Разработка конструктивных решений наружных ограждающих конструкций. Конструктивные решения и теплотехнический расчет наружных стен Теплотехнические характеристики материалов стены
Дата публикации: 12 Января 2007 года
Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена конструкции наружных стен современных зданий по показателям их теплозащиты и внешнему виду.
Рассматривая современные здания, т.е. здания, которые существуют в настоящее время, следует их разделять на здания, спроектированные до и после 1994 г. Отправной вехой в изменении принципов конструктивного решения наружных стен в отечественных зданиях является приказ Госстроя Украины № 247 от 27.12.1993 г., которым устанавливались новые нормативы по теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. В дальнейшем приказом Госстроя Украины № 117 от 27.06.1996 г. были введены поправки в СНиП II -3-79 «Строительная теплотехника», которые установили принципы проектирования теплоизоляции новых и реконструируемых жилых и общественных зданий.
После шести лет действия новых норм уже не возникают вопросы об их целесообразности. Годы практики показали, что был сделан правильный выбор, который, в то же время, требует тщательного многостороннего анализа и дальнейшего своего развития.
У зданий, спроектированных до 1994 г. (к сожалению, строительство зданий по старым теплоизоляционным нормативам встречается и до сих пор), наружные стены выполняют и несущие, и ограждающие функции. Причем несущие характеристики обеспечивались при достаточно незначительных толщинах конструкций, а выполнение ограждающих функций требовало существенных материальных затрат. Поэтому удешевление строительства шло по пути априори низкой энергоэффективности в силу известных причин для богатой энергоносителями страны. Эта закономерность относится в равной степени как к зданиям с кирпичными стенами, так и к зданиям из крупноразмерных бетонных панелей. В тепловом отношении различия между этими зданиями заключались только в степени термической неоднородности наружных стен. Стены из кирпичной кладки можно рассматривать как достаточно однородные в термическом отношении, что является преимуществом, так как равномерное температурное поле внутренней поверхности наружной стены - это один из показателей теплового комфорта. Однако для обеспечения теплового комфорта необходимо, чтобы абсолютное значение температуры поверхности было достаточно высоким. А для наружных стен зданий, созданных по нормативам до 1994 г., максимальной температурой внутренней поверхности наружной стены при расчетных температурах внутреннего и наружного воздуха могло быть только 12°С, что для условий теплового комфорта недостаточно.
Внешний вид стен из кирпичной кладки также оставлял желать лучшего. Это обусловлено тем, что отечественные технологии изготовления кирпича (и глиняного, и керамического) были далеки от совершенства, в результате и кирпич в кладке имел разные опенки. Несколько лучше выглядели здания из силикатного кирпича. В последние годы в нашей стране появился кирпич, изготовленный по всем требованиям современных мировых технологий. Это относится к Кор-чеватскому заводу, где выпускают кирпич с прекрасным внешним видом и относительно хорошими теплоизоляционными характеристиками. Из таких изделий можно строить здания, внешний вид которых не будет уступать зарубежным аналогам. Многоэтажные здания в нашей стране в основном строились из бетонных панелей. Для этого типа стен характерна существенная термическая неоднородность. В однослойных керамзито-бетонных панелях термическая неоднородность обусловлена наличием стыковых соединений (фото 1). Причем на ее степень, кроме конструктивного несовершенства, еще существенно влияет так называемый человеческий фактор - качество уплотнения и утепления стыковых соединений. А так как это качество в условиях советской стройки было низким, то и стыки протекали и промерзали, преподнося жителям все «прелести» сырых стен. Кроме того, повсеместное несоблюдение технологии изготовления керамзито-бетона приводило к повышенной плотности панелей и низкой их теплоизоляции.
Не
намного лучше обстояли дела и в зданиях с трехслойными панелями. Так
как ребра жесткости панелей обуславливали термическую неоднородность
конструкции, проблема стыковых соединений оставалась актуальной.
Внешний вид бетонных стен был крайне непритязателен (фото 2) - цветных
бетонов у нас не было, а краски были не надежны. Понимая эти проблемы,
архитекторы пытались придать разнообразие зданиям за счет нанесения
плитки на наружную поверхность стен. С точки зрения законов
тепломассообмена и циклических температурно-влажностных воздействий
такое конструктивно-архитектурное решение является абсолютным
нонсенсом, что и подтверждается внешним видом наших домов. При
проектировании
после 1994 г. определяющей стала энергоэффективность
сооружения и его элементов. Поэтому пересмотрены сложившиеся принципы
проектирования зданий и их ограждающих конструкций. В основу
обеспечения энергоэффективности положено строгое соблюдение
функционального назначения каждого элемента конструкции. Это относится
как к зданию в целом, так и к ограждающим конструкциям. В практику
отечественного строительства уверенно вошли так называемые
каркасно-монолитные здания, где прочностные функции выполняет
монолитный каркас, а наружные стены несут только ограждающие (тепло- и
звукоизоляционные) функции. В то же время сохранились и успешно
развиваются конструктивные принципы зданий с несущими наружными
стенами. Последние решения интересны еще и тем, что они полностью
применимы для реконструкции тех зданий, которые были рассмотрены в
начале статьи и которые повсеместно требуют реконструкции.
Конструктивным принципом наружных стен, которые в одинаковой мере могут применяться для строительства новых зданий и для реконструкции существующих, является сплошное утепление и утепление с воздушной прослойкой. Эффективность данных конструктивных решений определяется оптимальным подбором теплофизических характеристик многослойной конструкции - несущей или самонесущей стены, утеплителя, фактурных слоев, наружного отделочного слоя. Материал основной стены может быть любым и определяющие требования к нему -прочностные и несущие.
Теплоизоляционные характеристики в этом решении стены полностью описываются теплопроводностью утеплителя, в качестве которого используются пенополистирол ПСБ-С, минераловатные плиты, пенобетон, керамические материалы. Пенополистирол - теплоизоляционный материал с низкой теплопроводностью, долговечный и технологичный при утеплении. Его производство налажено на отечественных заводах (комбинаты «Стироль» в Ирпене, заводы в Горловке, Житомире, Буче). Основной недостаток - материал горюч и по отечественным пожарным нормам имеет ограниченное применение (для малоэтажных зданий, или же при наличии значительной защиты из негорючей облицовки). При утеплении наружных стен многоэтажных зданий к ПСБ-С предъявляются еще и определенные требования по прочности: плотность материала должна быть не менее 40 кг/м3.
Минераловатные плиты - теплоизоляционный материал с низкой теплопроводностью, долговечный, технологичный при утеплении, отвечает требованиям отечественных пожарных норм для наружных стен зданий. На рынке Украины, как и на рынках многих других стран Европы, применяются минераловатные плиты концернов ROCKWOOL, PAROC, ISOVER и др. Характерной особенностью этих фирм является широкая палитра производимых изделий - от мягких плит до жестких. При этом каждое наименование имеет строго адресное назначение - для утепления кровли, внутри стен, фасадное утепление и пр. Например, для фасадного утепления стен по рассматриваемым конструктивным принципам фирма ROCKWOOL выпускает плиты «FASROCK», а фирма PAROC -плиты L-4. Характерной особенностью этих материалов является их высокая формоустойчивость, что особенно важно при утеплении с вентилируемой воздушной прослойкой, низкая теплопроводность и гарантированное качество изделий. По теплопроводности эти минера-ловатные плиты за счет своей структуры не хуже пенополистирола (0,039-0,042 ВтДмК). Адресное изготовление плит обуславливает эксплуатационную надежность утепления наружных стен. Совершенно не приемлемо применение для рассматриваемых конструктивных вариантов матов или мягких минераловатных плит. К сожалению, в отечественной практике встречаются решения утепления стен с вентилируемой воздушной прослойкой, когда в качестве утеплителя используют минераловатные маты. Тепловая надежность подобных изделий вызывает серьезные опасения, и факт достаточно широкого их применения может объясняться только отсутствием в Украине системы ввода в эксплуатацию новых конструктивных решений. Важным элементом в конструкции стен с фасадным утеплением является наружный защитно-декоративный слой. Он не только определяет архитектурное восприятие здания, но и обуславливает влажностное состояние утеплителя, являясь одновременно защитой от атмосферных воздействий и для сплошного утепления элементом удаления парообразной влаги, попадающей в утеплитель под воздействием сил тепло- массообмена. Поэтому особое значение приобретает оптимальный подбор: утеплитель - защитно-отделочный слой.
Выбор защитно-отделочных слоев определяется прежде всего экономическими возможностями. Фасадное утепление с вентилируемой воздушной прослойкой в 2-3 раза дороже, чем сплошное утепление, что определяется уже не энергоэффективностью, так как слой утеплителя в обоих вариантах один и тот же, а стоимостью защитно-отделочного слоя. При этом в общей стоимости системы утепления цена непосредственно утеплителя может составлять (особенно для вышеуказанных некорректных вариантов применения дешевых неплитных материалов) всего 5-10%. Рассматривая фасадное утепление, нельзя не остановиться на утеплении помещений изнутри. Таково уж свойство нашего народа, что во всех практических начинаниях, не взирая на объективные законы, он ищет неординарных путей, будь-то социальные революции или строительство-реконструкция зданий. Внутреннее утепление привлекает всех своей дешевизной - затраты только на утеплитель, а его выбор достаточно широкий, так как нет необходимости в строгом соответствии критериям надежности, следовательно, стоимость утеплителя уже будет не высока при тех же теплоизоляционных показателях, отделка минимальна - любой листовой материал и обои, трудозатраты минимальны. Снижается полезный объем помещений - это мелочи по сравнению с постоянным тепловым дискомфортом. Эти доводы были бы хороши, если бы подобное решение не противоречило закономерностям формирования нормального тепловлажностного режима конструкций. А нормальным этот режим можно назвать только при условии ненакопления в нем влаги в холодный период года (длительность которого для Киева составляет 181 сутки -ровно половина года). При невыполнении этого условия, то есть при конденсации парообразной влаги, которая попадает в наружную конструкцию под действием сил тепло- массообмена, в толще конструкции происходит намокание материалов конструкции и, прежде всего, теплоизоляционного слоя, теплопроводность которого при этом увеличивается, что вызывает еще большую интенсивность дальнейшей конденсации парообразной влаги. Результат - потеря теплоизоляционных свойств, образование плесени, грибков и прочие неприятности.
На графиках 1, 2 представлены характеристики тепловлажностного режима стен при их внутреннем утеплении. В качестве основной стены рассмотрена керамзитобетонная стена, в качестве теплоизолирующих слоев - наиболее часто применяемые пенобетон и ПСБ-С. Для обоих вариантов наблюдается пересечение линий парциального давления водяного пара е и насыщенного водяного пара Е, что сигнализирует о возможности конденсации паров уже в зоне пересечения, которая находится на границе утеплитель - стена. К чему приводит такое решение на уже эксплуатируемых зданиях, где стены находились в неудовлетворительном тепловлажностном режиме (фото 3) и где попытались подобным решением этот режим улучшить, видно на фото 4. Совершенно иная картина наблюдается при перемене мест слагаемых, то есть размещении слоя утеплителя на фасадной стороне стены (график 3).
График №1
График №2
График №3
Необходимо отметить, что ПСБ-С является материалом с закрытопористой структурой и с низким коэффициентом паропроницаемости. Однако и для такого вида материалов, как и при использовании минераловатных плит (график 4), создаваемый при утеплении механизм термовла-гопереноса обеспечивает нормальное влажностное состояние утепляемой стены. Таким образом, если и приходится выбирать внутреннее утепление, а это может быть для зданий с архитектурной ценностью фасада, необходимо тщательно оптимизировать состав теплоизоляции, чтобы избежать или хотя бы минимизировать последствия режима.
График №4
Стены зданий колодцевой кирпичной кладки
Теплоизолирующие свойства стен определяются слоем утеплителя, требования к которому в основном обуславливаются его теплоизоляционными характеристиками. Прочностные свойства утеплителя, его устойчивость к атмосферным воздействиям для такого типа конструкций не играют определяющую роль. Поэтому в качестве утеплителя могут использоваться плиты ПСБ-С плотностью 15-30 кг/м3, минераловатные мягкие плиты и маты. При проектировании стен такой конструкции необходимо обязательно рассчитывать приведенное сопротивление теплопередаче, учитывающее влияние сплошных кирпичных перемычек на интегральный тепловой поток через стены.
Стены зданий каркасно-монолитной схемы .
Характерной особенностью этих стен является возможность обеспечения относительно равномерного температурного поля на достаточно большой площади внутренней поверхности наружных стен. В то же время несущие колонны каркаса являются массивными теплопроводными включениями, что обуславливает необходимость обязательной проверки соответствия температурных полей нормативным требованиям. Наиболее распространено в качестве наружного слоя стен данной схемы использование кирпичной кладки в четверть кирпича, 0,5 кирпича или в один кирпич. При этом используется качественный импортный или отечественный кирпич, что придает зданиям привлекательный архитектурный облик (фото 5).
С точки зрения формирования нормального влаж-ностного режима наиболее оптимальным является применение наружного слоя в четверть кирпича, однако это требует высокого качества как самого кирпича, так и работы по устройству кладки. К сожалению, в отечественной практике для многоэтажных зданий не всегда может обеспечиваться надежная кладка даже в 0,5 кирпича, и потому в основном используется наружный слой в один кирпич. Такое решение уже требует тщательного анализа тепловлажностного режима конструкций, только после которого можно принимать вывод о жизнеспособности конкретной стены. В качестве утеплителя в Украине широко используется пенобетон. Наличие вентилируемой воздушной прослойки позволяет удалять влагу из слоя утеплителя, что гарантирует нормальный тепловлажностный режим конструкции стены. К недостаткам этого решения следует отнести то, что в теплоизоляционном отношении совершенно не работает внешний слой в один кирпич, наружный холодный воздух напрямую обмывает утеплитель из пенобетона, что обуславливает необходимость предъявления высоких требований к его морозостойкости. Учитывая то, что для теплоизоляции следует использовать пенобетон плотностью 400 кг/м3, а в практике отечественного производства часто наблюдается нарушение технологии, и пенобетон, используемый в таких конструктивных решениях, имеет фактическую плотность выше указанной (до 600 кг/м3), данное конструктивное решение требует тщательного контроля при монтаже стен и при приемке здания. В настоящее время разработаны и находятся в
стадии предзавод-ской готовности (строится производственная линия) перспективные тепло- звукоизоляционные и, одновременно, отделочные материалы, которые могут применяться в конструкциях стен зданий каркасно-монолитной схемы.К таким материалам относятся плиты и блоки на основе керамического минерального материала «Сиолит». Очень интересным решением конструкций наружных стен является светопрозрачная изоляция. При этом формируется такой тепловлажностный режим, при котором отсутствует конденсация паров в толще утеплителя, а светопрозрачная изоляция является не только тепловой изоляцией, но и источником теплоты в холодный период года.
Фундамент - подземная часть здания, воспринимающая все нагрузки, как постоянные, так и временные, возникающие в надземных частях, и передающая эти нагрузки на основание. Фундаменты должны удовлетворять требованиям прочности, устойчивости, долговечности и экономичности. В данном проекте фундамент выбран в соответствии с требованиями индустриализации, достигаемой применением сборных блоков заводского или полигонного изготовления с максимальным укрупнением их, насколько это позволяют имеющиеся на строительстве подъёмно-транспортные механизмы.
В данном здании запроектирован сборный железобетонный ленточный фундамент под несущие и самонесущие стены. Ленточный фундамент представляет собой непрерывную стену, равномерно загруженную вышележащими несущими и самонесущими стенами и колоннами. Сборные ленточные фундаменты под стены сооружают из фундаментных блоков-подушек и из фундаментных стеновых блоков. Блоки-подушки укладываются на слой утрамбованного песка толщиной 100 мм.
Плиты-подушки под наружные стены имеют ширину 1400 мм. Плиты-подушки под внутренние стены имеют ширину 1000 мм. Плиты-подушки можно укладывать с разрывами. В местах сопряжения продольных и поперечных стен плиты подушки укладываются впритык и места сопряжения между ними заделываются бетонной смесью. Поверх уложенных плит-подушек устраивается горизонтальная гидроизоляция и по ней сверху цементно-песчаная стяжка толщиной 30 мм, в которую укладывают арматурную сетку, что ведет к более равномерному распределению нагрузки от вышележащих блоков и конструкций.
Затем укладываются бетонные фундаментные блоки с перевязкой швов в пять рядов, поверх которых устраивается горизонтальный гидроизоляционный слой из двух слоев рубероида на мастике. Назначение гидроизоляционного слоя -- исключение миграции капиллярной грунтовой и атмосферной влаги вверх по стене. Ширина фундаментных блоков под наружные стены равна 600 мм. Ширина фундаментных блоков под внутренние стены равна 400 мм.
Глубину заложения фундамента или расстояние от планировочной отметки земли до подошвы фундамента принимают в зависимости от геологических и гидрогеологических условий строительной площадки, и от климатических условий района. Глубина заложения фундамента данного здания составляет 2,18 м, что превышает глубину промерзания грунтов, составляющую в данном районе 1,9 м.
Наружные стены
В строительстве малоэтажных зданий применяют несущие остовы, соответствующие видам и свойствам конструкционных материалов и технологии возведения таких зданий. В данном проекте употребляется несущий остов с поперечными и продольными несущими стенами. Устойчивость стен, как несущих, так и связевых, обеспечивается жёстким соединением продольных и поперечных стен в местах их пересечения и связью стен перекрытиями.
Стены здания предназначены для ограждения и защиты от воздействий окружающей среды и передают нагрузки от находящихся выше конструкций -- перекрытий и крыши к фундаменту.
В качестве материала для стен здания применяют глиняный обыкновенный полнотелый кирпич. Стены выкладывают из кирпича с заполнением зазора между ними раствором. Раствор используется цементный. Кладку стен ведут с обязательным соблюдением многорядной перевязкой швов. При многорядной системе кладки перевязку осуществляют через пять рядов. Многорядная кладка экономичнее двурядной, так как требует меньше ручного труда.
Проектом принята облегченная колодцевая кладка с заполнением пустот минераловатными плитами. Простенки между окнами армируются сетками из арматуры через 3 ряда кладки. Стены возводят путём закладки лёгких теплоизоляционных материалов внутрь каменной стены - между двумя рядами сплошных стенок. Толщина наружных стен определяется на основании теплотехнического расчета. Толщина наружных стен 720 мм, привязка - 120 мм. Такая толщина необходима для обеспечения устойчивости по отношению к ветровым и ударным нагрузкам, а также для увеличения тепло- и звукоизоляционной способности стен.
Проёмы для окон и дверей снабжают четвертями. Четверти устанавливают в боковых и верхних притолоках наружных стен для обеспечения плотного, непродуваемого примыкания элементов заполнения - оконных и дверных коробок. Дверные проёмы во внутренних стенах делают без четвертей. Четверть делают посредством выступа кирпича у наружной поверхности стены на 75 мм. Проёмы перекрываются перемычками, воспринимающими нагрузку вышележащей кладки. Перемычки представляют собой железобетонные бруски или балки.
Для защиты наружных стен от увлажнения и для повышения долговечности устраивают цоколь. Цоколь устраивают из прочных водостойких долговечных материалов. Высота цоколя в связи с наличием цокольного этажа, принята - 0,85 м.
Стена здания - основная ограждающая конструкция здания. Наряду с ограждающими функциями стены одновременно в той или иной степени выполняют и несущие функции (служат опорами для восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок).
Основные требования, предъявляемые к стенам: прочность, теплоустойчивость, звукоизоляционная способность, огнестойкость, долговечность, архитектурная выразительность и экономичность.
Различают наружные и внутренние стены. По характеру статической работы наружные стены подразделяют на несущие, которые, кроме собственного веса, воспринимают и передают на фундамент нагрузки от перекрытий, покрытий, давление ветра и др.; самонесущие, опирающиеся на фундамент, несущие нагрузку только от собственного веса (в пределах всех этажей здания) и для обеспечения устойчивости сопряжённые с каркасом здания: ненесущие (в т. ч. навесные), воспринимающие собственный вес только в пределах одного этажа и передающие его на каркас или др. опорные конструкции здания. Внутренние стены могут быть несущими (капитальными) или ненесущими (перегородки, предназначены только для разделения помещений, их устанавливают непосредственно на перекрытии). Во внутренних стенах часто устраивают каналы и ниши для вентиляции, газоходов, водопроводных и канализационных труб и т.д. Несущие стены совместно с перекрытиями образуют устойчивую пространственную систему несущего остова здания. В каркасных зданиях самонесущие стены нередко выполняют функции т. н. диафрагм жёсткости.
По способу возведения стены подразделяют на сборные, монтируемые из готовых элементов заводского изготовления; монолитные - обычно бетонные, возводимые в передвижной или скользящей опалубке, ручной кладки - из мелкоштучных материалов на растворах. В зависимости от крупности сборных элементов, степени их заводской готовности и принятой системы разрезки различают сборные стены крупноблочные и крупнопанельные. По конструктивному решению стены бывают однослойные и многослойные.
Материалы для возведения стены выбираются в зависимости от климатических условий, назначения и капитальности здания, его этажности, от технической и экономической целесообразности. При многоэтажном строительстве зданий с несущими стенами используют кирпич, керамические камни, крупные блоки из лёгких и ячеистых бетонов, железобетонные панели и др. крупноразмерные изделия. Ненесущие стены, вес которых должен быть минимален, изготовляют из многослойных железобетонных панелей с эффективным утеплителем, панелей из особо лёгких бетонов, асбестоцементных панелей. В малоэтажном строительстве применяют дерево, силикатный и сырцовый кирпич, шлакобетонные, керамические и природные камни.
Стены во многом определяют конструктивное решение и общий архитектурный облик здания. Название материала стены часто характеризует архитектурно-конструктивный тип дома: крупнопанельный, крупноблочный, кирпичный, деревянный рубленый, каркасно-щитовой и т.п.
Стена несущие или самонесущие представляют собой трехслойную конструкцию с несущем слоем из полнотелого керамического кирпича толщиной (250,380,510,640мм) а также из бетонных блоков или монолитного железобетона со слоем теплоизоляции из литого пенополистирола.
Защитно декоративный слой может быть выполнен тонкослойной штукатуркой толщиной 5-8мм по щелочестойкой стеклосетке или стенкой из керамического полнотелого кирпича толщиной 120мм.
В деревянном домостроение стена с эффективной теплоизоляцией выполняется каркасно-обшивной.
При устройстве стен с защитным слоем из штукатурки необходимо чтобы:
Защитная штукатурка имела нулевой предел распространения огня и была армирована щелочестойкой стеклосеткой,
Конструктивное решение включает строительную и конструктивную системы, а также конструктивную схему.
Строительная система здания определяется материалом, наиболее массовой конструкцией и технологией возведения несущих элементов (монолитный железобетон).
Конструктивная схема представляет собой схематичный вариант конструктивной системы относительно продольных и поперечных осей.
Несущая КС железобетонного здания состоит из фундамента, опирающихся на него вертикальных несущих элементов (колонн и стен) и объединяющих их в единую пространственную систему горизонтальных элементов (плит перекрытий и покрытия).
В зависимости от типа вертикальных несущих элементов (колонны и стены) конструктивные системы разделяют на:
Колонные (каркасные), где основным несущим вертикальным элементом являются колонны;
Стеновые (бескаркасные), где основным несущим элементом являются стены;
Колонно-стеновые, или смешанные, где вертикальными несущими элементами являются колонны и стены.
а - колонная КС; б - стеновая КС; в - смешанная КС;
1 - плита перекрытия; 2 - колонны; 3 - стены
Рисунок 5.1. Фрагменты планов зданий
Нижние этажи часто решают в одной конструктивной системе, а верхние - в другой. Конструктивная система таких зданий является комбинированной.
Конструктивные схемы в стеновых КС определяются взаимным расположением стен, а в колонных КС - взаимным расположением межколонных балок (рис. 5.5) относительно поперечных и продольных осей здания. Схемы бывают поперечные, продольные и перекрестные. В реальных монолитных зданиях конструктивные схемы обычно перекрестные (рис. 5.5, в, г; 6.2, а). Чисто поперечные и продольные схемы (рис. 6.1, б, в) рассматриваются при разделении пространственной КС на две независимые (рис. 6.1, б, в и 6.2, б, в) с целью упрощения расчетов.
Конструктивные решения гражданских зданий из сборных железобетонных конструкций
Гражданские здания (жилые и общественные) могут возводиться в монолитном, сборно-монолитном и сборном исполнении.
Монолитные – здания возводятся из монолитного бетона в опалубке различного вида.
Сборно-монолитные – сочетание сборных элементов и монолитного бетона, например колонны и стены здания сборные, а перекрытия монолитные.
Сборные здания возводятся или монтируются из крупных элементов заводской готовности.
По этажности гражданские здания подразделяются на малоэтажные (высотой до 3-х этажей), многоэтажные (от 4 до 8-ми этажей), здания повышенной этажности (от 9 до 25 этажей) и высотные (свыше 25 этажей).
По конструктивной системе гражданские здания бывают:
Колонные (каркасные);
Стеновые (безкаркасные);
Смешанные.
В зданиях с несущими стенами нагрузку от перекрытий и крыши воспринимают стены: продольные, поперечные или и те и другие одновременно.
Каркасные здания имеют несущий каркас из сборных железобетонных колонн и ригелей. В зданиях с полным каркасом колонны устанавливаются во всех точках пересечения осей планировочной схемы.
В зданиях с неполным каркасом колонны располагаются только внутри здания. Наружные стены выполняются несущими или самонесущими, как правило, из каменной кладки.
Крупнопанельное здание собирается из крупноразмерных плоскостных сборных железобетонных элементов: стеновых панелей, панелей междуэтажных перекрытий и покрытий.
Конструктивная схема здания крупнопанельного здания принимается в зависимости от архитектурной компоновки, членения фасада здания, геологических особенностей основания и других факторов. Существуют следующие конструктивные схемы крупнопанельных зданий:
1. Бескаркасная схема:
С продольными несущими стенами.
С поперечными несущими стенами.
С продольными и поперечными несущими стенами.
2. Каркасно-панельная схема:
Полным каркасом.
С неполным каркасом.
Бескаркасная схема наиболее широко применяется при проектировании гражданских зданий высотой не более 16 этажей. Пространственная жесткость таких зданий обеспечивается совместной работой стен и плит перекрытий, соединяемых между собой при помощи сварки закладных деталей. При большей высоте по условиям обеспечения жесткости целесообразно выполнять каркасные здания с центральным ядром жесткости.
Каркасно-панельная схема применяется при проектировании многоэтажных общественных и производственных зданий. Несущей конструкцией является железобетонный каркас, стеновые панели в этом случае выполняют только ограждающие функции и являются навесными.
Железобетонный каркас может быть с поперечными ригелями, с продольными ригелями и безригельным (с безбалочными перекрытиями) – в этом случае плиты перекрытий опираются непосредственно на колонны.
В сборно-монолитных крупно-панельных зданиях выше 20-22 этажей для воспринятия нагрузок внутри каркаса устраивается ядро жесткости из монолитного бетона, как правило, для этой цели используется лифтовый узел. После возведения шахты вокруг устанавливаются сборные конструкции каркасного или панельного здания, которые жестко соединяются с ядром жесткости.
Здания объемно-блочной конструкции подразделяются на три основные конструктивные схемы:
1. Панельно-блочная – сочетание несущих объемных блоков с плоскими панелями плит перекрытий и навесными или самонесущими панелями наружных стен.
2. Каркасно-блочная – сочетание несущих блок-комнат с несущим каркасом. В зданиях такой конструкции все нагрузки воспринимаются железобетонным каркасом, блок-комнаты опираются на поперечные или продольные ригели.
3. Объемно-блочная – сплошная расстановка объемных элементов без применения плоских конструкций.
В бескаркасных зданиях, в зависимости от конструктивного решения, объемные элементы могут опираться друг на друга в четырех точках по углам – точечная схема опирания или по граням двух внутренних стенок блоков – линейная схема.
Здания из объемных элементов возводятся из блок-элементов (блок-комнат, блок-квартир, санитарно-технических кабин, лифтовых шахт и др.). Объемные элементы это готовые строительные блоки с выполненной отделкой или полностью подготовленные под отделку с установленным инженерным оборудованием. Блоки изготавливаются монолитным способом или собираются в заводских условиях с максимально возможносй степенью готовности.
Конструктивные решения одноэтажных промышленных зданий из сборных железобетонных конструкций
В зависимости от назначения промышленные здания подразделяются на:
Производственные, в которых размещаются основные производства.
Вспомогательные, в которых размещаются культурно-бытовые, административно-конторские помещения, столовые, лаборатории и т.п.
Здания промышленных предприятий классифицируют по их специфическим признакам, которые предусматривают назначение и принадлежность этих зданий к той или иной отрасли промышленности, а также этажности, числу пролетов, степени огнестойкости и долговечности, способу расположения внутренних опор и вида внутрицехового транспорта.
Одноэтажные промышленные здания компонуются, как правило, из параллельных пролетов одинаковой ширины и высоты с одинаковым подъемно-транспортным обобрудованием. Могут быть однопролетные и многопролетные
Тип зданий зависит от массы монтажных элементов:
Легкого типа – с массой монтажных элементов 5-9 т.
Среднего типа – с массой монтажных элементов 8-16т.
Тяжелого типа – с массой монтажных элементов 15-35т.
По расположению внутренних опор одноэтажные промышленные здания подразделяются на:
Пролетные.
Ячейковые.
Зальные с центральной опорой или без нее.
В пролетных зданиях ширина пролетов 12-36м с шагом колонн 6 или 12м. Технологические линии направлены вдоль пролета и обслуживаются кранами.
В ячейковых зданиях – квадратная сетка опор – 12х12,18х18, …36х36м и технологические линии располагаются во взаимно-перпендикулярном направлении.
Зальные здания имеют пролеты 60-100м и более с установкой большеразмерного оборудования для выпуска крупногабаритной продукции (ангары, машинные залы ТЭЦ и т.п.). Такие здания перекрывают, как правило, пространственными конструкциями.
Одноэтажные промышленные здания проектируются с полным и неполным каркасом. Они могут быть оснащены подъемно-транспортным оборудованием в виде мостовых кранов – опорных или подвесных или напольных кранов.
Общая устойчивость и геометрическая неизменяемость одноэтажного каркасного здания достигается в продольном направлении защемлением колонн в фундаментах и системой связей по колоннам, в поперечном направлении – защемлением колонн в фундаментах, а также жестким в своей плоскости диском покрытия.
В общем случае одноэтажное промышленное здание состоит из стен, колонн, покрытия, подкрановых балок, связей и фундаментов.
Железобетонные колонны по виду поперечного сечения могут быть сплошными (прямоугольного или двутаврового сечения) и сквозными (двухветвевые). В зависимости от назначения зданий и действующих нагрузок применяются следующие разновидности колонн:
Прямоугольные (безконсольные).
С консолями для опирания несущих конструкций покрытий.
С односторонними и двусторонними подкрановыми консолями.
Одноэтажное промышленное каркасное здание может иметь плоское покрытие – из линейных элементов или пространственное – из тонкостенных пространственных элементов.
Несущие конструкции покрытий подразделяются на главные (стропильные балки, фермы или арки) и второстепенные (крупнопанельные плиты, прогоны). В состав конструкций покрытия одноэтажного каркасного здания входят также фонари и связи.
Балки покрытий (стропильные балки) опираются на колонны или подстропильные балки. Стропильными балками перекрываются пролеты 6-24м при шаге колонн 6 или 12м. Подстропильные балки применяют в том случае, когда шаг колонны больше расстояния между стропильными балками.
Стропильные балки могут быть двускатными, односкатными и с параллельными горизонтальными поясами. Подстропильные балки бывают с параллельными и непараллельными поясами.
В качестве несущих конструкций покрытия кроме балок применяют железобетонные фермы. Применение ферм целесообразно при пролетах 18-30м и шаге колонн 6 или 12м. Железобетонные фермы могут быть цельными и составными.
Очертание фермы зависит от вида кровли, общей компоновки покрытия, а также от наличия, формы и расположения фонарей. Различают сегментные и полигональные фермы. Сегментные фермы с криволинейным верхним поясом называют арочными.
Полигональные фермы применяют с параллельными поясами, восходящими опорными раскосами и уклоном верхнего пояса 1:12, а также с нисходящими опорными раскосами и ломаным нижним поясом.
Второстепенные несущие конструкции покрытий могут непосредственно опираться на стропильные балки, фермы или арки (беспрогонная система покрытий) или поддерживаться системой прогонов, опирающихся на основные несущие конструкции покрытий (прогонная система покрытий).
Конструктивные решения каркасных многоэтажных зданий из сборных железобетонных конструкций
Основой многоэтажного каркасного здания является многоэтажная многопролетная железобетонная рама, ригели которой воспринимают нагрузку от панелей перекрытия и покрытия. Наружные стены, как правило, навесные из крупных панелей.
Каркасы многоэтажных зданий по схеме статической работы подразделяются на рамные, связевые и рамно-связевые.
В рамной схеме каркаса все горизонтальные нагрузки воспринимаются жестким сопряжением колонн и ригелей.
В связевой схеме каркасов горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными диафрагмами жесткости или ядрами жесткости. Связевая схема каркаса исключает необходимость устройства жестких узлов в сопряжении ригелей с колоннами. которые могут выполняться шарнирными или с частичным защемлением ригелей на опоре.
В рамно-связевой схеме горизонтальные нагрузки распределяются между элементами связей и жестким сопряжением ригелей с колоннами (в одном или в двух направлениях).
Основными конструктивными элементами многоэтажных зданий являются: фундаменты, колонны, стены, перекрытия и покрытия.
Многоэтажные здания возводятся с полносборным железобетонным каркасом и самонесущими навесными стенами (панелями), а также с неполным каркасом и несущими стенами. Сборные конструкции перекрытий могут быть балочные и безбалочные.
Основными элементами безбалочного каркаса являются фундаменты, колонн, надколонные плиты, межколонные плиты, пролетные плиты.
Железобетонный каркас с безбалочным перекрытием используется при строительстве предприятий пищевой промышленности, холодильников, где предъявляются повышенные требования к чистоте.
Конструктивные решения селькохозяйственных сооружений из сборных железобетонных конструкций.
Инженерные сооружения из сборных железобетонных конструкций
Инженерные сооружения могут возводиться в сборном, монолитном или сборно-монолитном исполнении.
Резервуары и силосы из сборных железобетонных элементов используются, как правило, для хранения сыпучих материалов и жидкостей.
В цилиндрическом резервуаре днище выполняется из монолитного бетона, колонны опираются на сборные железобетонные подколонники. Стеновое ограждение выполняется сборным из железобетонных панелей, плиты покрытия сборные железобетонные, предварительно напряженные, трапециевидной формы в плане.
Силосы сооружаются круглыми, квадратными, многогранными с коническими и пирамидальными днищами и используются для хранения сыпучих материалов: цемента, зерна, минеральных удобрений. Высота стенок значительно больше размеров поперечного сечения. Силосы являются основными элементами корпусов элеваторов.
Железобетонный силос опирается на колонны. Силосы квадратной формы собираются, как правило, из замкнутых объемных элементов 3х3м, высотой 1,2м, массой 4т. Силосы круглой формы собираются из колец полной заводской готовности диаметром 3м и более, толщина стенок 60-100мм. Стенки блоков могут ребристыми или плоскими. Кольцевые блоки соединяются между собой горизонтальными болтами, а вертикальные соединения между блоками армируются и замоноличиваются.
С теплотехнической точки зрения различают три вида наружных стен по числу основных слоев: однослойные, двухслойные и трехслойные.
Однослойные стены выполняют из конструкционно-теплоизоляционных материалов и изделий, совмещающих несущие и теплозащитные функции.
В трехслойных ограждениях с защитными слоями на точечных (гибких, шпоночных) связях рекомендуется применять утеплитель из минеральной ваты, стекловаты или пенополистирола с толщиной, устанавливаемой по расчету с учетом теплопроводных включений от связей. В этих ограждениях соотношение толщин наружных и внутренних слоев должно быть не менее 1:1,25 при минимальной толщине наружного слоя 50 мм.
В двухслойных стенах предпочтительно расположение утеплителя снаружи. Используются два варианта наружного утеплителя: системы с наружным покровным слоем без зазора и системы с воздушным зазором между наружным облицовочным слоем и утеплителем. Не рекомендуется применять теплоизоляцию с внутренней стороны из-за возможного накопления влаги в теплоизоляционном слое, однако в случае необходимости такого применения поверхность со стороны помещения должна иметь сплошной и долговечный пароизоляционный слой.
При проектировании стен из кирпича и других мелкоштучных материалов следует максимально применять облегченные конструкции в сочетании с плитами из эффективных теплоизоляционных материалов.
В курсовом проекте принимается несущая стена трехслойной конструкции с несущим слоем из полнотелого керамического кирпича толщиной 380 мм, бетонных блоков или железобетона (со слоем внутренней штукатурки 20 мм), слоем теплоизоляции и защитно-декоративным наружным слоем из кирпича толщиной 120 мм или известково-цементной штукатурки толщиной 25 – 30 мм (рис. 3.1). Коэффициент теплотехнической однородности без учета откосов проемов и других теплопроводных включений - 0,95.
Для защитной стенки может применяться кирпич или камни керамические лицевые (ГОСТ 7484-78) или отборные стандартные (ГОСТ 530-95) предпочтительно полусухого прессования, а также силикатный кирпич (ГОСТ 379-95). При облицовке силикатным кирпичом цоколь, пояса, парапеты и карниз выполняют из керамического кирпича.
При облицовке кирпичная кладка армируется с несущей частью стены сварными арматурными сетками, располагаемыми с шагом по высоте 600 мм.
При отделочном слое из традиционной толстослойной штукатурки толщиной 25 – 30 мм теплоизоляционные плиты крепят к несущему слою стены на клею и дополнительно распорными дюбелями.
Наружная штукатурка выполняется из известково-цементного раствора, приготавливаемого на месте из извести, песка, цемента, воды и добавок, или из готовых растворных смесей, и армируется стальной оцинкованной сеткой по ГОСТ 2715-75 с размером ячейки 20 мм и диаметром проволоки 1 – 1,6 мм.
Приведенное сопротивление теплопередаче, м ·°С/Вт, для наружных стен следует определять согласно СНиП 23-02 для фасада здания либо для одного промежуточного этажа с учетом откосов проемов без учета их заполнений с проверкой условия невыпадения конденсата на участках в зонах теплопроводных включений.
Необходимая толщина слоя теплоизоляции должна определяться с учетом коэффициента теплотехнической однородности.
Коэффициент теплотехнической однородности с учетом теплотехнических однородностей оконных откосов и примыкающих внутренних ограждений проектируемой конструкции для:
Панелей индустриального изготовления должен быть, как правило, не менее величин, установленных в табл. 6;
Для стен жилых зданий из кирпича должен быть, как правило, не менее 0,74 при толщине стены 510 мм,
0,69 - при толщине стены 640 мм и 0,64 - при толщине стены 780 мм.
Таблица 6
Минимально допустимые значения коэффициента теплотехнической однородности для конструкций индустриального изготовления
Рис. 3.1. Конструктивные решения наружных стен
1 – стена (несущая часть); 2 – защитно-декоративная кладка; 3 – рихтовочный зазор; 4 – теплоизоляция; 5 - внутренняя штукатурка; 6 – наружная штукатурка; 7 –сварная оцинкованная металлическая сетка 20х20 Ø 1,0 – 1,6; 8 – клеевой состав для приклейки плит теплоизоляции; 9 – выравнивающая штукатурка; 10 – закладная сетка; 11 - дюбель
Пример 1.
Выполнить теплотехнический расчет наружной стены административного здания в г. Санкт-Петербурге. Конструкция наружной стены представлена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Расчетная схема наружной стены
1 – цементно-известковая штукатурка; 2; 4 – кирпичная кладка; 3 – плита минераловатная «КАВИТИ БАТТС»
Решение.
1. Определяем необходимые исходные данные для теплотехнического расчета:
- расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания для теплотехнического расчета ограждающих конструкций - ˚С - минимальное значение оптимальной температуры для помещений категории 2;
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период - °С - табл. 1 СНиП 23-01-99 ;
Продолжительность отопительного периода - сут - табл. 1 СНиП 23-01-99 ;
Влажностный режим помещений здания – нормальный – табл. 1 СНиП 23-02-2003;
Зона влажности для Санкт-Петербурга - влажная – прилож. В СНиП 23-02-2003;
Условия эксплуатации ограждающих конструкций – Б – табл. 2 СНиП 23-02-2003.
2. Нормируемое (требуемое) приведенное сопротивление теплопередаче конструкции ограждения принимается по табл. 7 в зависимости от числа градусо-суток отопительного периода или рассчитывается по зависимости
, м 2 · о С/Вт, (2)
где и - величины, определяемые по табл. 8;
– градусо-сутки отопительного периода, о С·сут, определяемые по формуле
, о С·сут, (3)
здесь - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, ˚С;
Требуемое сопротивление теплопередаче стены является функцией числа градусо-суток отопительного периода (ГСОП ):
ГСОП=D=(t в - t от. пер.) · Z от. пер. ;
где: t в – расчетная температура внутреннего воздуха, о С;
t в = 20 о С – для помещения категории 3а по ГОСТ 30494-96;
t от.пер, Z от.пер – средняя температура, о С и продолжительность, сут. периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8 о С по СНиП 23-01-99* «Строительная климатология».
Для г. Санкт-Петербурга:
D = ·220=4796;
R тр =a·D+b =0,0003·4796+1,2=2,639 (м 2 · о С)/Вт.
Толщина слоя теплоизоляции при l Б = 0,044 Вт/(м· о С) и коэффициенте теплотехнической однородности r = 0,92 составит:
Принимаем слой изоляции равным 80 мм, тогда фактическое сопротивление теплопередаче составит:
1. Объект строительства - 16-этажный односекционный крупнопанельный жилой дом, построенный в г.Кашире Московской области. Условие эксплуатации ограждений Б согласно СНиП 23-02.
2. Наружные стены - из трехслойных железобетонных панелей на гибких связях с утеплителем из пенополистирола толщиной 165 мм. Панели имеют толщину 335 мм. По периметру панелей и их проемов утеплитель имеет защитный слой из цементно-песчаного раствора толщиной 10 мм. Для соединения железобетонных слоев применены два вида гибких связей из коррозионностойкой стали диаметром 8 мм: треугольные и точечные (шпильки). Расчет приведенного сопротивления теплопередаче выполнен согласно формуле (14) и соответствующего примера расчета в приложении Н.
3. Для заполнения проемов применены деревянные оконные блоки с тройным остеклением в раздельно-спаренных переплетах.
4. В стыках применен минераловатный утеплитель, снаружи закрытый уплотнителем Вилатерм.
5. Для Московской области (г.Кашира) согласно СНиП 23-01 средняя температура и продолжительность отопительного периода составляют: . Температура внутреннего воздуха =20 °С. Тогда градусо-сутки отопительного периода согласно формуле (1) составляют
=(20+3,4)·212=4961 °С·сут.
Порядок расчета
1. По таблице 4 СНиП 23-02 =4961 °С·сут соответствует нормируемое сопротивление теплопередаче для стен жилых зданий.
2. Сопротивление теплопередаче панелей по глади, рассчитанное по формуле (8), равно
3. К числу теплопроводных включений и теплотехнических неоднородностей в стенах 16-этажного панельного дома относятся гибкие связи, оконные откосы, горизонтальные и вертикальные стыки панелей, угловые стыки, примыкание панелей к карнизу и цокольному перекрытию.
Для расчета по формуле (14) коэффициентов теплотехнической однородности различных типов панелей коэффициенты влияния теплопроводных включений и площади зон их влияния рассчитаны на основе решения задач стационарной теплопроводности на компьютере соответствующих узлов и приведены в
таблице К.1.
Таблица K.1
Для первого этажа
0,78·0,962=0,75;
Для последнего этажа
0,78·0,97=0,757.
Приведенный коэффициент теплотехнической однородности фасада здания
16/(14/0,78+1/0,75+1/0,757)=0,777.
Приведенное сопротивление теплопередаче фасада 16-этажного жилого дома по формуле (23) равно
Следовательно, наружные стены 16-этажного жилого дома удовлетворяют требованиям СНиП 23-02.