АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ВАЖНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Плохих М.А.¹, Базарова Е.А.²

¹Студент, ²студент, Юго-Западный государственный университет

АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ВАЖНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК  ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Аннотация

В статье приводится сравнение наиболее часто встречающихся наружных ограждающих конструкций на основании теплотехнического расчета, расчетов сопротивления паропроницаемости и воздухопроницаемости, а так же сопоставления массы и стоимости одного квадратного метра стены.

Ключевые слова: ограждающая конструкция, общественное здание, теплотехника, паропроницаемость, воздухопроницаемость.

Plohih M.A.¹, Bazarova E.A.²

¹Student, ²student, South-West State University

ANALYSIS OF SOME IMPORTANT CHARACTERISTICS OF ENCLOSING STRUCTURES OF PUBLIC BUILDINGS

Abstract

The article gives a comparison of the most frequent external enclosing structures on the basis of thermotechnical calculation, calculation of resistance of vapor and air permeability. The correlation of weight and cost of one square meter of a wall is made as well.

Keywords: enclosure structure, public buildings, thermotechnics, vapor permeability, permeability to air.

  В настоящее время существует множество вариантов конструкций наружных стен, выполняющих несущие и ограждающие функции. Одной из основных функций является обеспечение  внутри помещения комфортного температурно-влажностного режима. В настоящей работе мы поставили своей целью на основании проведенных расчётов провести сравнение между различными  конструкциями наружных стен общественных зданий и по результатам сделать вывод о наиболее оптимальной конструкции.  Для сравнительной характеристики были взяты три варианта наружных стен (применяемая столетиями однородная каменная кладка  и две современные многослойные конструкции)  общественных зданий. Расчёты проведены для условий  города Курска.

Первый вариант конструкции полностью состоит из керамического пустотелого кирпича (рис.1). Рассматриваемая  стена общественного здания состоит из следующих слоёв, считая от внутренней поверхности:

1 – цементно-перлитовая штукатурка толщиной 15 мм, ρ=650 кг/м³ , λ=0,3Вт/(м·°С), μ=0,15 мг/(м·ч·Па);

2 – кирпичная кладка из пустотелого керамического кирпича толщиной 1550 мм (по расчёту), ρ=1600 кг/м³ , λ=0,64Вт/(м·°С), μ=0,14 мг/(м·ч·Па).

Рис.1 - Однослойная стена из керамического пустотелого кирпича

Теплотехнический расчёт

Расчётные температуры внутреннего воздуха и наружного воздуха в холодный период года t_в =20°C (согласно ГОСТ 30494-96) [4] и t_н =-24°C (согласно СП 131.13330.2012)[2]; нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции ∆t^н=4,5 (согласно СП 50.13330.2012)[3]; коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции α_в=8,7 (Вт/(м²·°С)) (согласно СП 50.13330.2012); средняя температура наружного воздуха и продолжительность в сутках отопительного периода t_от=-2,3°С, z_от=194(дн.) (согласно СП 131.13330.2012); градусо-сутки отопительного периода ГСОП=4326 (°С·сут.).

Базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции R₀^mp=2,5((м²·°С)/Вт).

Из условия:    находим толщину керамического кирпича:

δ₂=1550 (мм). В результате получена общая толщина стены равная 1565 мм.

Расчёт воздухопроницаемости

Нормируемая поперечная воздухопроницаемость ограждающих конструкций  G^н=0,5(кг/м²·ч) (согласно СП 50.13330.2012); высота общественного здания H=18м; t_н =-24°C; t_в =20°C; максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь υ=3,9 м/с;  удельный вес наружного и внутреннего воздуха γ_н=13,9(Н/м³) и  γ_в=11,8(Н/м³).

Разница давления воздуха снаружи и внутри определяется по формуле (СП 50.13330.2012):

Нормируемое сопротивление воздухопроницанию  (СП 50.13330.2012) (2)

Сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций  R_u=R₁+R₂+R₃, где R₁,R₂,R₃ сопротивление воздухопроницаемости отдельных слоёв ограждающих конструкций.

R_u=150,5(м²·ч·Па)

 (условие выполняется)

Расчёт сопротивления паропроницанию

Сопротивление паропроницанию R_vp, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее нормируемых сопротивлений паропроницанию, определяемых по формулам  (СП 50.13330.2012): ; (3)

где  - сопротивление паропроницанию, части ограждающей конструкции расположенной между наружной поверхностью и плоскостью максимального увлажнения;

E - парциальное давление водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период;

e_int - парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха;

e_ext - среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период .

где z₀ - продолжительность периода в сутках;

E₀ - парциальное давление водяного пара;

δ_w - толщина утеплителя;

ρ_w - плотность утеплителя;

∆av - предельное допустимое приращение расчётного массового отношения влаги в материале.

 

Относительная влажность воздуха φ_int=50% (согласно СП 50.13330.2012); t_в =20°C; парциальное давление насыщенного водяного пара E_int=2338 (Па) (согласно СП 23-101)[1]; парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха e_int=1169(Па).

Парциальное давление водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации определяется по формуле (СП 50.13330.2012):

где z_1, z_2, z₃ – продолжительность (месяцев) соответственно зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов.

Значения температур в плоскости возможной конденсации, соответствующие этим периодам  определяются по формуле (СП 50.13330.2012):

Cпротивление теплопередаче внутренней поверхности ограждения R_si=0,115((м²·°С)/Вт); R₀=2,63((м²·°С)/Вт); термическое сопротивление слоя ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации ƩR=2,47((м²·°С)/Вт).

Далее рассчитываем соответствующую температуру в плоскости возможной конденсации по формуле (6)  и по СП 23-101-2004 (приложение С) определяем парциальное давление водяного пара для соответствующих периодов.

По формуле (5) .

Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период определяем по СП 131.13330.2012 e_ext=805(Па).

Согласно формуле (3)  ;

; где μ – коэффициент паропроницаемости (мг/м·ч·Па).

 (условие выполняется)

Для расчёта нормируемого сопротивления паропроницанию  из условия ограничения влаги за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха необходимы: продолжительность периода в сутках z₀=132 (сут) и средняя температура этого периода t₀=-5,3 ) (согласно СП 131.13330.2012); τ₀=-4,9(°C) рассчитанное по формуле ); парциальное давление водяного пара при соответствующей температуре E₀=405(Па).

Согласно СП 50.13330.2012 в многослойной ограждающей конструкции увлажняемым слоем является кирпичная кладка толщиной δ_w =1,55 (м); плотностью ρ_w=1600(кг/м³); предельное допустимое приращение расчётного массового отношения влаги в этом материале согласно СП 50.13330.2012  ∆av=1,5%.

Коэффициент η определяется по формуле (СП 50.13330.2012):

 η=0.

По формуле (4):

 (условие выполняется)

Расчёт распределения парциального давления водяного пара по толще стены и определение возможности образования конденсата в толще стены

Расчётные температура, относительная влажность воздуха, среднее парциальное давление для внутреннего и наружного воздуха соответственно:

t_int=20°C;  φ_int=50%; e_int=1169 (Па)

t_ext=-7,3°C;  φ_ext=86%; e_ext=284 (Па)

Определяем температуры на границах слоёв по формуле (4) и  по этим температурам - максимальное парциальное давление водяного пара по приложению С (СНиП 23-101-2004).

E₁=2169(Па); E₂=2102(Па); E₃=344(Па).

Рассчитаем действительные парциальные давления водяного пара на границах слоёв по формуле:

Согласно формуле (8): e₁=1169(Па); e₂=1161(Па); e₃=284(Па).

Сопротивление паропроницанию: R₁=0; R₂=0,1 ; R₃=11,2 .

При сравнении величин максимального парциального давления E_i водяного пара и величин действительного парциального давления е_i водяного пара на соответствующих границах слоев видим, что все величины е_i ниже величин E_i, что указывает на отсутствие возможности конденсации водяного пара в ограждающей конструкции.

Для наглядности расчета построим график распределения максимального парциального давления E_i водяного пара и график изменения действительного парциального давления e_i водяного пара по толще стены в масштабе сопротивлений паропроницанию его слоев. Очевидно, что эти кривые не пересекаются, что демонстрирует невозможность образования конденсата в ограждении (рис.2).

Рис. 2 - Распределение парциального давления водяного пара в традиционной ограждающей конструкции (слева направо – от внутренней поверхности к наружной)

Второй вариант – современная конструкция несущей стены из кирпичной кладки с системой вентилируемого фасада (рис.3). Многослойная стена общественного здания состоит из следующих слоёв, считая от внутренней поверхности:

1 – цементно-песчаная штукатурка толщиной 15 мм, ρ=1600 кг/м³ , λ=0,93Вт/(м·°С), μ=0,09 мг/(м·ч·Па);

2 – кирпичная кладка из силикатного кирпича толщиной 510 мм, ρ=1800 кг/м³ , λ=0,7Вт/(м·°С), μ=0,11 мг/(м·ч·Па);

3 – утеплитель Izovol толщиной 60 мм (по расчёту), ρ=100 кг/м³ , λ=0,035Вт/(м·°С), μ=0,35 мг/(м·ч·Па).

Рис. 3 - Многослойная стена с вентилируемым фасадом.

Теплотехнический расчёт

Расчётные температуры: t_в =20°C (согласно ГОСТ 30494-96)  и t_н =-24°C (согласно СП 131.13330.2012); ∆t^н=4,5 (согласно СП 50.13330.2012); α_в=8,7 (Вт/(м²·°С)) (согласно СП 50.13330.2012); t_от=-2,3°С, z_от=194(дн.) (согласно СП 131.13330.2012); ГСОП=4326 (°С·сут.).

=2,5((м²·°С)/Вт).

Из условия:     находим толщину утеплителя:

δ₃=60 (мм). В результате получена общая толщина стены равная 585 мм.

Расчёт воздухопроницаемости

Нормируемая поперечная воздухопроницаемость  G^н=0,5(кг/м²·ч) (согласно СП 50.13330.2012); H=18м; t_н =-24°C; t_в =20°C;  υ=3,9 м/с;  γ_н=13,9(Н/м³) и  γ_в=11,8(Н/м³).

Разница давления воздуха снаружи и внутри определяется по формуле (1): ∆Р=27,13 (Па).

Нормируемое сопротивление воздухопроницанию по формуле (2):

R_u=410,13(м²·ч·Па)

 (условие выполняется)

Анализируя, полученный результат делаем вывод, что требуется установка ветрозащитной плёнки с наружной стороны утеплителя для предотвращения продувания утеплителя.

Расчёт сопротивления паропроницанию

Сопротивление паропроницанию R_vp, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее нормируемых сопротивлений паропроницанию.

φ_int=50% (согласно СП 50.13330.2012); t_в =20°C; E_int=2338 (Па) (согласно СП 23-101-2004); e_int=1169(Па).

R_si=0,115((м²·°С)/Вт); R₀=2,61((м²·°С)/Вт); ƩR=2,46((м²·°С)/Вт).

Далее рассчитываем соответствующую температуру в плоскости возможной конденсации по формуле (6)  и по СП 23-101-2004 (приложение С) определяем парциальное давление водяного пара для соответствующих периодов.

По формуле (5)

e_ext=805(Па).

Согласно формуле (3) 

Для расчёта нормируемого сопротивления паропроницанию  необходимы: z₀=132 (сут), t₀=-5,3 ) (согласно СП 131.13330.2012); τ₀=-4,96(°C);  E₀=402(Па).

Согласно СП 50.13330.2012 в многослойной ограждающей конструкции увлажняемым слоем является утеплитель Izovol толщиной ?_w=0,06(м); плотностью ρ_w=60(кг/м³); предельное допустимое приращение расчётного массового отношения влаги в этом материале согласно  СП 50.13330.2012 ∆av=3%

Коэффициент η определяется по формуле (7):  η=0.

По формуле (4) :

(условие не выполняется, поэтому требуется установка пароизоляционной плёнки с внутренней стороны утеплителя)

Расчёт распределения парциального давления водяного пара по толще стены и определение возможности образования конденсата в толще стены

t_int=20°C;  φ_int=50%; e_int=1169 (Па)

t_ext=-7,3°C;  φ_ext=86%; e_ext=284 (Па)

Определяем температуры на границах слоёв по формуле (4) и  по этим температурам - максимальное парциальное давление водяного пара по приложению С (СНиП 23-101-2004).

E₁=2169(Па); E₂=2142(Па); E₃=1312(Па); E₄=341(Па).

Рассчитаем действительные парциальные давления водяного пара на границах слоёв по формуле (8): e₁=1169(Па); e₂=1139(Па); e₃=314(Па); e₄=284(Па).

Сопротивление паропроницанию: R₁=0; R₂=0,17 ; R₃=4,81 ; R₄=4,98 .

Построим график как и для первой конструкции стены. Очевидно, что эти кривые не пересекаются, что демонстрирует  невозможность образования конденсата в ограждении (рис. 4).

Рис. 4 - Распределение парциального давления водяного пара в современной  ограждающей конструкции (слева направо – от внутренней поверхности к наружной)

Третий вариант стены – ограждающая конструкция в виде сэндвич-панели, которая приобретает все большую популярность в практике строительства (рис.5).

Как известно, сэндвич-панели не требуют расчета на воздухопроницаемость, сопротивление паропроницанию и расчёт распределения парциального давления водяного пара по толще стены, так как металлическая облицовка не пропускает паров влаги и не дает возможности образования конденсата. Слабым местом являются швы, необходим теплотехнический расчет, в результате которого определяется толщина утеплителя в панели. Мы провели расчет в городе Курске  на примере сэндвич-панели, состоящий из двух металлических обшивок (прокатная сталь) и утеплителя в виде минеральной ваты:

1,3 – прокатная сталь толщиной 1 мм, ρ=7800 кг/м³ , λ=58 Вт/(м·°С);

2 – утеплитель в виде минеральной ваты толщиной 120 мм (по расчёту), ρ=110 кг/м³ , λ=0,045 Вт/(м·°С).

Рис. 5  - Сэндвич-панель.

Теплотехнический расчёт

t_в =20°C (согласно ГОСТ 30494-96)  и t_н =-24°C (согласно СП 131.13330.2012); ∆t^н=4 (согласно СП 50.13330.2012); α_в=8,7 (Вт/(м²·°С)) (согласно СП 50.13330.2012); t_от=-2,3°С, z_от=194(дн.) (согласно СП 131.13330.2012);  ГСОП=4326,2 (°С·сут.).

R₀^mp=2,77((м²·°С)/Вт).

Из условия:    находим толщину керамического кирпича:

δ₂=120 (мм). В результате получена общая толщина стены равная 122 мм.

Помимо сравнения конструкций по результатам расчётов важно также сопоставить стоимость материалов за 1 м² стены по рыночным ценам в городе Курске. Для первой конструкции общая стоимость материалов 1 м² стены составила 1238,90 руб., для второй конструкции наружной стены – 750,24 руб., для третьей – от 900 руб.

Важным параметром является сравнение 1 м²  конструкции стены по массе, которая влияет на стоимость транспортировки, массивность и несущую способность нижележащих конструкций.  Общая масса первой конструкции составляет 1663 кг, второй – 737,7 кг, третьей – 28,8 кг.

Результат исследований продемонстрировал, что устройство традиционной однородной каменной кладки в современных условиях недопустимо, поскольку конструкция имеет большую массу, толщину кирпичной кладки, что сказывается на стоимости. Наиболее дешевой конструкцией является  кирпичная стена с вентилируемым фасадом, но на наш взгляд более оптимальной конструкцией для возведения общественных зданий таких как:  торговые центры, рынки, спорткомплексы, вокзалы   являются панели сэндвич, так как у них по сравнению с кирпичной кладкой  есть ряд преимуществ, к которым можно отнести: простоту эксплуатации, монтажа и меньшую нагрузку на фундамент за счет относительно небольшой массы, меньшие трудовые и финансовые затраты, высокую звукоизоляцию и энергоэффективность, более высокие, воздухоизоляцию, влагоизоляцию и пароизоляцию[5]. Однако для строительства жилых и общественных зданий, где люди находятся длительное время (жилые дома, школы, детские сады, административные здания) предпочтительно использовать кирпичную кладку с различными вариациями утеплителя, так как кирпич более устойчив к воздействию окружающей среды и перепадам температур, более долговечен, а при грамотном архитектурно-дизайнерском решении  внешний фасад обладает большей визуальной выразительностью.

Литература

1. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты здания. М: ФУГП ЦПП, 2004.
2. СП 131.13339.2012 Строительная климатология. М.: Минрегион России, 2012.
3. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. М.: Минрегион России, 2012.
4. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата помещений. МНТКС - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 1999.
5. Сравнение панелей сэндвич с другими материалами [Электронный ресурс]. URL: http://stroitelstvo63.ru/spravochnik/paneli-sravnenie/ (дата обращения 30.06.2015).

References

1. SP 23-101-2004 Proektirovanie teplovoj zashhity zdanija. M: FUGP CPP, 2004.
2. SP 131.13339.2012 Stroitel'naja klimatologija. M.: Minregion Rossii, 2012.
3. SP 50.13330.2012 Teplovaja zashhita zdanij. M.: Minregion Rossii, 2012.
4. GOST 30494-96 Zdanija zhilye i obshhestvennye. Parametry mikroklimata pomeshhenij. MNTKS - M.: Gosstroj Rossii, GUP CPP, 1999.
5. Sravnenie panelej sjendvich s drugimi materialami [Jelektronnyj resurs]. URL: http://stroitelstvo63.ru/spravochnik/paneli-sravnenie/ (data obrashhenija 30.06.2015).