Наружные ненесущие стены из ячеистого бетона плотностью D400-D600 в виде блоков для многоэтажных монолитных зданий

На ближайшие годы перед строительной индустрией поставлены задачи [21] снижения стоимости строительства на треть, а сроков строительства, эксплуатационных расходов для строительства, отходов и загрязнения окружающей среды и энергоемкости в два раза. В связи с энергетическим кризисом, продолжающимся ростом цен на энергоносители и сокращением их запасов, энергосбережение стало одной из важнейших задач коммунального хозяйства и строительной индустрии жилых и общественных зданий. Глобальное потребление энергии возросло в 30 раз за последние 200 лет и достигло к 2000 г 14,0 Гт.у.т/год [117]. В 1992 г на бытовые нужды страна израсходовала около 364 млн. т.у.т. тепловой энергии, что составляет примерно 25% годовых энергозатрат страны, из которых на ЖКХ 117 млн. т.у.т. при общей площади эксплуатируемых зданий около 5 млрд. м. Расход тепловой энергии на отопление жилых домов средней полосы России составлял.

350−600 кВт*ч/м [87, 62].

В целях стабилизации кризисных явлений в энергообеспечении и учитывая направления развития прогресса в строительстве Правительством РФ с 1994 г. были сформированы основы нормативно-правовой базы энергосбережения: «Энергетическая стратегия России» на период до 2010 г., федеральный закон «Об энергосбережении» № 28-ФЗ, Федеральная целевая программа «Энергосбережение России на 1998;2005гг» от 24.01.1998 № 80.

При применении отдельных различных архитектурно-технических мероприятий можно ожидать следующую экономию энергоресурсов за счет: компактности здания — 20%, повышенной нормативной теплозащиты ограждающих конструкций — 15%, совершенствования систем воздухообмена и вентиляции при притоке воздуха — 7−10%, а при вытяжке — 18−20%, электроосвещения — 3−5%, использования нетрадиционных источников тепла от 5−10% (тепло грунта) до 20% (солнце, ветер) [56].

Потенциал структуры энергосбережения в новом строительстве согласно [62] может быть представлен на рис. 1.

Архшект^рно-планиржочные средства энергосбережения.

Теплозащита ограждений Инженерные системы.

Основной путь снижения энергозатрат в жилищно-гражданском строительстве до 45−55% экономии энергоресурсов на отопление зданий лежит в повышении сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов. Известно, что 1м' теплоизоляционных материалов в среднем экономит 1,4−1,6 т.у.т. в год. Для уменьшения топливно-энергетических затрат при эксплуатации зданий с 1995 г были введены новые нормы [88, 162, 163, 165, 170] предполагающие обеспечить поэтапное снижение до 40% [87] уровня энергопотребления на отопление здания по сравнению с периодом до 1995 г.

В современных условиях наиболее экономичными и энергоэффективными для массового строительства являются многоэтажные многоквартирные здания, увеличенной ширины. Малоэтажные дома не могут считаться теплоэффективными из-за большой удельной поверхности наружных ограждений по отношению к объему здания. Согласно нормам [88] и исследованиям, проведенным в НИИСФ, по величине компактности и допустимому расходу энергии на отопление наиболее оптимальной этажностью зданий можно считать диапазон в 9−16 этажей [56, 170].

Для многоквартирных домов этажностью 5−9 этажей теплопотери составят через: наружные стены — 36%, окна — 24%, потолок — 5%, пол — 3%, с инфильтрующимся воздухом — 32%. При увеличении высоты здания до 14−17 этажей потери тепла составят через: стены — 36%, окна — 24%, пол первого этажа — 2%, потолок верхнего этажа — 1%, с инфильтрующимся воздухом — 37% [62]. При этом стоимость возведения 1 м² наружных стеновых конструкций в 1,83,7 раза выше стоимости изготовления внутренних несущих стен и перекрытий. Согласно [88] наружные стены 9−16 этажных зданий при различных конструктивных решениях составляют 15,9 — 35,9% от общей величины укрупненных показателей стоимости конструктивных элементов здания, оказывая значительное влияние на сметную стоимость и экономические показатели здания. В связи с этим, одним из основных, актуальных направлений энергои ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве является повышение потребительских свойств наружных стен при общем снижении их сметной стоимости.

При строительстве сборных и монолитных многоэтажных зданий в основном применяются навесные ненесущие наружные стеновые ограждения в основном двух типов: в виде панелей и из штучных материалов. В 60−80 годы применяли однослойные стены из кирпича и из легкого бетона на пористом заполнителе, которые были энергоемкими в производстве и малоэффективными как утеплители. Поэтому планировалось многократно увеличить производство изделий из легкого ячеистого бетона, доведя объем к 1990 году до 8−10 млн. м3, а к 1995 году-до 40−45 млн. м3 в год [188].

Актуальность темы

Последнее десятилетие все более широко применяются энергоэффективные многоэтажные здания из монолитного железобетона со смешанной конструктивной системой и ненесущими наружными стенами, являющимися заполнением каркаса. Наружные стены многоэтажных зданий, имея большую площадь, оказывают значительное влияние на общую сметную стоимость здания, так как сметная стоимость их возведения в 1,8−3,7 раза выше сметной стоимости возведения внутренних несущих стен и перекрытий. В связи с этим, одним из основных, актуальных направлений энергои ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве является повышение потребительских свойств наружных стен при снижении их сметной стоимости.

В связи с формированием нормативно-правовой базы энерго-сбережения и введением новых норм [88, 162, 163, 165, 170], предполагающих обеспечить поэтапное снижение до 40% [87] уровня энергопотребления на отопление здания по сравнению с периодом до 1995 г, возведение однослойных наружных стен из кирпича и керамзитобетона — традиционных материалов, стало нецелесообразным. Сегодня широкое применение получили легкие ограждающие конструкции с эффективным утеплителем из базальтовой ваты, наружным облицовочным слоем из кирпича и внутренним слоем из различных материалов в виде блоков. По сравнению с однослойными наружными стенами такие конструкции обладают высокой стоимостью, трудоемкостью и недостаточной долговечностью. Поэтому исследование и обоснование конструкций наружных стен для многоэтажных зданий из новых легких, экономичных, экологичных, энергоэффективных, негорючих, долговечных, технологичных материалов является актуальной задачей. При этом необходимо учитывать совместную работу наружных стен с монолитной смешанной несущей конструктивной системой здания, которая существенно отличается от таковой в каркасных и панельных зданиях.

Целью диссертационной работы является:

Исследование наружных ненесущих стен из ячеистобетонных блоков при неравномерных вертикальных деформациях смешанной конструктивной системы многоэтажных зданий и температурно-влажностных и силовых воздействиях.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

— исследовать теплотехническую однородность ограждения из ячеистобетонных блоков при различных теплопроводных включениях;

— разработать и исследовать конструкции перемычек для стен с повышенной теплотехнической однородностью при минимальном расходе защищенной от коррозии арматуры;

— исследовать влияние вертикальных и ветровых воздействий при монтаже и эксплуатации на наружные ненесущие стены многоэтажных монолитных зданий;

— разработать методику для оценки технико-экономической эффективности наружных ограждающих конструкций, учитывающую потребительские требования участников инвестиционного процесса строительства и эксплуатации здания.

Научную новизну работы составляют:

— результаты численных исследований влияния толщины швов кладки, внутренних стен и перекрытий на величину теплотехнической однородности наружных стен из ячеистобетонных блоков;

— конструкция, результаты экспериментальных исследований и методика расчета прочности составных перемычек из фасонного кирпича с арматурой уголкового профиля;

— конструкция и результаты экспериментальных исследований сборных перемычек из ячеистобетонных блоков с арматурой из проволоки, стержней и асбестоцементной полосы;

— методика расчета и результаты численных исследований перекосов этажных ячеек смешанной конструктивной системы с учетом влияния последовательности возведения здания, и толщины деформационных швов стенового заполнения;

— функциональная модель и результаты расчета экономической эффективности конструкций наружных стен с учетом их потребительских свойств.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— уточнены значения коэффициентов теплопроводности ячеистого бетона и теплотехнической однородности ограждений из блоков, позволившие более точно рассчитать приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции и определить ее толщину;

— для наружных ненесущих стен с повышенной теплотехнической однородностью разработаны, запатентованы и внедрены конструкции и технология изготовления двух типов составных перемычек из фасонного кирпича и ячеистобетонных блоков при минимальном расходе защищенной от коррозии арматуры;

— разработан практический метод расчета перекосов вертикальных ячеек конструктивной системы с учетом порядка монтажа и деформаций несущих конструкций от вертикальных нагрузок и определены толщины деформационных швов в заполнении этажной ячейки, обеспечивающие их безопасную совместную работу с конструктивной системой здания;

— разработана методика технико-экономического сравнения различных конструкций наружных стен, позволяющая учитывать их потребительские свойства.

Апробация работы. Основные результаты доложены на:

— научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС, Москва, МГСУ, 2001;

— шестой научно-практической конференции (академические чтения).

Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях", Москва, НИИСФ, 2001;

— 1-ой Всероссийской научно-практической конференции по проблемам бетона и железобетона «Ресурсо-энергосберегающие проекты и технологии», Москва, НИИЖБ, 2001;

— восьмой научно-практической конференции (академические чтения) «Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики», Москва, НИИСФ, 2003;

— 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — пути развития», Москва, НИИЖБ, 2005;

— международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплоснабжения и вентиляции», Москва, МГСУ, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Получены значения коэффициентов теплопроводности ячеистых бетонов плотностью 0500−0600 для стеновых блоков, изготовленных по современным технологиям, А,=0,15−0,17 Вт/(м°С), что ниже нормативных на 25−35%. Уточнены коэффициенты теплотехнической однородности ограждения («г» = 0,64−0,94) при различных теплопроводных включениях и решениях узлов сопряжения заполнения с конструктивной системой здания (с термоэкраном или термовкладышем).

2. Получена зависимость прочности ячеистого бетона от количества выдержанных циклов замораживания-оттаивания при изменении его влажности от сухого состояния до максимального водонасыщения.

3. Разработаны и запатентованы новые конструкции и технологии изготовления двух видов составных перемычек (из конструкционно-теплоизоляционных ячеистобетонных блоков и из фасонного кирпича) с пониженным более чем в 3 раза расходом стали. Перемычки применены при строительстве жилого многоэтажного здания в г. Москва.

4. Изучены особенности работы составных перемычек ПСБ, армированных проволочной, стержневой и АЦ арматурой при изгибе, и установлены механизмы разрушения. Полосовое асбестоцементное армирование перемычек наиболее экономично, обеспечивает коррозионную стойкость и анкеровку без дополнительных мероприятий. Составные блочные перемычки независимо от способа армирования могут быть использованы в наружных ненесущих стенах, так как при максимальной расчетной эксплуатационной нагрузке они обладают 9-кратным запасом прочности и в них отсутствуют трещины, а прогибы перед разрушающей нагрузкой в 3 раза меньше допустимых.

5. По результатам экспериментальных исследований перемычек ПСК выявлено, что несущая способность уголка в составе перемычки возрастает в 3 раза, а после образования и развития трещин изгибная жесткость составной перемычки приближается к изгибной жесткости уголкового профиля. Расчет прочности нормального сечения перемычек ПСК можно выполнять по МПС, где в сжатой зоне работает уголок и кирпично-бетонная обойма, а в растянутойгоризонтальная полка уголка. При расчете прогибов учитывается в запас только изгибная жесткость уголка. Благодаря включению двух слоев кладки в совместную работу с перемычками жесткость ПСК возросла в 13,5 раз, а прочность — в 2,5 раза.

6. Разработана практическая методика расчета перекосов этажных ячеек многоэтажной рамы по деформированной схеме при вертикальных нагрузках с учетом влияния последовательности возведения здания. Установлено, что перекосы имеют максимальное значение на 0,7−0,9 высоты здания, а их величина в 1,25−2 раза меньше значений, полученных при одновременном приложении нагрузки. Величину максимальных перекосов этажных ячеек от действия вертикальных нагрузок необходимо учитывать при проектировании зданий, так как она может превышать максимальные нормативные значения. Разработана методика расчета толщины деформационных швов между заполнением из ячеистого бетона и несущей конструктивной системой, обеспечивающих их безопасную работу при перекосах этажных ячеек каркаса. Толщина горизонтального деформационного шва при максимальном нормативном вертикальном перекосе и пролетах ригеля 3, 6 и 9 м должна быть соответственно не менее 25, 41 и 53 мм Устройство вертикальных деформационных швов не требуется, если перекос ячеек не превышает 1/2000. Легкие однослойные и двухслойные ненесущие стены из ячеистого бетона необходимо дополнительно закреплять при монтаже здания, расположенного даже в первом ветровом районе. Облицовочный слой в половину толщины кирпича выкладывать без основного недопустимо, так как удерживающий момент меньше опрокидывающего до 10 раз.

Разработана методика для оценки технико-экономической эффективности наружных ограждающих конструкций, учитывающая потребительские требования участников инвестиционного процесса строительства и эксплуатации здания. Установлено, что однослойная конструкция из ячеистобетонных блоков эффективнее, чем многослойные наружные стены с минераловатным утеплителем и стены с вентилируемым фасадом.