CC BY
22
СТРОИТЕЛЬСТВО. Строительные конструкции, здания и сооружения
DOI.org/10.5281/zenodo.2578710 УДК 69.059.25:69.059.73:693.557
А.Н. Бирюков, Е.О. Добрышкин
БИРЮКОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой
технологии, организации и экономики строительства, e-mail: aleks_bir@mail.ru
ДОБРЫШКИН ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ - инженер кафедры технологии, организации
и экономики строительства, e-mail: edobryshkin@mail.ru
Военный институт (инженерно-технический)
Военная академия материально-технического обеспечения
имени генерала армии А.В. Хрулева
Макарова наб., 8, Санкт-Петербург, 199034
Применение метода «термоса» при замене перекрытий на железобетонные в условиях реконструкции и капитального ремонта зданий зимой
Аннотация: Предпринятый авторами данной статьи анализ статистических материалов и литературы свидетельствует, что в России до настоящего времени все еще эксплуатируется значительное количество зданий с деревянными междуэтажными перекрытиями. Этот факт обусловливает актуальную задачу совершенствования технико-эксплуатационных показателей при проведении реконструкции и капитального ремонта таких зданий. В статье представлено обоснование использования уравнения теплового баланса для расчета необходимого количества функционирующих элементов системы отопления многоквартирного дома, позволяющего определить минимально допустимую температуру воздуха при твердении бетонной смеси в условиях одновременного производства работ по ремонту междуэтажных перекрытий и инженерных коммуникаций при проведении реконструкции или капитального ремонта здания. Ключевые слова: реконструкция, капитальный ремонт, перекрытия, инженерные коммуникации, бетонные работы, уравнение теплового баланса.
Введение: актуальность расчета минимально допустимой температуры воздуха
при совмещении бетонных работ с заменой инженерных коммуникаций
в зимних условиях
В настоящее время для жилого и нежилого фондов в Российской Федерации характерны высокие показатели развития физического износа строительных конструкций. По различным оценкам, несущие и ограждающие конструкции домов, построенных в период с 1946 по 1970 г. (примерно 25% от общего жилого фонда России), нуждаются в восстановлении эксплуатационных характеристик [1]. Особенно остро данный вопрос стоит в исторических центрах ряда городов России: Москве, Санкт-Петербурге, Калининграде, Екатеринбурге. В Санкт-Петербурге около 20% жилых зданий относятся к дореволюционной постройке, что составляет около 15% общей площади городского жилья в пересчете на квадратные метры. На долю нежилого фонда города приходится практически 13% площади зданий, которые находятся в неудовлетворительном или ветхом состоянии, что составляет 10 094 800 м [5, 16].
© Бирюков А.Н., Добрышкин Е.О., 2019
О статье: поступила 24.12.2018; финансирование: бюджет Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева.
В последнее время вопросы проведения реконструкции и капитального ремонта рассматриваются наравне с новым строительством в качестве основных направлений обеспечения населения жильем [1, 3, 4, 9, 11]. Поэтому одним из этапов программ по реновации не только жилищного фонда, но и улучшения качественного состояния производственных фондов в экономическом секторе в ряде случаев является планирование проведения реконструкции и капитального ремонта зданий.
Н.В. Брайла [6, с. 11-15] проанализировала техническое состояние и конструктивные решения жилых и производственных зданий Санкт-Петербурга. Так, конструктивной особенностью свыше 27 тыс. жилых и 34 тыс. нежилых зданий Санкт-Петербурга является наличие деревянных междуэтажных перекрытий: зданий с указанным техническим решением в городе абсолютное большинство [6]. Поэтому зачастую при проведении реконструкции и капитального ремонта, особенно зданий дореволюционной постройки, происходит полная замена междуэтажных перекрытий с выполнением бетонных работ. Необходимость замены междуэтажных перекрытий, выполненных из дерева, обусловлена значительным снижением эксплуатационных свойств объекта с течением времени. При этом выполнение бетонных работ может быть сопряжено с ремонтом или полной заменой инженерных коммуникаций, в том числе элементов системы отопления, что безусловно влияет на температурный режим помещений и усложняет организацию проведения бетонных работ в межсезонье или в зимних условиях.
Ряд исследователей [7, 15] считают, что при особом внимании со стороны государства к обеспечению качества городской среды инженерно-технические системы зданий, к которым относятся и системы теплоснабжения, должны обеспечивать надлежащие условия для проживания и труда граждан. Однако выполнение возложенных на системы теплоснабжения функций возможно только при значительном снижении их износа.
В этой связи актуальным становится вопрос об обеспечении такого температурного режима, необходимого для твердения бетона, который бы обеспечивал высокую морозостойкость, водонепроницаемость, трещиностойкость вновь создаваемой несущей конструкции при совмещении производства работ по замене элементов системы теплоснабжения в условиях отрицательных температур.
Цель данной статьи - на основе анализа подходов к выполнению бетонных работ при капитальном ремонте или реконструкции зданий в зимних условиях определить способ расчета минимально допустимой температуры для процесса твердения междуэтажных перекрытий при совмещении работ с ремонтом инженерных коммуникаций и заменой элементов системы теплоснабжения.
Оптимальная температура окружающей среды для твердения бетона в нормальных условиях составляет 15-20 °С, в условиях более низких температур процесс набора прочности существенно замедляется, а при температуре бетона ниже 0 °С твердение практически прекращается, поскольку замедляется процесс гидратации цемента [8, 13]. Вместе с тем набор прочности на сжатие осуществляется в процессе твердения в первые 28 суток после укладки бетонной смеси.
Пинус Б.И., Пинус Ж.Н., Хомякова И.В. [14] при проведении ряда лабораторных испытаний определили, что замораживание бетона, в том числе в раннем возрасте, приводит к значительному снижению прочности строительной конструкции.
Для обеспечения высокого уровня прочности конструкции при выполнении ремонтных работ в зимних условиях прибегают к методам, отличающимся главным образом источником тепла, обеспечивающим нормальное протекание процесса твердения [10]. Выполнение работ по реконструкции и капитальному ремонту зданий зимой, в частности устройство железобетонных перекрытий, осуществляется, как правило, в более благоприятных температурных условиях относительно бетонирования на открытом воздухе при новом строительстве, что обосновывает применение метода термоса по причине простоты и экономичности. При этом важное значение при бетонировании в зимних условиях железобетонных перекрытий и защите их от промерзания имеет тепловая инерция ограждающих конструкций [5].
Использование метода термоса заключается в укладке бетонной смеси после монтажа арматуры в утепленную опалубку и твердении ее до приобретения требуемой прочности в процессе медленного остывания (см. рисунок). Количество теплоты бетонной смеси и тепловыделение при протекании процесса гидратации должно быть не меньше количества теплоты, которую бетон отдает в окружающую среду [8, 13].
[И
Схема бетонирования плиты перекрытия при проведении реконструкции или капитального ремонта зданий в зимних условиях методом термоса: 1 - стена опалубки, 2 - нижний щит опалубки, 3 - горизонтальное утепление,
4 - плита перекрытия
Теплотехнический расчет при устройстве железобетонных перекрытий
Решение задачи о поддержании оптимальной температуры окружающей среды при выполнении работ по устройству железобетонных перекрытий осуществляется путем применения результатов теплотехнического расчета на основе уравнения теплового баланса [3], которое основано на равенстве суммарного количества тепла в 1 м3 бетона и теплопотерь за время остывания до заданной температуры:
р!=е2, (1)
где
где
где
0 - суммарное количество тепла в 1 м3,
02 - теплопотери за время остывания до заданной температуры.
При этом суммарное количество тепла в 1 м бетона определяется следующим образом:
01 = СбЗб (*б. 1 " *5.2) + %Э' (2)
сб - удельная теплоемкость бетона (1,05 КДж/ (кг-град)), уб - плотность бетона, кг/ м ;
*б . 1 - начальная температура бетона после укладки;
2 - температура бетона к концу остывания; Цц - расход цемента на 1 м бетона, кг;
3 - экзотермия за время твердения бетона, КДж/кг.
Теплопотери за время остывания бетона до заданной температуры составляют:
02 = 3,6тМпК(^ср - гн.в), (3)
г - продолжительность остывания бетона до +5°, ч; М - модуль поверхности, М-1;
К - коэффициент теплопередачи опалубки или укрытия неопалубочных поверхностей, Вт/(м3-град);
¡б.ср. - средняя температура бетона за время остывания, °С; в - температура наружного воздуха за время остывания, °С.
При производстве работ по реконструкции или капитальному ремонту здания с заменой междуэтажных перекрытий на железобетонные в качестве источников тепловой энергии в отапливаемом помещении может выступать как система отопления, так и источники бытовых тепловыделений, а также солнечная энергия. К источникам бытового тепловыделения, как правило, относят бытовую технику, плиты, различного рода обогреватели, массивные элементы внутренних ограждающих конструкции и людей. Из этого следует, что тепловой приток можно записать в виде следующего выражения:
б = 0 + б, (4)
х^пост х^по х^с'
где
бпост - суммарное количество теплопоступлений;
бпо - тепловой поток от приборов отопления, людей и бытовых источников;
0 - тепловой поток от солнечной энергии через световые проемы.
Потери теплоты при производстве работ по реконструкции или капитальному ремонту можно записать в следующем виде:
Опотерь = + 02 + - + бп =
= К^.АГ + кэк2 + ... + К^^АГ, (5)
п
О-потерь У \ кэк.п^огр.пАТ' (6)
или:
п=1
где
бпотерь - суммарное количество теплопотерь;
0 - теплопотери через п-е количество ограждающих конструкций;
кэк1 - эквивалентный коэффициент теплопередачи через п-ю ограждающую конструкцию;
*огр,п - площадь наружного ограждения;
АТ - перепад температуры воздуха внутри и снаружи ограждения. Эквивалентный коэффициент теплопередачи определяется для ограждающих конструкций в каждом отдельном случае: для поиска эквивалентного коэффициента теплопередачи каждая ограждающая конструкция разбивается на зоны - с таким расчетом, чтобы в пределах одной зоны значение коэффициента было постоянно [2]. Данный коэффициент
теплопередачи можно описать следующим выражением:
р
У к*
^^ пп огр.п
к = —--(7)
экв.п. р V /
У* '
п
р=1
где
к - эквивалентный коэффициент теплопередачи через п-е ограждение;
к^ - коэффициент теплопередачи через ]-й однородный элемент п-го неоднородного ограждения;
Кгр.п. - площадь ]-го наружного ограждения.
Принимая во внимание различное климатическое расположение значительного количества городов Российской Федерации, целесообразно ввести допущение, что количество тепловыделения от бытовых источников и теплопоступления за счет солнечной энергии во много раз меньше количества теплопоступления от системы отопления. Тогда допустимо равенство:
(8)
0 = о
х^пост
Обоснование расчета теплообмена между теплоносителем и внешней средой с уточнением уравнения теплового баланса
Величина потока тепла от теплоносителя системы отопления в жилых домах определяется в основном интенсивностью теплообмена на внешней поверхности элементов системы отопления, что характерно для конвективного способа теплообмена. Так, коэффициент теплопередачи от теплоносителя к воздуху в помещении жилого дома приблизительно равен коэффициенту теплоотдачи с поверхности элементов системы отопления (к « а). Из этого следует, что процесс передачи тепла от у-го теплоносителя (элемента системы отопления дома) к воздуху отапливаемого помещения можно описать уравнением конвективной теплоотдачи [2] (уравнением Ньютона-Рихмана) с поверхности элемента системы отопления дома к окружающему воздуху в следующем виде:
0 =а ^ (Т -Т ) (9)
Я-'ПОУ V эо.у V эо.у возд \ '
где
ау - коэффициент теплоотдачи у-го элемента системы отопления; ^ о у - площадь поверхности у-го элемента системы отопления; ТЭОч - температура поверхности у-го элемента системы отопления. Тогда суммарное количество тепла от элементов системы отопления помещения жилого дома будет определяться по формуле:
V
°по = Еэо. V (Тэо. V - Твозд ). (10)
v=1
В этом случае уравнение теплового баланса (1) при твердении бетона в условиях производства работ по реконструкции или капитальному ремонту с устройством железобетонных перекрытий можно задать в виде:
01 ^ Опост О2 ^ Опотерь, (11)
при этом теплопотери за период остывания бетона составляют:
02 О1 ^ Опост 0потерь, (12)
или:
з,втмпк (^ср-и =
V п
= сб]б (*5.1 - *б2) + ЧцЭ + Т(аЛ0, (Тэо.V - Твозд ))-^ЕКК^огр.пАТ . (13)
v=1 п=1
Осуществляя преобразование формулы (13), возможно определить температуру наружного воздуха /н в для твердения вновь создаваемой строительной конструкции при проведении капитального ремонта или реконструкции зданий:
t = U -
н.в. о.ср.
C6j6 (t6.1 - t6.2 ) + %Э + Z (avFsa. v (Тэо . v - Твозд )) - Z кэк . пРогр . п AT _v=1_n=1_
3, втМК
(14)
Заключение
Таким образом, в условиях совмещения выполнения бетонных работ при устройстве железобетонных перекрытий в ходе реконструкции или капитального ремонта зданий и работ по ремонту инженерных коммуникаций, в том числе системы отопления, нами определено, что использование формулы (14) позволяет провести расчет минимально допустимой температуры воздуха для обеспечения нормативного процесса твердения, что, в свою очередь, позволяет спланировать функционирование необходимого количества элементов системы отопления для поддержания такого температурного режима, при котором бы обеспечивался оптимальный набор прочности междуэтажных перекрытий. Применение полученных авторами результатов позволяет продолжить дальнейшее направление научных исследований по оптимизации механизма планирования восстановления зданий с целью повышения эффективности использования выделяемых капитальных вложений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамян С.Г. Реконструкция и модернизации зданий, введенных в эксплуатацию во второй половине ХХ века: цели и задачи // Интернет-журнал «Науковедение». 2016. Т. 8, № 1. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/40TVN116.pdf (дата обращения: 18.12.2018).
2. Андреев С.Ю., Федоров И.П. О методах распределения общедомового учета тепла // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2010. № 11(81). C. 24-27.
3. Бирюков А.Н. Основные организационно-технологические решения и экономическая целесообразность сноса зданий // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 5. С. 103-109.
4. Бирюков А.Н., Денисов В.Н., Бирюков Ю.А. Снос зданий и сооружений в современных условиях: монография. СПб.: ВА МТО, 2014. 256 с.
5. Бирюков А.Н., Денисов В.Н., Шварц М.С. Роль тепловой инерции в защите ограждающих конструкций от промерзания в сибирских регионах // Строительные и дорожные машины. 2016. № 3. С. 45-50.
6. Брайла Н.В. Календарное планирование ремонтно-строительных работ на основе совершенствования методики определения физического износа объектов: дисс.....канд. тех. наук. М.:
Изд. дом.
СПбГАСУ, 2012. 171 с.
7. Воробьев В.С., Запащикова Н.П., Яньшина И.В. Оценка состояния инженерных сетей в системах коммунальной инфраструктуры и повышение эффективности энергосбережения // Интернет-журнал «Науковедение». 2015. Т. 7, № 3. URL: http://naukovedenie-.ru/PDF/171TVN315.pdf (дата обращения: 5.12.2018).
8. Головнев С.Г., Байбурин А.Х., Беркович Л.А. Новый способ возведения монолитных зданий в зимнее время // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Сер. Строительство и архитектура. 2010. № 15. С. 56-58.
9. Зильберова И.Ю., Петров К.С. Проблемы реконструкции жилых зданий различных периодов застройки // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4. URL: http: //www.ivdon.ru/ maga-zine/archive/n4tly2012/1119 (дата обращения: 19.12.2018).
10. Иванов И.А., Сергеев Б.К. Физико-химические процессы в бетоне монолитных конструкций // Вестник Бурятского гос. ун-та. Химия. Физика. 2012. № 3. С. 137-139.
11. Ковалев Д.В., Чудинова В.Г. Реконструкция и модернизация жилой среды крупнопанельных домов массовых серий // Вестник ЮУрГУ. Сер. Строительство и архитектура. 2013. № 1. С. 4-8.
12. Осипов А.М. Бетонирование при низких температурах // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4(47). URL: http: //www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1306 (дата обращения: 10.12.2018).
13. Пикус Г.А., Мозгалёв К.М. Контроль параметров бетона, выдерживаемого в зимних условиях // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Сер. Строительство и архитектура. 2015. Т. 15, № 1. С. 6-9.
14. Пинус Б.И., Пинус Ж.Н., Хомякова И.В. Изменение конструктивных свойств бетонов при охлаждении и замораживании // Вестник Иркутского гос. тех. ун-та. 2015. № 2(97). С. 111-115.
15. Пупырев Е.И. Влияние инженерных систем на качество городской среды // Энергоресурсосбережение и энергоэффективность. 2009. № 5(29). С. 15-21.
16. Федеральная служба государственной статистики [Раздел «Основные фонды»]. URL: http:// www.gks.ru. (дата обращения 15.10.2018).
Buildings and Structures www.dvfu.ru/en/vestnikis
DOI.org/10.5281/zenodo.2578710
Biryukov A., Dobryshkin E.
ALEXANDER BIRYUKOV, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of Department, Department of Construction Technology, Management and Economics, e-mail: aleks_bir@mail.ru
EVGENIY DOBRYSHKIN, Engineer, Department of Construction Technology, Management and Economics, e-mail: edobryshkin@mail.ru Engineering and Technical Military Institute
Military Academy of Material and Technical Support named after General of the Army A.V. Khrulev 8 Makarova nab, St. Petersburg, 199034, Russia
The application of the thermos method with the reinforced concrete floors replacement in the conditions of reconstruction and total renovation of buildings in the wintertime
Abstract: The authors of the article analyzed the technical condition of the Russian Federation buildings by studying statistical materials and scientific literature to find out that a significant number of operated buildings have wooden intermediate floors. This fact demands an urgent improvement in the technical and operational performance standards during the reconstruction and total renovation of buildings. The article presents the rationale for the use of the heat balance equation to calculate the optimal number of functioning elements of the heating system of an apartment building, which allows to determine the minimum allowable air temperature during the hardening of the concrete mixture in the context of simultaneous performance of works on repair of floor slabs and utilities during the reconstruction or overhaul of the building.
Keywords: reconstruction, repair, floors, utilities, concrete work, the equation of heat balance. REFERENCES
1. Abramyan S.G. Reconstruction and modernization of buildings commissioned in the second half of the twentieth century: goals and objectives. The online j. Science. 2016(8); 1. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/40TVN 116.pdf -18.12.2018.
2. Andreev S.Yu., Fedorov I.P. About methods of distribution of General house accounting of heat. Energy. Energy audit. 2010;11:24-27.
3. Biryukov A.N. The main organizational and technological solutions and economic feasibility of demolition. Bulletin of civil engineers. 2012;5:103-109.
4. Biryukov A.N., Denisov V.N., Biryukov Yu.A. Demolition of buildings and structures in modern conditions, monograph. SPb., VA MTO, 2014, 256 p.
5. Biryukov A.N., Denisov V.N., Shvartz M.S. The Role of thermal inertion in the protection of enclosing structures from freezing in the Siberian regions. Construction and road machinery. 2016;3:45-50.
6. Braila N.V. Calendar planning of repair and construction works on the basis of improvement of a
technique of determination of physical wear of objects: Diss..... Kand. Tech. Sc. M.: Izd. house
SPbGASU, 2012, 171 p.
7. Vorob'ev V.S., Zapashikova N.P., Yanshina I.V. Estimation of a condition of engineering networks in utility infrastructure systems and enhancing energy efficiency. The online j. Science. 2015(7);3. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/171TVN315.pdf - 5.12.2018.
8. Golovnev S.G., Bayburin A.H., Berkovich L.A. A new method of construction of monolithic buildings in the winter time. Vestnik Yuzhno-Ural State Univ. 2010;15:56-58.
9. Zilberova I.Yu., Petrov K.S. Problems of reconstruction of residential buildings from various periods of construction. Engineering Vestnik of Don. 2012;4. URL: http: //www.ivdon.ru/ maga-zine/archive/n4tly2012/1119. -19.12.2018.
10. Ivanov I.A., Sergeev B.K. Physical and chemical processes in concrete of monolithic structures. Bulletin of Buryat State Univ. Chemistry. Physics. 2012;3:137-139.
11. Kovalev D.V., Chudinov V.G. Reconstruction and modernization of the living environment of large-panel houses of mass series. Bulletin of the South Ural State Univ. 2013;1:4-8.
12. Osipov A.M. Concreting at low temperatures. Engineering Vestnik of Don. 2012;4. URL: http: //www.ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012 / 1306. -10.12.2018.
13. Pikus G.A., Mozgalev K.M. Control of parameters of concrete, withstanding winter conditions. Bulletin of the South Ural State Univ. 2015(15);1:6-9.
14. Pinus B.I., Pinus Zh.N., Khomyakova I.V. Changes in the structural properties of concrete during cooling and freezing. Bulletin of Irkutsk State Technical Univ. 2015;2:111-115.
15. Pupyrev E.I. The impact of engineering systems on the quality of the urban environment. Energy saving and energy efficiency. 2009;5:15-21.
16. Federal state statistics service [Section Fixed assets]. URL: http://www.gks.ru. - 15.10.2018.
