Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций (стен)

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………….2

 

Глава 1
ПРИНЦИПЫ НОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ КАЧЕСТВ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Состояние вопроса ………………………………………………………………………………5

1.2 Новые нормы теплозащиты зданий …………………………………………………………11
1.2.1 Структура новой системы и её значение ………………………………………………..12

1.2.2 Основные принципы построения нового СНиП "Тепловая защита зданий"………14

1.2.3 Область применения…………………………………………………………………………..15

1.2.4 Критерии…………………………………………………………………………………………15

1.2.5 Классификация зданий по энергетической эффективности………………………….16

1.2.6 Учет геометрии здания………………………………………………………………………17

1.2.7 Контроль параметров и энергетический аудит зданий………………………………18

1.2.8 Новые стандарты на методы контроля энергетической эффективности………19

1.2.9 Территориальные нормы по энергетической эффективности………………………20

1.2.10 Согласование с европейскими стандартами……………………………………………22

1.2.11 Пути дальнейшего повышения энергоэффективности зданий…………….……….23

1.2.12 Заключение……………………………………………………………………………………..24

 

Глава 2

 КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОЗАЩИТЫ СТЕН

 

2.1 Современные конструктивные системы……………………………………………………26

2.2 Общие принципы обеспечения теплозащиты стен……………………………………….28

2.3 Подробное рассмотрение вариантов расположения утеплителя…………………….31

 

Глава 3
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАМЕННОЙ КЛАДКИ

3.1 Общие положения………………………………………………………………………………..35

3.2 Расчёты и сравнительный анализ……………………………………………………………36

3.3 Заключение…………………………………………………………………………………………41

 

Глава 4.

ПРОЕКТ МНОГОЭТАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

 

4.1 Предварительное назначение размеров ………………………………………………………47

4.2 Расчёт и конструирование ж/б предварительно напряжённой плиты покрытия …47

4.3 Расчёт и конструирование не разрезанного ригеля перекрытия ……………………….61

4.4 Расчёт и конструирование колонны многоэтажного здания ……………………………70

4.5 Расчёт внецентренно нагруженного фундамента с выносным стаканом ……………79

4.6 Расчёт самонесущей стены …..…………………………………………………………………83

 

 

 

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Всем известно, что материалы для строительства  должны обладать высокими конструктивными и эксплуатационными характеристиками, большое значение имеют и теплофизические свойства (сопротивление теплопередаче, паропроницаемость и др.) Кроме того, не маловажную роль имеет и  экономическая сторона вопроса. Мировые цены на энергоносители стремятся вверх, и цивилизованное человечество пытается экономно расходовать энергоресурсы. При такой ситуации ждать в ближайшее время увеличения тепловых мощностей не приходится. Поэтому все актуальнее становится проблема энергосбережения. Уже к концу ХХ в. вопрос экономии энергоресурсов встал перед многими развитыми странами Европы. В Германии в конце 70-х гг. взялись за энергосбережение за счет экономии тепла и электроэнергии в эксплуатируемых зданиях. И без того бережливым немцам удалось уменьшить расходы в этом направлении на треть. В Англии правительству Маргарет Тэтчер, пришедшему к власти в самый канун 80-х гг. после развала экономики лейбористами, удалось вывести страну из кризиса во многом за счет жесткой экономии энергоресурсов. Пришла и наша очередь бороться с потерями энергии. Один из путей - экономить на отоплении зданий, сберегая тепло. Энерго- и ресурсосбережение - генеральное направление технической политики в области строительства. В энергосбережении большое значение отводится повышению теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Из общего объема потребляемой энергии, что составляет около 43% вырабатываемой тепловой энергии, 90% расходуется на отопление, 8% - на производство строительных материалов, изделий и 2% на строительство. По сравнению с западноевропейскими странами это в 2…2,5 раза превышает средние показатели по России [19]. Для уменьшения неоправданно большого эксплуатационного энергопотребления зданий Госстроем России введены новые нормативы по теплозащите зданий, которые предусматривают поэтапное снижение энергопотребления на 20…40% путем увеличения в 1,5…3,5 раза сопротивления теплопередаче стеновых конструкций и сокращения теплопотерь различных конструктивных элементов.

Особое место в решении данной проблемы отводится не только новому строительству, но и эксплуатируемому фонду жилых и общественных зданий, теплотехнические характеристики которых не удовлетворяют современным требованиям. Снижение энергопотребления эксплуатируемых зданий может быть достигнуто путем повышения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций.

Повышение теплозащитных свойств ограждений требует существенного расхода материальных и трудовых ресурсов. Поэтому, проведение работ по устройству теплозащиты должно выполняться после разработки соответствующего проекта. Проектное решение необходимо принимать на основе предварительно выполненных расчетов, учитывая имеющийся в практике опыт повышения теплозащиты, а также технологические особенности и возможности проведения работ на каждом конкретном объекте.

В практике зарубежных стран восстановление и, особенно, повышение теплозащитных качеств ограждений имеет широкое распространение. Это связано с постоянным пересмотром нормативных документов в сторону ужесточения требований и немедленной их реализацией. В нашей стране из-за отставания нормативных требований от практики, вызванного постоянным и незначительным ростом стоимости тепловой энергии, были разработаны технологии восстановления теплозащитных качеств ограждающих конструкций, утерянных во время эксплуатации, а также способы повышения теплозащиты узлов и соединений, неграмотно запроектированных с теплотехнической точки зрения (последнее в основном относится к крупнопанельным зданиям).

Мировой опыт и научно-практические разработки в этой области мало освещались не только в инженерно-технической, но и специальной литературе и практически недоступны инженерно-техническим работникам проектных, строительных и ремонтно-строительных организаций. Отсутствие учебной литературы, методически обобщающей опыт повышения теплозащиты зданий, не позволяет студентам строительных и архитектурных специальностей получить достаточный объем знаний и качественно подготовиться в этой области для успешной практической работы по реконструкции и капитальному ремонту жилых зданий.

Установлено, что в зимний период теплопотери через окна жилых зданий составляют порядка 37%,  через стены 35%,через кровлю и пол соответственно 15% и 13% общих потерь тепла зданием (рисунок №1).  Сокращения теплопотерь через оконные заполнения зданий опорного жилищного фонда можно добиться заменой старых окон на новые или проведением мероприятий, направленных на доведение теплозащитных качеств окон до нормативных требований, действующих в настоящее время. В России для оценки теплозащитных характеристик оконных конструкций принято сопротивление теплопередаче R_o (м^2оС/Вт). Согласно московским городским строительным нормам (МГСН 2.01-99) [1] «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению» пункт 3.3.4., требуемое сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций и наружных дверей следует принимать 0,54 м^2оС/Вт для окон, балконных дверей и витражей; 0,81 м^2оС/Вт для глухой части балконных дверей. Эти нормы распространяются на проектирование новых и реконструкцию существующих жилых домов и зданий общественного назначения.  Эта проблема глубоко изучена и решение о применении современных высокотехнологичных окон повсеместно внедряется в строительстве и при реконструкции зданий различного назначения. Относительно стен остаётся открытым вопрос по нормативным документам, применяющимся  материалам и конструктивным решениям.

Это говорит о том, что какими бы хорошими ни были мероприятия по сокращению теплопотерь через дорогие окна, без изучения и проведения дополнительных мероприятий по  теплозащите стен, они не дадут ожидаемого эффекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.

ПРИНЦИПЫ НОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ КАЧЕСТВ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

 

1.1. Состояние вопроса

Энерго- и ресурсосбережение является задачей мирового масштаба, решением которой ученые, проектировщики и эксплуатационники занимаются на протяжении многих лет. За рубежом улучшение теплозащиты эксплуатируемых зданий возникло как следствие энергетического кризиса 70^х годов. Это было связано с большим потреблением энергоресурсов, идущих на отопление зданий, что составляло в некоторых странах до 50 % общей расходуемой энергии. Данные обстоятельства привели к тому, что в большинстве зарубежных стран с 1976 г. нормируемые величины теплозащиты ограждающих конструкций увеличились в 2...3,5 раза, рис. 2.

 

 

 

 

 

                                                                             
Рисунок №2. Динамика изменения требуемого сопротивления теплопередаче в различные периоды в различных странах: 1. Дания (t_н=-15 ^оС); 2. Франция (t_н=-15 ^оС); 3. Германия (t_н=-18 ^оС); 4. Нидерланды (t_н=-17 ^оС); 5. Италия (t_н=-10 ^оС); 6. Норвегия (t_н=-35 ^оС); 7. Швеция (t_н=-30 ^оС); 8. Великобритания (t_н=-19 ^оС); 9. Россия (Москва) (t_н=-26 ^оС);

 

В нашей стране уровень тепловой защиты здания наружными стенами оставался почти без изменений до 1994 года. Он определялся нормированием величины сопротивления теплопередаче R₀, которое было основано на принципах обеспечения санитарно-гигиенических требований внутри помещения и ограничения теплопотерь в отопительный период при минимуме приведенных затрат на возведение ограждения и его эксплуатацию. Поэтому, при проектировании наружного ограждения должны были соблюдаться два условия:

- сопротивление теплопередаче R₀ во всех случаях должно быть не менее требуемого по санитарно-гигиеническим условиям сопротивления теплопередаче R₀^тр;

-сопротивление теплопередаче ограждения R₀ принимается равным экономически целесообразному сопротивлению R₀^эк, определяемому из условия обеспечения наименьших приведенных затрат.

Выполнение расчетов по определению R₀^эк связано с большим объемом работ и затрат времени на вычисление и определение исходных величин и, поэтому, производилось редко. Для упрощения расчетов, следуя указаниям Госстроя СССР, к величинам требуемых сопротивлений теплопередаче R₀^трвводили повышающие коэффициенты. Они принимались в зависимости от назначения здания, его капитальности, возможностей заказчика и других экономических и социальных факторов. Величина коэффициентов колебалась от 1,1 до 2,0.

При определении экономически целесообразного сопротивления теплопередаче R₀^эк учитывались потери тепла за счет инфильтрации воздуха, стоимость тепловой энергии, стоимость материала теплоизоляционного слоя многослойной конструкции, отпускные цены на ограждающие конструкции, стоимость их транспортирования и монтажа.

Следует отметить, что нормирование сопротивления теплопередаче стены по санитарно-гигиеническим требованиям было основано на принципе обеспечения минимально допустимых комфортных условий внутри помещений и производилось с учетом тепловой инерции D ограждающих конструкций и расчетной зимней температуры наружного воздуха, которая принималась в соответствии со СНиП 2.01.01-82. «Строительная Климатология и геофизика»[2].

Как показала практика, даже небольшие ошибки, допускаемые при конструировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации ограждающих конструкций вели к понижению температуры на внутренней поверхности стен ниже допустимой, что зачастую приводило к выпадению конденсата.

Такой принцип нормирования и допускаемые ошибки привели к тому, что в среднем по стране на 1 м² отопления общей площади жилого здания необходимо порядка 88 кг условного топлива в год, что превышает аналогичный показатель в странах, находящихся в сопоставимых с Россией климатических условиях в 2,5...3 раза.

Госстрой России постановлением № 18-81 от 11 августа 1995 г. утвердил и ввел в действие с 1 сентября 1995 г. «Изменение № 3 СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника»» [3], требующее существенного повышения уровня теплозащиты новых и реконструируемых зданий путем увеличения сопротивления теплопередаче в 2:3,5 раза, что позволяет снизить теплопотребление в зданиях на 20...30 %.

Данные изменения в СНиП привели к необходимости совершенно новых подходов в конструировании, технологии изготовления и монтажа ограждающих конструкций. Часто встречается мнение, что для достижения нового нормативного сопротивления теплопередаче ограждения необходимо увеличить его толщину на определенную величину, связанную только с теплофизическими характеристиками материалов. Это мнение ошибочно, поскольку изменился сам принцип нормирования.

Согласно новым нормам, приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций следует принимать не менее требуемых значений R₀^тр, определяемых исходя из условий энергосбережения, а так же санитарно-гигиенических и комфортных условий. Величина требуемого сопротивления теплопередаче стен, определяемая из условий энергосбережения по значению градусо-суток отопительного периода (ГСОП), больше величины, определяемой исходя из санитарно-гигиенических и комфортных требований. Это привело к тому, что в настоящее время нормируемая величина сопротивлениятеплопередаче ограждающих конструкций определяется средней температурой наружного воздуха и продолжительностью отопительного периода.

Изменения в подходе к нормированию сказываются на распределении R₀^трпо районам РФ. С целью сопоставления изменений сопротивления теплопередаче построены карты его распределения для наружных стен на территории России до и после 1996 г. (рисунок №3 а, б).

На основании данных карт установлено, что изолинии сопротивления теплопередаче до 1996 г. не имеют строгого характера распределения (рисунок №3, а). Это связано с тем, что при их построении для определения R₀^триспользовалась зависимость, все члены которой имели постоянные значения за исключением расчетной зимней температуры наружного воздуха. Она определялась по СНиП 2.01.01-82 «Строительная Климатология и геофизика» [2], в которых значения расчетной температуры приняты на основании статистических данных, получаемых с метеорологических станций за 30:50 лет. Непостоянный характер распределения температуры наружного воздуха определяет такое же распределение R₀^тр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок №3. Схематические карты распределения требуемого сопротивления теплопередаче (R₀^тр, м² °С/Вт) до 1996 г. (а) и после (б), а также распределение толщины дополнительного теплоизоляционного слоя (d, м) из минеральной ваты (в) с коэффициентом теплопроводности l(лямбда)= 0,047 Вт/(м² °С), плотностью 50 кг/м³.

 

Требуемое сопротивление теплопередаче после 1996 г. не только увеличилось в несколько раз, а изолинии приобрели более строгий характер распределения, но они еще изменили свое направление (рисунок №3, б). Это можно обосновать тем, что при определении R₀^тр используются две величины, изменяющиеся в зависимости от района строительства - средняя температура и продолжительность отопительного периода.

Нужно отметить, что в связи с таким изменением требуемых сопротивлений теплопередаче, мероприятия по дополнительной теплозащите стен в стране приобретают районный характер. Так, в европейской части России утепление зданий по нормативам 1996 г. требует устройства дополнительного теплоизоляционного слоя из минеральной ваты (с коэффициентом теплопроводности l=0,047 Вт/(м² °С)), толщина которого будет изменяться от 65 до 145 мм (рисунок №3, в). Это говорит о том, что для создания оптимальных конструктивно - технологические решений теплозащиты стен зданий необходимо учитывать районы, в которых будут проводиться работы по утеплению стен. Причем, на каждый район должны иметься свои конструктивно - технологические решения теплозащиты.

Изменение в нормировании теплозащитных качеств ограждающих конструкций должно дать значительный эффект в экономии энергетических ресурсов, идущих на отопление зданий. Но это будет достигнуто лишь в том случае, если появятся совершенно новые конструктивные и технологические решения наружных стен, приспособленные не только к климатическим условиям, но и к строительной базе.

 

1.2. Новые нормы теплозащиты зданий

С утверждением Госстроем РФ нового СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»[4] и одобрением нового свода правил СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»[5] к этому СНиП завершена 10-летняя работа по созданию нового поколения системы нормативных документов зданий со сниженным потреблением энергии.

Строительный комплекс России полностью перестроился и перешел на соблюдение новых как территориальных, так и федеральных норм, а группа стандартов и энергетические паспорта зданий обеспечили энергоаудит возведенных и эксплуатируемых зданий. Произошли коренные преобразования рынка на производство, продажу и использование энергоэффективных строительных материалов и изделий и использование новых энергоэффективных технологий. Такой перелом произошел благодаря работе большого коллектива на всех уровнях и, в первую очередь, активной позиции ряда организаций (НИИСФ РААСН, ОАО ЦНИИЭП жилища, НП "АВОК", ЦЭНЭФ, Мосэкспертизы, Общества по защите природных ресурсов, региональных органов управления строительным комплексом и проектных организаций) и поддержки Управлением технического нормирования, стандартизации и сертификации в строительстве и ЖКХ Госстроя РФ.

 

1.2.1. Структура новой системы и её значение

В новую систему нормативных документов зданий со сниженным потреблением энергии входят:

на федеральном уровне:
- СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий"[4];
- Свод правил СП 23-101 "Проектирование тепловой защиты зданий"[5];
- ГОСТ 30494 "Параметры микроклимата в жилых и общественных зданиях"[6];
- четыре ГОСТа по обеспечению энергоаудита зданий (ГОСТ 31166 [7], ГОСТ 31167 [8], ГОСТ 31168 [9], ГОСТ 26254 [10]) и ГОСТ 26229 [11] по тепловизионному контролю качества теплоизоляции;
- разделы "Энергосбережение" в двух новых СНиП по жилым зданиям (31-01[12] и 31-02[13]);

на региональном уровне:
- территориальные Строительные нормы (ТСН) в 50 регионах РФ под общим названием "Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий"[14].

 

Все вышеуказанные документы официально утверждены соответствующими органами власти, введены в действие и имеют силу обязательных к исполнению. Согласно новому закону РФ "О Техническом Регулировании" все ГОСТы и СНиПы, утвержденные до введения этого закона, будут действовать как обязательные к исполнению в течение 7 лет, после чего станут рекомендательными. СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника"[3] признан не действующим с 1 октября 2003 г. ТСН будут действовать и далее как обязательные.

Благодаря новым нормам, энергопотребление на отопление вновь построенных и реконструированных за последние 8 лет зданий снизилось на 35-45 % в зависимости от типов зданий. По данным Госстроя РФ, уже 6% (170 млн. м2) всего фонда жилых зданий России соответствуют требованиям новых норм. Произошел переход от повсеместного распространения однослойного и трехслойного панельного домостроения к монолитно-каркасному с наружной теплоизоляцией, с невентилируемыми и вентилируемыми фасадами и с применением легких теплоизоляционных материалов.

Нашли широкое применение проекты зданий с уширенным корпусом (до 22-25 м по сравнению с прежним 12 м), легкие ячеистые бетоны. Домостроительные комбинаты, продолжающие выпускать индустриально изготавливаемые здания из панельных конструкций, перешли к большему разнообразию выпускаемых изделий. Здания, возводимые из этих конструкций, не отличаются по внешнему виду от монолитно-каркасных. Причем по себестоимости ныне выпускаемые наружные панельные стены с теплозащитой, в три раза лучшей по сравнению с прежней, дешевле прежних на 10-15% (например, такие панельные ограждения выпускаются на домостроительном комбинате Якутска). Повсеместно стали применяться окна со стеклопакетами из стекол с малым коэффициентом отражения и переплетами из клееной древесины или пластмассовых профилей.

По новым нормам, действующим с 2000 г., спроектированы новые здания, которые были построены и введены в эксплуатацию в 2001 - 2002 гг. Годовой энергосберегающий эффект можно получить расчетным путем, начиная с 2003 г. по объему построенных зданий за 2002 г. Россия ввела в эксплуатацию 14 210 тыс.м² одноквартирных малоэтажных домов и 19 566 тыс.м² многоэтажных многоквартирных зданий. Энергосберегающий эффект рассчитывается по разности в потребности тепловой энергии на отопление этой жилой площади согласно нормам до 1995 г. и после введения новых норм и по конечной потребности тепловой энергии на отопление в 11 500 ТДж для жилых зданий. Энергетическая эффективность систем теплоснабжения составляет в среднем 50%, т.е. половина первичного топлива, преобразованного в тепловую энергию, теряется на пути к конечному потребителю. Расчеты показывают, что энергосберегающий эффект по первичной энергии в 2003 г. оценивается примерно в 23 тыс. ТДж. Необходимо отметить, что поскольку новые нормы имеют тот же энергосберегающий эффект, что и нормы с повышенной теплозащитой, действующие с 2000 г., то отнесение энергетического эффекта к объемам жилищного строительства 2002 г. правомочно.

В новом СНиП изложены только основные нормы к зданию или сооружению. Методы проектирования, в том числе и альтернативные, вынесены в Свод правил (СП) "Проектирование тепловой защиты зданий"[5] и могут быть использованы проектировщиком в зависимости от творческого потенциала, квалификации, технических возможностей. Эта свобода распространяется на выбор технических решений и способов их реализации при теплотехническом проектировании зданий, когда конечный результат достигается за счет повышения качества проектирования. Такой подход принят в России, Германии, США и других странах и реализует современные международные требования к стандартизации по потребительскому принципу, разработанные Международным Комитетом по исследованиям и инновациям в зданиях и сооружениях (CIB).

 

1.2.2. Основные принципы построения нового СНиП "Тепловая защита зданий"

Новый СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий"[4] определяет нормируемые показатели энергоэффективности зданий, отвечающих мировому уровню, и методы их контроля. В нем:

- установлены численные значения нормируемых показателей энергоэффективности зданий;

- дана классификация новых и эксплуатируемых зданий по энергетической эффективности;

- открыта возможность строить здания с более высокими показателями энергоэффективности, чем нормируемые;

- создана возможность выявлять эксплуатируемые здания, которые необходимо срочно реконструировать с точки зрения энергоэффективности;

- разработаны правила проектирования тепловой защиты зданий при использовании как поэлементного нормирования, так и показателей энергоэффективности;

- даны методы контроля соответствия нормируемым показателям тепловой защиты и энергетической эффективности как при проектировании и строительстве, так и при эксплуатации зданий (энергетические паспорта);

- не допускается проектирование зданий с расходами энергоресурсов, превышающими установленные нормируемые показатели.

СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий"[4] - совершенно новый документ как по своей структуре и области применения, так и по устанавливаемым им критериям теплозащиты и теплового контроля, методам контроля, характеру и уровню энергоаудита, согласованности с европейскими стандартами. При этом новый документ сохраняет преемственность с отмененным СНиП 2-3-79* "Строительная теплотехника"[3] 1996 г. и обеспечивает тот же уровень энергосбережения, однако представляет более широкие возможности в выборе технических решений и способов соблюдения нормируемых параметров.

1.2.3. Область применения

 СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" [4] распространяется на тепловую защиту как вновь строящихся и реконструируемых жилых, общественных, производственных, сельскохозяйственных и складских зданий и сооружений, так и эксплуатируемых зданий, в которых необходимо поддерживать определенную температуру и влажность внутреннего воздуха. При этом установленные критерии могут быть использованы для оценки энергетической эффективности существующих зданий с целью определения необходимости улучшения их энергетической эффективности. Новые нормы, в отличие от прежних, относятся как к проектируемым и реконструируемым, так и к эксплуатируемым зданиям.

 

1.2.4. Критерии

Установлены две группы обязательных к исполнению взаимосвязанных критериев тепловой защиты здания и два способа проверки на соответствие этим критериям, основанных:
а) на нормируемых значениях сопротивления теплопередаче для отдельных ограждающих конструкций тепловой защиты здания, рассчитанных на основе нормируемых значений удельного расхода тепловой энергии на отопление и сохраненных от СНиП 2-3-79* "Строительная теплотехника" [3];

  б) на нормируемом удельном расходе тепловой энергии на отопление здания, позволяющем варьировать теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий (за исключением производственных зданий) с учетом выбора систем поддержания микроклимата и теплоснабжения для достижения нормируемого значения этого показателя.

Выбор способа, по которому будет вестись проектирование, относится к компетенции проектной организации или заказчика. Методы и пути достижения этих нормативов выбираются при проектировании.

Требования данных норм будут выполнены, если при проектировании жилых и общественных зданий будут соблюдены нормативы "а" либо "б". Для производственных зданий требуется соблюдение только нормативов "а".

Расчетные температуры внутреннего воздуха при проектировании тепловой защиты принимают по нижним пределам оптимальных параметров. С целью установления оптимальных и допустимых параметров микроклимата внутри помещений жилых и общественных зданий и их контроля был разработан ГОСТ 30494-96 "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях"[15]. Эти параметры для жилых зданий были подтверждены в СанПиН 2.1.2.1002 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям»[16]. Согласно этому ГОСТу при проектировании ограждающих конструкций установлена расчетная температура внутреннего воздуха 20 °С. Учет установленной этим стандартом разности радиационной температуры вблизи холодных поверхностей потребовал принятия новых норм на окна.

 

1.2.5. Классификация зданий по энергетической эффективности

В таблице представлена классификация зданий по степени отклонения расчетных или измеренных нормализованных значений удельных расходов тепловой энергии на отопление здания от нормируемого значения. Под нормализацией понимается приведение измеренных значений к расчетным условиям. Эта классификация относится как к вновь возводимым и реконструируемым зданиям, проекты которых разработаны в соответствие с требованиями описанных выше норм, так и к эксплуатируемым зданиям, построенным по нормам до 1995 г.

 

Буквенное обозначение класса

Наименование класса

Величина отклонения расчётного (или измеренного нормализованного) значения от нормативного значения, %

Рекомендуемые мероприятия органами администрации субъектов Федерации

Для новых и реконструируемых зданий

А

Очень высокий

Менее минус51

Экономическое стимулирование

В

Высокий

от -10 до -50

То же

С

Нормальный

от +5 до -9

-

Для существующих зданий

Д

Низкий

от +6 до +75

Желательна реконструкция здания

Е

Очень низкий

более 76

Необходимо утепление здания в ближайшей перспективе

 

 

К классам А, В и С могут быть отнесены здания, проекты которых разработаны по действующим нормам. В процессе реальной эксплуатации энергетическая эффективность таких зданий может отличаться от данных проекта в лучшую сторону (классы А и В) в пределах, указанных в таблице. В случае выявления класса А и В рекомендуется применение органами местного самоуправления или инвесторами мероприятий по экономическому стимулированию.

 

Классы D и Е относятся к эксплуатируемым зданиям, возведённым по действующим в период строительства нормам. Класс D соответствует нормам до 1995 г. Эти классы дают информацию органам местного самоуправления или собственникам зданий о необходимости срочных или менее срочных мероприятий по улучшению энергетической эффективности. Так, например, для зданий, попавших в класс Е, необходима срочная реконструкция с точки зрения энергетической эффективности.

1.2.6. Учет геометрии здания

Геометрическая форма здания оказывает существенное влияние на расходы энергии. На рисунке №4 показано влияние ширины здания на удельный расход тепловой энергии на примере 9-этажного трехсекционного жилого дома в Оренбурге. В новом СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»[4] был введен геометрический критерий компактности здания в виде отношения площади ограждающей оболочки здания к замкнутому в нее объему.

Необходимое снижение расхода энергии за счет геометрии здания будет обеспечено при соблюдении следующих критериев:
0,25 - для зданий 16 этажей и выше;
0,29 - для зданий от 10 до 15 этажей включительно;
0,32 - для зданий от 6 до 9 этажей включительно;
0,36 - для 5-этажных зданий;
0,43 -для 4-этажных зданий;
0,54 - для 3-этажных зданий;
0,61; 0,54; 0,46 - для 2-, 3- и 4-этажных блокированных и секционных домов соответственно;
0,9 - для 2- и 1 -этажных домов с мансардой;
1,1 - для 1 -этажных домов. Такой показатель используется в нормах Германии с 1975 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.7. Контроль параметров и энергетический аудит зданий

Новый СНиП потребовал осуществлять контроль качества теплоизоляции каждого здания при приемке его в эксплуатацию методом термографического обследования согласно ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций"[17]. Такой контроль поможет выявить скрытые дефекты и возможность их устранения до ухода строителей со строительного объекта. Также необходим выборочный контроль воздухопроницаемости помещений зданий согласно ГОСТ 31167-03 "Здания и сооружения. Метод определения воздухопроницаемости помещений и зданий в натурных условиях"[8].

В новом СНиПе содержатся указания по контролю теплотехнических и энергетических параметров как при проектировании, так и при эксплуатации зданий. Контроль параметров при эксплуатации зданий осуществляют с помощью энергетического аудита по новому ГОСТ 31168-03 «Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление»[9].

Энергетический аудит здания определяется как последовательность действий, направленных на определение энергетической эффективности здания и оценку мероприятий по повышению энергетической эффективности и энергосбережения. Результаты энергетического аудита являются основой классификации и сертификации зданий по энергоэффективности.

Энергетический аудит может также выполняться с целью более подробного описания некоторых теплотехнических и энергетических характеристик здания. Термин "обследование" при энергетическом аудите используется при проведении простой инспекции здания.

 

1.2.8. Новые стандарты на методы контроля энергетической эффективности

С цепью подтверждения соответствия показателя нормализованного удельного расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период эксплуатируемого здания нормируемым значениям и требованиям контроля этого показателя согласно новому СНиП были разработаны три новых ГОСТа, утвержденных Госстроем РФ в 2003г.:
ГОСТ 31166 "Конструкции ограждающие термически неоднородные зданий и сооружений. Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи"[7];

ГОСТ 31167 "Здания и сооружения. Метод определения воздухопроницаемости помещений и зданий в натурных условиях"[8];

ГОСТ 31168 "Здания жилые. Метод определения потребления тепловой энергии на отопление здания"[9].

Последние два стандарта определяют базовые методы контроля параметров, входящих в энергетический паспорт эксплуатируемых зданий, и используются при энергоаудите.

Сущность метода определения потребления тепловой энергии на отопление здания заключается в том, что в отопительный период для определенных интервалов времени измеряют в испытываемых помещениях (квартире) и (или) доме в цепом: расход тепловой энергии на отопление и средние температуры воздуха внутри и снаружи здания и интенсивность суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Рассчитывают для тех же интервалов времени величины общих тепловых потерь через ограждающие конструкции здания, равные измеренным расходам тепловой энергии на отопление и суммарным теплопоступлениям (бытовым и солнечной радиации через светопроемы). По рассчитанным общим теплопотерям при соответствующих разностях температур внутреннего и наружного воздуха определяют линейную зависимость наилучшего приближения к этим данным (рис. 5). Вертикальная пунктирная линия на графике на этом рисунке показывает начало отопительного периода, когда теплопоступления в здание, отмеченные горизонтальной пунктирной линией, равны теплопотерям. По линейной зависимости и внутренним размерам помещений и ограждающих конструкций вычисляют общий коэффициент теплопередачи наружных ограждений здания и удельное потребление тепловой энергии на отопление здания за отопительный период, а также устанавливают класс энергетической эффективности здания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок №5. Схема функциональной зависимости теплопотерь здания от разности температур воздуха внутри и снаружи

 

1.2.9. Территориальные нормы по энергетической эффективности

Правовая основа разработки ТСН для регионов - субъектов Российской Федерации - предусмотрена статьей 53 "Градостроительного кодекса Российской Федерации". В настоящее время утверждено и зарегистрировано в Госстрое РФ 50 ТСН и еще 3 ТСН находятся на стадии завершения. На карте отмечены регионы, имеющие эти ТСН.

 

Рисунок №6. Регионы имеющие ТСН

ТСН должны соблюдаться на территориях регионов и обязательны для применения юридическими лицами независимо от организационно-правовой формы и формы собственности, принадлежности и государственности гражданами (физическими лицами), занимающимися индивидуальной трудовой деятельностью или осуществляющими индивидуальное строительство, а также иностранными юридическими и физическими лицами, осуществляющими деятельность в области проектирования и строительства на территории региона, если иное не предусмотрено федеральным законом.

Другой особенностью территориальных норм является предусматриваемая ими форма энергетического паспорта здания, предназначенного для контроля качества проектирования здания и последующего его строительства и эксплуатации. Компьютерная версия энергетического паспорта, прилагаемая к нормам, является удобным инструментом при разработке проекта здания и контроле соответствия проекта требованиям территориальных норм. Кроме того, энергетический паспорт дает потенциальным покупателям и жильцам конкретную информацию о том, что они могут ожидать от энергетической эффективности здания (в более энергоэффективных зданиях меньше платежи за энергию). Энергетический паспорт удобен также для обоснования льготного налогообложения, кредитования, дотаций для объективной оценки стоимости жилой площади на рынке жилья и т.п.

Все разработанные ТСН снабжены компьютерной версией энергетического паспорта в виде таблиц EXCEL.

В процессе строительства здания все отступления от проекта должны быть санкционированы проектной организацией. Однако в практике строительства бывают случаи, когда строительная организация выполняет несанкционированные отступления от проекта. Поэтому при сдаче построенного здания в эксплуатацию ТСН требуют от проектной организации повторного заполнения энергетического паспорта с той же цепью, что и при разработке проекта.

В процессе эксплуатации фонда зданий должен быть выборочный контроль (энергетический аудит) на предмет соответствия требованиям действующих норм или на планирование реконструкции или модернизации зданий. Результаты контроля должны отражать технические и энергетические параметры зданий и служить основанием для анализа вариантов их реконструкции или модернизации.

Для каждого ТСН разработаны детализированные климатические параметры, градусо-сутки отопительного периода и величины солнечной радиации при действительных условиях облачности за отопительный период. Для некоторых регионов выполнено климатическое районирование.

Все ТСН предусматривают обязательную разработку нового раздела проекта зданий "Энергоэффективность", в котором должны быть представлены сводные показатели энергоэффективности проектных решений в соответствующих частях проекта здания. Сводные показатели энергоэффективности должны быть сопоставлены с нормативными показателями действующих норм. Указанный раздел выполняется на утверждаемых стадиях предпроектной и проектной документации. Разработка раздела "Энергоэффективность" осуществляется проектной организацией за счет средств заказчика. При необходимости к разработке этого раздела заказчиком и проектировщиком привлекаются соответствующие специалисты и эксперты из других организаций.

Органы экспертизы должны осуществлять проверку соответствия данным нормам предпроектной и проектной документации в составе комплексного заключения.

Внедрение территориальных норм дает следующие преимущества региону:
- новый принцип нормирования облетает проблему перехода на повышенный уровень теплозащиты зданий при обеспечении намеченного федеральными нормами энергосберегающего эффекта;

- создаются условия для внедрения новых энергоэффективных технологий и строительных материалов, а также эффективного отопительно-вентиляционного и теплоснабжающего оборудования и систем его управления;

- создается возможность при проектировании достичь заданного энергосберегающего эффекта за счет различных комбинаций как отдельных элементов теплозащиты, так и систем обеспечения микроклимата внутри помещений и выбора систем теплоснабжения, т.е. за счет повышения качества проектирования;

- стимулирует архитекторов к использованию энергоэффективных компоновок зданий, например, зданий с уширенным корпусом;

дает возможность принятия альтернативных технических решений при реконструкции или капитальном ремонте зданий для достижения требуемого энергопотребления.

 

1.2.10. Согласование с европейскими стандартами

Новый СНиП отвечает международному уровню стандартизации зданий, в частности, он согласуется с требованиями Директивы (Закона) ЕС № 93/76 SAVE и решения ЕС №647 о принятии долгосрочной программы содействия энергетической эффективности зданий SAVE с 1998 по 2002 г., с новым постановлением ФРГ EnEV 2002 и с новой Директивой ЕС по энергетическим показателям зданий. Некоторые нормы вводились в России даже раньше, чем на Западе. Например, московские нормы МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению»[1] были утверждены в 1999г., а новые нормы Германии были введены только в 2002г.

Представляет интерес сопоставление нормативных показателей Германии и России по конечному удельному расходу энергии на отопление (рисунок №6). Значение этого показателя в нормах Германии находится в пределах от 40 до 96 кВт-ч/(м²год) при базовой системе теплоснабжения. Величины конечного удельного расхода энергии на отопление, установленные в ТСН РФ и в новом СНиП и пересчитанные на климатические условия Германии, находятся в пределах от 55 до 105 кВт-ч/(м²год). Очевидно, что немецкие нормы ниже новых российских норм на 20-27 % для многоквартирных жилых зданий и на 9-10 % для одноквартирных домов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок №6. Сравнение по полезному расходу удельной энергии на отношение и воздухообмен по нормам ФРГ и ТСН РФ

 

 

1.2.11. Пути дальнейшего повышения энергоэффективности зданий

Снижение энергопотребления в строительном секторе - проблема комплексная; тепловая защита отапливаемых зданий и ее контроль являются лишь частью, хотя и важнейшей, общей проблемы. Дальнейшее снижение нормируемых удельных расходов тепловой энергии на отопление жилых и общественных зданий за счет повышения уровня тепловой защиты на ближайшее десятилетие, по-видимому, нецелесообразно. Вероятно, это снижение будет происходить за счет ввода более энергоэффективных систем воздухообмена (режим регулирования воздухообмена по потребности, рекуперации теплоты вытяжного воздуха и пр.) и за счет учета управления режимами внутреннего микроклимата, например, в ночные часы. В связи с этим потребуется доработка алгоритма расчета расхода энергии в общественных зданиях.

Другая часть общей, пока не решенной проблемы - отыскание уровня эффективной тепловой защиты для зданий с системами охлаждения внутреннего воздуха в теплый период года. В этом случае уровень тепловой защиты по условиям энергосбережения может быть выше, чем при расчетах на отопление зданий. Это означает, что для северных и центральных регионов страны уровень тепловой защиты может устанавливаться из условий энергосбережения при отоплении, а для южных регионов - из условия энергосбережения при охлаждении. По-видимому, целесообразно объединение нормирования расхода горячей воды, газа, электроэнергии на освещение и другие нужды, а также установление единой нормы по удельному расходу энергии здания.

 

1.2.12. Заключение

1. Созданная система норм обеспечивает проектирование зданий с эффективным использованием энергии, а система стандартов вводит нормируемые параметры микроклимата и обеспечивает контроль нормируемых теплотехнических и энергетических параметров при эксплуатации здания.

2. Новая методология нормирования впервые была апробирована в большом числе регионов России и протестирована на проектах многочисленных зданий региональными специалистами.

3. Новые нормы дают возможность достижения нормируемых показателей за счет повышения качества проектирования и расширения возможностей в выборе архитектурных форм, технических решений и способов их реализации. Однако реализация этих возможностей требует дополнительных усилий при проектировании. С целью облегчения этих усилий разработан энергетический паспорт здания, в том числе компьютерная его версия. Первоначальные опасения по поводу сложности работы с новыми нормами исчезают после демонстрации их применения на компьютере.

4. Принципиальная методологическая основа новых норм и основные нормативы соответствуют передовому международному уровню - европейским стандартам и требованиям директив ЕС.

5. Система норм и стандартов создала условия для преобразования рынка новых строительных технологий, способствует строительному росту, увеличивает занятость населения, приводит к существенному энергосбережению, повышает тепловой комфорт в помещениях зданий и снижает зависимость внутренней среды зданий от аварийных и экстремальных ситуаций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2

КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОЗАЩИТЫ СТЕН

 

2.1.  Современные конструктивные системы

В зависимости от типа нагрузок наружные стены делятся на:

• несущие стены - воспринимающие нагрузки от собственного веса стен по всей высоте здания и ветра, а также от других конструктивных элементов здания (перекрытий, кровли, оборудования, и т.д.);
• самонесущие стены - воспринимающие нагрузки от собственного веса стен по всей высоте здания и ветра;
• ненесущие (в том числе навесные) стены - воспринимающие нагрузки только от собственного веса и ветра в пределах одного этажа и передающие их на внутренние стены и перекрытия здания (типичный пример - стены-заполнители при каркасном домостроении).

Требования к различным типам стен существенно отличаются. В первых двух случаях очень важны прочностные характеристики, т.к. от них во многом зависит устойчивость всего здания. Поэтому материалы, используемые для их возведения, подлежат особому контролю.

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных (стены) и горизонтальных (перекрытия) несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость.

На сегодняшний день наиболее применяемыми конструктивными системами являются каркасная и стеновая (бескаркасная) системы. Следует отметить, что в современных условиях часто функциональные особенности здания и экономические предпосылки приводят к необходимости сочетания обеих конструктивных систем. Поэтому сегодня все большую актуальность приобретает устройство комбинированных систем.

 

Для бескаркасной конструктивной системы используют следующие стеновые материалы: деревянные брусья и бревна, керамические и силикатные кирпичи, различные блоки (бетонные, керамические, силикатные) и железобетонные несущие панели (панельное домостроение).

До недавнего времени бескаркасная система являлась основной в массовом жилищном строительстве домов различной этажности. Но в условиях сегодняшнего рынка, когда сокращение материалоемкости стеновых конструкций при одновременном обеспечении необходимых показателей теплозащиты является одним из самых актуальных вопросов строительства, все большее распространение получает каркасная система возведения зданий.

 

Каркасные конструкции обладают высокой несущей способностью, малым весом, что позволяет возводить здания разного назначения и различной этажности с применением в качестве ограждающих конструкций широкого спектра материалов: более легких, менее прочных, но в то же время обеспечивающих основные требования по теплозащите, звуко- и шумоизоляции, огнестойкости. Это могут быть штучные материалы или панели (металлические - типа <сэндвич>, либо навесные железобетонные).

Наружные стены в каркасных зданиях не являются несущими. Поэтому прочностные характеристики стенового заполнения не так важны, как в зданиях бескаркасного типа.

Наружные стены многоэтажных каркасных зданий посредством закладных деталей крепятся к несущим элементам каркаса или опираются на кромки дисков перекрытий. Крепление может осуществляться и посредством специальных кронштейнов, закрепляемых на каркасе.

С точки зрения архитектурной планировки и назначения здания, наиболее перспективным является вариант каркаса со свободной планировкой - перекрытия на несущих колоннах. Здания такого типа позволяют отказаться от типовой планировки квартир, в то время как в зданиях с поперечными или продольными несущими стенами это сделать практически невозможно.

Хорошо зарекомендовали себя каркасные дома и в сейсмически опасных районах.
Для возведения каркаса используются металл, дерево, железобетон, причем железобетонный каркас может быть как монолитный, так и сборный. На сегодняшний день наиболее часто используется жесткий монолитный каркас с заполнением эффективными стеновыми материалами.

Все большее применение находят легкие каркасные металлоконструкции. Возведение здания осуществляется из отдельных конструктивных элементов на строительной площадке; либо из модулей, монтаж которых производится на стройплощадке.

Данная технология имеет несколько основных достоинств. Во-первых, - это быстрое возведение сооружения (короткий срок строительства). Во-вторых, - возможность формирования больших пролетов. И наконец, - легкость конструкции, уменьшающая нагрузку на фундамент. Это позволяет, в частности, устраивать мансардные этажи без усиления фундамента.

Особое место среди металлических каркасных систем занимают системы из термоэлементов (стальных профилей с перфорированными стенками, прерывающими мостики холода).

Наряду с железобетонными и металлическими каркасами давно и хорошо известны деревянные каркасные дома, в которых несущим элементом является деревянный каркас из цельной или клееной древесины. По сравнению с рублеными деревянные каркасные конструкции отличаются большей экономичностью (меньше расход древесины) и минимальной подверженностью усадке.

Несколько особняком стоит еще один способ современного возведения стеновых конструкций - технология с применением несъемных опалубок. Специфика рассматриваемых систем заключается в том, что сами элементы несъемной опалубки не являются несущими. элементами конструкции. В процессе строительства сооружения, путем установки арматуры и заливки бетоном, создается жесткий железобетонный каркас, удовлетворяющий требованиям по прочности и устойчивости.

 

2.2. Общие принципы обеспечения теплозащиты стен

Повышение теплозащитных качеств стеновых ограждающих конструкций заключается в увеличении их сопротивления теплопередачи до нормативных значений, действующих в настоящее время. Это достигается утеплением стен теплоизоляционными материалами, которые должны защищаться от наружных воздействий защитно-декоративным слоем, способным при необходимости сохранить или улучшить архитектурно-художественного облик здания или помещения.

В практике устройства дополнительной теплозащиты стен существует два основных способа ее расположения: с наружной или внутренней стороны стены. Иногда встречается конструктивно-технологическое решение устройства теплозащиты зданий с расположением утеплителя с наружной и внутренней стороны стены одновременно. Данный способ можно назвать комбинированным.

Конкретный вариант расположения теплозащиты устанавливается на основе анализа всех возможных способов ее устройства с учетом их достоинств и недостатков.

Вариант с расположением теплоизоляционного материала на внутренней поверхности стены обладает следующими достоинствами:

- теплоизоляционный материал, как правило, не имеющий достаточной способности к сопротивлению воздействиям внешней среды, находится в благоприятных условиях и, следовательно, не требуется его дополнительная защита;

- производство работ по устройству теплозащиты может идти в любое время года независимо от способа крепления. При этом не требуется применение дорогостоящих средств подмащивания.

К недостаткам расположения теплозащиты со стороны помещения относятся:

- уменьшение площади помещения за счет увеличения толщины стены;

- необходимость устройства, с целью исключения выпадения конденсата, дополнительной теплозащиты в местах опираний на стены плит перекрытий и в местах примыкания к наружным стенам внутренних стен и перегородок;

- необходимость защиты теплоизоляционного материала и стены от увлажнения путем устройства пароизоляционного слоя перед теплоизоляционным материалом;

- расположение хорошо аккумулирующего тепло материала стены (например, кирпичной кладки) в зоне низких температур, что в значительной мере снижает тепловую инерцию ограждения;

- невозможность защитить стыки крупнопанельных зданий от протечек;

- невозможность менять архитектурно-художественный облик фасада здания;

- необходимость отселения жильцов;

- сложность устройства теплоизоляции в местах расположения приборов отопления, а также в пределах толщины пола.

Следует отметить, что в большинстве случаев устройство дополнительной теплоизоляции с внутренней стороны стены производится на стадии реконструкции с полной заменой санитарно-технического оборудования и конструкций пола. Поэтому, последний недостаток данного способа является менее существенным по сравнению с остальными.

Вариант расположения теплозащиты с наружной стороны стены обладает существенными достоинствами. К ним, в частности, относятся:

- создание защитной термооболочки, исключающей образование "мостиков холода";

- исключение необходимости устройства пароизоляционного слоя;

- возможность защитить стыки крупнопанельных зданий от протечек;

- создание нового архитектурно-художественного облика здания;

- возможность одновременно с устройством теплоизоляции исправлять дефекты стены;

- расположение хорошо аккумулирующего тепло материала стены в зоне положительных температур. Это повышает тепловую инерцию ограждения и способствует улучшению ее теплозащитных качеств при нестационарной теплопередаче, а также сохранению следующих преимуществ высоких теплоаккумулирующих качеств стены: колебания уровня теплоотдачи систем отопления, работающих в определенном режиме (т.е. практически всех систем центрального отопления), почти не отражаются на температуре воздуха внутри помещения; кратковременные притоки холодного воздуха (при каждом открывании окон и дверей) не приводят сразу же к охлаждению помещения; температурные колебания наружного воздуха сказываются на внутреннем климате помещения не столь ощутимо (особенно, в летний период);

- при устройстве теплоизоляции с наружной стороны стены не уменьшается площадь помещений;

- отсутствуют неудобства, связанные с устройством теплоизоляции в местах расположения приборов отопления и в пределах толщины пола.

Существенными недостатками этого варианта является необходимость устройства по теплоизоляции надежного защитного слоя, а также использование при выполнении работ дорогостоящих средств подмащивания.

Устройство теплозащиты с наружной и внутренней стороны стены одновременно в настоящее время не используется, так как данный способ обладает большой трудоемкостью работ. Он применялся в тех случаях, когда была необходимость восстановить локальные теплозащитные качества стены. Для этого требовалось только оштукатурить наружную и внутреннюю поверхности стен “теплыми” растворами.

Конструкция дополнительной теплозащиты в период эксплуатации подвергается внешним и внутренним воздействиям. К внешним относятся: солнечная радиация; атмосферные осадки (дождь, град, снег); переменные температуры; влажность воздуха; внешний шум; воздушный поток; газы; химические вещества; биологические вредители. К внутренним воздействиям можно отнести нагрузки (постоянные, временные и кратковременные), колебания температуры, влажность, морозное пучение и сейсмоволны. Добиться правильной и долговременной работы теплозащиты можно только в том случае, если она будет способна противостоять данным воздействиям, а так же отвечать конструктивным, технологическим и эстетическим требованиям.

 

 

 

 

 

 

2.3. Подробное рассмотрение вариантов расположения утеплителя

 

Рисунок №7. Кривые изменения температуры ограждающих конструкций.

а) неутеплённых, б) утеплённых изнутри, в) снаружи, при условии поддержания внутри помещения одинаковой плюсовой температуры.

 

Как видно из представленных на рисунке №7 температурных кривых, наибольшего эф­фекта можно добиться путем утепления сна­ружи (вариант в). При этом:

- осуществляется защита стен от переменного замерзания и оттаивания, а так­ же и от других атмосферных воздействий;

- выравниваются температурные колебания основного массива стены;

- увеличивается долговечность конструк­ций стены;

- температурный ноль сдвигается во внешний теплоизоляционный слой;

- возрастает теплоаккумулирующая спо­собность массивной стены.

При внутреннем утеплении несущая се­на и часть теплоизоляции промерзают что способствует появлению избытка влаги, об­разованию грибка и ускоренному старению ограждающей конструкции.

Полное отсутствие теплоизоляции недопустимо.

 

Вариант 1. Утеплитель размещен с внутренней стороны ограждающей конструкции. Здесь уместен вопрос: какое здание или помещение необходимо утеплить? Для подвального помещения такой способ более чем разумен и обоснован. Хотя придется уменьшить площадь и дополнительно потратиться на монтаж пароизоляции. Последнее окупится тем, что стены с внутренней стороны помещения не будут пропитываться влагой в процессе его эксплуатации. Ведь в результате жизнедеятельности человека стены изнутри постоянно подвергаются тепловому и влажностному воздействию, что при неправильной их конструкции может привести к отсыреванию, появлению плесневых грибков и, в конечном счете, разрушению. Необходимо только строго соблюдать технологию при устройстве пароизоляции.

Утеплять стены с внутренней стороны помещения во вновь строящемся здании естественно неразумно, однако при строительстве некоторых промышленных зданий, а также при реконструкции или ремонте существующих зданий зачастую приходится идти на это.

Вариант 2. Утеплитель размещен внутри ограждающей конструкции.Такую конструкцию чаще всего называют “сэндвич” или “сэндвич-панели”. Все зависит от того, какая это стена несущая, самонесущая или навесная и из какого материала она производится: кирпич, бетон, дерево, металл или комбинированная. От исходного материала, а также от типа утеплителя зависит толщина стены.

Под наименованием “сэндвич-панели” подразумевается целый класс многослойных конструкций, включающих в себя теплоизоляционный материал, облицованный с обеих сторон. Этот строительный материал, широко используемый в последние десятилетия за рубежом, приобретает все большую популярность и в России. Однако, делая выбор в пользу данного современного и эффективного материала, нужно четко представлять себе, какая из множеств разновидностей “сэндвич-панелей” будет максимально отвечать именно Вашим потребностям.

По функциональному назначению “сэндвич-панели” можно разделить на стеновые, кровельные и отделочные (для реконструкции и утепления старых зданий и помещений). Каждая из них имеет свои особенности. Отделочные панели, например, имеют небольшую толщину (25-50 мм). Лицевая поверхность имеет декоративное покрытие, а на внутренней – оно отсутствует. Вообще, облицовка панелей может быть самой разнообразной в зависимости от их назначения и пожеланий заказчика. Это металл, гипсокартон, фанера или пластик. Поверхность панели имеет законченный вид и не нуждается в дальнейшей обработке.

По виду теплоизоляционного материала “сэндвич-панели” можно разделить на три основные группы: 

· - с утеплителем из минеральной ваты

· - с утеплителем из пенополиуретана

· - с утеплителем из пенополистирола

При этом панели с пенополимерным утеплителем в 1,5-2 раза легче, чем панели с минераловатным утеплителем той же толщины, и обладают лучшими теплоизоляционными свойствами (что особенно актуально в силу необходимости экономить тепловую энергию), но уступают по огнестойкости. Разумеется, в зависимости от перечисленных выше факторов, а также от качества утеплителя и облицовочного материала, существенно зависит цена панелей.

Благодаря своим замечательным эксплуатационным свойствам, богатой цветовой гамме, а также широкому диапазону размеров и модификаций, строительные “сэндвич-панели” являются прекрасным материалом, находящим применение при реконструкции и утеплении старых зданий и помещений.

Вариант 3. Утеплитель размещен снаружи ограждающей конструкции. При размещении утеплителя снаружи его необходимо защищать от атмосферных воздействий. Можно выделить два подхода: это наиболее часто применяемая защита из специального штукатурного состава (“мокрый” способ) без воздушной прослойки и защита из специальных плит (“сухой” способ) с воздушной прослойкой, так называемая система вентилируемого фасада.

В помощь проектировщикам и строителям Госстрой разработал и выпустил в 1998 г. “Технические правила производства наружной теплоизоляции зданий с тонкой штукатуркой по утеплителю” СП 12-101-98 [18]. В них изложены основные правила и рекомендации по устройству наружной теплоизоляции стен с нанесением штукатурного слоя по сетке, “мокрым” методом.

Устройство дополнительной теплоизоляции снаружи лучше защищает стену от переменного замерзания и оттаивания. Выравниваются температурные колебания массива стены, что препятствует появлению деформаций, особенно нежелательных при крупнопанельном домостроении. Точка росы сдвигается в наружный теплоизоляционный слой, внутренняя часть стены не отсыревает, и не требуется дополнительной пароизоляции.

При защите утеплителя специальными штукатурными составами, следует сказать, что этот способ чаще всего применяют для жилых зданий массового строительства. Он дешевле и дальнейшая эксплуатация таких стен проще, чем системы с вентилируемым фасадом.

Другим достоинством наружной теплоизоляции является увеличение теплоаккумулирующей способности массива стены. Так, по данным ЦНИИЭП жилища, если произойдет отключение источника теплоснабжения при наружной изоляции, кирпичная стена будет остывать в 6 раз медленнее, чем при внутреннем слое теплоизоляции такой же толщины. Установка теплоизоляции снаружи позволяет также снизить расходы на ремонт поврежденных стен.

Использование навесных конструкций позволяет, с одной стороны, "одеть" фасад в современные отделочные материалы, а с другой - улучшить теплотехнические характеристики ограждающей конструкции и защитить ее от вредных атмосферных воздействий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАМЕННОЙ КЛАДКИ

 

3.1. Общие положения

Строительство зданий должно осуществляться в соответствии с требованиями к тепловой защите зданий для обеспечения установленного для проживания и деятельности людей микроклимата в здании, необходимой надежности и долговечности конструкций, климатических условий работы технического оборудования при минимальном расходе тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий за отопительный период (далее - на отопление).

Долговечность ограждающих конструкций следует обеспечивать применением материалов, имеющих надлежащую стойкость (морозостойкость, влагостойкость, биостойкость, стойкость против коррозии, высокой температуры, циклических температурных колебаний и других разрушающих воздействий окружающей среды), предусматривая в случае необходимости специальную защиту элементов конструкций, выполняемых из недостаточно стойких материалов.

Для обеспечения прочности стен зданий в большинстве случаев достаточно принять толщину стен 51см. (два кирпича) при марке камня М100 и марке раствора М50. Прочность кладки в этом случае равна R=1,5МПа.

Для малоэтажных зданий в 2…5 этажей толщина стен может быть уменьшена до 38см. (полтора кирпича), а марки камня и раствора будут соответственно равны  М75 и М25. Прочность кладки в этом случае равна R=1,1МПа.

При определении толщины кирпичной стены из условия её теплотехнических свойств по требованиям СНиП 2-3-79* «Строительная теплотехника» [3] картина резко изменяется. Это объясняется тем, что толщина стены определяется исходя из требуемых сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций –R₀^тр.

В соответствии с этими нормами требуемые сопротивления теплопередаче определяется из двух условий.

Первое условие – это обеспечение санитарно гигиенических и комфортных условий. В этом случае требуемое сопротивление теплопередаче определяется из условия:

	Roтр=n*(tв-tн) / Dtн*aв

 

(1)

 

 

где:   n=1 – коэффициент определяемый положением ограждающей конструкции;

t_в – расчётная температура внутреннего воздуха;

t_н – расчётная температура наружного воздуха;

Dt^н=4,5 – нормативный температурный перепад;

a_в=8,7 – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающих конструкций.

 

Второе условие – это обеспечение энергосбережения во время эксплуатации здания. В этом случае требуемое сопротивление теплопередаче определяется в зависимости от показателя «градус - сутки отопительного периода» - ГСОП.

Этот показатель определяется по следующему выражению:

 

ГСОП=( tв – tот.пер.)*Zот.пер.

(2)

где:   t_в – расчётная температура внутреннего воздуха;

t_от.пер. - средняя температура отопительного периода;

Z_от.пер.- продолжительность отопительного периода.

 

Параметры t_н ;  t_{от.пер.;} Z_от.пер. принимают по СниП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» [2].

 

3.2. Расчёты и сравнительный анализ

На основании приведённых выше зависимостей проведём теоретический анализ зависимости параметров ограждающих конструкций от климатических факторов определяемых географическим положением здания.

Рассмотрим четыре города России расположенных в разных регионах последовательно с юга на север: Краснодар, Курск, Москва и Мурманск. Теплотехнические и конструктивные параметры будем определять для наружных стен общественного здания.

 

Схемы принимаем в следующих вариантах:

Вариант 1: Кладка из сплошного кирпича силикатного на цементно-песчаном растворе g_о=1800 кг/м³; l_о=0,70 Вт/м⁰С.

Вариант 2: Кладка из сплошного кирпича глиняного обыкновенного на цементно-песчаном растворе g_о=1800 кг/м³; l_о=0,56 Вт/м⁰С.

Вариант 3: Кладка из сплошного кирпича керамического пустотного на цементно-песчаном растворе g_о=1200 кг/м³; l_о=0,35 Вт/м⁰С.

                           

 

Рисунок №8. 1-слой внутренней штукатурки; 2-кирпичная кладка; 3-защитный слой штукатурки.

 

Алгоритм расчёта принимаем следующим:

1.   Определяем требуемое термическое сопротивление из санитарно-гигиенических условий (формула 1).

2.   Определяем требуемое термическое сопротивление из условия энергосбережения (формула 2).

 

Расчёты сводим соответственно в таблицы 1 и 2:

 

Таблица 1

Город

n

t_в

t_н

Dt^н

a_в

R₀^тр

Краснодар

1

18

19

4,5

8,7

0,03

Курск

1

18

26

4,5

8,7

0,20

Москва

1

18

26

4,5

8,7

0,20

Мурманск

1

18

27

4,5

8,7

0,23

 

Таблица 2

Город

t_в

t_от.пер

t_в - t_от.пер

Z_от.пер

ГСОП

R₀^тр

Краснодар

18

16,5

152

2508,0

1,80

Курск

18

-3,0

21,0

198

4158,0

2,50

Москва

18

-3,6

21,6

213

4600,8

2,76

Мурманск

18

-3,3

21,3

251

5346,3

2,80

 

Анализ расчётов показывает, что более высокое термическое сопротивление, при прочих равных условиях, определяется условиями энергосбережения. Эти термические сопротивления приняты для определения конструктивных параметров (толщины) наружных стен.

 

R0тр=d / l

Толщину стен определяем исходя из зависимости:                                                       (3)

 

где:   d – толщина стены;

l- расчётный коэффициент теплопроводности материала стены.

	d= R0тр *l

 

Преобразуем выражение (3) в следующий вид:                                                             (4)

Расчёты по определению требуемой толщины стены для рассмотренных выше городов и принятых вариантов стен сводим в таблицу 3:

Таблица 3

Город

R₀^тр

1 вариант

2 вариант

3 вариант

l

d  м.

l

d м.

l

d м.

Краснодар

1,8

0,70

1,26

0,56

1,01

0,35

0,63

Курск

2,5

0,70

1,75

0,56

1,40

0,35

0,88

Москва

2,76

0,70

1,93

0,56

1,55

0,35

0,97

Мурманск

2,8

0,70

1,96

0,56

1,57

0,35

0,98

Анализ полученных результатов (рисунок 9) показывает, что толщина сплошных стен из кирпича достигает значительных величин. Такое положение заставляет искать инженерное решение по уменьшению толщины наружных стен. Одним из эффективных решений является применение многослойных стен с включением в их состав утеплителя. Такое решение предусмотрим в четвёртом варианте стен.

Решение задачи заключается в определении необходимой толщины утеплителя из пенополистирола l_ут.=0,05 Вт/м⁰С, g_ут.=150 кг/м³. Порядок решения задачи следующий:

- слой наружной и внутренней штукатурки не учитываем;

- принимаем толщину кирпичной кладки из глиняного кирпича l_к=0,56 Вт/м⁰С, d_к=0,38м. (из условия прочности несущей стены);

- определяем сопротивление теплопередаче существующей кирпичной стены R_к.;

	Rк=dк / lк=0,38/0,56=0,68 м2 оС/Вт

 

- определяем требуемое сопротивление теплопередаче  утеплителя R_ут:

	Rут=R0тр- Rк.=2,76-0,68=2,08 м2 оС/Вт.

 

Для города Москва требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R₀^тр=2,76 м^{2 о}С/Вт.

- определяем требуемую толщину утеплителя d_ут.:

	dут.= Rут * lут.=2,08*0,05=0,104м.

 

Для наружной стены здания (проект которого разработан во второй части выпускной работы) принимаем следующую конструкцию стены (рисунок №10). Утеплитель располагается снаружи, крепится к стене специальными дюбелями и защищается от атмосферных воздействий слоем декоративной штукатурки из цементно-песчаного раствора на стальной сетке.

Рисунок №10. 1-слой внутренней штукатурки; 2-кирпичная кладка; 3-утеплитель; 4-защитный слой штукатурки.

                      

Rо=(1/aв)+(d1/l1)+(dк/lк)+(dут/lут)+(d2/l2)+(1/aн)= (1/8,7)+(0,03/0,52)+(0,38/0,56)+(0,1/0,05)+(0,02/0,52)+(1/23)=2,83 м2 оС/Вт

Термическое сопротивление теплопередаче принятой конструкции стены определяем по выражению:

где: a_в и a_н – коэффициент теплопередачи соответственно внутренней и наружной поверхности ограждающих конструкций;

d₁ и d₂ – толщина соответственно внутреннего и внешнего слоя штукатурки;

l₁ и l₂ – коэффициент теплопроводности соответственно внутреннего и внешнего слоя штукатурки.

Таким образом, термическое сопротивление теплопередаче принятой конструкции стены является достаточным:

	Rо=2,83 м2 оС/Вт> R0тр=2,76 м2 оС/Вт.

 

Требования к повышению тепловой защиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии,  а также снижению затрат на строительство, являются важным объектом государственного регулирования в большинстве стран мира. Эти требования рассматриваются также с точки зрения охраны окружающей среды, рационального использования не возобновляемых природных ресурсов и уменьшения влияния "парникового" эффекта и сокращения выделений двуокиси углерода и других вредных веществ в атмосферу.

В связи с этим, с 1 октября 2003г. введён новый СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [4]. Эти нормы затрагивают часть общей задачи энергосбережения в зданиях и содержат минимальные требования, и строительство многих зданий может быть выполнено на экономической основе с существенно более высокими показателями тепловой защиты, предусмотренными классификацией зданий по энергетической эффективности. Кроме того, предусматривают введение новых показателей энергетической эффективности зданий - удельного расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период с учетом воздухообмена, теплопоступлений и ориентации зданий. По сути, новые нормы обеспечивают тот же уровень потребности в тепловой энергии, что достигается при соблюдении второго этапа повышения теплозащиты по СНиП II-3-79* «Строительнач теплотехника» [3], но предоставляют более широкие возможности в выборе технических решений и способов соблюдения нормируемых параметров.

Для анализа внесённых изменений, проведём ряд расчётов с условиями описанными ранее и сравним результаты.

Новыми нормами установлены три показателя тепловой защиты здания:

а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания R_о (м²°С/Вт), следует принимать не менее нормируемых значенийR _req, (м²°С/Вт), в зависимости от градуса - суток района строительства D_d (°С·сут).

б) санитарно-гигиенический, включающий температурный перепад Dt_о (^оC) между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности выше температуры точки росы, не должен превышать нормируемых величин  Dt_n (^оC);

в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания q_h^des (кДж/м^2оС*сут), позволяющий варьировать величинами теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом объемно-планировочных решений здания и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя q_h^req (кДж/м^2оС*сут).

Требования тепловой защиты здания будут выполнены, если в жилых и общественных зданиях будут соблюдены требования показателей "а" и "б" либо "б" и "в". В зданиях производственного назначения необходимо соблюдать требования показателей "а" и "б". Для нахождения толщины стены достаточно иметь данные о сопротивлении теплопередаче ограждающих конструкций.

Алгоритм расчёта принимаем следующим:

1.   Определяем градус - сутки района строительства D_d (°С·сут) по формуле:

	Dd=(tint –tht)*Zht

 

(5)

2.   По  СНиП 23-02-2003, в зависимости от D_d (°С·сут), определяем требуемое термическое сопротивление R_req, (м²°С/Вт).

3.   Определяем толщину стен по формуле:

	d= Rreq *l

 

(6)

 

Расчёты сводим в таблицы 4 и 5:

Таблица 4

город

 t_int

t_ht

t_int –t_ht

Z_ht

D_d

R_req

Краснодар

18

1,5

16,5

152

2508

1,95

Курск

18

-3

21

198

4158

2,45

Москва

18

-3,6

21,6

213

4600,8

2,58

Мурманск

18

-3,3

21,3

251

5346,3

2,8

Таблица 5

Город

R_req

1 вариант

2 вариант

3 вариант

l

d  м.

l

d м.

l

d м.

Краснодар

1,95

0,70

1,37

0,56

1,09

0,35

0,68

Курск

2,45

0,70

1,72

0,56

1,37

0,35

0,86

Москва

2,58

0,70

1,81

0,56

1,44

0,35

0,90

Мурманск

2,8

0,70

1,96

0,56

1,57

0,35

0,98

Уже на этапе определения требуемого термического сопротивления, из таблицы 5, видно, что показатель термического сопротивления R_req  практически не отличается от показателя термического сопротивления R₀^тр  из условия энергосбережения, найденного в первом расчёте. Для наглядного сравнения, результат второго расчёта представлен на рисунке 11.

3.3. Заключение

Согласно СНиП 23-02-2003 (табл3) для обеспечения требуемого уровня энергосбережения для вновь строящихся и при реконструкции существующих зданий необходимо утепление стен. Для основных селитебных территорий России величина термического сопротивления дополнительной теплоизоляции кирпичных и легкобетонных стен жилых и группы общественных (лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы, и общежития) зданий находятся в пределах 1,1-1,8м^2оС/Вт.; для других общественных зданий эта величина находится в пределах 0,7-1,5м^2оС/Вт. Такое увеличение теплозащиты стен обеспечивает применение высокоэффективного утеплителя в различных конструктивных решениях в зависимости от назначения и географического месторасположения здания.

Преимущества и эксплуатационные характеристики наружной теплоизоляции широко известны в строительной практике. Однако применение менее затратного и трудоёмкого утепления наружных стен не исключает применения внутренней теплоизоляции при устройстве грамотной пароизоляции.

В результате проведённых расчётов можно сделать следующие выводы, новые строительные нормы и правила изменились, ужесточились требования к тепловой защите зданий в целях экономии энергии при обеспечении санитарно-гигиенических и оптимальных параметров микроклимата помещений и долговечности ограждающих конструкций. Вместе с этим, практически не изменились требования к приведённому сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций в зависимости от климатической зоны, это наталкивает на мысль, что авторы СНиПа для повышения теплотехнических характеристик при строительстве и реконструкции делали акцент на применении различных инженерно-технических и объёмно–планировочных  решениях, а также системах поддержания микроклимата для достижения нормируемого показателя.

Задание на проектирование

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4.

ПРОЕКТ МНОГОЭТАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

 

4.1. Предварительное назначение размеров

1. Плита перекрытия:

      Высота плиты h_s=(1/20……1/30)*B₀=(1/20……1/30)*600=30……20 (см)

                                      7,5<g≤8,5 (Кн/см²)                        h_s=22 (см)

2. Ригель:

h=(1/8…1/15)*L₀=(1/8…1/15)*660=82,5…44 (см)

h=70 (см)

b=(1/2…1/4)*h=(1/2…1/4)*70=35…17,5 (см)

b=30 (см)

3. Колонна:

λ≤[λ]=120 – гибкость; h –высота ригеля

h_c≈(0,5…0,6)*h≈(0,5…0,6)*70≈35…42 (см)

h_c=40 (см)

b_c≥b      b_c=30 (cм)

4. Фундамент:

h_f≥h_c+25 (cм)

h_f=40+25=65 (cм)

5. Конструктивная длина конструкции:

Плита 1,65х6,0 (м)

l₁=600-2*2,5=595 (cм)

4.2. Расчёт и конструирование ж/б предварительно напряжённой плиты покрытия

Исходные данные:

П-1 1,65х6,0 (м)

В_л>75%

Тип покрытия- ригель-2

В 35

Напрягаемая арматура –А_т -ΙV

Конструирование и монтаж – А –III

Бетон тяжёлый подвержен тепловой обработке

Натяжение арматуры электро-термическое

Конструкция пола:

Объёмная масса шлакобетона – γ_ш/б=12 (Кн/м³)

Объёмная масса бетона – γ_б=2;4 (Кн/м³)

1)   R_b=19,5 (МПа)

γ_b2=1

R_S=510 (МПа)

R_SП=590 (МПа)

2)   Определение усилий возникающих в плите

Таблица №6

№	Нагрузка	Нормативная Кн/м3	Коэффициент надёжности по нагрузке γf	Расчётная Кн/м3
1	Плита	3	1,1	3,3
2	Пол	1,68	1,3	2,18
		gn1 =4,68		g1 =5,48
3	Длительные	vnl1=5	1,2	vl1=5
4	Кратковременные	vnv1=3	1,2	vv1=3

M_nl = b*(g_n1+ v_nl1)*l_cal²/8=1,65*(4,68+5)*5,825²=67,74 (Кн*м)

M_nl –нормативный момент от длительных нагрузок

l_cal=l-b_sap=595-12,5=582,5 (см)

b_sap=b/2-2,5=30/2-2,5=12,5 (см)

b_sap –ширина опорной площадки

M_n=b*(g_n1+ v_nl1+ v_nv1)* l_cal²/8=1,65*(4,68+5+3)*5,825²/8=88,7 (Кн*м)

M_n=полная нормативная нагрузка

M_max=b*(g₁+ v_l1+ v_v1)* l_cal²/8=1,65*(5,48+6+3,6)*5,825²/8=105,5 (Кн*м)

Q_max=b*(g₁+ v_l1+ v_v1)* l_cal /2=1,65*(5,48+6+3,6)*5,825/2=72,5 (Кн*м)

3) Конструирование поперечного сечения плиты

h_f`≥25 (мм)     h<sub>f</sub>`=30 (мм)          b₁≥30 (мм)     b₁≥30 (мм)

D_vfx=h-2*h_f`=220-2*25=170 (мм)

Принимаем:  D=160(мм);   7*190=1330 (мм);    1330+2*150=1630 (мм)

4) Определение величины предварительно напряжённой арматуры

σ_sp+p≤R_s,ser   =>  σ_sp=p-R_s,ser= 590-90=500 (МПа)

p= 30+360/l=30+360/6=90 (МПа)           R_s,ser=590 (МПа)

σ_sp-p≥0,3*R_s,ser =>  σ_sp=p+0,3*R_s,ser= 90+0,3*590=267 (МПа)

5) Определение граничного значения относительной высоты сжатой зоны

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.30) [24]:

ξ_R=ω/(1-σ_sR / σ_scu)*(1+ω/1,1)=0,694/(1+535 /400)*(1-0,694/1,1)=0,465

ω=α-00,8*R_b=0,85-00,8*19,5= 0,694                  α=0,85

σ_scu=400 (500) (МПа)   при   γ_b2=1 (0,9)

σ_sR =R_b+400 - σ_sp2 -∆σ_sp=510+400-375-0=535 (МПа)

σ_sp2 = 0,75* σ_sp =0,75*500=375 (МПа)

∆σ_sp=0 при электро -термическом напряжении

6) Определение необходимого количества арматуры

 

X= h₀ -√h₀²-M_max/0,5*R_b*γ_b2*b_f =19,8-√19,8-10500/0,5*19,5*1*160 =1,8 (см)

h₀=0,9*h=0,9*22=19,8 (см)

h_f`=3 (см)     h<sub>f</sub> =3 (см)     b<sub>f</sub>`=160 (см)     b_f =163 (см)

X=1,8 (см) ≤ h_f`=3 (см)          (отсюда следует 1-й случай разрушения)

X/h₀=1,8/19,8=0,09<ξ_R=0465

Проверка:

А_S=R_b*b_f`*X/R_S*γ_s6=19,5*160*1,8/510*1,15=9,6 (см²)                     η≤1,15

γ_s6=η-(η-1)*(2*ξ /ξ_R -1)=1,15-(1,15-1)*(2*0,12/0,465-1)=1,22       

  

γ_s6 –коэффициент условия работы, учитывается фактическое напряжение, может оказаться больше чем расчётное

Принимаем:    9Ø12;   A_т-ΙV;    A_S=10,8 (см²);

                      

а=12/2+20=30 (см)              h₀=h-a=22-3=19 (см)

М%= (A_S / b* h₀ )*100=(10,18/22*19)*100=2,4 >М%=0,05%

Проверка прочности:

X= R_S* A_S* γ_s6 / R_b*b_f`=510*1018*1,15/19,5*160=1,9 (см)

X/ h₀=1,9/19=0,1< ξ_R =0,465       (первый случай разрушения)

М_crc=R_S*A_S*γ_s6*(h₀–X/2)=510*10,18*1,15*(19-1,9/2)=1077,7(КН*м)>М_max=105,5 (КН*м)

Расчёт плиты перекрытия по прочности наклонных сечений

на действие поперечной силы

σ_sp=500 (МПа);   

В35;  

R_bt=1,3 (МПа);  

γ_b2=1;  

А-ΙΙΙ;  

R_S=510 (МПа); 

Q_max=72,5 (Кн);

h_S ≥100 (мм);

a_c=30 (мм)

1)   Проверка сечения на образование наклонных трещин

Q_max≤φ_b3*(1+ φ_n )* R_bt* γ_b2*b* h₀ =0,6*(1+0,44)*1,3*1*35*19=746,9(Гн)>Q_max=725 (Гн);

(наклонные трещины не образуются)  φ_b3 =0,6 – для тяжёлого бетона.

φ_n =0,1*N / R_bt*b* h₀ =0,1*3817,5/1,3*35*19=0,44<0,5; принимаем  φ_n =0,44

N= P₀₂=0,75*А_S* σ_sp=0,75*10,18*500=3817,5;  0,75 –потери с течением времени;

(усилие предварительного натяжения с учётом всех потерь)

2)   Расчёт прочности наклонного сечения на действие поперечной силы (определение необходимого количества арматуры)

Q_max≤(φ_b2*(1+φ_f + φ_n)*R_bt* γ_b2*b* h₀² /c)+ ( g_sv*c₀ )   =>

                         бетон                                       А_S

(гарантирует прочность наклонного сечения на действие поперечной арматуры)

g_sv= R_sv* А_sv /S; -несущая способность хомутов на единицу длины конструкции.

А_sv -? (количество поперечной арматуры); S -? (шаг поперечной арматуры);

Задаёмся S по граничным условиям, по СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.62; п.5.27) [24]:

h≤450(мм); l₁≥0,25*l=0,25*600=150(см); S₁≤0,5*h=0,5*22=11(см); S₁≤15 => S₁=10(см);

  φ_f –учитывает наличие свесов в сжатой зоне.

b_f`≤ b<sub>1</sub>+3* h<sub>f</sub>`=3+3*3=12 (см)

(1+φ_f + φ_n)=(1+0,268+0,44)=1,708≤1,5;  Принимаем (1+φ_f + φ_n)=1,5

с≤0,25*l=0,25*600=150 (cм);

с≤2* h₀ /0,6=2*19/0,6=63,3 (cм);

с=63,3 (см)-пролёт среза

g_sv= R_sv* А_sv /S₁=290*0,85/10=24,7 (Гн/см)≥ g_sv.min=20,48 (Гн/см)

g_sv.min=φ_b3*(1+φ_f + φ_n)*R_bt* γ_b2*b /2=0,6*1,5*1,3*1*35/2=20,48 (Гн/см)

А_sv = g_min* S₁ / R_sv=20,48*10/290=0,71(см²);        φ_b3=0,6

           А_sv =0,71(см²);             3Ø6 – А-ΙΙΙ;     А_sv =0,85(см²);

 

с₀=√(φ_b2*(1+φ_f + φ_n)*R_bt* γ_b2*b* h₀² )/ g_sv =√(2*1,5*1,3*1*35*19² )/24,7=44,67 (см)

 

с₀≤2* h₀ =2*19=38 (см); с₀≥ h₀ =19 (см); с₀<с=63,3 (см) => с₀=38 (см);

 

=> Q_max=2*1,5*1,3*1*35*19² /63,3+ 24,7*38=1717,1 (Гн) > Q_max=725 (Гн)

 

 

 

3)   Конструирование сварного каркаса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q_b= φ_b3*(1+φ_f + φ_n)*R_bt* γ_b2*b* h₀ =0,6*1,5*1,3*1*35*19=778,1(Гн) > Q_I= Q_max/2=363(Гн)

 

(по расчёту поперечная арматура не нужна)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт ж.б. плиты перекрытия по 2-й группе предварительного состояния

 

1) Расчёт плиты по трещиностойкости. Определение требований категории трещиностойкости.

 

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.3; табл.2) [24]:

a_crc1=0,3(мм); a_crc2=0,2(мм) =>ΙΙΙ категория;

 

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.3; табл.3) [24]:

M_zⁿ ≤ M_crc (образование трещин)

a_crc1≤ [a_crc1] (M_n ^*(g+l))+ M_nv ;   a_crc2≤ [a_crc2] (M_n ^*(g+l)); M_nv = M_n -M_n ^*(g+l);

 

2) Геометрические характеристики нормального сечения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M_n^r ≤ M_crc = R_bt.ser*W_pl +P₀₂*(l_op+r) =>

 

W_pl -момент сопротивления упругопластический

(l_op+r)- плечо;

 

A_red = b_f` * h<sub>f</sub>` + h₁ * b + b_f * h_f  + α * A_S=

=160*3+16*35+163*3+6,1*10,18=1591,1(см²)

 

α= E_S / E_b =190000/31000=6,1

 

      S_red = b_f` * h<sub>f</sub>` * a + h₁ * b * a₂ + b_f * h_f * a₃ + α * A_sa=

      =160*3*20,5+16*35*11+163*3*1,5+6,1*10,18=16910,8(см³)

 

y= S_red / A_red =16,919,8/1591,1=10,6 (см)

 

y`=h-y=9,2 (см);           l_op=y-a=7,6 (см)

 

J_red=(b_f`* h<sub>f</sub>`³/12)+b_f`*h<sub>f</sub>`*y₁²+(b*h₁³/12)+b*h₁* y₂²+(b_f*h_f³/12)+b_f* h_f*y₃²+ α*A_sp* l_op²=

=160*3³/12+160*3*9,9²+35*9,9³/12+35*16*0,4²+163*3³/12+163*3*9,1²+6,1*10,18*7,6²=

=94772 (см⁴)

 

 

W_red= J_red / y=94772/10,6=8940,7 (см³)

 

W_red`= J<sub>red</sub> / y`=94772/9,2=10301,3 (см³)

 

W_pl= 1,75*W_red=1,75*8940,7=15646,2 (см³)

 

W_pl`= 1,75*W<sub>red</sub>`=1,75*10301,3=18027,3 (см³)

 

r=φ* W_red /A_red =0,9*8940,7/1591,1=5,6

                                                                                 φ=0,9

r`=φ* W<sub>red</sub>`/A_red =0,9*10301,3/1591,1=6,5

 

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.6) [24]:

1. Рекласация напряжений арматуры

 

σ₁=0,1* σ_sp-20=0,1*500-20=30 (МПа)

(стержневая арматура при электротермическом натяжении)

 

1. Деформация арматуры

 

σ₃=∆l / l*E_S=0,305/860*190000=67,4 (МПа)

 

∆l =1,25+0,15*d=1,25+0,15*12=3,05 (мм)

 

l=L₀+2*∆=6,6+2*1=8,6 (м)         ∆=1 (м) (принимаем)

 

1. Быстронатекающая ползучесть для бетона подвергнутого тепловой обработке

 

σ₆=0,85*40* σ_bp /R_bp=0,85*40*6/22,5=9,1 (МПа)

 

R_bp≥0,5*β=0,5*45=22,5 (МПа);  R_bp≥15,5 (МПа)

 

σ_bp=(P₀₁/ A_red )+( P₀₁* l_op /W_red )= (4098,5/1591,1)+(4098,5*7,6/8940,7)=6(МПа) ≤ R_bp

 

P₀₁= A_sp*(σ_sp- σ₁- σ₃)=10,8*(500-30-67,4)=4098,5 (Гн)

 

4. Усадка бетона тяжёлого класса            σ₈ =35 (МПа)

 

5. Ползучесть бетона

 

σ₉=0,85*150*σ_bp /R_bp=0,85*150*6/22,5=33,9 (МПа)

 

σ_loss1= σ₁ + σ₃+ σ₆ =30+67,4+9,1=106,5 (МПа)

 

σ_loss2= σ₈ + σ₉ =35+33,9=68,9 (МПа)

 

σ_sp2= σ_sp - σ_loss1- σ_loss2 =500-106,5-68,9=324,6 (МПа)

 

P₀₂= γ_sp2* σ_sp2*A_S=0,9*324,6*10,18=2973,9           γ_sp2=0,9

 

=> М_crc=1,95*15646,2+2973,9*(7,6+5,6)=69765,5(Гн)=69,76(Кн*м)< М_n=88,7(Кн*м)

                                               (т.е. трещины образуются)

 

3) Расчёт по образованию трещин

 

a_crc=δ*φ*b*η*(σ_s /E_S )*20*(3,5-100*μ)*³√d      =>

 

A_S=10,18 (см²);   b=35(см);   B=35(cм);   А-ΙV;   9Ø12;   h₀=19(см);   h_f`= h_f =3(см)

 

Мⁿ=88,7(Кн*м);   δ=1;    η=1;    φ_l=1,6*1,5*μ=1,56;     σ_s=М_iⁿ- P_02Z /A*Z;   β=1,8

 

  μ=10,18/22*19=0,023;   Мⁿ*(g+l)=67,4(Кн*м);   M_vⁿ=88,7-67,74=20,98(Кн*м)

 

σ_s-напряжение в арматуре для той стадии, которую мы рассматриваем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Будем рассматривать только a_crc2 → Мⁿ*(g+l)

 

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.54) [24]:

 

Z= h₀*[1-( h_f`/ h₀* φ_f +ξ²)/(2*( φ_f +ξ ))]= 19*[1-(3/19*0,99+0,822²)/(2*(0,99+0,822²))]=8(см)

 

       φ_f = (h_f`-b)* h<sub>f</sub>`+(α/2*υ* A_S`)/b* h₀=(160-22)*3+0/22*19=0,99     φ_f –учёт свисов

                                  нуль

ξ =[1/(β+(1+5(δ+∂)/10*μ*α)] ± [1,5+φ_f /11,5*(l_stot / h₀)±5]=

=1/(1,8+(1+5(0,33+0,9)/10*0,023*610)]+ [1,5+0,99 /11,5*(22,8 /19)-5]=0,822

 

     «+» -внецентренное сжатие;   «-» -внецентренное растяжение;

 

δ= Мⁿ*(g+l)/b*h₀²*R_b,ser=67740/22*19²*25,5=0,33            R_b,ser=22,5 (МПа)

 

λ= φ_f *(1-(h_f`/2*h₀ ))=0,99(1-(3/2*19))=0,9

 

e_stot= Мⁿ*(g+l)/ P₀₂ =67,74/297=0,228 (м) =22,8 (см)

 

=>  a_crc=1*1,56*1*η*(544,2 /190000 )*20*(3,5-100*0,023)*³√12 =0,198(мм) < [ a_crc]=0,2

                                                                                   (отвечает требованиям 3-й категории)

 

4) Расчёт плиты перекрытия по деформациям

 

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (стр.5) [24]:

     

     [f]=l/250=600/250=3(см) (может прогнуться на 3см)

 

Прогиб: 1. Эксплуатационная прогмбаемость;

               2. Архитектурно-эстетические соображения.

                                                                    l

Прогиб в общем виде: fl=s*1/r*l_cal²;  f= ∫M_x*1/r(x)*dx; 1/r=M/E*3;  S=5/48

                                                                   0

                                      S=5/48 –для балки шарнирноопёртой

                                     1/r- привязка; S- зависимость статической силы.

 

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»(стр.53,ф-ла.160) [24]:

 

1/r =(М_r /h₀*Z)* [(Ψ_S / E_S*A_S )+( Ψ_b / (φ_f*ξ )*b*h₀*E_b* υ )]-(N_tot /h₀ )*(Ψ_S / E_S*A_S )=

     =(67740 /19*8)* [(0,45 /190000*10,18)+(0,9 /(0,99*0,822)*35*19*31000*0,15)]-

        -(2970/19 )*(0,45 /190000*10,18)=9,73*10 ^-5(1/cм)

 

  N_tot =P₀₂ =297 (МПа);  Ψ_b =0,9;  υ=0,15;  φ_ls=0,8;  M_r= M_lⁿ=67,74(Кн*м)

 

Ψ_S =1,25- φ_ls * φ_vn –[1- φ_m²/(3,5-1,8* φ_m )*( e_stot / h₀*)]=

     =1,25- 0,8*1–[1-1²/(3,5-1,8* 1)*(22,8 /19)]=0,45 ≤ 1

 

M_2P= P₀₂*(e_op+l)=2970*(7,6-6,6)=42174(Гн*см)

 

fl=5/48*9,73*10 ^-5*5,825²=3,4 > [3];  h_n=0,9*D=0,9*160=14,4; b=163-14,4*8=47,8 (см)

 

h_f`= h_f =22-14,4/2=3,8>3,4 (прогиб от длительной нагрузки не превышает [3,8])

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выгиб:

1/r_u = ε _b - ε _b`/ h₀=(4,1-1,8)*10 ^-4/19=0,119*10 ^-4

 

ε _b =σ₆+σ₈+σ₉ /E_S =9,1+35+33,9/190000=4,1*10 ^-4

 

ε _b`=σ<sub>6</sub>`+σ₈`+σ<sub>9</sub>`/ E_S = σ₈`/ E_S =35/190000=1,84*10 ^-4

 

σ₈`= σ<sub>8</sub> –деформация усадки;     σ<sub>6</sub>`= 0;     σ₉`=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 σ_bp`= P<sub>01</sub> / A<sub>red</sub> ± P<sub>01</sub>*e<sub>op</sub> / W<sub>red</sub>`=4005,8/1591,1-4005,8*7,6/10301,3=0,43(МПа)

 

P₀₁= A_sp*( σ_sp - σ_loss1 )=10,18*(500-106,5)=4005,8 (Гн)

 

f_p*=S*1/r_u * l_cal²=1/8*0,119*10 ^-4*582,5 ²            S=1/8

 

f = f_l - f_p=3,4-0,505=2,895 (см) <[3] (см)

 

Расчёт ж.б. плиты перекрытия  в стадии изготовления и монтажа

 

1) Проверка прочности плиты в стадии изготовления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано: B 35; R_b=19,5 (МПа); R_bp=0,5*B=0,5*35=17,5 (МПа); R_b0=8,5 (МПа); R_bt.ser=1,15(МПа); A_red =1591,1 (см²); W_red=10301,3 (см³); e_op=7,6 (см); W_pl=15646,2 (см³);   W_pl`=18027,3 (см³); σ_loss1=106,5 (МПа); σ_loss2=68,9 (МПа); γ_sp=0,9 (1,1); A_sp=10,18 (см²);   σ_sp=500(МПа);

 

2) Проверка прочности в момент обжатия плиты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ_bp= P₀₁ / A_red ± P₀₁*e_op / W_red=4406,4/1591,1+4406,4*7,6/10301,3=6(МПа)< R_b0

                                                                   (если >, то повышаем класс бетона)

 

P₀₁= γ_sp*A_sp*( σ_sp - σ_loss1 )=1,1*10,18(500-106,5)=4406,4(Гн)

 

3) Проверка трещиностойкости плиты в момент обжатия

 

 

 

 

 

 

 

                                      

W_crc= R_bp.ser* W_pl`+ P<sub>01</sub>*(e<sub>op</sub> -r`);  

                                       М_r – расстояние от ядровой точки наиболее отдалённое

                                               от грани которую проверяем.

 

Условия трещеностойкости:

P₀₁*(e_op-r`)≤R<sub>bp.ser</sub>*W<sub>pl</sub>` => 4406,4*(7,6-6,5)=4847 (Гн*см)<1,15*18027,3=20731 (Гн*см)

 

При обжатии, трещины в верхней зоне не образуются (образование трещин не страшно, но приведёт к увеличению прогиба и расширению трещин).

 

4) Транспортирование и монтаж

 

 

 

 

 

g_sⁿ=1*A_b* γ_b=1*0,14*25=3,5(Кн)

 

A_b= b_f* h_f -6* ПD²/4 -∆=1,63*0,22-8*3,14*1,6/4-(1,5+1,5+1,5+1,5)=0,14 (м²)

 

G_sⁿ= g_sⁿ*l=3,5*6=21;          G_sⁿ/3=7;       d=10;        A-І

 

γ_d=1,4 –коэффициент динамичности (во время монтажа γ_d=1,6)

 

M_sap=1/2* g_sⁿ* γ_d*0,6 ²=1/2*3,5*1,6*0,6²=1 (Кн*м)

(момент от усиления предварительного напряжения)

 

P₀₂= γ_sp*A_S*( σ_sp- σ_loss1 - σ_loss2 )=1,1*10,18*(500-106,5-68,9)=3634,9(Гн)

 

M_p= P₀₂* e_op=3634,9*7,6=27625,2(Гн*см)

 

ΣM= M_sap+ M_p=1000+27625,2=28625,2(Гн*см)

 

e_op= ΣM/N=28625,2/3634,9=7,9(см)

 

Условия прочности внецентренно сжатого элемента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N≤ R_b* b_f` - x*( h<sub>0</sub>*x/2)+ R<sub>S</sub>*A<sub>S1</sub>*( h<sub>0</sub>*a`);             N=P₀₂;         a`=a=3(см)

 

e = e₀ + h/2 –a`=7,9+22/2-3=15,9 (см)                      Ø6-A-I: S=200(мм)

 

x= h₀ -√ h₀²-N*e/0,5* R_b* b_f = 19 -√ 19²-3634,9*15,9/0,5*8,5*160=2,4(см) < h_f =3(см)

 

R_S*A_S1=R_b*b_f`*x–N => A<sub>S1</sub>= (R<sub>b</sub>* b<sub>f</sub>`*x–N)/R_S=(8,5*160*2,4-3634,9)/225=-1,6 (см)

4.3. Расчёт и конструирование не разрезанного ригеля перекрытия

 

Дано: L₀ =6,6 (м); n =4; B₀ =6 (м); H₀ =4,2 (м); v_nv=3 (Кн/м²); h_с =40 (см); b_с =40 (см);

           h=70 (см); b=30 (см); (v_ln+ v_vn)=8 (Кн/м²); Каркас полный.

 

K=i_p / i_k ;

 

K=b* h³*12* E₂* l_cal  / 12* b_с* h_с ³*E_c* l₂ =30*70³*12*29000*420 /12*30*40 ³*24500*660 =4

 

l_cal2 = L₀ =660(см);

l_cal1 =L₀ - h_с /2=660-40/2=640(см);

l_cal  = H₀ =420(см);

 

Нагрузки действующие на 1погонный метр ригеля определяем в таблице №8:

№	Нагрузка	Нормативная Кн/м3	Коэффициент надёжности по нагрузке γf	Расчётная Кн/п.м.
Постоянные нагрузки
1	Перекрытие gn= gn1*B0 =4,68*6	28,08	1,15	32,29
2	Ригель gn2=b*h*γb=0,3*0,7*1*25	1,68	1,3	2,18
		Σgn =33,33		g =38,065
Временные нагрузки
3	Длительные vnl=vnl1* B0 =5*6	30	1,2	36
4	Кратковременные vnv	3*6=18	1,2	21,6
				v=57,6

 

 

Определение усилий:

 

M_i=( α_i*g+ β_i*v)* l_cal ²;

 

1. M₁₂=(-0,039*38,065+0)*640 ²=-60,8

    M₂₁=(-0,097*38,065+0)*640 ²=-151,2

    M₂₃=(-0,089*38,065+0)*640 ²=-147,6

 

2. M₁₂=(-0,048*57,6+0)*640 ²=-113,2

    M₂₁=(-0,063*57,6+0)*640 ²=-148,6

    M₂₃=(-0,026*57,6+0)*640 ²=-65,2

 

3. M₁₂=(0,009*57,6+0)*640 ²=21,2

    M₂₁=(-0,034*57,6+0)*640 ²=-80,2

    M₂₃=(-0,063*57,6+0)*640 ²=-158,1

 

4. M₁₂=(-0,037*57,6+0)*640 ²=-87,3

    M₂₁=(-0,112*57,6+0)*640 ²=-264,2

    M₂₃=(-0,102*57,6+0)*640 ²=-255,9

          M₃₂=(-0,050*57,6+0)*640 ²=-125,5

 

Результаты сводим в таблицу №9:

№ п/п	Схема загружения	Опорные моменты
		M12	M21	M23	M32
1		-0,039 -60,8	-0,097 -151,2	-0,089 -147,6	-0,089 -147,6
2		-0,048 -113,2	-0,063 -148,6	-0,026 -65,2	-0,026 -65,2
3		0,009 21,2	-0,034 -80,2	-0,063 -158,1	-0,063 -158,1
4		-0,037 -87,3	-0,112 -264,2	-0,102 -255,9	-0,050 -125,5
5	(1+2)	-1,74	-299,8	-212,8	-212,8
6	(1+3)	-39,6	-231,4	-305,7	-305,7
7	(1+4)	-148,1	-415,4	-403,5	-273,1

Таблица №9

 

Q_A=R_A= M₁₂ -M₂₁ /l_i +(g+v)* l_i /2;

 

Q_B=R_B= M₂₁ -M₁₂ /l_i +(g+v)* l_i /2;

 

M_max = R_A²/2(g+v)- M₁₂ ;

 

X₀= R_A /(g+v); (точка, где максимальные моменты)               

 

1-й пролёт, сочетание (1+2):  M₁₂= 174(Кн*м)  M₂₁=299,8(Кн*м)    v=57,6   l_i =640(см)

 

Q_A=R_A= 174 -299,8/6,4 +(38,056+57,6)*6,4 /2=286,6(Кн)

 

Q_B=R_B= 299,8 -174/6,4 +(38,056+57,6)*6,4 /2=325,9(Кн)

 

M_max = 286,6²/2(38,056+57,6)- 174=255,2(Кн*м)

 

X₀= 286,6 /(38,056+57,6)=2,9(м)                

 

1-й пролёт, сочетание (1+3): M₁₂= 39,6(Кн*м)  M₂₁=231,4(Кн*м)   v=0   l_i =640(см)

 

Q_A=R_A= 39,6 -231,4/6,4 +(38,056+0)*6,4 /2=91,8(Кн)

 

Q_B=R_B= 231,4 -39,6/6,4 +(38,056+0)*6,4 /2=151,8(Кн)

 

M_max = 91,8²/2(38,056+0)- 39,6=71,1(Кн*м)

 

X₀= 91,8 /(38,056+0)=1,2(м)

 

1-й пролёт, сочетание (1+4):  M₁₂=148,1(Кн*м)  M₂₁=415,4(Кн*м)   v=57,6   l_i =640(см)

 

Q_A=R_A= 148,1 -415,4/6,4 +(38,056+57,6)*6,4 /2=264,58(Кн)

 

Q_B=R_B= 415,4 -148,1/6,4 +(38,056+57,6)*6,4 /2=348,0(Кн)

 

M_max = 264,5²/2(38,056+57,6)- 148,1=217,4(Кн*м)

 

X₀= 264,5 /(38,056+57,6)=2,8(м)

 

2-й пролёт, сочетание (1+2):  M₂₃=212,8(Кн*м)  M₃₂=212,8(Кн*м)   v=0   l_i =660(см)

 

Q_A=R_A= 212,8 -212,8/6,6 +(38,056+0)*6,6 /2=125,6(Кн)

 

Q_С=R_С= 212,8 -212,8/6,6 +(38,056+0)*6,6 /2=125,6(Кн)

 

M_max = 125,6²/2(38,056+0)- 212,8=-5,6(Кн*м)

 

X₀= 125,6/(38,056+0)=3,3(м)

 

2-й пролёт, сочетание (1+3):  M₂₃=305,7(Кн*м)  M₃₂=305,7(Кн*м)   v=57,6   l_i =660(см)

 

Q_A=R_A= 305,7 -305,7/6,6 +(38,056+57,6)*6,6 /2=315,8(Кн)

 

Q_С=R_С= 305,7 -305,7/6,6 +(38,056+57,6)*6,6 /2=315,8(Кн)

 

M_max = 315,8²/2(38,056+57,6)- 305,7=215,4(Кн*м)

 

X₀= 315,8/(38,056+57,6)=3,3(м)

 

2-й пролёт, сочетание (1+4):  M₂₃=403,5(Кн*м)  M₃₂=273,1(Кн*м)   v=57,6   l_i =660(см)

 

Q_A=R_A= 403,5 -273,1/6,6 +(38,056+57,6)*6,6 /2=335,6(Кн)

 

Q_С=R_С= 273,1 -403,5/6,6 +(38,056+57,6)*6,6 /2=296,1(Кн)

 

M_max = 335,6²/2(38,056+57,6)- 403,5=184,9(Кн*м)

 

X₀= 235,6/(38,056+57,6)=3,5(м)

 

Значение изгибающих моментов и поперечных сил для ригеля междуэтажных перекрытий приведены в таблице №10:

 

№  п/п	Схема загруж.	1-й пролёт					2-й пролёт
		M12	M21	Mmax	QA	QB	M23	M32	Mmax	QB	QС
1	(1+2)	-174	-299,8	255,2	286,6	325,9	-212,8	-212,8	-5,6	125,6	125,6
2	(1+3)	-39,6	-231,4	71,1	91,8	151,8	-305,7	-305,7	215,4	315,8	315,8
3	(1+4)	-148,1	-415,4	217,4	264,5	384,0	-403,5	-273,1	184,9	335,6	296,1
4	хутшее	(1+2)	(1+4)	(1+2)	(1+2)	(1+4)	(1+4)	(1+3)	(1+3)	(1+4)	(1+3)

 

На основании таблицы №10 строим огибающие эпюры моментов и поперечных сил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M_1,max=255,2(Кн*м)            M_b,max=415,4(Кн*м) 

          (1+2)

 

Перераспределить можно на 30%

 

∆M=0,3* M_b,max=0,3*415,4=124,6(Кн*м) 

 

M_B^п= M_B,max-∆M=415,4-124,6=290,8(Кн*м) 

 

M₁=174(Кн*м)           

(1+2)

 

Уменьшать опорный момент на 30% не целесообразно

 

∆M_B=0,15* M_b,max=0,3*415,4=62,31(Кн*м) 

 

M_B^п= M_B,max-∆M_B=415,4-62,31=353,1(Кн*м) 

 

M_1,max≈ M_B^п

 

∆M₁=0,4*0,15* M_B,max=0,4*0,15*415,4=24,9(Кн*м)

 

M₁^п= M₁*∆M₁=174+24,9=198,9(Кн*м)< M_1,max=255,2(Кн*м)

 

Расчёт усилия для сечения ригеля

 

Сечение А: M_А=174(Кн*м)   Q_A=286,6(Кн)

 

Сечение 1: M₁=255,2(Кн*м)   Q₁=0(Кн)

 

Сечение В: Q_В^лев=348,0(Кн)   Q_В^прав=335,6(Кн)  h_c=40(см)

 

                   M_B^лев= M_B^п- Q_В^лев* h_c /2=353,1-348,0*0,4/2=283,5(Кн*м)

                            (по грани)

 

                   M_B^прав= M_B^п- Q_В^прав* h_c /2=353,1-335,6*0,4/2=285,9(Кн*м)

                            (по грани)

 

Сечение 2:  M₂=215,4(Кн*м)  

 

 

 

 

 

 

 

 

R_b= M_C -M_B / l₀₂+ g* l₀₂ /2=305,7-415,4/6,6+38,065*6,6/2=108,9(МПа)

 

M_B =415,4(Кн*м)       M_C =305,7(Кн*м)

 

X=0,25* l₀₂=0,25*6,6=1,65(м)

 

M₂`= - R_b*X+(g*X²/2)*M_B= - 108,9*1,65+(38,065*1,65²/2)*415,4=287,5(Кн*м)

 

Берём по эпюре M₂`=110(Кн*м)

 

 

Расчёт прочности ригеля междуэтажного перекрытия

 

Дано: В30; h=70(см);  b=30(см);  R_b=17(МПа);  R_b2=1,2(МПа);   γ_b2=1;

                    А-II;  R_S=280(МПа); M_max=255,2(МПа)

 

h_0.тр=1,8*√ M_max / R_b* γ_b2*b=1,8*√ 255200 /17*1* 30=40,3(см)            ξ=0,35

 

h₀=0,9*h=0,9*70=63(см)

 

h_0.тр=40,3(см)  <  h₀=63(см)

       

Прочность нормальных сечений ригеля

 

При расчёте прочности воспользуемся вспомогательными таблицами [25] (стр.243 табл. 17.2)

 

                               M≤ R_b* γ_b2*b*h₀²-A₀                       M≤ R_S* A_S* h₀*η

 

• В других источниках [26]: 

 

                                  M≤ R_b* γ_b2*b*h₀²-α_m                  M≤ R_S* A_S* h₀*ξ

 

 

R_S*A_S*= R_b* γ_b2*b* h₀*ξ             ξ ≤0,35

 

A₀=M_i / R_b* γ_b2*b* h₀²                   η

 

A_S=M_i / R_S*h₀*η

 

Расчёт прочности нормальных сечений сводим в таблицу №11:

 

сечен	Mi (Гн*см)	Rb*γb2*b*h02	A0	η	ξ	RS*h0*η	AS.тр (см2)
А	174000	660960	0,26	0,845	0,31	14905,8	11,7
1	255200	660960	0,39	0,735	0,53	12965,4	19,7
Влевп	283500	660960	0,43	0,685	0,63	12683,4	22,4
Вправп	285900	660960	0,43	0,685	0,63	12683,4	22,5
2	215400	660960	0,33	0,790	0,42	13935,6	15,5
2`	110000	660960	0,17	0,905	0,19	15964,2	6,9

Таблица №11

 

 

На основании проведённых расчётов подбираем арматуру по сортаменту. Проверка прочности нормальных сечений приведена в таблице №12:

 

сечен	Ø; n	Ø; n унифицирован.	AS; (см)	h0	B* h0	μ%	RS*AS	Rb*γb2*b*h02	ξ	η	Mcrc	Mi (Гн*см)
А	2Ø28	2Ø28	12,32	65,8	1974	0,62	3449,6	33558	0,10	0,950	215634,5	174000
1	2Ø22 2Ø28	2Ø22 2Ø28	19,92	63,3	1899	1,05	5577,6	32283	0,173	0,915	323051,8	255200
Влевп	2Ø40	2Ø40	25,13	64,0	1920	1,31	7036,4	32640	0,216	0,890	400793,3	285900
Вправп	2Ø40
2	2Ø32	2Ø32	16,09	65,2	1956	0,82	4505,2	33252	0,315	0,930	263177,3	215400
2`	2Ø22	2Ø22	7,60	64,0	1920	0,39	2128	32640	0,065	0,965	131425,3	110000

Таблица №12

 

Прочность нормального сечения обеспечена

 

А. 

 

       а=28+28/2=42(мм)

 

       h=70-4,2=65,8(см)

 

 

1. 

 

        а=42+50/2=67(мм)

 

        h₀=70-6,7=63,3(см)

 

 

В.

 

        а=40+40/2=60(мм)

 

        h₀=70-6,0=64,0(см)

 

 

2.

 

        а=32+32/2=48(мм)

 

        h₀=70-4,8=65,2(см)

 

 

2`.

 

        а=40+40/2=60(мм)

 

        h₀=70-6,0=64,0(см)

Расчёт прочности наклонных сечений ригеля

 

Дано:В30;l_sap=30(см);(g+v)=95,7(Кн/м);R_b=17(МПа);γ_b2=1;h_c=40(cм); А-II; R_SW=225(МПа)

         Q_A =286,6(Кн); Q_В^лев=348,0(Кн); Q_В^прав=335,6(Кн); поперечная арматура Ø10мм.

             (1+2)                                (1+4)                                 (1+4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q_A¹= Q_A –(g+v)*l_sap /2=286,6-95,7*0,3/2=272,2(Кн)

 

Q_В^лев1= Q_В^лев –(g+v)*h_c /2=348,0-95,7*0,4/2=328,9(Кн)

 

Q_В^прав1= Q_В^прав –(g+v)*h_c /2=335,6-95,7*0,4/2=316,5(Кн)

 

Значения расчётных поперечных сил для сечения ригеля следующие:

 

- Крайний ригель

 

Q_A¹= M_min=272,2(Кн)

 

Q_В^лев1= M_max=328,9(Кн)

 

- Средний ригель

 

В_В^прав1= Q_С^лев1=316,5(Кн);       h₀=63,3(см);    φ_b3=0,6

 

Q_min≤ φ_b3*(1+ φ_n)*R_bt* γ_b2*b*h₀=0,6*(1+0)*1,2*1*30*63,3=1367,28(Гн)< Q_min=2722(Гн)

 

Трещины образуются.

Во всех рассматриваемых сечениях образуются трещины необходим расчёт по действиям поперечных сил. Прочность наклонной полосы между наклонными трещинами.

 

Q_max≤0,3* φ_w1*φ_b1*R_b* γ_b2*b*h₀=0,6*1*0,83*17*1*30*63,3=8038,5(Гн)> Q_max=3289(Гн)

                                  (прочность по наклонной полосе обеспечена во всех сечениях)

 

φ_w1=1 (наличие поперечной арматуры)

 

φ_b1=1-β* R_b=1-0,01*17=0,83 (бетон работает в двухосном направлении)

 

Q_max≤ (φ_b2*R_bt*γ_b2*b*h₀²/c)+g_sw*c₀=(2*1,2*1*30*63,3²/150)+14,13*126,6=3712,2(Гн)

 

Назначаем поперечное армирование по конструктивным требованиям:

 

S₁≤1/3*h=1/3*70=23(см);   S₁≤50(см)   => S₁=20(см)

 

S₂≤3/4*h=3/4*70=52,5(см);   S₂≤50(см)   => S₂=50(см)

l₁=0,25*l=0,25*660=165(см)

 

l₂=l-2*l₁=660-2*65=330(см)

 

R_SW=225(МПа);    d_SW=10(мм);    А_SW1=1,57(см²);  S_min=15(см) [25] (стр.196)

 

S_max≤ 0,75*φ_b2*R_bt*γ_b2*b*h₀²/ Q_max=0,75*2*1,2*1*30*63,3²/3289=65(см)

 

с≤0,25*l=0,25*600=150(см);   с≤2*h₀ /0,6=2*63,3/0,6=211(см)   => с=150(см)

 

g_sw.1=R_SW*А_SW / S₁=225*1,57/25=14,13(Гн/см)

                                                                                               g_sw.1> g_sw.min

g_sw.min=φ_b3*R_bt*γ_b2*b/2=0,3*1,2*1*30/2=5,4(Гн/см)

 

с₀=√φ_b2*R_bt*γ_b2*b*h₀²/ g_sw= √2*1,2*1*30*63,3²/14,13=143(см)

 

с₀≤2* h₀=2*63,3=126,6(см); 

с₀≥ h₀=63,3(см);

 с₀<с=150(см)                                             

 

                               Q_max=3712,2(Гн) > Q_max=3289(Гн)

 (прочность наклонного сечения на действие поперечной силы обеспечена)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт эпюры материалов

 

l_i= (Q_i /2* g_sw)+5*d=(3100/2*14,13)+5*4,0=129,6

 

l₁= (Q₁ /2* g_sw)+5*d=(600/2*14,13)+5*2,8=35,2

 

l₂= (Q₂ /2* g_sw)+5*d=(1300/2*14,13)+5*2,8=60,0

 

l₃= (Q₃ /2* g_sw)+5*d=(2100/2*14,13)+5*2,2=85,3

 

4.4. Расчёт и конструирование колонны многоэтажного здания

 

Дано: L₀=6,6(м); В₀=6,0(м); H₀=4,2(м); b_с х h_c=40х40(см); b х h=30х70(см);

          Здание 5-и этажное. Район строительства Костромская область S_n=1,5(Кн/м)

 

A₁=0,5*L₀*В₀=0,5*6,6*6=19,8(Кн)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нагрузки действующие на колонну

 

№	Нагрузка	Нормативная Кн/м3	Коэффициент надёжности по нагрузке γf	Расчётная
				Кн/м2	Кн
Постоянные нагрузки
1	Кровля	0,15	1,3	0,195	3,86
2	Цементная стяжка (2см)	0,44	1,3	0,572	11,33
3	Утеплитель	0,6	1,3	0,78	15,44
4	Пароизоляция	0,05	1,3	0,065	1,29
5	Бетонный шов	0,2	1,3	0,26	5,15
6	Плита покрытия	1,5	1,1	1,65	32,67
7	Ригель	-	1,1	-	38,12
Gпокр=107,86(Кн)
Временные нагрузки
8	Длительная снеговая	0,3	1,5	0,45	vsl=8,91
4	Кратковременная снеговая	0,7	1,5	1,05	vsv=20,79

Таблица №13

 

* в пункте 7: G_расч=h*b*h₀*γ_ж/б*γ_f ;     γ_ж/б=25;   γ_f =1,1

 

Нагрузки действующие на перекрытие

 

g₁=5,48(Кн/м²); g_p=5,775(Кн/м²); v_n=8(Кн/м²); v_nv=3(Кн/м²);  v_l=6(Кн/м²);

 

Нагрузки действующие на колонну от перекрытия определяем в таблице №14:

 

 

 

Таблица №14

№	Нагрузка	Расчётная (Кн/м2)		Расчётная (Кн)
		пост+длит	полная	пост+длит	полная
1	Перекрытие	11,48	15,08	227,3	298,6
2	Ригель   gp*L0			38,115	38,115
3	Колонна hс*bc*H0*γж/б*γf			18,48	18,48
				Gперекр=283,9	Gперекр=355,2

 

 

Поэтажная нагрузка на колонну приведена в таблице №15:

Этаж	Постоянная и длительная (Кн) Gпокр+ vsl.покр+ Gколон	Полная (Кн) Gпокр+ vsl.покр+ Gколон+ vsv
5	135,25	156,04
4	419,15	511,24
3	703,05	866,44
2	986,95	1221,64
1	1270,85	1576,84

 

 

Усилие от горизонтальных нагрузок (ветер) в колоннах не учитывается, т.к. в здании предусмотрены поперечные несущие стены.

 

Определение изгибающих моментов

(полный каркас)

 

 

 

 

 

 

 

 

∆M=M₂₁- M₂₃;

 

∆M=299,8-212,8=87(Кн/м)           (1+2)

 

∆M=231,4-305,7=-74,3(Кн/м)        (1+3)

 

∆M=415,4-403,5=11,9(Кн/м)           (1+4)

 

(1+2) – худший вариант   ∆M_max=87(Кн/м); L₀=6,6(м); g=38,065(Кн/м); v_l=36(Кн/м)

 

M_i=(α*g+β* v_l)* L₀²

 

M₂₁= -0,063*36*6,6²=-98,8(Кн*м)       (l)

M₂₃= -0,026*36*6,6²=-40,8(Кн*м)       (l)

M₂₁= -151,2-98,8=-250(Кн*м)           (g+ v_l)

M₂₃= -147,6-40,8=-188,4(Кн*м)        (g+ v_l)

M_l= -250-(-188,4)=-61,6(Кн*м)         (g+ v_l)

 

Геометрические характеристики для колонны

 

l_ox=H₁= H₀+0,15=4,35(м)

l_oy=H₁=4,35(м)

 

b_с =40(см);  h_c=40(см); N_l=1270,85(Кн); N=1576,84(Кн); М_v=87(Кн*м);

 

λ_оx= l_ox*√12  / h_c=435*√12  / 40=37,7<[λ]=120

 

λ_оx=37,7>14, колонна считается гибкой

 

а=а`=3(см) –в первом приближении

 

h₀=40-3=37(см)

 

z=37-3=34(см)

 

e₀^λ= e₀*η=5,5*1,64=9,02(см)   

 

η- коэффициент учитывающий изгиб стойки [24] (стр.35, ф.58)

 

η=1/(1-N/N_cr)=1/(1-1576,84/4039,7)=1,64

 

N_cr=6,4*E_b / l₀²*[1/φ_l*J_b*(0,1+(0,11/0,1+δ_e / φ_p))+ α*J_s ]=

=6,4*24000/435²*[1/1,7*213330*(0,1+(0,11/0,1+0,277))+8,33*6936 ]=40397,14(Гн)

 

E_s=200000(МПа);  E_b=24000(МПа)   [25] (стр.224)

 

J_b= b_с*h_c³/12=213330(см)

 

α= E_s /E_b=200000/24000=8,33

 

φ_l=1+β*M_l/M=1+1*61,6/87=1,7      β=1 для тяжёлых бетонов.

 

Колонна входит в состав статически неопределимой системы.

 

δ_e= e₀/ h_с=5,5/4,0=0,138

 

e_N=M/N₁=87/1576,84=0,055(м)=5,5(см)

 

e_а≥1/600*H₁=1/600*435=0,7(см) 

e_а≥1/30*h_c=1/30*40=1,33(см)               e_а=1,33(см)

e_а≥1(см)

 

e₀= e_N=5,5(см)   

 

e= e₀^λ ₊ h_с /2=9,02+40/2=26,02(см)

 

δ_e.min=0,5-0,01* l_ox /h_с -0,01*R_b=0,5-0,01*435/40-0,01*11,5=0,277> δ_e=0,138

 

Принимаем   δ_e.min=0,277

 

J_xs=J_os+A_s*(z/2)²

 

J_xs=A_s*(z/2)²=24*(34/2)²=6936(см)

 

μ(0,005………0,025)

 

ΣA_s=μ*b_c*h_c=0,015*40*40=24(см²)

 

Составим расчётную схему

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение необходимого количества арматуры

(целесообразно симметричное армирование)

 

X= N_i / R_b*γ_b2*b_c= 15768,4/11,5*1*40=34,3(см)

 

ξ=X/ h₀=34,3/37=0,927>ξ_R=0,590  (2-й случай разрушения)

 

A_s= A_s`=(R_b*γ_b2*b* h₀ / R_s)*(α_m1 - ξ*(1-ξ/2)/1-d)=

    =(11,5*1*40*37/365)*(0,652-0,773*(0,773/2)/1-0,08)=8,99(см²)

 

α_m1=(N*e/ R_b*γ_b2*b* h₀²)=15768,4*26,02/11,5*1*40*37² =0,652

 

ξ=α_n *(1-ξ_R )+2*α_s*ξ_R /(1- ξ_R )+2*α_s=

  =0,926*(1-0,59)+2*0,168*0,59/(1-0,59)+2*0,168=0,773 > ξ_R=0,59

(2-йслучай разрушения)

 

α_n=N/ R_b*γ_b2*b* h₀=15768,4/11,5*1*40*37=0,926

 

α_s= α_m1 - α_n*(1- α_n /2)/1-δ=0,652-0,926*(1-0,926/2)/1-0,08=0,168

 

δ=a`/ h₀=3/37=0,08

 

2Ø25     A_s= A_s`=9,82(см²)

 

a≥25+25/2=37,5(мм)

 

h₀=40-3,75=36,25(см)

 

μ=Σ A_s / b_c*h_c=2*9,28/40*40=0,01

 

μ%≤ 3% => S≤20*d=20*25=500(мм)  Принимаем S=500(мм) 

Колонна 5-го этажа

 

Дано: N₅=156,04(Кн); M_v=87(Кн*м); l_ox=H₀=4,35(м)=435(см); b_с х h_c=40х40(см);

           h₀=37(см); a=a`=3(см); z=34(см)

 

1)   λ_x= l_ox*√12 / h_c= 435*√12 / 40=37,7<[λ]=120

 

λ_оx=37,7>14, колонна считается гибкой

 

2)   N_cr=6,4*E_b / l₀²*[1/φ_l*J_b*(0,1+(0,11/0,1+δ_e / φ_p))+ α*J_s ]=

=6,4*24000/435²*[1/1,7*213333*(0,1+(0,11/0,1+1,47))+8,33*6936 ]=48630,76(Гн)

 

N_cr=48630,76(Гн) > N=1560,4(Гн)

 

3)  η=1/(1-N₅/N_cr)=1/(1-1576,04/7633,8)=1,021

 

e₀^λ= e₀*η=58,8*1,0,21=60(см)   

 

e= e₀^λ ₊ h_с /2-а=60+40/2-3=77(см)

 

Подбор рабочей арматуры

 

X= N₅ / R_b*γ_b2*b_c= 1560,4/11,5*1*40=3,39(см)

 

ξ=X/ h₀=3,39/37=0,092<ξ_R=0,590 [25] (стр241)

 

A_s= A_s`=N*e*R<sub>b</sub>*γ<sub>b2</sub>*b*X*(h<sub>0</sub> –X/2)/ R<sub>sc</sub>*(h<sub>0</sub> –a`)=

    =1560,4*77-11,5*1*40*3,39*(37-3,39/2)/365*(37-3)=5,25(см²)

 

По сортаменту получаем: 2Ø20; A-III; A_s= A_s`= 6,28(см²)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка прочности подобранного сечения

 

N*e ≤R_b*γ_b2*b*X*(h₀ –X/2)+ R_sc* A_s`*(h<sub>0</sub> –a`)

 

     120150,8(Гн) < 11,5*1*40*3,39*(37-3,39/2)+365*6,28*(37-3)=132989,4(см²)

 

(прочность обеспечена)

 

d_sw=1/4*d=1/4*20=5(мм)    d_sw=Ø6(мм) 

 

S≤20*d=20*20=400(мм)      S≤500(мм)      S=400(мм)

Расчёт и конструирование коротких консолей

 

Дано: l≤0,9*h₀ (короткая консоль); В30;R_b*=17(МПа); R_bt=1,2(МПа); γ_b2=1; A-II;

          R_s=280(МПа); Q_max1=348(Кн); b_с х h_c=40х40(см)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Назначение размеров консоли

 

b=b_c=40(см)

 

Q_max≤ R_b*γ_b2*b₁*l_sap

 

l_sap≤ Q_max / R_b*γ_b2*b₁=3480/17*1*30=6,82(см)

 

l ≥ l_sap+t+a₁=6,82+5+2=13,82(см)

 

a₁=(2……5)    t=(10……5)

 

h=(0,7…0,8)*h₁=(0,7…0,8)*70=49…56(см)

 

h_k ≥1/3*h=1/3*50=16,7(см) 

 

h_k ≥h-l=50-25=25(см) 

 

Принимаем:

 l_sap=15(см); l =25(см); h=50(см); h_k=25(см) 

 

Подбор необходимого количества продольной рабочей арматуры

 

M₁=Q_max*(l-0,5* l_sap – a₁)

 

A_S=1,25* M₁ / R_S*(h₀ - a)=1,25* Q_max*(l-0,5* l_sap – a₁)= 

      =1,25*3480*(25-0,5*15-2)/280(45-5)=6,02(см)

 

Принимаем: 2Ø20; A_S=6,28(см); A-II

 

Поперечная арматура консоли

 

S≤150(мм)

 

S≤h/4=700/4=175(мм)

 

Принимаем: S=15(см)

Проверка прочности консоли по наклонной полосе

 

Q_max=3480(Гн) < 0,8*φ_w2*R_b*γ_b2*b_c*l_sap*sin Q=0,8*1,09*17*1*40*15*0,94=8360,7(Гн)

 

       Если Q_max>, то нужно увеличивать опорную

 площадку и мощность поперечного армирования

 

φ_w2=1+5*α*μ_w1=1+5*7,2*0,0026=1,09

 

α=E_s /E_b=210000/29000=7,2    [25] (стр.224)

 

μ_w1= A_sw / b_c*S=1,57/40*15=0,0026

 

tg Q=h/l=70/25=2,8

 

sin 70⁰=0,94

 

Расчёт и конструирование стыка ригеля с колонной

 

Дано: M=285,9(Кн*м) (по грани опоры); Q_оп= 348(Кн); h=70(см); b=30(см); Э-46; 09Г2;

           R_wf =200; β_f =0,7; b_с х h_c=40х40(см)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)   z=h₀ =h-a=70-6=64(см)

 

M=N*z  =>  N=M/z=28590/64=446,7(Кн)

 

 

 

2)  (N-T)=N_w=(N-f*Q_оп)=446,7-03*348=342,3(Кн)           f=0,3

 

N_w ≤2(β_f *k_f*R_wf *γ_c*l_w)             2 – два шва    =>

 

l_w=l-1(cм)=25-1=24(см)         1(см) - непровар

 

=>  k_f = N_w /2*β_f *R_wf *γ_c*l_w=3423/2*0,7*200*1*24=0,5(см)             

 

k_f ≤1,2*δ_min=1,2*10=12(мм)

 

Принимаем: k_f =6(мм)

 

 

Расчёт и конструирование стыка колонны 5-го этажа

 

Дано: N=156,04(Кн); В20; R_b=11,5(МПа); γ_b2=1;  b_с х h_c=40х40(см); Э-46; d20; A-III

           Cталь: В Ст 3сп5 

 

Так как Ø≤20 принимаем стык с торцевыми стальными листами  и центральной прокладкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h₁= b₁=400-2*10=380(мм)

 

δ₁ =(10……20)(мм); δ₁ =0,5*d ≈15(мм); Принимаем:   δ₁ =15(мм) 

 

 δ₂ =(3……5)(мм); Принимаем:   δ₂ =5(мм)

 

С₁ = С₂ =1/3* h_c=1/3*400=133(мм); По сортаменту принимаем С₁ = С₂ =150(мм)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A_w=2*2,25*δ₁*(h₁+b₁ -5*d₁)=2*2,25*1,4*(38+38-5*1,4)=581(см)

 

A_n –площадь под центральной прокладкой

 

 A_n=(С+3* δ₂)² =(15+3*0,5)²=272,3(см²)     

 

A_lok=A_w+A_n= 381+272,3=853,3(см²)

 

A_lok - общая площадь на которую передаются стимулирующие нагрузки

 

 

 

Определяем усилия приходящиеся на сварку и центральную прокладку

 

N_w=N₅*A_w /A_loc =1560,4*581/853,3=1062,5(Кн)

 

N_n=N₅ -N_w =1560,4-1062,5=497,9(Кн) (на прокладку)

 

Определение высоты сварного шва

 

k_f = N_w /l_w*R_wf *γ_c =1062,5/148*215*1=0,03(см)

 

l_w=4*(38-1)=148(см)

 

Принимаем: k_f = 6(мм)

 

Проверка бетона на смятие под центральной прокладкой

 

N=15604(Гн) > Ψ* R_b.loc*A_loc1 =1*1,104*853,3=942,04(Гн)   

 

R_b.loc= R_b*γ_b2*φ_b*α=11,5*1*1,2*0,08=1,104(МПа) 

 

φ_b= ³√A_loc2 / A_loc1 =1,2 ≤[2,5]

 

A_loc2 =h₁*b₁=38²=1444(cм²) 

 

α=13,5* R_bt / R_b=0,9/11,5=0,08

 

Прочность бетона на смятие под площадками не обеспечена поэтому необходимо учитывать в расчётах косвенное армирование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A-I ;  Ø6

 

S≤150(мм); S=1/4* b_c=1/3400=130(мм); Принимаем:  S=80(cм)

 

с≤1/4* b_c=1/4*400=100(мм);  45≤ с ≤100; Принимаем: с=60(мм)

 

N=1560,4(Гн)< R_b.red*A_loc1 =2239,7*853=1911106,6(Гн)

(прочность бетона на местное смятие с учётом косвенного армирования)

 

A_sx =l_x* n_x=360*7=2520(мм²)

 

A_sy =l_y* n_y=360*7=2520(мм²)

 

μ_xy=n_x*l_x*A_sx+n_y*l_y*A_sy / A_cf*S=7*360*2520+7*360*2520/129600*800=0,122

 

A_cf = l_x* l_y=360*360=129600(мм²)

 

R_b.red=R_b*φ_b + φ*M_xy*R_s.xy* φ_s = 11,5*1,2+18,1*0,122*225*4,48=2239,7(Гн) 

 

φ_s =4,5-3,5* A_loc2 / A_cf =4,5-3,5*853,3/129600=4,48

 

φ=1/0,23*ψ=1/0,23+0,24=18,1

 

ψ= μ_xy*R_s.xy / R_b+10=0,122*225/11,5+10=0,24

 

Прочность бетона на местное смятие с учётом косвенного армирования обеспечена.

 

 

4.5. Расчёт внецентренно нагруженного фундамента с выносным стаканм

 

Колонна:  R_b=11,5(МПа);

                  b_с х h_c=40х40(см);

                 В20; A-III;

                 R_s=365(МПа);

 

Фундамент: R_b=11,5(МПа);

                      В20; A-I;

                      R_s=365(МПа);

                      R_bt=0,9(МПа);

 

Грунт:  R₀ =0,19(МПа)

              H=1,5(м)

 

Нагрузки:  N_n =N/γ_f =1576,84/1,15=1371,2(Кн)

                  N=1576,84(Кн)

                  М=87(Кн*м)

                  М_n=75,6(Кн*м)

 

 

Назначение размеров подошвы фундаментов

 

A_f`= N_n / R₀ – γ_m*H=13712/0,19-0,0002*150=105476,92(см²)

 

γ_m=2*10 ^-4=0,0002 – удельный вес средний между землёй и фундаментом

 

b/a=(0,6……0,8)* A_f`=0,8*а²

 

A₁=(1,1……1,3)* A_f`=1,2* A<sub>f</sub>`=1,2*105476,9=12652,28(см²)

 

a=√ A₁ /0,8 =√126572,28/0,8 =397,8(см)   Принимаем: a=397,8(см)

 

b=0,8*a=0,8*420*336(cм)  Принимаем: b=360(cм)

 

A_f =4,2*3,6=15,12(м²)=151200(см²)

 

 

 

Проверка напряжений по подошве фундамента

 

N_fⁿ=N_n + γ_m*H* 1371,2+0,0002*150*151200=5907,2(Гн)   

 

M_fⁿ=M_n

 

P_maxⁿ=N_fⁿ/ A_f + M_fⁿ/ W_f =5907,2/151200+75600/9996000=0,047(МПа)

 

P_minⁿ=N_fⁿ/ A_f - M_fⁿ/ W_f =5907,2/151200-75600/9996000=0,041(МПа)

 

W_f =b*a²/6=360*420²/6=9996000(см²)

 

P_maxⁿ=0,047(МПа) < 1,2*R₀ =1,2*0,19=0,228(МПа)

 

P_minⁿ =0,041(МПа)>0

 

P_maxⁿ+P_minⁿ/2=0,047+0,041/2=0,044(МПа)< R₀ =0,19(МПа)

 

Назначение высоты фундамента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h_h≥h_c+5(cм)=40+5=45(см); h_h≥l_an +6(см)=83,0+6=89(см); Принимаем:   h_h=90(см)

 

l_an=(w_an*R_s /R_b+Δλ_an )*d=(0,7*365/11,5+11)*25=830,4(мм)

 

h_f =90+20=110(см)

 

h₁= b₁= h_c+2*Δ₁+2*Δ₂=40+2*0,75+2*25=105(см)

 

Расчёт продольной арматуры

 

l₁=H-0,15- h_f =1,7-0,15-0,7=0,85(м)

 

Принимаем в первом приближении h_f =70(см)

 

l₁ / h_f =85/110=0,7 <5  =>  μ_min% =0,05

 

A_s.min=μ_min%* h₁*b₁ /100=0,05*105*105/100=5,51(см²)

 

A_S =A_S`=5,65(см²);   5Ø12;    A-I;  d_ny=12(мм);    

 

d_w=1/4*d=1/4*12=3(мм)  Принимаем: d_w=8(мм) 

 

S_w ≤500(мм);  S_w ≤20*d=20*12=240(мм)  Принимаем: S_w=250(мм)

 

l_an=(w_an*R_s /R_b+11)*d=(0,7*365/11,5+11)*1,2=39,9(см)

 

h_f = l_an+10(см)=39,9+10=49,9(см) Принимаем: h_f =60(см) (принимаем 1-ю ступень)

 

l₁=H-0,15- h_f =1,7-0,15-0,6=0,95(м)

 

Поперечное армирование стенок стакана

 

l₀=M_c /N_c =8700/1576,84=5,5 <h_c /6=40/6=6,6

 

Можем принять конструктивно

 

 

S_w`≤200(мм);  S<sub>w</sub>`≤0,25* h_h=0,25*90=22,5(см); Принимаем:  S_w`≤200(мм); 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка прочности фундамента на продавливание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F=A_p* P_max=36180*0,112=4052,16(Гн)

 

P_maxⁿ=N/ A_f + M/ W_f =15768,4/151200+87000*6/360*420² =0,112(МПа)

 

P_minⁿ=N/ A_f - M/ W_f =15768,4/151200+87000*6/360*420² =0,096(МПа)

 

A_p=(a - a₀ /2)*b=(420-219/2)*360=36180(cм²)

 

F`=α*R_bt *b_m*h₀=1*0,9*162*57=8310,6(Гн)

 

h₀= h_f`- a=60-3,5=57(см)

 

b₀ =b₁ +2*h₀ =105+2*57=219(cм)

 

a₀ =h₁ +2*h₀ =105+2*57=219(cм)

 

b_m= b₁ +b₀ /2=105+219/2=162(см)

 

F=4052,16(Гн)< F`=8310,6(Гн)  => Продавливание не образуется

 

Проверка прочности на действие поперечной силы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q₁ =0,5*P_cр*(а_f –a₁)*b_f =0,5*0,104*(420-105)*300=5896,8(Гн)

 

Q₁`=0,6*γ_b2 *R_bt *b_f *h₀ =0,6*1*0,9*360*582=11314,08(Гн)

 

Q₁=5896,8(Гн) < Q₁`=11314,08(Гн)

 

=> Прочность на действие поперечной силы обеспечена

 

Подбор арматуры по подошве фундамента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M_II =1/16*(а_f –a₁)²*b_f *( P_max+P)=1/16*(420-105)² *360*(0,112+0,104)=482236,4(Гн*см)

 

A_stp.II = M_II /R_S *0,9*h₀ =482236,4/365*0,9*57=25,6(см)

 

A_S.п.м.II=A_S /b=25,6/3,6=7,1(см²/п.м.)    Количество арматуры на погонный метр

 

Ø12;  S=150(мм);  A_S =7,54(см²/п.м.)   

 

M_I=1/16*(b_f –b₁)²*a_f*(P_max+P_min)=1/16*(360-105)² *420*(0,112+0,096)=355036,5(Гн*см)

 

A_stp.I = M_I /R_S *0,9*h₀ =355036,5/365*0,9*57=18,9(см)

 

A_S.п.м.I=A_S /b=18,9/4,2=4,5(см²/п.м.)    Количество арматура на погонный метр

 

Ø12;  S=250(мм);  A_S =4,52(см²/п.м.)   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.6. Расчёт самонесущей стены

 

Дано: окно: В₁=4(м)-ширина; H₁=2,4(м)-высота;

         стена: В₀=6(м)-ширина; H₀=4,2(м)-высота;  n=5-колличество этажей; 

         кладка: кирпич глиняный; δ_к=0,38(м)-ширина; γ _к=18(Кн/м³); λ_к=0,56(Вт/м⁰С)

   утеплитель: пенополистирол; δ_ут=0,104(м)-ширина; γ_ут=1,5(Кн/м³); λ_к=0,05(Вт/м⁰С)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт прочности центрально сжатых элементов, какими и являются самонесущие кирпичные стены предусмотренные в нашем проекте, по несущей способности производят в предположении равномерного распределения напряжений по сечению по формуле:

 

N =m_g*φ*R*A

Для определения марки кирпича и раствора преобразуем формулу по нахождению прочности в формулу для определения расчётного сопротивления кладки сжатию:

 

R =N/ m_g*φ*A =448,84/1*0,95*7600=0,062(Кн/см)

 

где: N –расчётная продольная сила;

 m_g –коэффициент снижения несущей способности в следствии ползучести кладки

        в нашем случае принимаем m_g=1;

  φ – коэффициент, учитывающий снижение несущей способности элемента за счёт

        продольного изгиба, зависящий от гибкости элемента  и упругой характеристики

        кладки, в нашем случае принимаем φ=0,95;

         R –расчётное сопротивление кладки сжатию;

         A –площадь поперечного сечения элемента на который приходится максимальная

               нагрузка от самонесущей стены. Таким элементом является простенок первого

               этажа между окнами.

 

A=δ_к+В₀ – В₁=0,38+ 6 - 4=0,76(м) =7600(см)

 

Найдём продольную силу воздействующую с одного этажа посредством сбора нагрузок

 

N_n=(В₀*H₀ – В₁* H₁)* γ _к*δ_к+ (В₀*H₀ – В₁* H₁)* γ_ут*δ_ут=

     =(6*4,2 –4*2,4)* 18*0,38+ (6*4,2 –4* 2,4)*1,5*0,104=109,06(Кн)

 

Найдём продольную силу воздействующую на интересующий нас элемент от участка стены первого этажа вше окна:

 

N₁=В₀*0,3* γ _к*δ_к+ В₀*0,3* γ_ут*δ_ут=

    =6*0,3* 18*0,38+ 6*0,3*1,5*0,104=12,6(Кн)

 

Найдём продольную силу воздействующую на интересующий нас элемент от 4-х этажей и участка стены первого этажа вше окна:

 

N= N_n*4+ N₁= 109,06*4+12,6=448,84(Кн)

 

По СНиП 2-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции» [27] (стр.3 табл.2) в зависимости от значения расчётного сопротивления кладки сжатию, определяем:

 

Марка кирпича: М_к - 10 

 

Марка раствора: М_р - 75 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению»;

2. СНиП 2.01.01-82. «Строительная Климатология и геофизика»;

3. СНиП 2-3-79* «Строительная теплотехника»;

4. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»;
5. СП 23-101 «Проектирование тепловой защиты зданий»;
6. ГОСТ 30494 «Параметры микроклимата в жилых и общественных зданиях»;

7. ГОСТ 31166-2003 «Конструкции ограждающие зданий и сооружений. Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи»;

8. ГОСТ 31167-2003 «Здания и сооружения. Методы определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций в натурных условиях»;

9. ГОСТ 31168-2003 «Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление»;

10. ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций»;

11. ГОСТ 26229-84* «Линии автоматические, автоматизированные и механизированные для изготовления заготовок колец подшипников. Ряды производительности»;

12. СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные»;

13. СНиП 31-02-01 «Дома жилые одноквартирные»;

14. ТСН 23-**-**** "Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий";

15. ГОСТ 30494-96 "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях";

16. СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям»;

17. ГОСТ 26629-85 «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций»;

18. СП 12-101-98 «Технические правила производства наружной теплоизоляции зданий с тонкой штукатуркой по утеплителю»;

19. Афанасьев А.А., Матвеев Е.П., Монастырев П.В. Индустриальные методы облицовки фасадов зданий при их утеплении // Промышленное и гражданское строительство. – 1997г.;

20. Афанасьев А.А., Матвеев Е.П., Монастырев П.В. Технология утепления и облицовки фасадов при реконструкции зданий // Экспресс - информация. Технология, механизация и автоматизация в строительстве. – 1997г.;

21. Булгаков С.Н. «Технологичность бетонных конструкций и проектных решений.» – М.: Стройиздат, 1983г.;

22. Техническое обслуживание и ремонт зданий и сооружений: Справ. пособие / М.Д. Бойко, А.И. Мураховский, В.З. Величкин и др.; Под ред. М.Д. Бойко. – М.: Стройиздат, 1993г.;

23. Технология строительных процессов: Учеб. для вузов по спец. «Пром. и гражд. строительство» / А.А. Афанасьев, Н.Н. Данилов, В.Д. Копылов и др.; Под. Ред. Н.Н. Данилова, О.М. Тереньтьева. – М.: Высш. шк., 1997г.;

24. СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»;

25. «Инженерные конструкции» / Под ред. Р.И. Бергена;

26. «Проектирование и расчёт ж.б. и каменных конструкций» учебник для строительных специальностей ВУЗов / Попов Н.Н., ЗабегаевА.В.; – М.: Высш. шк., 1989г.;

27. СНиП 2-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции».