CC BY
59
БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 693.2
В.П. Валуйских, С.В. Стрижова, К.В. Лисенков
ФГБОУВПО «ВлГУ»
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ КАМЕННЫХ И ТРЕХСЛОЙНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ СТЕН
Рассмотрены температурные режимы работы ограждающих стен, запроектированных по СНиП II-3—79* и СНиП 23-02—2003, даны оценки авторов о причинах разрушения облицовочной кладки зданий и сооружений из керамических пустотных кирпичей, а также временного периода опасной эксплуатации облицовочной кладки трехслойных стен. Предложена рациональная с позиций теплотехники система воздушных прослоек в пустотных кирпичах.
Ключевые слова: облицовочные кирпичи, температурные режимы ограждающих стен, трехслойные стены, рациональная система пустот.
Долгие годы в России, обладающей огромными запасами энергоресурсов, не уделялось должного внимания строительству зданий и сооружений с эффективной теплозащитой [1, 2]. В настоящее время большая часть жилого фонда и промышленных предприятий, запроектированных по СНиП II-3—79*1, продолжают тратить на отопление большие финансовые ресурсы, тем самым снижая комфортность проживания и эффективность производства.
В два последних десятилетия, особенно после введения в действие СНиП 23-02—20032, уровень тепловой защиты значительно повысился [1, 3], изменились конструкции ограждающих стен (ОС), но на смену старым проблемам [4, 5] пришли новые:
1) принципиально изменились температурные режимы работы стеновых материалов (СМ) ОС и, в частности, облицовочного кирпича (ОК) в межсезонный период — период малых среднесуточных минусовых температур ¿ср;
2) контроль за физико-механическими характеристиками (ФМХ) СМ, в частности за ФМХ ОК, значительно ослаб и величины ФМХ, декларируемые производителями СМ, мягко говоря, не вызывают доверия.
Обследования [6] показывают, что уже после 4...6 лет эксплуатации зданий с трехслойными ОС более 34 % из них требуют срочного капитального ремонта.
Рассмотрим существо первой из отмеченных выше проблем. На рис. 1 приведены конструкции ОС зданий средней этажности, запроектированных по СНиП1, 2, и графики распределения температур по толщине стен в межсезонные периоды при t = -1°...-3°. В однородных каменных стенах (рис. 1, а, в) с тепловым сопротивлением (ТС) R ~ 1 м2°С/Вт (практически,
1 СНиП II-3—79*. Строительная теплотехника. М. : Госстрой СССР, 1985.
2 СНиП 23-02—2003. Тепловая защита зданий. М. : Госстрой России, 2004.
ВЕСТНИК
МГСУ-
11/2013
многие здания имеют Я < 1 м2°С/Вт) суточные изменения температур Д^'с во внешнем слое ОК оказывались ниже суточных изменении температур воздуха Д^с вследствие «быстрого» подвода тепла из внутренних помещений зданий и нулевая изотерма (точка «росы») перемещалась во внешнем тонком слое ОК.
Рис. 1. Варианты конструктивных решений ОС: а — проект по СНиП1 однородной каменной ОС; б — проект по СНиП2 трехслойной ОС и графики изменения температур по толщине стен; в — для стены а; г — для стены б в межсезонье (поздняя осень, ранняя весна)
В трехслойных ОС (рис. 1, б, г) с ТС Я ~ 3,05...3,25 м2°С/Вт (СНиП2) суточные изменения температур воздуха и ОК оказываются практически одинаковыми и нулевая изотерма перемещается по всей толще ОК. Кроме того, при переменной облачности нулевая изотерма в течение светового дня (рис. 2) может несколько раз «входить» в ОК и «выходить» из ОК, тем самым ускоряя исчерпание резерва морозостойкости ОК.
Рис. 2. Суточные графики изменения температур: 1 — средние; 2, 3 — отклонения ( к минимуму (3) и максимуму (2); 4 — вариации средней температуры в дневное время при переменной облачности
При использовании керамического пустотного кирпича (КПК) дополнительным обстоятельством ухудшения условий работы ОК является характер движения нулевой изотермы через КПК с щелевыми пустотами (ЩП), перпендикулярными ОС (рис. 3). Нулевая изотерма в первую очередь касается контура ЩП в угловых точках, имеющихся в большинстве производимых КПК, и приводит к образованию конденсата влаги в этих точках.
!1!1!1!Г
a
6
Рис. 3. Керамические пустотные кирпичи (а, б) и схема проникновения холода внутрь ограждающей стены через ОК (в)
В угловых точках КПК, уже имеющих концентрацию технологических и силовых эффектов, в первую очередь происходит исчерпание ресурса морозостойкости и зарождение трещин, приводящих к разрушению КПК.
Представленные соображения вполне объясняют результаты исследований [6], но не согласуются с ее выводами.
Автор [6] констатирует, что с уменьшением толщины утеплителя долговечность ОС возрастает, — фактам (работа зданий, построенных в 1970-е гг.) сложно возражать, но их объяснение может быть различным. По нашему мнению:
во-первых, при достаточно жестком контроле качества (знак качества и др.) в СССР всей продукции, в частности ФМХ СМ и ОК, можно предполагать, что ОК 1970-х гг. имели морозостойкость выше современных ОК;
во-вторых, уменьшение толщины утеплителя со 140 мм (см. рис. 1, б) до 100 и тем более до 50 мм приближает температурные режимы работы трехслойных стен к однородным каменным ОС и облегчает работу ОК, однако, выполнить требования СНиП2 по ТС ОС весьма сложно;
в-третьих, опасным периодом работы ОК следует считать время Т, в течение которого происходит ежесуточный переход через ^ = 0°. Из рис. 4 следует, что Т = Т + Т2 ~ 115...120 дн., т.е. 4 мес.
зо зь 20 15
ю 5 О -5 - ю -%ь
Рис. 4. Графики изменения средних месячных температур и их отклонений
Заметим, что с учетом возможной вариации средней температуры в дневное время при переменной облачности (см. рис. 2) определить даже среднее число циклов замерзания — оттаивания ОК по времени Т не представляется возможным — необходима дополнительная статистика.
I \Jr \ ) 1
I X щ X I
1 У1 m— —I
| J | \ X I
/ ^ 1 ^
' / У _ - _ N. \ I
1 / ^ I \ \
| J* s ^-ж. | ^ч Vi
ВЕСТНИК 11/2013
МГСУ_11/2013
Как отмечено выше, одной из причин ускорения разрушения КПК является нерациональная структура пустот. Повышения ФМХ пустотных кирпичей, в частности ТС и морозостойкости, можно достичь путем использования пустот с гиперпараметрической формой поперечного сечения [7], рациональными размерами и топологией их положения [8].
На рис. 5 приведены фрагмент лицевой поверхности силикатного ПК с пустотами, воздушными прослойками (ВП) и формой поперечного сечения в виде биквадратных эллипсов, а также изотермы, соответствующие стадии проникновения холода через ОК. Очевидно, что нулевая изотерма касается поверхности ВП на значительной площади и, следовательно, эффект локальной конденсации влаги снижается.
Рис. 5. Схема проникновения холода внутрь стены через ОК с гиперпараметрическими (биквадратными эллипсами) ВП
Считаем, что для повышения долговечности трехслойных ОС необходимо установить строгий контроль за ФМХ СМ и значительно повысить требования к морозостойкости ОК. Отметим, что принципиальное изменение температурных режимов работы ОК происходит не только в трехслойных, но и в двухслойных (ОК + ячеистый бетон) [9], в которых морозостойкость ячеистого бетона неудовлетворительная.
Очевидно, вместо проведения детального исследования причин разрушения трехслойных ОС, разработки и внедрения энергоэффективных и долговечных ОК, СМ и др., запретить (Москва, Казань и др. [6]) использование трехслойных ОС проще. Однако, в применяемых в настоящее время двухслойных ОС уже проявляется не меньшее количество проблем.
Запретительный путь — тупиковый, необходимо выявлять и устранять причины возникающих проблем. Мы имеем много предложений, реализация которых позволит сократить удельный вес строительства «капитально-временных» зданий и сооружений [1].
Библиографический список
1. Валуйских В.П. Эффективные экономическая стратегия, стеновые материалы и технологии жилищного строительства // Инновации в строительстве и архитектуре. ВлГУ, 2012. Владимир : Транзит-ИКС, 2012. С. 170—197.
2. Валуйских В.П., Стрижова С.В., Палкин П.А. Конструкции ограждающих и несущих стен в малоэтажном строительстве // Строительная индустрия : вчера, сегодня, завтра : III Всероссийская НПК : сб. ст. Пенза : РИО ПГСХА, 2012. С. 27—31.
3. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М. : АВОК-ПРЕСС, 2006. 136 с.
4. Allcut E.A. General Discussion on heat transfer. London. 1951. 91 p.
5. Tye R.P. Thermal conductivity. London-N.Y., 1969. Vol. 1. 441 p.
6. Умнякова Н.М. Долговечность трехслойных стен с облицовкой из кирпича с высоким уровнем тепловой защиты // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 94—100.
7. Гиперпараметрические цилиндрические макропустоты в стеновых материалах / В.П. Валуйских, А.С. Грибанов, А.П. Евдокимов, К.В. Лисенков // Инновации в строительстве и архитектуре. Владимир : ВлГУ, 2012. С. 137—140.
8. Валуйских В.П, Лисенков К.В. RU Патент 118 993 U1, МПК Е04С 1/00. Силикатные пустотные кирпичи. Заявл. 30.03.2012. Опубл. 10.08.2012: Бюл. № 22. 2 с.
9. Малахова А.Н., Балакшин А.С. Применение стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов в несущих стенах зданий средней этажности // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 87—93.
Поступила в редакцию в июле 2013 г.
Об авторах: Валуйских Виктор Петрович — доктор технических наук, профессор, академик РАТ, заведующий кафедрой сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых» (ФГБОУ ВПО «ВлГУ»), г. Владимир, ул. Горького, д. 87, 8(4922)47-99-05, vpval@ yandex.ru;
Стрижова Светлана Викторовна — архитектор, соискатель кафедры сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых» (ФГБОУ ВПО «ВлГУ»), г. Владимир, ул. Горького, д. 87, [email protected];
Лисенков Кирилл Владимирович — аспирант кафедры сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых» (ФГБОУ ВПО «ВлГУ»), г. Владимир, ул. Горького, д. 87, [email protected].
Для цитирования: Валуйских В.П., Стрижова С.В, Лисенков К.В. Температурные режимы работы каменных и трехслойных ограждающих стен // Вестник МГСУ. 2013. № 11. С. 155—160.
V.P. Valuyskikh, S.V. Strizhova, K.V. Lisenkov
SERVICE TEMPERATURES OF STONE AND THREE-LAYERED FENCE WALLS
In the article service temperatures of fence walls, designed according to Sanitary Norms and Requirements SNIP II-3—79 and SNiP 23-02—2003 are considered. In recent years the service temperatures of fence wall materials and front bricks in off-season period changed fundamentally. The control over physical and mechanical characteristics of wall materials significantly weakened. The surveys show that already after 4-6 years of buildings operation more than 34 % of three-layered walls are in urgent need of major repairs. This author estimates the reasons for the destruction of the face work of buildings and structures made of ceramic hollow bricks, as well as the period of unsafe operation of three-layered walls brickwork. Thermal performance of different structures containing fence walls are considered. In stone walls the "dew point" moves in the outer thin layer of fence walls. In three-layered walls dew point moves along the entire wall thickness. When using ceramic hollow bricks, additional condition of deterioration of the wall is the occurrence of stress concentrations. One of the reasons for ceramic hollow bricks destruction is an irrational structure of voids. Improving physical and mechanical characteristics of hollow bricks, in particular, thermal resistance and frost resistance, can be achieved by using voids of hyper-parametric cross-sectional shape, rational size
BECTHMK ii/20l3
MfCY_ii/20i3
and position. We believe, that in order to increase the durability of three-layered fence walls strict control over the physical and mechanical characteristics of wall materials is needed, the same as significant severization of the requirements to frost-resistance of bricks. We offer many ideas, which will reduce the time and cost of buildings and structures construction.
Key words: front bricks, service temperatures of fence walls, three-layered walls, rational system of voids.
References
1. Valuyskikh V.P. Effektivnye ekonomicheskaya strategiya, stenovye materialy i tekh-nologii zhilishchnogo stroitel'stva [Effective Economic Strategy, Wall Materials and Housing Technologies]. Innovatsii v stroitel'stve i arkhitekture [Innovations in Construction and Architecture]. Vladimir, Vladimir State University, Tranzit-IKS Publ., 2012, pp. 170—197.
2. Valuyskikh V.P., Strizhova S.V., Palkin P.A. Konstruktsii ograzhdayushchikh i nesush-chikh sten v maloetazhnom stroitel'stve [Construction of Fence and Bearing Walls in Low-rise Buildings]. Stroitel'naya industriya: vchera, segodnya, zavtra: III Vserossiyskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya: sbornik statey [Construction Industry: Yesterday, Today, Tomorrow. 3rd All-Russian Scientific-Practical Conference: Collection of Works]. Penza, RIO PGSKhA Publ., 2012, pp. 27—31.
3. Fokin K.F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchikh chastey zdaniy [Building Heat Engineering of the Enclosing Parts of Buildings]. Moscow, AVOK-PRESS Publ., 2006, 136 p.
4. Allcut E.A. General Discussion on Heat Transfer. London, 1951, 91 p.
5. Tye R.P. Thermal Conductivity. London-N.Y., Academic Press, 1969, vol. 1, 441 p.
6. Umnyakova N.M. Dolgovechnost' trekhsloynykh sten s oblitsovkoy iz kirpicha s vyso-kim urovnem teplovoy zashchity [Durability of Three-layered Walls with Brick Facing that Provides High Thermal Protection]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp 94—100.
7. Valuyskikh V.P., Gribanov A.S., Evdokimov A.P., Lisenkov K.V. Giperparametricheskie tsilindricheskie makropustoty v stenovykh materialakh [Hyper-parametric Cylindrical Macro-voids in Wall Materials]. Innovatsii v stroitel'stve i arkhitekture [Innovations in Construction and Architecture]. Vladimir, Vladimir State University, 2012, pp. 137—140.
8. Valuyskikh V.P., Lisenkov K.V. RU Patent 118 993 U1, MPK E04C 1/00. Silikatnye pustotnye kirpichi. Zayavka № 30.03.2012; opubl. 10.08.2012, Byul. №22 [RF Patent 118 993 U1, MPK E04C 1/00. Silicate hollow bricks. Application no. 30.03.2012, published 10.08.2012, Bulletin no. 22]. 2 p.
9. Malakhova A.N., Balakshin A.S. Primenenie stenovykh melkikh blokov iz yacheistykh betonov v nesushchikh stenakh zdaniy sredney etazhnosti [Using Small Cellular Concrete Blocks to Make Bearing Walls of Mid-rise Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no.1, pp. 87—93.
About the authors: Valuyskikh Victor Petrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Member, Russian Academy of Transport (RAT), head, Department of Strength of Materials, Vladimir State University named after Alexander and Nikolai Stoletov (VLSU), 87, Gor'kogo St., Vladimir, 600000, Russian Federation; [email protected]; +7 (4922) 47-99-05;
Strizhova Svetlana Viktorovna — architect, applicant, Department of Strength of Materials, Vladimir State University named after Alexander and Nikolai Stoletov (VLSU), 87, Gor'kogo St., Vladimir, 600000, Russian Federation; [email protected];
Lisenkov Kirill Vladimirovich — postgraduate student, Department of Strength of Materials, Vladimir State University named after Alexander and Nikolai Stoletov (VLSU), 87, Gor'kogo St., Vladimir, 600000, Russian Federation; [email protected].
For citation: Valuyskikh V.P., Strizhova S.V., Lisenkov K.V. Temperaturnye rezhimy rabo-ty kamennykh i trekhsloynykh ograzhdayushchikh sten [Service Temperatures of Stone and Three-layered Fence Walls]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 11, pp. 155—160.
