CC BY
37Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 692.231.2:692.231.3
А.В. МАТВЕЕВ1, канд. техн. наук, А.А. ОВЧИННИКОВ2, инженер (ovchinnikov2009@yandex.ru)
1 Томский государственный архитектурно-строительный университет (634003, Томск, пл. Соляная, 2) 2 ООО «Стройтехинновации ТДСК» (634055, Россия, г. Томск, Академический пр-т, 8/8, оф. 616)
Разработка энергоэффективных крупнопанельных
с» -к
ограждающих конструкции
Освещены актуальные вопросы энергоэффективности в крупнопанельном домостроении, пути ее совершенствования и достижения с использованием современных композитных материалов. Предложено конструктивно-технологическое решение трехслойных наружных стеновых панелей с применением композитных гибких связей, выполненных из стеклопла-стиковых стержней. Произведен анализ напряженно-деформированного состояния наружных стеновых панелей на гибких связях с учетом длительной эксплуатации, внесены предложения по совершенствованию конструктивного решения наружных стеновых панелей крупнопанельных зданий. Приведены результаты как экспериментальных, так и теоретических исследований рассматриваемых конструкций на предмет определения конструктивной надежности и теплотехнической эффективности с использованием современных программно-вычислительных комплексов.
Ключевые слова: ограждающая конструкция, стеновая панель, энергоэффективность, композитная арматура.
A.V. MATVEEV1, Candidate of Sciences (Engineering), A.A. OVCHINNIKOV2, Engineer (ovchinnikov2009@yandex.ru) 1 Tomsk State University of Architecture and Building (2, Solyanaya Square, 634003 Tomsk, Russian Federation) 2 «Stroytehinnovatsii», LLC (of. 616, Akademicheskiy ave. 8/8, 634055, Tomsk, Russian Federation)
Development of Energy-Efficient Large-Panel Enclosing Structures*
The actual issues of energy efficiency in the large-panel house préfabrication, ways of improvement and achievements with the use of up-to-date composite materials are covered. The structural-technological conception of three-layer external wall panels with the use of composite flexible bracings made of glass fiber rods is offered. The analysis of the stress-strain state of external wall panels with flexible bracings with due regard for long-term operation is made; suggestions for the improvement of structural design of external wall panels of large-panel buildings are offered. Results both of experimental and theoretical studies of the considered structures for determination of structural reliability and thermotechnical efficiency and the use of up-to-date programming and computing suites are presented.
Keywords: enclosing structure, wall panel, energy efficiency, composite reinforcement.
Одним из актуальных вопросов индустриального строительства, непосредственно связанных с энергоресурсосбережением, является вопрос повышения теплоэффек-тивности наружных ограждающих конструкций зданий при обеспечении их долговечности и эксплуатационной надежности.
Работы в данном направлении ведутся как центральными научно-исследовательскими центрами России (Отчет о научно-исследовательской работе по теме «Коррозионные испытания стеклопластиковой арматуры (СПА) Бийско-го завода стеклопластиков по ТУ 2296-001-20994511 (заключительный) ГУП «НИИЖБ», Москва, 2004; Петров М.Г. Экспериментально-теоретические основы прогнозирования долговечности материалов и конструкций // Проблемы качества в строительстве: Материалы IV Всероссийской конференции. Новосибирск: СГУПС, 2003. С. 56-60), так и предприятиями КПД. При совместном участии НИИСФ РААСН и ОАО «Томская домостроительная компания» был проведен ряд экспериментальных и численных исследований по следующим задачам:
- разработка и изготовление индустриальным методом конструкций срехслойных наружных стен повышенной те-плоэффективности;
- выполнение экспериментально-теоретических исследований по оценке надежности разрабатываемых конструкций;
- выполнение опытно-промышленной апробации применения разрабатываемых конструкций.
Предложения по повышению теплотехнических параметров трехслойных стеновых панелей. Научно-исследовательские работы в соответствии с данной задачей выполнялись в 2012-2014 гг. [1-4]. Основным направлением выбрана разработка конструктивно-технологического решения трехслойных стеновых панелей [5] с использованием композитных гибких связей, выполненных с применением стеклопластиков. Данное решение позволило исключить из конструкции ограждающих конструкций соединительные жесткие связи, представляемые в виде железобетонных ребер или дискретных связей - шпонок. Данные элементы, имеющие повышенный процент армирования, имеют достаточно высокую теплопроводность - до R=1,9 м2оС/Вт, коэффициент теплотехнической однородности таких панелей не превышает г<0,75, и соответственно наблюдается снижение сопротивления теплопередаче конструкции в целом.
Рассматриваемые композитные гибкие связи - стекло-пластиковые, имеют круглый профиль и цилиндрически-
* Статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 02.0.25.31.0022).
102014
19
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
□
ш
Пух.
К
• •
• •
и
Лл
И.
1-7
лО.
, 895 , 8x600 = 5400 мм , 700
6395
I2
о
С^ II
О 2
1-1
I
щ
450
2-2
Рис. 1. Геометрическая схема несущей торцевой стеновой панели
конусное утолщение на анкерующих участках. Такие гибкие связи состоят из стекловолокон, скрепленных затвердевшим термореактивным связующим с образованием на поверхности стержней ребристых покрытий для сцепления с бетоном [6]. Определение физико-механических параметров стеклопластиковых гибких связей проводилось рядом экспериментальных исследований в соответствии с ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия», которые включали: определение прочности при растяжении, определение прочности анкеровки в бетоне. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Гибкие связи [7, 8] рассматривались как исходного состояния, так и выдержанные в щелочной среде по ускоренной методике в соответствии с ГОСТ 31938-2012.
Таким образом, несмотря на слабое сопротивление стеклянных волокон агрессивному воздействию щелочной среды, являющихся основой стекплопластиковых гибких связей, связующая эпоксидная смола в значительной мере обеспечивает сохранность стекловолокон в щелочной среде, аналогичной среде бетона (Блазнов А.Н., Волков Ю.П., Луговой А.Н., Савин В.Ф. О химической стойкости стекло-пластиковой арматуры // Проектирование и строительство в Сибири. 2003. № 3. С. 34-37).
Количество гибких связей на одну конструкцию стеновой панели определяется из условия (1):
п>
N . Р1 А Жс Я
(1)
где N - расчетная нагрузка с учетом коэффициента динамичности; Ас - площадь поперечного сечения одной связи; Р - сдвигающая сила, действующая на связи в панели; I -расчетная длина связи; Жс - момент сопротивления сечения одной связи; Я - расчетное сопротивление связи растяжению (без учета коэффициента условий работы); п - количество связей в бетоне.
Расчет гибких связей по деформациям производится отдельно для гибких связей, расположенных нормально к поверхности панели (2):
\2nE-I (2)
А = Д,=
и наклонно (под углом а) к поверхности панели (3):
Р-13 Ы-13
А= / „ • яш (х ч——рт-сов а, Д. -К Д. ■ Д.
с с с с
(3)
где Дс - взаимное смещение концов связей от сдвигающего усилия Рс, действующего на связи; Ес - модуль упругости
Таблица 1
Марка материала Вид щелочного раствора Нормативный документ на продукцию Нормативный документ на метод испытания Начальный модуль упругости, МПА Среднее значение предела прочности, МПа Остаточная прочность, %
СПГС 07,5 Исходное состояние ТУ 2296-001-20994511 ГОСТ 31938-2012, прил.Б 41300 1240 100%
СПГСщ 07,5 Раствор щелочи по рецепту ГОСТ 31938-2012 35150 1054 85%
Научно-технический и производственный журнал
при растяжении композитной связи; ^ 1С - момент инерции сечения одной связи; Ып - усилия, возникающие от горизонтальных нагрузок.
В результате исследований влияния напряженного состояния стекло-пластиковых связей на их щелочестой-кость установлено, что допустимая величина напряжений в связях не должна превышать при эксплуатации в стеновых панелях ориентировочно 30% от разрушающих напряжений в обычных условиях.
Далее с учетом полученных предварительных результатов проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния ограждающих конструкций с применением композитных гибких связей методом конечных элементов. Расстановка композитных гибких связей приведена с учетом рекомендаций (Рекомендации к применению стеклопластико-вой арматуры (СПА) в качестве гибких связей трехслойных стеновых панелей / Рук. тем. В.И. Устинов. Новосибирск: СГУПС, 1999. 41 с.). Для расчетов принята несущая торцевая стеновая панель без проемов, как наиболее нагруженная. Общий вид исследуемой несущей торцевой стеновой панели приведен на рис. 1.
Статический расчет производится в линейной постановке.
Местная система координат для КЭ плит приведена на рис. 2.
Усилия и напряжения вычисляются для центра тяжести каждого конечного элемента (при необходимости в узловых точках) в местной системе координат (если не задана специальная система координат).
Для элементов оболочки главные площадки для верхней и нижней поверхностей параллель ны, а главные напряжения вычисляются по известной фор муле (4):
2
Рис. 2. Местная система координат прямоугольного и треугольного конечных элементов
Рис. 3. Изополя главных растягивающих напряжений на внешней поверхности наружного слоя, МПа
ax+av
(4)
Результаты численных расчетов представлены в виде изополей главных растягивающих напряжений на внешней поверхности наружного слоя, а также изополей перемещений наружного слоя относительно внутреннего (рис. 3, 4).
На рис. 3 наглядно продемонстрировано, что главные растягивающие напряжения по полю панели не превышают 0,95 МПа, что значительно ниже, чем в стеновых панелях с жестким соединением слоев (Ярмаковский В.Н., Шапиро Г.И., Рогинский С.Л., Залесов А.С. Энергоэффективные ограждающие конструкции зданий с гибкими композитными связями // Энергосбережение. 2002. № 2. С. 32-34).
Для расчетов использовались физико-механические характеристики композитных гибких связей, полученные по
Рис. 4. Изополя вертикальных перемещений наружного слоя относительно несущего внутреннего слоя, мм
результатам экспериментальных исследований. Для оценки долговечности конструкции численным методом были произведены повторные расчеты с параметрами гибких связей, выдержанных в щелочной среде. Изополя главных растягивающих напряжений приведены на рис. 5.
При этом вертикальные перемещения наружного слоя относительно внутреннего увеличиваются не более чем на 1%. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что надежная эксплуатация стеновых панелей в нормальных условиях в течение не менее 50 лет обеспечена с незначительным изменением напряженно-деформированного состояния от «старения» стеклопласти-ковых гибких связей.
Обоснование энергоэффективности разрабатываемых конструкций численным методом для города Томска проводилось в программе Temper3D, основанной на методе конечных элементов, производящей расчеты трехмерных температурных полей, в том числе нелинейных с фазовыми переходами.
Z
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Наименование материала Плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м2оС), для условий «Б»
Керамзитобетон 1800 0,82 (с учетом армирования)
Теплоизоляционные плиты, ПСБ25-С 25 0,044
Стеклопластиковая арматура ~ 2000 0,6
Керамзитобетонные шпонки 1950 1,95 (с учетом усиленного армирования)
Рис. 5. Изополя главных растягивающих напряжений на внешней поверхности наружного слоя с учетом «старения» гибких связей, МПа
Рис. 7. Температурные поля трехслойной стеновой панели с применением стеклопласти-ковых гибких связей
-. 385106Е+02 .196201Е+02
погрешность дискретизации
5.40068 С
м/н козфф.тепл.1 Т среды ! площадь т средняя тепл. поток!
4 .2300Е+02 ; -.3900Е+02 | .1722Е+02 -.3326Е+02 -.2937Е+03 |
9 . Б700Е-Е-01 1 ■2100Е+02 \ .1722Е+02 .1904Е+02 .2937Е+03 |
итого С вход.= . 29367ВЕ+03 С1 выход. =-. 293676Е+03 Погрешность = . 00074% использованы не стандартные граничные условия Рис. 6. Результаты расчета теплового потока в Temper3D
Исходные данные для создания граничных условий, принятых в соответствии с СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*»: средняя температура наиболее холодной пятидневки ^ = -39оС; расчетная температура внутреннего воздуха ^ = +21оС; средняя температура отопительного периода = -7,9оС; продолжительность отопительного периода zaI = 233 сут.
Характеристики используемых материалов приведены в табл. 2.
Результаты расчета в Temper3D представлены в виде таблицы с данными о тепловом потоке, проходящем как со стороны холодной поверхности, так и в обратном (по ана-
Таблица 2 логии как с улицы в квартиру и наоборот) (рис. 6).
Согласно СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» приведенное сопротивление теплопередаче R0 неоднородной ограждающей конструкции возможно определять по формуле:
где и - расчетная температура внутреннего и наружного воздуха соответственно, оС; п - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху; Ар - расчетная площадь неоднородной ограждающей конструкции, м2; 0 - суммарный тепловой поток через конструкцию или ее фрагмент площадью А, Вт, определяемый на основе расчета температурного поля, Вт.
Температурные поля трехслойной стеновой панели с применением стек-лопластиковых гибких связей и с учетом контурных железобетонных ребер приведены на рис. 7.
Учитывая вышеизложенное, было принято решение о производстве трехслойных стеновых панелей с гибкими стеклопластиковыми связями в заводских условиях на линиях конвейерного формования завода крупнопанельного домостроения ООО «ЗКПД ТДСК».
Первые несущие трехслойные стеновые панели с применением композитных гибких связей изготовлены на заводе крупнопанельного домостроения ООО «ЗКПД ТДСК» в октябре 2012 г. на первый и второй этажи здания с разных сторон. Наблюдение за их состоянием производилось в течение полутора лет, особое внимание уделялось в периоды межсезонья (зима-весна, лето-осень). При этом по результатам наблюдения за техническим состоянием несущей трехслойной стеновой панели с применением композитных гибких связей не выявлено трещин на наружной поверхности панелей, превышающих 0,05 мм.
Анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований, численных расчетов, а также контроля технического состояния трехслойных стеновых панелей, выполненных с применением композитных гибких связей в первые периоды эксплуатации в межсезонье (зима-весна, лето-осень), можно сделать вывод о том, что применение стеклопластиковых гибких связей в трехслойных стеновых панелях обосновано с точки зрения повышения эксплуатационной надежности и теплотехнической эффективности.
Научно-технический и производственный журнал
Список литературы
1. Ярмаковский В.Н., Семенюк П.Н., Родевич В.В., Луговой А.В. К совершенствованию конструктивно-технологических решений трехслойных наружных стеновых панелей крупнопанельных зданий в направлении повышения их теплозащитной функции и надежности в эксплуатации // Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение, надежность, экологическая безопасность: Материалы IV Академических чтений РААСН. 3-5 июля 2012 г. М., 2012. С. 47-64.
2. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Часть 1. Ресурсоэнергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий и ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 12-19.
3. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Часть 1 (продолжение). Ресурсо-энергосбережение на стадии производства строительных материалов, стеновых изделий, ограждающих и несущих конструкций // Строительные материалы. 2013. № 8. С. 65-72.
4. Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. Основные направления ресурсоэнергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий. Часть 2 (продолжение). Ресурсо-энергосбережение на стадии монтажа (возведения) конструктивной системы здания и его эксплуатации // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 46-55.
5. Патент РФ на полезную модель № 35119. Слоистая стеновая панель здания / Г.И. Шапиро, В.Н. Ярмаков-ский, С.Л. Рогинский и др. Заявл. 21.05.2003. Опубл. 27.12.2003. Бюл. № 36.
6. Патент РФ 2147655. Соединительный элемент/ С.Л. Ро-гинский, В.В. Антипов, В.Н. Ярмаковский. Заявл. 12.10.1999. Опубл. 20.04.2000. Бюл. № 11.
7. Луговой А.Н. Повышение энергоэффективности ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 32-33.
8. Луговой А.Н, Ковригин А.Г. Композитные гибкие связи для трехслойных панелей // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 22-24.
References
1. Yarmakovsky V.N., Semeniuk P.N. Rodevich V.V., Lugovoi A.V. To improve the structural and technological solutions of three-layer external wall panels of large buildings in the direction of increase of their thermal protection function and operational reliability. Actual issues of building physics - energy efficiency, reliability and environmental safety: Materials of the IV Academic readings RAACES. Moscow, 2012, pp. 47-64. (In Russian).
2. Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. Main Ways of Resource-Energy Saving at Construction and Operation of Buildings. Part 1. Resource-Energy Saving at the Stage of Producing of Building Materials, Wall Products and Enclosing Structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 7, pp. 12-19. (In Russian).
3. Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. Main Ways of Resource-Energy Saving in the Course of Construction and Operation of Buildings. Part 1 (continuation) Resource-Energy Saving at the Stage of Manufacturing Building Materials, Wall Products, Enclosing and Bearing Structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 8, pp. 65-72. (In Russian).
4. Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. Main Directions of Resource and Energy Saving during the Construction and Operation of Buildings. Part 2 (continuation). Resource and Energy Saving at the Stage of Installation (erection) of Structural System of a Building and its Operation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 9, pp. 46-55. (In Russian).
5. Patent RF 35119. Layered Wall Panel of the building [Sloistaya stenovaya panel' zdaniya]. Shapiro G.I., Yarmakovskii V.N., Roginskii S.L. Appl. 21.05.2003. Publ. 27.12.2003. Bulletin No. 36. (In Russian).
6. Patent RF 2147655. The connecting element [Soedinitel'nyi element]. Roginskii S.L., Antipov V.V., Yarmakovsky V.N. Appl. 12.10.1999. Publ. 20.04.2000. Bulletin No. 11. (In Russian).
7. Lugovoy A.N. Enhancement of Energy Efficiency of Enclosing Structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 3, pp. 32-33. (In Russian).
8. Lugovoy A.N., Kovrigin A.G. Composite Flexible Bracings for Three-Layered Thermal Efficient Panels. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 5, pp. 22-23. (In Russian).
Архсовет Москвы рассмотрел предварительные архитектурные концепции новых серий жилых домов повторного применения
В Музее Москвы 8 октября 2014 г. состоялось выездное заседание архитектурного совета, посвященное вопросу модернизации типового жилья. На суд членов совета были представлены пять проектных предложений, созданных с учетом критериев-требований к сериям жилых зданий: многосекционный дом, выполненный проектным бюро Buromoscow по заказу ОАО «ПИК-Индустрия», серия полносборных панельно-каркасных жилых домов TA-714-001, разработанная компанией «Терра-Аури», жилой дом в районе Бескудниково, спроектированный ОАО «Моспроект», и серия домов «ДСК-1», созданная МНИИТЭП совместно с Рикардо Бофиллом.
Помимо этого в ходе совета были представлены презентации российской компании «Крост», реализующей в настоящее время проекты панельного строительства на максимально высоком уровне с разнообразным решением фасадов и комфортной для проживания средой, и финских коллег из компании «Тикканен», продемонстрировавших зависимость стоимости проекта от качества решения фасада.
Новые критерии к сериям жилых домов были озвучены в рамках предыдущего архсовета. Согласно с этими требованиями были разработаны представленные концепции. Рассмотрение же финальных версий запланировано на декабрь. За это время авторы проектов должны подготовить доработанные варианты с учетом всех высказанных членами совета замечаний.
