CC BY
95
THE COMPARATIVE ANALYSIS OF THE STRESS-STRAIN STATE OF REINFORCED MONOLITHIC FLOORS, TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF SEISMICS LOADS
D. V. Morozova*, Y.S. Litvichenko**
*Moscow Polytechnic University
** Moscow State University of Civil Engineering
Abstract Keywords:
In the current publication is given the analysis of the stress state of the 12-storey seismic-resistant construction, reinforced-
building with various constructive solutions of the floor subjected to seismic concrete structures, monolithic floor,
loads. The article is presented results of calculations in the LIRA CAD software beamless floor
package in the form of images of isofield of bending moments and tabulated. Date of receipt in edition:18.03.18
Date of acceptance for printing: 19.03.18
УДК 697
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВАКУУМНЫХ СТЕКЛОПАКЕТОВ
И.А. Клыков, П.В. Стратий
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация Ключевые слова:
Статья посвящена вопросам энергоэффективного остекления. энергоэффективность, тепло-
Рассматриваются процессы переноса тепла через многослойное техника, тепловые потери,
остекление и способы борьбы с тепловыми потерями. Далее излагаются светопрозрачные конструкции,
теоретические предпосылки эффективности вакуумного стеклопакета, и энергоэффективнное остекление,
приводится краткая история развития данной технологии. На основании вакуумное остекление, сопротивление
расчётов, проведенных при помощи программного комплекса, теплопередаче, vacuum glazing,
выдвигается предположение о возможном значении приведенного insulated glass
сопротивления теплопередаче вакуумного стеклопакета. История статьи:
Дата поступления в редакцию 16.02.18
Дата принятия к печати 18.02.18
На протяжении последних десяти лет в числе наиболее приоритетных задач, стоящих перед строительной отраслью, остаётся увеличение энергоэффективности зданий. Решение этой проблемы является частью глобальной задачи по реализации стратегии экономического развития Российской Федерации. Программа по увеличению энергоэффективности предусматривает применение комплекса мер по сокращению объемов использования энергетических ресурсов, затрачиваемых на обслуживание зданий.
Жилищный сектор обладает высоким потенциалом по увеличению энергетической эффективности. К 2020 году планируется сократить затраты топлива на обеспечение жилищного сектора экономики на 53,28 млн. тонн условного топлива по сравнению с показателями 2007 года. Главная статья расходов, подвергающаяся сокращению, это расходы на отопление, которые согласно планам программы должны быть уменьшены на 41,11 млн. тонн условного топлива [1].
Основную часть потерь энергии при эксплуатации жилых и общественных зданий составляют тепловые потери через внешние ограждающие конструкции. В качестве главного средства борьбы с ними была разработана новая нормативная база, предъявляющая более высокие требования к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций. Для того чтобы достичь нормативных значений строительные компании вынуждены применять современные высокотехнологичные материалы и конструкции, позволяющие сокращать затраты на отопление здания не нарушая микроклимат внутри него.
Наружная оболочка здания обладает неоднородными теплозащитными свойствами. Эффективность разных элементов наружных ограждающих конструкций характеризуется величиной сопротивления теплопередаче. Самой неэффективной частью ограждающей оболочки здания, с точки зрения теплоизоляции, является остекление. В среднем остекление занимает 18-22% площади фасада современного жилого здания. Теоретические исследования показывают, что доля тепловых потерь, приходящаяся на остекление, может достигать 35%, что делает его основным источником теплопотерь через ограждающие конструкции [2]. Сложившуюся ситуацию хорошо иллюстрируют данные тепловизионной съемки. На рис.1 видно, что окна жилых зданий являются наиболее яркой частью фасада жилого зданий, что косвенно сообщает нам о больших тепловых потерях.
Рис. 1. Пример результатов тепловизионной съемки многоэтажного жилого здания
Чтобы свести величину этих потерь к минимуму необходимо использовать современные системы остекления с высоким сопротивлением теплопередаче. В качестве светопрозрачной части таких систем используются стеклопакеты различных конфигураций.
Теплозащитная функция внешней ограждающей конструкции - препятствовать теплообмену между внутренней и наружной средой. При возникновении разности температур в разных участках среды возникает тепловой поток, стремящийся восстановить термодинамическое равновесие. Внутри ограждающей конструкции тепловая энергия переносится с помощью теплопроводности, излучения и конвекции [3]. Рассмотрим подробнее процессы передачи тепла через многослойное остекление и способы борьбы с ними.
Из всего спектра электромагнитного излучения большую часть тепловой энергии переносят длинноволновые инфракрасные лучи. Само по себе, обыкновенное натрий-кальций-силикатное стекло практически не пропускает длинноволновое инфракрасное излучение. При попадании на поверхность стекла, излучение частично отражается, а частично поглощается им, что приводит к повышению его температуры. Таким образом, стекло само становится источником излучения и возвращает часть энергии обратно в
помещение, остальная же часть попадает в окружающую среду в качестве тепловых потерь. Для снижения величины теплопотерь на внутренние поверхности стёкол наносится покрытие из тонкого слоя металла. Такие покрытия значительно снижают величину коэффициента эмиссии стёкол, что позволяет стеклопакету сохранить большую часть тепла внутри помещения.
Перенос энергии с помощью теплопроводности происходит путем механического взаимодействия, происходящего между частицами материала. В стеклопакете этот перенос происходит через толщу стекла, массу воздуха между стёклами и дистанционную рамку. Обычные алюминиевые рамки обладают высокой теплопроводностью и в местах контакта со слоями остекления по периметру стеклопакета образуют протяженный «мостик холода». Помимо высоких тепловых потерь, подобная конструкция приводит к увеличению вероятности «теплового шока», происходящего из-за высокой разности температур между центральной и краевой зонами стеклопакета. Для решения этой проблемы была разработана технология «тёплый край», смысл которой заключается в отказе от привычных металлических рамок и заменой их на менее теплопроводные композитные с адсорбирующими покрытиями. Воздух внутри камеры стеклопакета также участвует в передаче тепла путем теплопроводности, однако количество этого тепла несравнимо меньше по сравнению с теплом переносящимся с помощью конвекции.
Внутри камеры стеклопакета происходит непрерывное перемещение воздушных масс. Взаимодействуя с нагретой поверхностью стекла, воздух перенимает часть тепловой энергии и его плотность снижается. Теплый воздух, вытесняемый более холодным, поднимается в верхнюю часть стеклопакета и начинает передавать энергию поверхности наружного слоя стекла, после чего охлаждается и перемещается в нижнюю часть камеры. Повышение сопротивления теплопередаче достигается за счет затруднения движения воздушных масс. Использование инертных газов в качестве заполнителя в обычном однокамерном стеклопакете позволяет увеличить сопротивление теплопередаче на 5%.
На сегодняшний день самыми распространёнными являются двухкамерные стеклопакеты с аргоновым заполнителем с использованием i-стека. Дальнейшее развитие конструкции клеёных стеклопакетов путем увеличения количества слоёв остекления является нерациональным, поскольку большая масса и низкие светопропускающие свойства ограничивают область применения таких конструкций. В связи с этим ведущие производители стеклопакетов находятся в поиске новых технологических решений.
Одной из самых перспективных технологий в этой области являются вакуумные стеклопакеты. В теории, высокое сопротивление теплопередаче стеклопакета достигается за счет создания глубокого вакуума в его камере. Это позволяет полностью исключить влияние конвекции и теплопроводности газа из процесса теплообмена между внутренними поверхностями стёкол. Конструкция стеклопакета усложняется за счет включения специальных распорок, которые необходимы для того чтобы компенсировать атмосферное давление, действующее на внешние поверхности стёкол. Размещение таких распорок негативно сказывается на теплозащитных свойствах, но их использование необходимо для предотвращения «схлопывания» стеклопакета под действием атмосферного давления.
Попытки создания стеклопакета с вакуумной прослойкой начались еще в конце 80-ых годов, однако опытные образцы обладали сразу несколькими серьезными недостатками [4]. Скрепление слоёв остекления осуществлялось с помощью сплавления лазером по кромке или металлическим припоем. Оба метода предполагают нагревание стекла до температуры 400-450С и делали невозможным использование магнетронных напылений. Вместо них использовались покрытия наносимые пиролитическим способом, обладающие более высоким коэффициентом эмиссии, что снижало термическое сопротивление. Кроме этого, надёжность герметизирующих материалов не позволяла сохранять глубокий вакуум под действием переменных термических нагрузок. Зависимость коэффициента теплопередачи вакуумного промежутка от давления внутри камеры представлена в виде кривой на рис. 2. Как показывают исследования [5], заметный прирост сопротивления теплопередаче достигается при давлении менее 10-3 мбар (0.1 Па). На момент создания испытательных образцов не существовало доступных герметиков способных выдержать такое давление, что не позволяло достичь достаточно глубокого вакуума.
100
Рис. 2. График зависимости коэффициента теплопередачи вакуумного промежутка от
давления внутри камеры.
Общий вид вакуумного стеклопакета, с указанием элементов конструкции, представлен на рис 3. Стекло-пакет состоит из двух слоёв закалённого стекла, разделенных тонкой вакуумной прослойкой. По периметру стёкла скреплены между собой с помощью металлического припоя. Распорки из нержавеющей стали размещаются на расстоянии 4-5 см друг от друга, рядами или в шахматном порядке.
а)
а — общий вид вакуумного стеклопакета; б — схема стеклопакета с местным разрезом; в — поперечный разрез вакуумного стеклопакета.
1 — стекло, 2 — распорка, 3 — отверстие для откачки воздуха, 4 — металлический припой, 5 — безвоздушное пространство.
Рис. 3. Общий вид вакуумного стеклопакета.
В теории, такая конструкция должна обладать высоким сопротивлением теплопередаче. Для оценки теплотехнических свойств стеклопакета был проведен расчет с применением методов компьютерного моделирования. Расчётная программа работает согласно с европейскими нормативами, имеющими гармонизированные российские аналоги. Расчёт производится по методу конечных элементов (МКЭ).
Доступный программный комплекс не позволяет смоделировать процесс лучистого теплообмена между внутренними поверхностями стёкол, поэтому расчет термического сопротивления вакуумного промежутка будет проведён вручную, согласно ГОСТ EN 673-2016 с использованием стандартизированных граничных условий. Коэффициент эмиссии поверхности ьстекла был принят равным 0,04, что соответствует распространённым магнетронным покрытиям.
При условии достижения необходимой глубины вакуума, влияние конвестивных процессов на общую теплопередачу прее ебрежимо мало, чего даёт нам пр а во не учитывсть ох при р асчё те. Таким о бразом, коэффициент теплопередачи вакуумной прсвыойки Содьт равен коэффициенту тепловередачи за счет излучения:
Ь3=Ьг=4ст ■(—+ — -1) -Т3,
\Е! е2 /
и - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2^КТ);
£ , - коэффициенты эмиссию внутренних; поверхностей стёкол;
T - средняя абсолютная температуре внутренних поверхностей стёкол, К (283 К согласно стандартным граничным условиям ГОСТ Б]Ч[ 673-2016).
+
■^Чг^-1) -Т3=4'5,67-10- \дзз7 ■ 0,04
-1) ■ 2833= 0,204
Вт м^К
Трёхмерная модель мостроена в соответствии со схемой, представленный ча рис 4. Моделируемый фрагмент стеклопакета скомпоновсн из двух тистое закалённого стекла толщиной 4 мм и цилиндрических распорок из нержавеющет стали диаметром основания 0,3 мм, расположенных с ша гом 5 см. Исследуемый фрагмент имеет форму квадрата со стороной 300 мм.
о ю
, 50 . |__А
300
К
А
О
о со
А-А
4 4
0.3
Рис. 4. Конструктивная схема моделируемого фрагмента вакуумного стеклопакета.
Для проведения расчёта в программном комплексе, вакуумный промежуток был представлен в виде твердотелого объекта с эквивалентным сопротивлением.
б
^=-=4,9 м2-К/Вт А
8 - толщина вакуумного промежутка, м;
X — эквивалентная теплопроводность вакуумного промежутка заданной толщины, Вт/(м-К).
б 0,0003 е Вт
А = —= ._ = 6,12 • 10——
4.9
м-К
Характеристики остальных материалов программа назначает автоматически из внутренней библиотеки, в соответствии с материалами конструкции: ^ = 0,75 Вт/(м-К), ^стали = 14,6 Вт/(м-К). Коэффициенты внутреннего и внешнего теплообмена за счёт естественной конвекции приняты согласно ГОСТ EN 673-2016: Цс = 3,6 Вт/(м2-К), Ьес = 21 Вт/(м2-К). Граничные условия, при которых проводился расчет, представлены в виде схемы на рис. 5.
Рис. 5. Схема приложения термических нагрузок
Результатом решения являются данные температуры и теплового потока, собранные со множества элементарных узлов, расположенных на внешних поверхностях стёкол. Наглядно результаты вычислений можно продемонстрировать в виде эпюры распределения температуры на рис. 6.
Рис. 6. Фрагмент эпюры распределения температуры по нагретой поверхности стеклопакета
Программа автоматически анализирует значения тепловых потоков и температур в выделенных плоскостях и вычисляет их средние значения. С помощью этой функции были установлены пиковые и усреднённые значения по нагретой и охлажденной поверхности исследуемого образца. Результаты расчётов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты термического анализа
V Со Со q, Вт/м2
Между распорками 18,13 -19,76 10,29
На распорках 17,04 -18,87 18,34
Усреднённое 17,95 -19,66 11,31
Характер распределения этих величин по горизонтальной прямой, проходящей через геометрический центр поверхности отражен на следующих графиках:
" ч/" х
Рис 7. График распределение температур по нагретой поверхности.
Рис 8. График распределение температур по холодной поверхности.
18 14 10
Рис 9. График распределение тепловых потоков по поверхности.
1
R0,min: = 77 +
1
R = 77 +
Rkp= 1
--+ -
k 7,7
На основании результатов из табл. 1 был проведён расчёт сопротивления теплопередаче в точках наибольших и наименьших сопротивлений — R R . Приведенное сопротивление теплопередаче (R пр) рассчитывалось аналогичным способом, на основании усреднённых значений температур и тепловых потоков. Коэффициенты теплообмена с окружающей средой по условиям ГО С Т EIN 673-2016 следует принимать he = 7,7 Вт/(м2-К), h. = 25 Вт/(м2-К). Расчётная формула:
1 ti-t2 1 R0 = —+ -,М2-К/Вт he q hj
17,04+18,87 1
18,34 +2Г2ДЗМ2-К/ВТ 18,13+19,76 1
10,29 +2Г3,85М2-К/ВТ 17,95+19,66 1
9П+3Т-+25=3,49М2-К/ВТ
Вывод. Теоретические исследования показали, что несмотря на ноличие теплопротодящих элементов конструкция вакуумного стеклопакета может обладать высоким сопротивлением теплопередаче. Разница между приведенным значением сопротивлвния теплопер едаче (35,49 мОК/Вт) и максимальным (3,85 м2-К/Вт) составляет 10%, что говорит о м алозначиеельном влиянии распорок но тепло технические свойства стеклопакета. Анализ графиков распределения температур по поверхностям показал что разница между температурами тёплых и хтлодных зон остекления находится в пределах 1 С8. Данное исследование показывает что вакуумный стеклопакет обладает сопротивлением теплопередаче сопоставимым с сопротивлением конструкции внешней стены. Внедрение этих стеклопакетов решило бы проблему неоднородности теплозащитной оболочки зданий и позволило бы увеличить коэффициент остеклённости фасада, для обеспечения жилых помещений естественным светом. Однако неизвестно как данная технология проявит себя в условиях российского климата. Для подтверждения теплотехнический свойств и установления допустимых условий эксплуатации данных стеклопакетов необходимо провести серию лабораторных испытаний.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года»
2. Грахов В.П., Мохначев С.А., Егорова В.Г. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ В ЖИЛИЩНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2-1.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=20382 (дата обращения: 08.01.2018).
3. Борискина И.В. Здания и сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями
4. Майоров В.А. Вакуумные стеклопакеты. Светопрозрачные конструкции. № 3 (107) 2016
5. H. Weinläder, H.-P. Ebert, J. Fricke. VIG — Vacuum Insulation Glass.
6. Плотников А.А. АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ИННОВАЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СТЕКЛЯННЫХ ЗДАНИЙ Вестник МГСУ 2015. № 11. С. 7-15.
7. Мальцев М.С., Терпугов В.Н. Моделирование стеклопакета с вакуумом//Высокопроизводительные вычисления на графических процессорах. 2012. С. 52-53
8. Королев Д. Ю., Семенов В. Современные методы повышения тепловой защиты зданий // Молодой ученый. — 2010. — №3. — С. 26-29. — URL https://moluch.ru/archive/14/1280/ (дата обращения: 16.01.2018).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Клыков И.А., Стратий П.В. Теоретические исследования теплотехнических свойств вакуумных стеклопакетов. — Системные технологии. — 2018. — № 26. — С. 221—228.
THEORETICAL RESEARCHES OF THE HEAT TECHNICAL PROPERTIES OF VACUUM GLASS PACKAGE
Klykov I.A., Stratiy P.V.
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «National Research Moscow State University of Civil Engineering»
Abstract
The article is devoted to the issues of energy-efficient glazing. There are concidered the processes of heat transfer through multilayer glazing and ways to combat thermal losses. The theoretical preconditions of the efficiency of a vacuum double-glazed unit are described below, and there is a brief history of the development of this technology. Based on the calculations carried out with the help of the software complex, an assumption is made about the possible value of the reduced resistance of the heat transfer of a vacuum insulating glass unit.
Keywords:
energy efficiency, heat engineering, heat losses, translucent structures, energy-efficient glazing, vacuum glazing, resistance to heat transfer Date of receipt in edition: 16.02.18 Date of acceptance for printing: 18.02.18
УДК 697
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВАКУУМНЫХ СТЕКЛОПАКЕТОВ В ЖИЛИЩНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
И.А. Клыков, П.В. Стратий
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
В данной статье приводится анализ экономической целесообразности использования вакуумных стеклопакетов в качестве остекления жилых зданий. Данные, используемые в расчётах, получены экспериментальным путём, подробно описанным в статье «Лабораторные испытания по определению сопротивления теплопередаче образца вакуумного стеклопакета»
Ключевые слова:
энергоэффективность, экономическая эффективность, светопрозрачные конструкции, энергоэффективнное остекление, вакуумное остекление История статьи:
Дата поступления в редакцию 11.03.18 Дата принятия к печати 18.03.18
