В продолжении части 1 настоящей статьи [2] в разделе 2.2.1 приведены результаты выполненных НИИСФ расчетов КТС 16-этажного каркасно-панельного здания, которые установили возможность снижения требуемого расхода арматурной стали в сборных элементах каркаса на 10—20% при замене в них тяжелого бетона равнопрочным конструкционным легким бетоном.
Это положение подтверждается результатами производства сборных каркасов типа Saret на технологических линиях Новочебоксарского ДСК, в которых и горизонтальные, и вертикальные элементы такого каркаса выполнены из конструкционного легкого бетона классов В20—В35 на основе собственного высокопрочного керамзита, а также результатами эксплуатации зданий с такими каркасами в различных регионах страны (Новочебоксарск, Нижний Новгород, Екатеринбург, Казань, Ульяновск, Московская обл. и др.[3]).
Логично было предположить возможность не меньшего снижения требуемого расхода арматурной стали за счет снижения массы здания при возведении также и монолитного каркаса со всеми элементами его из легкого бетона.
Были выполнены соответствующие расчеты также 16-этажного здания, но уже с монолитным каркасом. Шаг колонн вдоль буквенных, а также цифровых осей составлял 6, 6, 9, 6, 6 м. Таким образом, соблюдается симметрия относительно осей абсцисс и ординат. Колонны — размером в плане 500x500 мм. В центре здания в ячейке 9x9 м расположено ядро жесткости. Внутренние стены (диафрагмы жесткости) толщиной
* Продолжение статей, опубликованных в [1, 2]
** Исследования выполнялись группой главного научного сотрудника лаборатории ресурсоэнергосберегающих легких бетонов и конструкций НИИСФ д-р техн. наук, проф. | А.С. Семченкова|
Таблица 1
Расход металла* на устройство стыков несущих конструкций сборно-омоноличенного каркаса «ЭАСС «КАСКАД»
16-этажного здания
Тип стыка Расход металла на 1 стык, кг Кол-во элементов каркаса на этаже, шт. Кол-во стыков в здании *****, шт. Кол-во сэкономленного металла в стыках, т
Исходная конструкция стыка по проекту Усовершенствованная конструкция стыка Разница**, кг/%
Стык колонны с колонной 125-150*** (винтовой) 40-75**** 65 52 Колонна 34 170 11
Стык ригеля с колонной 150 (чапельный) 90-120**** 45 30 Ригель 33 1056 47,5
Стык стены с колонной 37 (сварной) 17 20 54 Стена 16 1536 30,7
В среднем: 45,3 % Итого: 89,2
* Расход ненапрягаемой стальной арматуры А500СП и листовой стали С345 для закладных деталей на устройство стыка. ** Разница между величиной расхода металла на стык при исходной его конструкции по проекту и средней величиной этого параметра при усовершенствованной его конструкции. *** Значение в скобках относится к стыку белорусского каркаса марки Б1.020.1-87. **** Интервал принят в зависимости от разновидности и конструкции стыка. ***** Стыки колонн с колоннами устраиваются через 3 этажа, стыки колонн с ригелями (по 2 стыка на каждый ригель) - на каждом этаже, стыки колонн с внутренними стенами (по 6 стыков на каждую стену) - на каждом этаже.
200 мм, диски перекрытий толщиной 250 мм. В опорной зоне колонн выполнены капители толщиной 400 мм, включая толщину диска перекрытия. Размер капителей в плане 2000x2000 мм.
Армирование внутренних стен выполнялось стержневой арматурой класса А500СП 016 шаг 200 мм. Такое армирование было принято с целью гарантированного выполнения требований по 1-й и 2-й группам предельных состояний. Армирование колонн выполнялось также стержневой арматурой 8032 А500СП. Армирование перекрытий и капителей выполнялось верхней и нижней сетками из арматуры класса А500СП 012 шаг 200 мм в обоих направлениях.
Нагрузки на перекрытие задавались по аналогии с таковыми в подобных проектах жилых зданий. Равномерно распределенная нагрузка на перекрытие без учета собственного веса перекрытия составляла 400 кг/м2. Ветровая нагрузка в данной модели не учитывалась.
Закрепление нижних узлов колонн и стен выполнялось по осям X, Y, Z, а также вокруг осей их, UY, UZ, то есть моделировалось жесткое закрепление для исключения влияния оснований и фундаментов на результаты расчета.
Особые воздействия в расчете не учитывались.
Комплекс статических расчетов выполнялся при участии канд. техн. наук М.М. Козелкова с использованием программного комплекса «ЛИРА» версии 9.4. Общее число конечных элементов (КЭ) составило 16198. Шаг разбиения плит перекрытий на конечные элементы принят 1000x1000 мм. Стены и колонны разбивались на конечные элементы с шагом этажа, равным 3000 мм. Элементы перекрытий и стен моделировались прямоугольными КЭ оболочки № 441 с учетом физической и
геометрической нелинейности. Элементы колонн моделировались универсальными пространственными стержневыми КЭ № 410 с учетом физической и геометрической нелинейности.
Моделирование КЭ в нелинейной задаче задавалось путем введения диаграмм деформирования для тяжелого бетона и арматуры на основании данных СП 52-101—2003. Для тяжелого бетона принималась трехлинейная диаграмма состояния, для арматуры — двухлинейная. Для легкого бетона принималась трехлинейная диаграмма состояния, принятая по данным Euracode-2 Глава 11. В модели здания для материалов применялся кусочно-линейный закон деформирования № 14.
Расчет выполнен с использованием тяжелого бетона классов В25 и В50, керамзитобетона класса В25 марки по плотности D1600, а также керамзитобетона класса В50 марки по плотности D1850 для вертикальных несущих конструкций. При расчете модели здания из легкого бетона для перекрытий применялся керамзитобетон класса В25 марки по плотности D1600. Всего рассчитывалось четыре модели.
Ниже в таблицах приведены результаты расчета четырех моделей зданий с различными бетонами.
В результате проведенных расчетов установлено, что применение легких бетонов взамен равнопрочных тяжелых приводит к уменьшению вертикальных усилий в колоннах на величину от 16 до 24%, а в стенах ядра жесткости — на 20—23% (см. табл. 2 и 3). При пересчете армирования колонн на данные усилия получены результаты, представленные в табл. 2.
Анализ данных табл. 2 показывает, что при замене в колоннах тяжелого бетона классов по прочности на сжатие В25 и В50 равнопрочным керамзитобетоном марок
Таблица 2
Усилия и армирование в колоннах первого этажа здания
Материал Вертикальные усилия, т Изгибающий момент по оси Z, т.м Изгибающий момент по оси Y, т.м Армирование
Бетон тяжелый В25 547,6 7,2 7,5 8032 (64,33 см2)
Бетон тяжелый В50 589 8,4 8,5 8016 (16,08 см2)
Бетон легкий В25 460 5,9 6 8028 (49,26 см2)
Бетон легкий В50 476 5,6 5,7 8014 (12,31 см2)
научно-технический и производственный журнал
Таблица 3 Усилия в стенах ядра жесткости здания
Материал N. т ■ п. м
Бетон тяжелый В25 118
Бетон тяжелый В50 116
Бетон легкий В25 92
Бетон легкий В50 92,5
по плотности соответственно D1600 и D1850, при выполнении перекрытий из керамзитобетона того же класса (В25), что и тяжелого бетона, при марке по плотности керамзитобетона D1600 имеется возможность: снижения расхода арматуры практически на одну величину — около 25%; соответствующего сокращения энергозатрат на возведение данного элемента монолитного каркаса.
Более существенное снижение расхода арматуры в сравнении с уменьшением величины вертикальных усилий в колоннах (17—19%) можно объяснить одновременным уменьшением величины изгибающих моментов (Мz и Му ) при замене тяжелого бетона равнопрочным легким.
Как видно из табл. 3, подобная замена вида бетона приводит к уменьшению вертикальных усилий и в стенах ядра жесткости здания (в среднем на 23%). Возможно соответствующее снижение требуемого расхода стальной арматуры, а следовательно, и энергозатрат на возведение стен ядра жесткости.
Вышеприведенные результаты исследований, соответствующих расчетов были подтверждены при проектировании, возведении и дальнейшей надежной эксплуатации многоэтажного здания корпорации Gaz-oil-trade с монолитным каркасом из высокопрочного керамзитобетона (класс по прочности В45—В50, марка по средней плотности D1800—D1850). Процесс возведения такого здания показан на рис. 1.
2.3.3. Снижение трудоемкости, материалоемкости и энергоемкости технологического процесса возведения наружных ограждающих конструкций зданий при использовании монолитной теплоизоляции из особо легких бетонов (ОЛТБ)
В статье авторов (часть 1, см. журнал «Строительные материалы» № 7—2013) [1] показаны преимущества в строительно-технических свойствах особо легких бетонов теплоизоляционного назначения в сравнении с традиционными, так называемыми «эффективными» утеплителями (минераловатные плиты, плиты из пено-полистирола, в том числе экструдированного), широко применяемых в настоящее время: для производства трехслойных наружных стеновых панелей зданий; для утепления перекрытий над холодными подвалами, галереями, для устройства теплых полов.
В процессе возведения здания при использовании монолитной теплоизоляции из ОЛТБ взамен «эффективных» плитных утеплителей:
— исключается трудоемкий процесс разрезки (раскроя) утеплителей для стеновых панелей;
— исключается возможность дефектности при стыковке панелей, способствующей проникновению влаги в утеплитель и тепловым потерям в этих стыках;
— повышается индустриальность возведения стены.
При использовании монолитной теплоизоляции из
ОЛТБ в сравнении с возведением наружных стен из блоков и перемычек, изготовленных из ОЛТБ того же вида, или ячеистых бетонов:
— исключается трудоемкий и энергоемкий процесс кладки стеновых изделий с помощью кранового оборудования, с применением кладочного строительного
Рис. 1. Возведение 24-этажного здания корпорации Gaz-oil-trade с каркасом из монолитного керамзитобетона класса по прочности В45-В50, марки по плотности D1800-D1850 (Москва, ул. Наметкина, д. 12, 2006 г.)
раствора со значительным расходом высокоэнергоемкого цемента;
— исключается высокоэнергоемкий процесс тепло-влажностной обработки легкобетонных стеновых изделий, необходимый для обеспечения требуемой отпускной прочности бетонов, из которых они изготовляются, а также для ускорения оборачиваемости опалубочных форм;
— исключаются возможные мокрые процессы, часто практикуемые при отделке кладки из стеновых изделий, в частности устройство защитно-декоративных покрытий по наружной поверхности стены и при оштукатуривании внутренней поверхности стены; это обусловлено тем, что монолитная теплоизоляция стены возводится при укладке смесей из ОЛТБ в несъемной опалубке причем без виброуплотнения; такая опалубка не требует дополнительных отделочных работ, например, при применении опалубки в виде кладки в 1/2 кирпича — с фасада и тонкостенных панелей из асбестоцемента, водостойкого и огнестойкого гипсокартона, фибросте-клобетона и т. п. — с внутренней стороны стены;
— повышается индустриальность (производительность) возведения стены, поскольку весь технологический процесс устройства монолитной теплоизоляции стены осуществляется непосредственно на строительном объекте с помощью мобильной установки, включающей и дозаторы составляющих легкобетонной смеси, и бетоносмеситель, и бетононасос.
2.4. Ресурсоэнергосбережение на стадии эксплуатации здания
Основные направления ресурсоэнергосбережения сформулированы и рассматриваются в данном случае с позиций реализации:
— сокращения энергозатрат на отопление зданий, что обеспечивается повышенным уровнем их тепловой защиты за счет использования наружных и ограждающих конструкций с теплотехнически наиболее эффективными техническими решениями; при этом достаточно высока должна быть и обеспеченность теплозащитной функции этих конструкций на весь расчетный период эксплуатации здания;
— повышения надежности в эксплуатации и долговечности элементов КТС здания и конструктивной системы здания в целом за счет совершенствования технических решений наружной стены здания при оптимизации напряженного состояния ее конструкции при силовых и температурных воздействиях, в частности исключения в конструктивной схеме слоистой стены пиковых (критических) величин растягивающих напряжений, вызывающих образование и развитие трещин, прежде всего в наружном слое конструкции стены;
— сокращения теплопотерь через наружные стены в стыках их сопряжений с выходящими на них или проходящими через них элементами несущего каркаса здания (перекрытиями и внутренними несущими стенами).
2.4.1. Ресурсоэнергосбережение за счет совершенствования технических решений наружных стеновых панелей крупнопанельных и каркасно-панельных зданий в направлении повышения теплозащитной функции конструкции панелей и надежности их в эксплуатации*
В НИИСФ в 2010—2011 гг. выполнены значительные по объему аналитические исследования по состоянию опыта проектирования, технологического процесса производства на различных предприятиях стройин-дустрии трехслойных наружных стеновых панелей с так называемым эффективным утеплителем крупнопанельных и каркасно-панельных зданий, по опыту их эксплуатации. Выявлены основные недостатки таких панелей, обоснована необходимость совершенствования их конструктивно-технологических решений, сформулирована соответствующая научная концепция и определены основные направления совершенствования [4].
Анализ показателей эксплуатационного качества таких панелей показал следующие их недостатки с позиции обеспечения теплозащитной функции:
— значительные — до 30% — тепловые потери через железобетонные перемычки (шпонки), соединяющие наружный и внутренний бетонные слои панели, и особенно железобетонные ребра панели, являющиеся мостиками холода;
— низкая теплотехническая однородность панели, обусловленная самой ее пространственной конструкцией и значительной разницей в коэффициентах теплопроводности бетона, особенно тяжелого — Хо = 1,69 Вт/(м.оС) и плитного, как правило, пенополистирольного, утеплителя с Хо = 0,03-0,05 Вт/(м.оС);
— недостаточная обеспеченность во времени эксплуатации требуемого сопротивления теплопередаче панели в связи с известными соответствующими изменениями во времени эксплуатации в большую (до двух-трех раз) сторону величин коэффициента теплопроводности Хо и особенно его приращения на 1% влажности в утеплителях полимерной природы, даже в экструдированном пе-нополистироле; это обусловлено в основном уходящими из их структуры низкотеплопроводными газами, в частности, углекислым газом, и замещением их воздухом, а также деполимеризацией структуры пенопласта или связующих полимерной структуры в минераловатных плитах [5];
— известная [6] реальная возможность появления в процессе эксплуатации панели воздушных прослоек между утеплителем и железобетонными скорлупами; в результате между теплой и холодной скорлупами возникает конвективное движение воздуха вокруг утеплителя и соответственно уменьшается сопротивление теплопередаче панели;
— неблагоприятные условия влагомассопереноса через поперечное сечение стены, обусловленное значительной разницей в величине коэффициента паропро-ницаемости (ц) бетона наружного и внутреннего слоев панели и величине ц утеплителя; отсюда возможность образования конденсата между слоем утеплителя и внутренними поверхностями бетонных слоев панели; как следствие, или возможность повышения влажности в жилом помещении, или возможность морозного разрушения наружного бетонного слоя начиная с внутренней его поверхности от замерзающей, конденсированной в осенне-весенний период времени влаги.
Далее сформулированы следующие недостатки панелей с позиции влияния напряженно-деформированного (от комплекса температурных и силовых воздействий) состояния конструкции панели на надежность ее в эксплуатации.
Деформации наружной пластины пространственной конструкции панели — наружного слоя панели, который в наибольшей степени подвержен неблагоприятному сочетанию силовых нагрузок всех видов и температурно-климатических воздействий, стеснены жесткими связями слоев этой конструкции.
Такое стеснение деформаций, возникающее прежде всего в узлах жесткого сопряжения железобетонных вертикальных ребер или дискретных шпонок с железобетонными слоями (пластинами) панели, происходит за счет резкого локального изменения геометрии конструкции панели в соответствующих зонах и за счет изменения (искажения) направления деформаций (так называемый краевой эффект).
Возникающая как следствие этого концентрация растягивающих напряжений в бетоне слоев, прежде всего, наружного слоя, неизбежно приводит при достижении ими максимально возможных значений к образованию и дальнейшему развитию трещин в соответствующих зонах панели.
Можно полагать, что при использовании в конструкции трехслойной панели гибких связей порядок статической неопределимости такой системы будет значительно меньше, чем в вариантах с жесткими связями, и передача деформаций от силовых воздействий с внутреннего несущего слоя панели на бетон наружного слоя будет в меньшей степени. Соответственно, существенно меньше должна быть опасность возникновения растягивающих напряжений в узлах сопряжений гибких связей с наружным слоем панели, приводящих к образованию трещин в бетоне этого слоя.
Вышеуказанные положения подтверждаются результатами статического расчета трехслойных наружных стеновых панелей с различными вариантами связей при комплексе силовых и температурных воздействий. Расчет и анализ его результатов выполнены специалистами ООО «Стройтехинновации» Томской ДСК и НИИСФ. Определение напряженно-деформированного состояния панели с различными связями слоев выполнено численным методом с использованием метода конечных элементов (МКЭ). При этом использовался программно-вычислительный комплекс SCAD.
Для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) стеновых панелей нет необходимости определять напряжения во всех площадках, проходящих через рассматриваемые точки, достаточно знать экстремальные значения напряжений. Максимальные и минимальные нормальные напряжения принято называть главными напряжениями, а площадки, по которым они действуют, — главными площадками. Значения максимальных и минимальных нормальных напряжений находились из известной зависимости:
точке; тху —касательные напряжения.
Наименьшие напряжения от температурных воздействий в наружном слое возникают в панелях на гибких связях (табл. 1). Они соизмеримы с напряжениями от вертикальной нагрузки и ненамного превышают напряжения от ветровых воздействий. В наружном слое стеновых панелей с жесткими связями (ребрами и шпонками) эти напряжения немного превышают напряжения от
' Исследования выполнены при финансовой поддержке работ Министерством образования и науки РФ.
где ax, ay — нормальные напряжения в рассматриваемой
rj научно-технический и производственный журнал
jV! ® сентябрь 2013 49"
вертикальной нагрузки. При этом такие напряжения в стеновой панели на шпонках меньше, чем в стеновой панели на ребрах, на 15%. На такую картину распределения напряжений существенное влияние оказывает жесткость связей: чем больше жесткость связей, тем больше стеснение деформаций от температурных воздействий. При наличии контурных и промежуточных ребер в панели эти напряжения достигают существенного значения, превышающего напряжения от силовых воздействий. При гибких связях эти напряжения минимальны и соизмеримы с напряжениями от силовых воздействий. Это является существенным положительным свойством стеновых панелей на гибких связях слоев по сравнению со стеновыми панелями на жестких связях слоев.
В табл. 4 приведены наибольшие (amax) значения растягивающих напряжений раздельно по видам воздействий в наружном слое трехслойных стеновых панелей, находящихся на разных высотных отметках 17-этажного крупнопанельного здания серии 75 (проектировщик — ФГУП «КБ им. А.А. Якушева»).
На рис. 2—4 приведены изополя главных напряжений amax в наружном слое панели при совместном действии силовых и температурных воздействий. Напряжения (в МПа) приведены для наружной грани наружного слоя наиболее нагруженной стеновой панели первого этажа, в конструкции которой используются для обеспечения совместной работы ее слоев связи различных типов. Знаком (-) обозначены сжимающие напряжения, знаком (+) — растягивающие напряжения.
На основании результатов статического расчета панели и определения ее НДС можно сделать следующие выводы:
— наибольшая доля напряжений, возникающих в наружном ограждающем слое стеновой панели, возникает от температурных воздействий. Величина этих напряжений может достигать 80% от общих напряжений наружного слоя стеновой панели;
— напряжения от ветровой нагрузки не превышают 15—20% от напряжений, вызванных вертикальной нагрузкой. Это объясняется высокой изгибной жесткостью стеновой панели. Изменение напряжений в наружном слое от ветровой нагрузки по высоте здания составляет 45—50% и практически не зависит от вида связей;
— напряжения от вертикальной нагрузки на верхних этажах зданий в панели на ребрах ниже на 15%, чем в пане-
ли на шпонках, что объясняется большей изгибной жесткостью стеновой панели за счет наличия промежуточных ребер. В панели же на гибких связях эти напряжения на 75—80% меньше, что вполне объяснимо, так как при отсутствии жестких связей, включая контурные ребра, передача деформаций с внутреннего слоя на наружный происходит в меньшей степени за счет гибкости связей;
— наименьшие напряжения от температурных воздействий в наружном слое возникают в панелях на гибких связях. Здесь они соизмеримы с напряжениями от вертикальной нагрузки и несущественно превышают напряжения от ветровых воздействий;
— наличие контурных и промежуточных ребер оказывает существенное влияние на картину распределения напряжений по наружному слою стеновой панели: чем больше жесткость связей, тем больше стеснение деформаций от температурных воздействий. При гибких связях эти напряжения минимальны и соизмеримы с напряжениями от силовых воздействий. Это является существенным положительным свойством стеновых панелей на гибких связях слоев по сравнению со стеновыми панелями на жестких связях слоев.
Описанных выше вариантов потери (полной или частичной) теплозащитной функции и тем более несущей способности трехслойных стеновых панелей можно избежать при совершенствовании их конструктивно- технологических решений в следующих направлениях:
— при замене тяжелого бетона во всех структурных элементах панели на равнопрочный легкий бетон;
— при замене жестких связей (железобетонных ребер и шпонок) на гибкие базальтопластиковые [4, 7, 8];
— при переходе от панелей с так называемым эффективным утеплителем (плитный пенополистирол, мине-раловатная плита) к панелям со всеми слоями из легких бетонов, а именно: с наружным и внутренними слоями из конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона классов В12,5—В15 и средним утепляющим слоем из особо легкого бетона, в частности полистиролбетона марок по плотности D350—D400 [9,10].
Действительно, замена тяжелого бетона класса по прочности на сжатие В15 в наружном и внутреннем слоях несущей стеновой панели и в перемычках (ребрах или шпонках), например, на керамзитобетон того же класса по прочности (которому соответствует марка по средней плотности Dl600), будет способствовать:
Таблица 4
Вид воздействия и этаж размещения Наибольшие значения растягивающих отах (МПа) для панелей со связями слоев различных типов
на жестких ребрах на жестких шпонках на гибких связях
Панель первого этажа
Вертикальная от верхн. этажей 1,39 1,597 0,365
Ветровая пассивная 0,031 0,042 0,061
От температурных воздействий 8,965 7,748 0,369
Панель девятого этажа
Вертикальная от верхн. этажей 0,763 0,878 0,196
Ветровая пассивная 0,049 0,065 0,095
От температурных воздействий 8,965 7,748 0,369
Панель семнадцатого этажа
Вертикальная от конструкций технического этажа 0,128 0,147 0,033
Ветровая пассивная 0,06 0,081 0,117
От температурных воздействий 8,965 7,748 0,369
Рис. 2. Изолинии главных напряжений атах в панели первого этажа 17-этажного здания со связями - железобетонными ребрами от суммарного воздействия силовых и температурных воздействий
Рис. 3. Изолинии главных напряжений атах в панели первого этажа 17-этажного здания со связями - железобетонными шпонками от суммарного воздействия силовых и температурных воздействий
Рис. 4. Изолинии главных напряжений атах в панели первого этажа 17-этажного здания с гибкими композитными связями от суммарного воздействия силовых и температурных воздействий
— снижению тепловых потерь через железобетонные ребра и перемычки, являющиеся «мостиками холода», с 20—25% К (где Ко — приведенное сопротивление теплопередаче) до 10—15% Ко благодаря меньшей почти в три раза величине коэффициента теплопроводности керам-зитобетона (Хо = 0,58 Вт/(м.оС) для керамзитобетона марки D1600 против Хо = 1,5 Вт/(м.оС) у равнопрочного тяжелого бетона);
— повышению теплотехнической однородности конструкции трехслойной стеновой панели благодаря существенно меньшей разнице в значениях Хо легкого бетона как наружного, так и внутреннего слоев панели, и значении Хо применяемого в ней материала теплоизолирующего слоя — традиционного плитного утеплителя (Хо = 0,033—0,06 Вт/(м.оС) в зависимости от вида утеплителя);
— уменьшению степени напряженного состояния в конструктивных элементах панели, особенно в узлах сопряжений железобетонных связей (ребер или шпонок) с наружным слоем благодаря во-первых, большей на 20— 30% предельной сжимаемости и растяжимости при изгибе легкого бетона (последнее обусловлено существенно — в разы — меньшей разницей между значениями модуля упругости зерна пористого заполнителя и затвердевшей растворной части бетона), более плотной и прочной контактной зоне этих компонентов бетона и соответственно более высокому (на 20—35%) уровню нижней границы области микротрещинообразования КУКпр легкого бетона [2]; во-вторых, меньшему значению коэффициента линейной температурной деформации керамзитобетона, а также общеизвестному эффекту более
высокой морозостойкости (для бетона с классом по прочности на сжатие В15 — в два раза и более);
— повышению сопротивляемости бетона, особенно наружного слоя и в узлах сопряжения его с железобетонными перемычками, усталостным явлениям, возникающим при циклическом воздействии ветровых нагрузок (в том числе с пульсационной составляющей) и при циклических температурных воздействиях, что наиболее важно для панелей верхних этажей многоэтажных зданий [2]. Это обусловлено известным эффектом более высокого (на 20—35%) предела усталостной прочности легкого бетона при воздействии многократно повторных нагрузок, что корреспондируется с эффектом увеличения кукпр.
Замена жестких связей на гибкие базальтопластико-вые (производства ЗАО «МАТЕК» НПО «Стеклопластик») будет способствовать:
— практическому исключению значительных тепло-потерь через мостики холода, какими являются железобетонные шпонки и особенно ребра: для базальтопластика величина Хо составляет в среднем всего 0,35 Вт/(м.оС) против 1,5 Вт/(м.оС) у тяжелого бетона, т. е. меньше почти в пять раз;
— увеличению коэффициента теплотехнической однородности (г) панели: по данным испытаний НИИСФ фрагментов 3х-слойных панелей с различными связями в климатических камерах, величина г возрастает с 0,5—0,7 (для панелей соответственно с железобетонными ребрами и шпонками) до 0,8—0,85 для панелей с гибкими связями;
— существенному уменьшению или даже практическому исключению развития растягивающих напряжений в узлах сопряжений связей с железобетонными слоями панели благодаря соответственно уменьшению или даже исключению эффекта стесненности деформаций железобетонных элементов конструкции панели, которая, по существу, приближается к статически определимой конструкции.
Учитывая вышеизложенное, а также имеющийся первый положительный почти десятилетний (с 2004 г.), опыт производства на Новочебоксарском ДСК и эксплуатации трехслойных легкобетонных стеновых панелей с гибкими базальтопластиковыми связями [7,8], Томская ДСК в 2012 г. выпустила опытно-промышленную партию таких панелей, провела их испытания, и в настоящее время принято решение о переходе на их массовый выпуск.
Переход от панелей с так называемым эффективным» утеплителем (плитный пенополистирол, минплита) с жесткими или гибкими связями к панелям с наружным и внутренним слоями из конструкционного легкого бетона классов по прочности В12,5—В15 и средним утепляющим слоем из особо легкого теплоизоляционного бетона, в частности, полистиролбетона марок по плотности D350— D400, будет способствовать, как следует из работ [9—10]:
— практическому исключению необходимости в каких-либо связях между наружным и внутренним слоями панели из конструкционных легких бетонов (возможна постановка гибких связей только конструктивно в углах панели). Это обусловлено тем, что такие панели изготовляются на заводском стенде в едином технологическом цикле путем последовательной (практически без перерыва) укладки в форму панели слоев легкобетонных смесей с оптимизированными показателями их удобоукладываемости для каждого слоя. Последнее, в свою очередь, обеспечивает надежное сцепление полистиролбетона среднего слоя панели с внутренним и наружным ее слоями из керамзитобето-на, соответственно коэффициент теплотехнической однородности такой панели приближается по величине к аналогичной характеристике однослойной легкобетонной стеновой панели;
Г^ научно-технический и производственный журнал
М ® сентябрь 2013 51
— практическому исключению возникновения каких-либо опасных зон концентрации растягивающих напряжений во всех элементах конструкции панели как при силовых, так и при температурных воздействиях, которые могут привести к возникновению и развитию трещин, прежде всего в наружном слое панели;
— благоприятным условиям влагомассопереноса при эксфильтрации или инфильтрации водяного пара (в зависимости от климатического сезона) через поперечное сечение конструкции стены, что обеспечивается близкими значениями коэффициентов паропроницаемости бетонов всех трех слоев панели;
— повышению в целом надежности в эксплуатации панели благодаря высокой обеспеченности во времени ее эксплуатации показателей теплотехнического качества применяемых в ней легких бетонов различного назначения, а также показателей прочности и деформа-тивности этих бетонов и, что немаловажно, благодаря высокой морозостойкости легких бетонов.
2.4.2. Ресурсоэнергосбережение за счет совершенствования технических решений наружных стен в направлении повышения их теплозащитной функции и надежности в эксплуатации при использовании в конструктивной схеме этих стен монолитной теплоизоляции из ОЛТБ
В части 1 цикла статей [1] приведены существенные преимущества строительно-технических свойств одного из самых эффективных видов ОЛТБ — монолитного по-листиролбетона марок по плотности D200—D250 [12] в сравнении с традиционными плитными утеплителями.
Опыт применения этого вида бетона для устройства монолитной теплоизоляции в несъемной опалубке при возведении наружных стен жилых зданий, в том числе строящихся в сейсмически активных регионах [13], показал имеющийся реальный резерв ресурсоэнергосбереже-ния при эксплуатации зданий с такими стенами. Он обеспечен:
— повышением теплотехнической однородности таких стен в сравнении с традиционными, в том числе с трехслойными наружными стеновыми панелями (коэффициент теплотехнической однородности составляет не менее 0,9 против 0,5—0,7 у панелей с жесткими железобетонными связями и 0,8—0,85 — у панелей с гибкими связями) и соответствующим повышением приведенного сопротивления теплопередаче стены, а следовательно, снижением энергозатрат на отопление здания;
— повышением обеспеченности теплозащитной функции стены и надежности ее в эксплуатации за счет более высокой обеспеченности коэффициента теплопроводности в состоянии равновесной влажности монолитного полистиролбетона, а также существенно более высокой его долговечности в сравнении с традиционными плитными утеплителями; соответственно сокращается срок межремонтной эксплуатации стены.
Существенны преимущества наружных стен с монолитной теплоизоляцией из ОЛТБ в обеспечении возможности ресурсоэнергосбережения и в сравнении со стенами, возводимыми в виде кладки из стеновых блоков, изготовляемых из тех же ОЛТБ или из традиционных ячеистых бетонов:
— при одинаковой толщине кладки такой стены со стеной с применением монолитной теплоизоляции, например, из полистиролбетона плотностью 200 кг/м3, сопротивление теплопередаче значимо (на 15—20%) меньше в связи с большей требуемой прочностью, а следовательно, плотностью и теплопроводностью того же вида бетона в сборных блоках и перемычках (плотность не менее 350—400 кг/м3 у полистиролбетона и 600—700 кг/м3 у безавтоклавного пенобетона);
— значимо ниже теплотехническая однородность стеновой кладки с блоками из ОЛТБ в связи с негативным
влиянием кладочного строительного раствора с существенно более высоким (в несколько раз) коэффициентом теплопроводности в сравнении с материалом блоков.
И особенно велики эти преимущества в сравнении с кладкой стен с блоками из, пожалуй, самого высокоэнергоемкого, недолговечного и теплотехнически ненадежного в эксплуатации, особенно в северных регионах страны и Сибири, такого стенового материала, как автоклавный газобетон и тем более газозолобетон.
Негативная позиция НИИСФ РААСН по вопросу все увеличивающегося агрессивного проникновения на строительный рынок страны импортных технологических линий по производству стеновых изделий из этого вида бетона изложена в [11] под рубрикой «В защиту отечественных технологий».
Учитывая положительный опыт эксплуатации наружных стен с монолитной теплоизоляцией из ОЛТБ с позиции ресурсоэнергосбережения при эксплуатации зданий с такими стенами, Москомархитектура приняла решение о разработке соответствующих рекомендаций по их проектированию. Они были рассмотрены на НТС Москомархитектуры, изданы в 2006 г. [14] и успешно используются ведущими проектными институтами не только Москвы, но и других регионов при разработке проектов энергоэффективных зданий.
Резюме по циклу статей в журнале «Строительные материалы» (№ 7 — 9, 2013 г.)
Разработаны и реализуются на практике основные направления актуальнейшей проблемы строительства — ресурсоэнергосбережения, причем на всех его стадиях:
— на стадии производства строительных материалов, бетонов различных видов и назначения, стеновых изделий, ограждающих и несущих конструкций с их использованием ;
— на стадии создания (проектирования), монтажа и возведения конструктивных систем энергоэффективных зданий;
— на стадии эксплуатации зданий.
Разработаны и внедрены в десятках регионов страны экологически чистые и низкоэнергоемкие технологии производства альтернативных традиционным строительных материалов на основе продуктов переработки отходов различных отраслей промышленности, прежде всего металлургии и топливной энергетики. Потенциальные годовые объемы производства этих материалов по разработанным и апробированным на практике технологиям:
— более 50 млн т малоклинкерных или бесклинкерных (бесцементных) композиционных вяжущих взамен энергоемких и дорогостоящих цементов; это практически половина требуемого для выполнения федеральной целевой программы (ФЦП) «Жилище» объема; при этом экономия энергозатрат составит более 6 млн т усл. топлива в год; снижение себестоимости; материальных затрат — более 120 млрд р. в год;
— более 110млн м3 низкоэнергоемких и экономичных заполнителей для бетонов различных видов и назначения, изготовляемых на основе продуктов переработки шлаков металлургии, зол и шлаков топливной энергетики, отходов углеобогащения взамен природных плотных и искусственных обжиговых пористых заполнителей; это — также практически половина требуемого объема для выполнения ФЦП «Жилище»; при этом экономия энергозатрат составит более 3 млн т усл. топлива в год, а материальных затрат — более 12 млрд р. в год.
Для использования этих новых высокоэффективных материалов и технологий в практике строительства разработана соответствующая нормативно-техническая документация, в том числе ряд государственных стандартов.
Соответствующие данные отражены в разработанной Минрегионом РФ с участием РААСН «Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года». В стадии разработки в НИИСФ РААСН:
— кадастр крупнотоннажных техногенных отходов и строительных материалов на основе продуктов переработки этих отходов;
— каталог экологически чистых и низкоэнергоемких технологий переработки техногенных отходов в альтернативные традиционным технически и экономически эффективные строительные материалы.
Разработаны и внедрены на крупных ДСК ряда регионов страны, в основном, регионов Урала и Сибири конструктивные системы зданий с комплексным (и в ограждающих, и в несущих конструкциях) использованием новых видов легких бетонов различного назначения, от особо легких теплоизоляционных до высокопрочных конструкционных. Использование разработанных на их основе облегченных до 30% каркасов зданий позволяет сэкономить от 15 до 20% высокоэнергоемкой (5 тыс. кг у. т. на 1 т) стальной арматуры.
Металлоемкость и соответственно энергоемкость каркаса здания снижаются еще дополнительно за счет использования усовершенствованных стыковых соединений его элементов. Экономия металла только на одном стыке, например, стыке колонны с колонной, составляет 65 кг или 52%;
В целом при возведении сборно-омоноличенного каркаса 16-этажного здания экономия металла только за счет усовершенствованных стыков составляет около 90 т, снижение энергозатрат за счет этого — около 180 т у. т.
На стадии эксплуатации такого здания с выходящими на теплые стены элементами каркаса из низкотеплопроводных легких бетонов (коэффициент теплопроводности ниже в 2,5—3 раза, чем у равнопрочных тяжелых бетонов) тепловые потери через узлы сопряжения этих элементов со стенами снижаются более чем на 20%.
В итоге совершенствования технических решений трехслойных наружных стеновых панелей крупнопанельных и каркасно-панельных зданий разработаны их новые модификации с гибкими композитными связями. Результаты выполненных статических и теплофизиче-ских расчетов панелей такой конструкции, испытаний их опытно-промышленных партий показали следующие их преимущества с позиции ресурсоэнергосбережения при эксплуатации здания:
— практическое исключение значительных теплопо-терь через мостики холода, какими являются железобетонные шпонки и особенно ребра;
— увеличение коэффициента теплотехнической однородности панели с 0,5—0,7до 0,8—0,85;
— существенное уменьшение или даже практическое исключение развития растягивающих напряжений в узлах сопряжений связей с железобетонными слоями панели; соответственно, повышение трещиностойко-сти последних и надежности панели в эксплуатации.
Возведение наружных стен разработанных новых конструкций с монолитной теплоизоляцией из особо легких (плотностью 200—250 кг/м3) бетонов в несъемной опалубке из тонкостенных пластин (мелкозернистый стеклофибробетон и т. п.) взамен традиционных так называемых «эффективных» плитных утеплителей (дорогостоящие и высокоэнергоемкие пенополистирол, минплита) повышает обеспеченность приведенного сопротивления теплопередаче стены минимум на 20%, повышается надежность в эксплуатации стен, их долговечность, соответственно снижаются материальные и энергозатраты на возведение стены, межремонтный период эксплуатации. При этом себестоимость 1 м2 стены сокращается почти на 1/3.
Ключевые слова:ресурсоэнергосбережение, конструктивная система, эксплуатация здания, металлоемкость.
Список литературы
1. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Ч. 1. Ресурсоэнергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий и ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 12—21.
2. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Ч. 1 (продолжение)*. Ресурсоэнергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий, ограждающих и несущих конструкций // Строительные материалы. 2013. №8. С. 65-72.
3. Юдин И.В., Ярмаковский В.Н. Инновационные технологии в индустриальном домостроении с использованием конструкционных легких бетонов // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 15-17.
4. Ярмаковский В.Н., Семенюк П.Н., Родевич В.В., Луговой А.В. К совершенствованию конструктивно-техноло-гических решений трехслойных наружных стеновых панелей крупнопанельных зданий в направлении повышения их теплозащитной функции и надежности в эксплуатации // Материалы IV Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение, надежность, экологическая безопасность». 3-5 июля 2012 г. М., 2012. С. 47-64.
5. Ясин Ю.Д., Ясин В.Ю., Ли А.В. Пенополистиролы. Ресурс и старение материала. Долговечность конструкций // Строительные материалы. 2002. № 5. С. 12-16.
6. Савин В.К. Строительная физика. Энергоперенос. Энергоэффективность. Энергосбережение // Издательство «Лазурь», 2005. 412 с.
7. Ярмаковский В.Н., Шапиро Г.И., Рогинский С.Л., Залесов А.С. и др. Энергоэффективные ограждающие конструкции зданий с гибкими композитными связями // Энергосбережение. 2002. № 2. С. 32-34.
8. Патент РФ на полезную модель № 35119. Слоистая стеновая панель здания / Г.И. Шапиро, В.Н. Ярмаковский, С.Л. Рогинский и др.// Опубл. 27.12.2003. Б. И. № 36.
9. Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. Трехслойные ограждающие конструкции из легких бетонов // Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях. М.: НИИСФ, 1997. С. 255-257.
10. Чиненков Ю.В., Ярмаковский В.Н. Модифи-циро-ванный полистиролбетон в ограждающих конструкциях зданий и инженерных сооружений // Строительные материалы. 2004. № 2. С. 13-17.
11. Шубин И.Л., Умнякова Н.П., Ярмаковский В.Н. Особо легкие бетоны новых модификаций - для решения задач ресурсоэнергосбережения. В защиту отечественных технологий // Технологии строительства. 2012. № 4. С. 42-46.
12. Патент РФ на изобретение № 2169132. Смесь для изготовления теплоизоляционных изделий / В.Н. Ярмаковский, Б.А. Крылов и др.// Опубл. 20.06.2001. Б. И. № 17.
13. Фотин О.В. Опыт строительства жилых домов в Иркутске с использованием монолитного полисти-ролбетона // Научные труды II Международной конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития». Т. 4. М., 2005. С. 298-304.
14. Рекомендации по расчету и проектированию ограждающих конструкций с применением монолитного теплоизоляционного полистиролбетона с высокопо-ризованной и пластифицированной матрицей // Москомархитектура. М., ЦИТП. 2006. 56 с.
