CC BY
28Научно-технический и производственный журнал
-------жилищн
СТРОИТЕ!
УДК 699.86
К.С. АНДРЕЙЦЕВА, инженер-математик (9259988800@mail.ru)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Особенности расчета температурных полей при проектировании ограждающих конструкций
Проанализировано тепловизионное обследование конструкции, согласно которому установлено понижение температуры поверхности в локальных участках конструкции. На основе этого обследования проведено численное моделирование данной конструкции с граничными условиями, соответствующими климатическим условиям г. Москвы, а также согласно расчетной температуре, принятой во время термографирования. Представлены результаты сравнительного исследования расчета температурных полей и тепловизионной съемки изучаемого узла конструкции. Для учета примыкания различных материалов конструкции друг к другу, а именно теплопроводности этих материалов в многослойной конструкции, а также особенностей монтажа конструкции введены определенные допущения к теплотехническому расчету. Изучен характер распределения температуры в толще и на поверхности конструкции в соответствии с установленными допущениями.
Ключевые слова: температурно-влажностный режим, мостик холода, теплоперенос, вентилируемый фасад, точка росы, теплотехнический расчет.
Для цитирования: Андрейцева К.С. Особенности расчета температурных полей при проектировании ограждающих конструкций // Жилищное строительство. 2018. № 6. С. 19-23.
K.S. ANDREYTSEVA, Engineer-Mathematician (9259988800@mail.ru) Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
Features of Calculation of Temperature Fields When Designing Enclosing Structures
The thermal imaging survey of the structure, according to which was established the decrease in the surface temperature in the local sections of the structure, was analyzed. On the basis of this survey, a numerical simulation of this structure was carried out with boundary conditions corresponding to the climatic conditions of Moscow as well as according to the design temperatures adopted during thermal mapping. Results of the comparative study of the calculation of temperature fields and the thermal imaging of the structural component studied are presented. For taking into account the contiguity of various materials of the construction to each other, so the thermal conductivity of these materials in a multilayer structure, as well as the features of the installation of the construction, certain «assumptions» were made to the heat engineering calculation. The nature of the temperature distribution in the thickness and on the surface of the construction was studied in accordance with the established assumptions.
Keywords: temperature-humidity regime, thermal bridge, heat transfer, ventilated facade, dew point, thermo-technical calculation.
For citation: Andreytseva K.S. Features of calculation of temperature fields when designing enclosing structures. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 6, pp. 19-23. (In Russian).
В настоящее время перед архитекторами стоит задача запроектировать здание, отвечающее современным тенденциям и нормам. Вопросы, которые решают архитекторы, - создание образа строительного объекта, его зрительное восприятие, гармоничное вхождение в общую архитектурную картину местности, соответствие конструкции практическому назначению. В то же время конструкторы, опираясь на архитектурный проект, готовят весь необходимый пакет документов, планов и инженерных расчетов, подробно описывающий все условия и строительные мероприятия, необходимые для успешной реализации задуманного проекта. Взаимосвязь архитектурной концепции с нормативными требованиями и прочностными и теплотехническими характеристиками - основная и крайне сложная задача, возникающая при строительстве.
Существующий опыт расчетов температурных полей [1-9] абсолютно соответствует проектному решению конструкции (Каталог температурных полей узлов типовых ограждающих конструкций. М., 1980. 112 с.). И порой при-
62018 ^^^^^^^^^^^^^
вычные методы теплотехнических расчетов на этапе проектирования простых и с виду несложных конструкций могут скрывать в себе ряд ошибок, которые выявляются только в будущем. В связи с этим возникает необходимость постоянного совершенствования методики расчетов и введения в них определенных допущений.
В настоящей статье рассмотрен узел конструкции, в котором при проведении тепловизионной съемки выявлено понижение температуры на внутренней поверхности ниже санитарных норм СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Далее были проведены расчеты температурных полей в этом узле при различных граничных условиях: в соответствии с СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» и согласно условиям, в которых проводилась тепловизионная съемка (таблица 1). И затем был проведен сравнительный анализ полученных результатов.
Конструкция узла представляет собой вентилируемый фасад с утепленным минераловатными плитами монолитным железобетонным пилоном размерами 900 мм х 250 мм
- 19
Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
Расчетные параметры
Таблица 1
Рис. 1. Схема узла вентилируемого фасада с монолитным железобетонным пилоном, утепленным минерало-ватными плитами
Вентилируемый фасад 5 мм
Вентилируемый зазор 310 мм
Минераловатный утеплитель 170 мм
Полнотелый кирпич 260 мм
Штукатурка гипсовая 5 мм
Покраска
Рис. 2. Характер распределения температуры в толще конструкции
Temperatupe along line T1 oC
Min: 14,672oC Max: 18,138 oC Avr: 17,343 oC
0,4
0,15 0,2 0,25 Distance, m
Рис. 3. Температурная кривая вдоль внутренней поверхности конструкции (слева)
и примыкаемыми к нему утепленными кирпичными стенами. На рис. 1 изображена схема узла. Параметры материалов конструкции представлены в табл. 2.
Для начала в расчете был рассмотрен проектный вариант с граничными условиями, соответствующими СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»: tH=-25oC, tB=20oC. Характер распределения температуры в толще конструкции с обозначением изотермических линий представлен на рис. 2. На рис. 3 изображена температурная кривая вдоль внутренней стены. Как видно из рис. 3, минимальная температура на внутренней поверхности конструкции узла -это температура в угловой зоне, которая составляет 14,67oC.
Далее был проведен расчет в соответствии с условиями, в которых проводилась тепловизионная съемка, а именно:
Параметры Значение Источник
Район строительства г. Москва
Расчетная температура наружного воздуха, равная температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 ^н -25oC СП 131.13330.2012, табл. 1
Расчетная температура наружного воздуха 1И -1oC Отчет по тепловизионному осмотру
Расчетная температура внутреннего воздуха 20oC Отчет по тепловизионному осмотру
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции ав 8,7 Вт^м2^) СП 50.13330.2012, табл. 4
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ан 12 Вт^м2^) СП 50.13330.2012, табл. 6
Таблица 2
Характеристики материалов элементов конструкции
Материал Теплопроводность X, Вт^м2^)
Монолитный железобетон 2,04
Полнотелый кирпич 0,81
Минераловатный утеплитель в зоне вентилируемого фасада 0,04
Минераловатный утеплитель в зоне штукатурного фасада 0,04
Штукатурка цементно-песчаная 0,93
Штукатурка гипсовая 0,35
Вентилируемый 5
фасад мм
Вентилируемый 310
зазор мм
Минераловатный 170
утеплитель мм
Полнотелый 260
кирпич мм
215 Рис. 4. Характер рас,,, пределения темпера-0,05 туры в толще кон--1 струкции
Temperatupe along line T1 oC
Min: 17,476oC Max: 19,147 oC Avr: 18,765 oC
19 18,5 18 17,5
0,15 0,2 0,25 Distance, m
Рис. 5. Температурная кривая вдоль внутренней поверхности конструкции (слева)
^=-1°С,^=20°С. Результаты расчета температурных полей и температурная кривая вдоль внутренней поверхности стены проиллюстрированы на рис. 4-5, соответственно.
Минимальная температура на внутренней поверхности конструкции узла в данном варианте составляет 17,48°С.
В отличие от проектного, «идеального» случая здесь может не быть плотного примыкания слоев конструкции, т. е. обеспечить при монтаже абсолютное слияние кладки из
20
62018
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
+20°C
"20 18,95 17,9
16,85 15,8
14,75
13,7
12,65 11,6
10,55
9,5 8,45
7,4 6,35 5,3 4,25 3,2 2,15
2 0
т—рта
1 20
18,95
17,9
16,85
15,8
14,75
13,7
12,65
11,6
10,55
9,5
8,45
7,4
6,35
5,3
4,25
3,2
2,15
0,05 -1
Рис. 6. Характер распределения температуры в толще конструкции
Temperatupe along line T1 oC
Min: 16,728oC Max: 19,24 oC Avr: 18,855 oC
19 18,5 18 17,5 17
0 0,05 0, 0,15 0,2 0, 25 0,3 0,35 0,4
Рис. 8. Характер распределения температуры в толще конструкции
Temperatupe along line T1 oC
Min: 14,801oC Max: 19,123 oC Avr: 18,764 oC
\
\
L
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 ,3 0,35 0,4
Distance, m
Рис. 7. Температурная кривая вдоль внутренней поверхности конструкции (слева)
Distance, m
Рис. 9. Температурная кривая вдоль внутренней поверхности конструкции (слева)
Вх1
Max 24,7oC Min 15,8oC Sp1 19,2oC
Параметры Коэффициент излучения 0,95 Отраж. темп. 20oC
Рис. 10. Характер распределения температуры в толще конструкции
Temperatupe along line T1 oC Min: 7,4351oC Max: 19,399 oC Avr: 18,893 oC
15 10
0,15 0,2 0,25 Distance, m
Рис. 11. Температурная кривая вдоль внутренней поверхности конструкции (слева)
полнотелого кирпича и монолитного железобетонного пилона почти невозможно. Поэтому далее были рассмотрены три возможных варианта: A - примыкание между слоями обеспечено наполовину, ближе к внутренней поверхности конструкции; Б - примыкание между слоями обеспечено
Рис. 12. Тепловизионная съемка конструкции
наполовину, ближе к наружной поверхности конструкции; В - зазор 1 мм между кирпичными слоями и монолитным железобетонным пилоном.
Вариант А. Результаты расчета температурных полей представлены на рис. 6, и температурная кривая вдоль внутренней поверхности на рис. 7.
Минимальная температура на внутренней поверхности конструкции узла в данном варианте составляет 16,730С.
Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
Минимальная температура на внутренней поверхности конструкции узла
Таблица 3
№ Граничные условия Допущения Температура
1 Проектное решение tH=-25oC,tB=20oC Без допущений 14,67oC
2 Согласно отчету по тепловизионному осмотру tH=-1oC,tB=20oC Без допущений 17,48oC
3 Согласно отчету по тепловизионному осмотру tH=-1oC,tB=20oC Примыкание между слоями обеспечено наполовину, ближе к внутренней поверхности конструкции 16,73oC
4 Согласно отчету по тепловизионному осмотру tH=-1oC, tB=20oC Примыкание между слоями обеспечено наполовину, ближе к наружной поверхности конструкции 14,8oC
5 Согласно отчету по тепловизионному осмотру tH=-1oC,tB=20oC С зазором 1 мм 7,44
Вариант Б. Результаты расчета температурных полей представлены на рис. 8, и температурная кривая вдоль внутренней поверхности на рис. 9.
Минимальная температура на внутренней поверхности конструкции узла в данном варианте составляет 14,80°С.
Вариант В. Результаты расчета температурных полей представлены на рис. 10 и температурная кривая вдоль внутренней поверхности на рис. 11.
Минимальная температура на внутренней поверхности конструкции узла в данном варианте составляет 7,44°С.
Все полученные данные минимальной температуры на поверхности сведены в табл. 3.
На рис. 12 изображена термограмма конструкции. Минимальная температура на внутренней поверхности составляет 15,8°С.
Как видно из табл. 3, результаты, полученные при тепло-визионной съемке конструкции, не соответствуют результа-
Список литературы
1. Умнякова Н.П., Андрейцева К.С., Смирнов В.А. Теплообмен на поверхности выступающих элементов наружных ограждений // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2016. № 4 (364). С. 157-161.
2. Козлов В.В., Андрейцева К.С. Разработка инженерного метода расчета минимальной температуры на внутренней поверхности конструкции в зоне примыкания балконной плиты к стене // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2017. № 6 (994). С. 38-39.
3. Умнякова Н.П., Андрейцева К.С., Смирнов В.А. Особенности критерия БИО для выступающих элементов здания // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. № 2 (368). С. 330-335.
4. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Лушин К.И., Плющенко Н.Ю. Учет теплопроводных включений и вентилируемой прослойки при расчетах сопротивления теплопередаче стены с навесной фасадной системой (НФС) // Строительные материалы. 2016. № 6. С. 32-35.
5. Марков С.В., Шубин Л.И., Андрейцева К.С. Математическое моделирование для расчета трехмерных температурных полей узла сопряжения наружной стены с балконной плитой и монолитным междуэтажным перекрытием // Научное обозрение. 2014. № 7-1. С. 190-196.
6. Андрейцева К.С, Ярмаковский В.Н., Кадиев Д.З. Влияние связей-соединителей бетонных слоев в трехслойных стеновых панелях на теплотехническую однородность конструкции // Жилищное строительство. 2015. № 7. С. 38-44.
22| -
там расчета температурных полей проектной конструкции узла (строка 2 табл. 3), а близки к значениям расчета, сделанного с допущениями к проекту (строки 3 и 4 табл. 3).
Таким образом, можно сделать вывод, что в натурных условиях конструкция может не соответствовать проекту ввиду особенностей выполнения кладочных работ, а также невозможности «идеального» примыкания двух материалов, в данном случае кирпичной кладки и монолитного железобетона. И при появлении минимального воздушного зазора несущая бетонная колонна-пилон промерзает вместе с утеплителем, несмотря на то что в случае расчета согласно проекту минимальная температура на внутренней поверхности соответствует нормам (строка 2 табл. 3).
При выполнении расчетов температурных полей необходимо учитывать все особенности примыкания разных материалов друг к другу и при необходимости вводить допущения, как видно из примера, описанного выше.
References
1. Umnyakova N.P., Andreytseva K.S., Smirnov V.A. Heat transfer on the surface of protruding elements of external fences. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tekhnologiya tekstil'noypromyshlennosti. 2016. No. 4 (364), pp. 157-161. (In Russian).
2. Kozlov V.V., Andreytseva K.S. Development of the engineering method for calculating the minimum temperature on the internal surface of the structure in the zone of the balcony plate to the wall. BST: Byulleten' stroitefnoy tekhniki. 2017. No. 6 (994), pp. 38-39. (In Russian).
3. Umnyakova N.P., Andreytseva K.S., Smirnov V.A. Features of the Bio criterion for the protruding elements of a building. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tekhnologiya tekstifnoy promyshlennosti. 2017. No. 2 (368), pp. 330-335. (In Russian).
4. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Lushin K.I., Plushenko N.Y. Allowance for heat-conducting inclusions and a ventilated layer in calculations of resistance to heat transfer of a wall with a hinged facade system (NFS). Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 6, pp. 32-35. (In Russian).
5. Markov S.V., Shubin L.I., Andreytseva K.S. Mathematical modeling for calculation of three-dimensional temperature fields of the interface unit of the outer wall with a balcony plate and a monolithic inter-floor overlap. Nauchnoye obozreniye. 2014. No. 7-1, pp. 190-196. (In Russian).
6. Andreytseva K.S., Yarmakovskiy V.N., Kadiev D.Z. Influence of bonds-connectors of concrete layers in three-layered wall panels on the heat engineering uniformity of a structure. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 7, pp. 38-44. (In Russian).
^^^^^^^^^^^^^^ 62018
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
7. Гагарин В.Г., Плющенко Н.Ю. Определение термического сопротивления вентилируемой прослойки НФС // Строительство: Наука и образование. 2015. № 1. С. 1-3.
8. Кочев А.Г., Сергиенко А.С. Решение задачи по расчету температурных полей оконных откосов зданий // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2014. № 2 (9). С. 67-76.
9. Крайнов Д.В., Садыков Р.А. Определение дополнительных потоков теплоты через элементы фрагмента ограждающей конструкции // Жилищное строительство. 2012. № 6. С. 10-12.
Gagarin V.G., Plushenko N.Y. Determination of the thermal resistance of a ventilated layer of the NSF. Stroitel'stvo: Nauka i obrazovaniye. 2015. No. 1, pp. 1-3. (In Russian). Kochev AG, Sergienko A.S. Solution of the problem of calculating temperature fields of window slopes of buildings. Nauchnyy vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Fiziko-khimicheskiye problemy i vysokiye tekhnologii stroitel'nogo materialovedeniya.. 2014. No. 2 (9), pp. 67-76. (In Russian). Krainov D.V., Sadykov R.A. Determination of additional heat fluxes through elements of a fragment of the enclosing structure. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 6, pp. 10-12. (In Russian).
Петербургский «Лахта Центр» - самый, самый, самый
В Санкт-Петербурге в 9 км от исторического центра у самой кромки воды Финского залива возводится самый северный в мире и самый высокий в Европе небоскреб «Лахта Центр». Башня с прилегающими зданиями напоминает нагромождение ледяных торосов, воплощая эстетику холодных водных просторов Балтики. Высота башни со шпилем составляет 462 м, что на 88 м выше башни «Федерация» в Москва-Сити.
Комплекс состоит из четырех сооружений: собственно небоскреба, закручивающегося на 90о от основания до вершины; многофункционального разновысотного здания, разделенного на два блока продольным атриумом; арки, являющейся отдельным зданием-входом в комплекс, с уникальными большепролетными безопорными фермами, длина которых по точкам схода - 98 м; стилобата, скрывающего парковку, склады, логистический проезд.
В рейтинге небоскребов спиралевидной формы, составленном Международным советом по высотным зданиям и городской среде (СТВиН), супертолл «Лахта Центр» занимает второе место после Шанхайской башни (высота 632 м).
На встрече с журналистами профессиональных изданий, организованной службой корпоративных коммуникаций компании КНАУФ под руководством Л.М. Лося, начальник управления по проектированию АО МФК «Лахта Центр» Ю.В. Гуляк рассказала, что «Лахта Центр» - это многофункциональный комплекс площадью 400 тыс. м2. Всего в башне 87 этажей (последний этаж - 372 м). Офисные пространства комплекса займут структуры группы «Газпром», порядка трети площадей отведено под концептуальные общественные пространства: открытый амфитеатр, пешеходная набережная, обзорная площадка (самая высокая в Европе), концертный зал-трансформер, детский научно-образовательный центр с планетарием, панорамные рестораны и галереи.
Это новый центр перспективного инновационного развития Санкт-Петербурга, где предполагается реализовать современную модель взаимоотношений пространства и человека, сформировать дружелюбную городскую среду. Уже в настоящее время на прилегающих территориях планируются и возводятся объекты жилой и коммерческой недвижимости, а также социальной, спортивной и транспортной инфраструктуры.
«Лахта Центр» - супертолл, возводимый в условиях самой сложной, третьей грунтовой категории. Беспрецедентным является объем научного-исследовательского сопровождения проекта. Инженерно-технические изыскания проходили с 2011 г. с привлечением 13 компаний под научным руководством В.И. Травуша, академика РААСН, д-ра техн. наук.
В разработке и реализации проекта «Лахта Центр» было задействовано около 20 тыс. человек из 18 стран мира.
При проектировании и строительстве комплекса внедрено более 100 инновационных инженерных решений. Например, сваи под небоскребом достигают диаметра 2 м и являются самыми широкими в мире. Коробчатый фундамент башни включает три плиты. Нижняя, толщиной 3600 мм и объемом более 19 тыс. м3, была залита без остановок за 49 ч. Эта операция занесена в Книгу рекордов Гиннеса.
В проекте применен ряд конструктивных решений, для которых нормативная база в Российской Федерации отсутствовала. В связи с этим разрабатывалась нормативная документация, специальные технические условия на проектирование, методики расчета и испытания конструкций. Например, благодаря разработке нормативной базы на несущие конструкции из стекла, у российских архитекторов появилась возможность использовать стеклянные конструкции в качестве несущих, , , а не только ограждающих.
Конечно, такая суперстройка не могла обойтись без суперматериалов КНАУФ. Как отметил на встрече с журналистами Е. Павлов, руководитель отдела продукт-менеджмента Северо-Западной сбытовой дирекции ООО «КНАУФ ГИПС», при строительстве «Лахта Центра» в основном применялись нестандартные технологии КНАУФ, разработанные специально для этого объекта.
Например, крепить перегородки к металлическим балкам было нельзя, дабы не нарушать их огнезащиту. Для решения задачи применен силовой каркас из КНАУФ-профилей иА. Шумозащитные панели технических этажей башни выполнены из гипсоволокнистых КНАУФ-суперлистов и защищают соседние этажи от ударного и воздушного шума. Перегородки с обшивками из КАНУФ-листов Сапфир DFH3IR соответствуют высоким стандартам проектировщиков по пожаробезопасности и шумозащите. Также на объектах «Лахта Центра» применяются негорючие плиты КНАУФ-Файерборд, широкий спектр сухих строительных смесей.
Завершить строительство «Лахта Центра» планируется в 2018 г.
