CC BY
122
ВЕСТНИК AtM-iMt.
10/2013
УДК 692.231.3
В.А. Кремнев, В.С. Кузнецов*, Ю.А. Талызова*
ООО «ИнформАвиаКоМ», *ФГБОУВПО «МГСУ»
ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НАРУЖНЫХ СТЕН ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Продемонстрированы последствия температурных воздействий, которым подвергаются наружные стены монолитных каркасных зданий. Подробно рассмотрено напряженное состояние стен при различных перепадах температур, в т.ч. при переходе от отрицательных к положительным температурам в пределах одной секции (стены).
Ключевые слова: наружная стена, деформация, монолитное каркасное здание, изотропная пластинка, температура, усилие, температурное напряжение, прочность, несущая способность, расчетная схема, загружение, трещина, растяжение, сжатие, кладка, сила трения.
Наружные стены домов из железобетона с монолитными колоннами и безбалочными перекрытиями могут быть выполнены из монолитного железобетона, бетонных блоков, кирпича и других материалов [1—5]. Снаружи стена защищена слоем утеплителя, изоляцией и отделочным фактурным слоем. В зависимости от назначения здания стены могут эксплуатироваться без утеплителя.
В настоящей работе изучалась часть наружной стены, ограниченная с боковых сторон поверхностями колонн, с верхней стороны нижней поверхностью вышележащего перекрытия и опирающаяся на верхнюю поверхность нижележащего перекрытия [6, 7] (рис. 1). Обычно при производстве работ по заполнению стены укладывается поверхность перекрытия через выравнивающий слой раствора, обеспечивающий сцепление стены с перекрытием. Торцовые щели заполняются раствором или монтажной пеной, насколько это позволяют сделать размеры зазоров. В подавляющем большинстве случаев такое заполнение не может препятствовать продольным деформациям стены. Анкерная арматура, устанавливаемая в торцах стены, препятствует опрокидыванию и практически не мешает перемещениям стены в горизонтальном направлении в ее плоскости. Верхний зазор между перекрытием и кладкой невозможно качественно заполнить раствором, и на практике в лучшем случае он заполняется монтажной пеной, в худшем — оставляется открытым. Таким образом, по трем сторонам фрагмент стены не имеет каких-либо связей. По нижней стороне связь может рассматриваться как линейная, ограничивающая перемещения нижних слоев, вследствие сцепления плиты перекрытия с кладкой через подстилающий слой раствора, а также вследствие проявления сил трения. Силы трения, препятствующие свободным деформациям бетона, развиваются по поверхностям контакта перекрытие — кладка и зависят от нормальной силы N, являющейся функцией удельного веса (плотности) материала и высоты h заполнения.
Рис. 1. Фрагмент стены к расчету на температурные воздействия: 1 — стена; 2 — перекрытие; 3 — колонна; 4 — раствор
Таким образом, отдельная стена имеет линейную связь по нижней опорной поверхности и свободные края по остальным сторонам. В направлении, перпендикулярном плоскости стены, напряженное состояние не рассматривается, т.е. исследуется напряженно-деформированное состояние пластинки с изотропными свойствами. Для обеспечения корректности задачи требуется установить дополнительные связи, обеспечивающие устойчивость из плоскости и не мешающие деформациям в плоскости стены [2].
В качестве нагрузок принимались собственный вес кладки и воздействие температур в диапазоне от -40 до +50 °С [1, 8, 9]. Распределение температур по толщине комплексной стены в данной работе не рассматривалось. Размеры исследуемого фрагмента соответствуют размерам реальных объектов и приняты I = 5 м и Н = 4 м (см. рис. 1). Толщина стены соответствует ширине стандартного блока и принята 5 = 200 мм. Заполнение стены — бетонные пустотелые блоки пустотностью 25 %, у = 2400 кг/м3, коэффициент температурного расширения а( = 1105СЧ, коэффициент Пуассона V = 0,2. Упругая характеристика кладки ак = 1500. Расчетное сопротивление сжатию кладки из бетонных камней пустотностью до 25 % и при высоте кладки 200...300 мм из камня марки 100 и раствора марки 100 Я = 2 МПа. Осевое растяжение кладки сечений, проходящих по горизонтальным и вертикальным швам (при марке раствора 50 и выше): по неперевязанному сечению Я = 0,08 МПа, по перевязанному сечению Я = 0,16 МПа, то же по перевязанному сечению, по кирпичу или камню (при марке камня 100) Я = 0,18 МПа. Начальный модуль деформаций кладки Е0 при кратковременном действии нагрузки принимался равным Е0 = 2акЯ = 2 1500 2 = 6000 МПа. Модуль упругости кладки при постоянной и длительной нагрузке равен Е0дл = Е0/ц = 6000/2,8 = 2143 МПа. Расчетная схема стенки приведена на рис. 2.
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
Конструкция загружалась на пять комбинаций нагрузок:
1) комбинация собственный вес и температурное воздействие +50 °С;
2) комбинация собственный вес и температурное воздействие +30 °С;
3) комбинация собственный вес и температурное воздействие -40 °С;
4) комбинация собственный вес и температурное воздействие -20 °С;
5) комбинация собственный вес и неравномерное распределение температуры по высоте от -20 до +40 °С.
Так как массивные стены обладают большой тепловой инерцией, процессы охлаждения или нагрева конструкции протекают медленно, в материале успевают проявиться пластические деформации, что приводит к уменьшению температурных напряжений (табл. 1). Все расчеты выполнялись в вычислительном комплексе SCAD [10].
Эпюры усилий от совместного воздействия собственного веса и температурных перепадов приведены на рис. 3—8.
J
Г ' /'
у
-ь
-Ь-
- I-- щ
6 о о обе
Рис. 2. Расчетная схема стенки
Рис. 3. Эпюра N от собственного веса и температуры А = 50
Рис. 5. Эпюра Т от собственного веса и температуры А = 50
Рис. 4. Эпюра N от собственного и температуры А = 50
Рис. 6. Эпюра N от собственного и температуры А = -40
Рис. 7. Эпюра Nz от собственного веса и температуры А = -40
111.
1 i
!
1
l
J |
1 [ Ш
Рис. 8. Эпюра Tz от собственного веса и температуры А = 50
В табл. 1 приведены величины напряжений от различных загружений.
Табл. 1. Максимальные напряжения в стенке при различных температурных воздействиях
№ комбинации Имя Максимальное «+» растяжение Максимальное «-» сжатие
Величина, МПа Элемент Величина, МПа Элемент
1 N X 0,127 260 -0,981 241
N z 0,149 241 -1,394 1
T XZ 0,872 481 -0,872 1
2 N X 0,077 260 -0,569 241
N z 0,055 489 -0,879 1
T XZ 0,529 481 -0,529 481
3 N X 0,753 241 -0,096 260
N z 0,921 1 -0,285 241
T XZ 0,674 1 -0,674 481
4 N X 0,368 241 -0,047 260
N z 0,406 1 -0,189 241
T XZ 0,330 1 -0,330 481
5 N X 0,428 241 -0,146 259
N z 0,036 246 -0,357 3
T xz 0,166 1 -0,166 481
Очевидно, что максимальные напряжения сжатия, равные N = 1,394 МПа не превышают предельных для принятого вида кладки Я = 2 МПа, т.е. прочность кладки на сжатие обеспечивается даже при экстремальных отрицательных температурах. В то же время максимальные напряжения растяжения N = 0,921 МПа превышают расчетные напряжения по неперевязанному Я = 0,08 МПа) и по перевязанному (Я( = 0,16 МПа) сечениям, что свидетельствует о вероятности появления трещин по направлению главных растягивающих напряжений [8, 9].
ВЕСТНИК лтчпл'».
10/2013
При ординарных перепадах температур от +30 до -20 °С (комбинации 2 и 4) максимумы растяжения достигаются для N = 0,406 МПа; N = 0,368 МПа; Т = 0,529 МПа и превышают расчетные сопротивления по неперевязанному сечению и по перевязанному сечению (см. табл. 1). Графическое распределение максимальных значений напряжений приведено на рис. 9.
Рис. 9. Графики изменения напряжений
В данной задаче стена опиралась на железобетонную плиту перекрытия, которая представлялась как недеформируемое основание, связанное со стеной при помощи подстилающего слоя раствора. Однако по контакту поверхностей развиваются силы трения, величина которых зависит от коэффициента трения к. Для пары кладка — бетон: к = 0,7 для сухих поверхностей, к = 0,6 для влажных; для пары кладка — сталь к = 0,4; кладка по слою битума к = 0,1.. .0,2, из чего следует, что уменьшение сил трения благоприятно влияет на работу, увеличивая как области, так и величины свободных деформаций конструкции и уменьшая величины напряжений (табл. 2).
Табл. 2. Максимальные и рабочие напряжения в стене при различных коэффициентах трения к
Интенсивность Имя Максимальное «+» растяжение, МПа
воздействия <о II к к = 0,7 к = 0,6 к = 0,4 к = 0,2
N X 0,753 0,527 0,452 0,301 0,151
Экстремальное N г 0,921 0,644 0,552 0,368 0,184
Т хг 0,872 0,611 0,524 0,349 0,175
N X 0,368 0,258 0,221 0,147 0,074
Рабочее N г 0,406 0,284 0,244 0,162 0,081
Т хг 0,529 0,37 0,317 0,21 0,11
Выводы. 1. В наружных стенах, подвергающихся температурным воздействиям, возможно появление полей растягивающих напряжений с максимальными значениями, превышающими предел прочности кладки при растяжении.
2. Основные области максимальных напряжений расположены в зонах, примыкающих к торцам стены.
3. Эффективным средством снижения температурных напряжений может служить уменьшение сил трения (сцепления) кладки с перекрытием, что обеспечивает в большей мере свободные деформации.
Библиографический список
1. Кривошеин А.Д., Федоров С.В. К вопросу о расчете приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Инженерно-строительный журнал 2010. Вып. 8. Режим доступа: http://www.engstroy.spb.ru. Дата обращения: 05.12.2012.
2. Деркач В.Н., Орлович Р.Б. Вопросы качества и долговечности облицовки слоистых каменных стен // Инженерно-строительный журнал. 2011. Вып. 2. Режим доступа: http://www.engstroy.spb.ru. Дата обращения: 05.12.2012.
3. Soon-Ching Ng, Kaw-Sai Low, Ngee-Heng Tioh. Newspaper sandwiched aerated lightweight concrete wall panels — Thermal inertia, transient thermal behavior and surface temperature prediction. Energy and Buildings. 2011, vol. 43, issue 7, pр. 1636—1645.
4. Sami A. Al-Sanea, Zedan M.F. Effect of thermal bridges on transmission loads and thermal resistance of building walls under dynamic conditions. Applied Energy. 2012, vol. 98, pр. 584—593.
5. Chengbin Zhang, Yongping Chen, Liangyu Wu, Mingheng Shi. Thermal response of brick wall filled with phase change materials (PCM) under fluctuating outdoor temperatures. Energy and Buildings. 2011, vol. 43, no. 12, pр. 3514—3520.
6. Пинскер В.А., Вылегжанин В.П. Теплофизические испытания фрагмента кладки стены из газобетонных блоков марки по плотности D400 // Инженерно-строительный журнал 2009. Вып. 8. Режим доступа: http://www.engstroy.spb.ru. Дата обращения: 10.07.2013.
7. Кнатько М.В., Горшков А.С., Рымкевич П.П. Лабораторные и натурные исследования долговечности (эксплуатационного срока службы) стеновой конструкции из автоклавного газобетона с облицовочным слоем из силикатного кирпича // Инженерно-строительный журнал. 2009. Вып. 8. Режим доступа: http://www.engstroy.spb.ru. Дата обращения: 10.07.2013.
8. Огородник В.М., Огородник Ю.В. Некоторые проблемы обследования зданий с отделкой лицевым кирпичом в Санкт-Петербурге // Инженерно-строительный журнал. 2010. Вып. 7. Режим доступа: http://www.engstroy.spb.ru. Дата обращения: 07.02.2013.
9. Снегирев А.И., Альхименко А.И. Влияние температуры замыкания при возведении на напряжения в несущих конструкциях // Инженерно-строительный журнал. 2008. Вып. 2. Режим доступа: http://www.engstroy.spb.ru. Дата обращения: 07.02.2013.
10. Карпиловский В.С. SCADOFFICE. Вычислительный комплекс Scad. М. : Изд-во АСВ, 2011. С. 274—283.
Поступила в редакцию в июне 2013 г.
Об авторах: Кремнев Василий Анатольевич — генеральный директор, ООО «ИнформАвиаКоМ», 141074, Московская область, г. Королёв, ул. Пионерская, д. 2, 8(495)645-20-62, info@iakom.ru;
Кузнецов Виталий Сергеевич — кандидат технических наук, профессор кафедры архитектурно-строительного проектирования, Мытищинский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 141006, Московская область, г. Мытищи, Олимпийский проспект, д. 50, 8(495)583-07-65, visku1943@km.ru;
Талызова Юлия Александровна — ассистент кафедры архитектурно-строительного проектирования, Мытищинский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 141006, Московская область, г. Мытищи, Олимпийский проспект, д. 50, yuliatalyzova@yandex.ru.
Для цитирования: Кремнев В.С., Кузнецов В.С., Талызова Ю.А. Особенности напряженно-деформированного состояния наружных стен при воздействии переменных температур // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 52—59.
BECTHMK ,n;on<n
10/2013
V.A. Kremnev, V.S. Kuznetsov, Yu.A. Talyzova
FEATURES OF THE STRESS-AND-STRAIN STATE OF OUTER WALLS UNDER THE INFLUENCE OF VARIABLE TEMPERATURES
The authors draw attention to possible problems in the process of construction and operation of monolithic frame buildings, construction of which is now widespread. It is known that cracks can often appear in the facade and side walls. The size of the cracks can exceed the allowable limits and repair does not lead to their complete elimination. Also cracks significantly mar the appearance of a building.
Thus, the relevance of this study lies not only in fuller understanding of the operation of walls, but also in the ability to prevent undesirable effects.
The authors calculated temperature effects for boundary walls of the building blocks made of heavy concrete. The original dimensions of the walls conformed to a grid of columns for the majority of residential and public buildings.
The stress-and-strain state of the walls in case of temperature changes is observed in detail, including the transition from sub-zero to above-zero temperatures within the same section (wall).
It was revealed that the temperature variations within the established limits may cause stress-and-strain state in the walls, in which the temperature tensile stresses can exceed the tensile strength of materials.
The article contains effective means of reducing thermal strains, which can prevent temperature and shrinkage cracking.
Key words: outer wall, deformation, monolithic frame building, isotropic plate, temperature, stress, thermal stress, strength, load bearing capacity, calculation model, load, crack, tension, compression, bond, friction force.
References
1. Krivoshein A.D., Fedorov S.V. K voprosu o raschete privedennogo soprotivleniya teploperedache ograzhdayushchikh konstruktsiy [On the Problem of Calculating the Reduced Thermal Resistance of Building Envelopes]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2010, no. 8. Available at: http://www.engstroy.spb.ru Date of access: 5.12.12.
2. Derkach V.N., Orlovich R.B. Voprosy kachestva i dolgovechnosti oblitsovki sloistykh kamennykh sten [Issues of Quality and Durability of the Lining of Layered Stone Walls]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2011, no. 2. Available at: http://www.engstroy.spb.ru Date of access: 5.12.12.
3. Soon-Ching Ng, Kaw-Sai Low, Ngee-Heng Tioh. Newspaper Sandwiched Aerated Lightweight Concrete Wall Panels — Thermal inertia, transient thermal behavior and surface temperature prediction. Energy and Buildings. 2011, vol. 43, no. 7, pp. 1636—1645.
4. Sami A. Al-Sanea, Zedan M.F. Effect of Thermal Bridges on Transmission Loads and Thermal Resistance of Building Walls under Dynamic Conditions. Applied Energy. 2012, vol. 98, pp. 584—593.
5. Chengbin Zhang, Yongping Chen, Liangyu Wu, Mingheng Shi. Thermal Response of Brick Wall Filled with Phase Change Materials (PCM) under Fluctuating Outdoor Temperatures. Energy and Buildings. 2011. vol. 43, no. 12, pp. 3514—3520.
6. Pinsker V.A., Vylegzhanin V.P. Teplofizicheskie ispytaniya fragmenta kladki steny iz gazobetonnykh blokov marki po plotnosti D400 [Thermophysical Test of a Segment of Masonry Walls Made of Aerated Concrete Blocks Mark with the Density D400]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2009, no. 8. Available at: http://www.eng-stroy.spb.ru Date of access: 10.07.13.
7. Knat'ko M.V., Gorshkov A.S., Rymkevich P.P. Laboratornye i naturnye issledovaniya dolgovechnosti (ekspluatatsionnogo sroka sluzhby) stenovoy konstruktsii iz avtoklavnogo gazobetona s oblitsovochnym sloem iz silikatnogo kirpicha [Laboratory and Field Studies of Durability (Operating Life) of a Wall Structure Made of Autoclave Aerated Concrete with Facing Layer made of Sand-lime Brick]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2009, no. 8. Available at: http://www.engstroy.spb.ru Date of access: 10.07.13.
8. Ogorodnik V.M., Ogorodnik Yu.V. Nekotorye problemy obsledovaniya zdaniy s otdel-koy litsevym kirpichom v Sankt-Peterburge [Some Problems of the Inspection of Buildings having Face Brick Finishing in St. Petersburg]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2010, no. 7. Available at: http://www.engstroy.spb.ru Date of access: 7.02.12.
9. Snegirev A.I., Al'khimenko A.I. Vliyanie temperatury zamykaniya pri vozvedenii na napryazheniya v nesushchikh konstruktsiyakh [The Influence of Circuit Temperature on the Stresses in the Process of Construction of Load-bearing Structures]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2008, no. 2. Available at: http://www.engstroy.spb.ru Date of access: 7.02.12.
10. Karpilovskiy V.S. SCADOFFICE. Vychislitel'nyy kompleks Scad [SCADOFFICE. Computing System Scad]. Moscow, 2011, pp. 274—283.
About the authors: Kremnev Vasiliy Anatol'evich — Director General, LLC "Infor-mAviaKoM", 2 Pionerskaya street, Korolev, Moscow Region, 141074, Russian Federation; +7 (495) 645-2062; info@iakom.ru;
Kuznetsov Vitaliy Sergeevich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Architectural and Structural Design, Mytishchi Branch, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 50 Olimpiyskiy prospect, Mytishchi, Moscow Region, 141006, Russian Federation; +7 (495) 583-07-65; visku1943@km.ru.
Talyzova Yuliya Aleksandrovna — Assistant, Department of Architectural and Structural Design, Mytishchi Branch, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 50 Olimpiyskiy prospect, Mytishchi, Moscow Region, 141006, Russian Federation; yuliatalyzova@yandex.ru.
For citation: Kremnev V.A., Kuznetsov V.S., Talyzova Yu.A. Osobennosti napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya naruzhnykh sten pri vozdeystvii peremennykh temperatur [Features of the Stress-and-strain State of Outer Walls Under the Influence of Variable Temperatures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 52—59.
