Валов В.М. Введение в специальность. Проектирование зданий

Подождите немного. Документ загружается.

32–35%; излучением – 42–44%; испарением – 20–25%; физиологическим

путем – 2–5%.

Таблица 2.1

Теплопродукция организма взрослого человека

Определение работы

Теплопродукция,

Вт

Человек в покое:

лежа……………………………………………………………....

сидя……………………………………………………………....

стоя………………………………………………….....................

стоя смирно………………………………………………….…..

Физическая деятельность:

работа швеи, ручного наборщика и подобная………………...

работа машинистки, инструментальщика и подобная………..

работа литейщика, металлурга и подобная………………...….

работа землекопа, кузнеца и подобная……………………...…

спортивная езда на велосипеде……………………...…………

спортивное плавание……………………………………………

подъем в гору……………………………………………………

максимальная мышечная работа…………………………….…

Умственная деятельность:

чтение сидя………………………………………………………

работа в лаборатории………………………………...…………

чтение лекции в аудитории…………………………….………

Условное деление степени тяжести работы:

незначительная………………………………………….………

легкая (работа сидя)…………………………………….………

средняя (работа стоя)…………………………………...………

тяжелая (работа, связанная с переноской тяжести и подоб-

ная………………………..……………………………………………

85-90

100

105-115

115-140

140-200

170-300

300-500

До 920

>>1000

780-900

1940

115

140-160

200-310

До 140

140-170

170-290

Более 290

Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы,

то в организме может наблюдаться накопление тепла (

Q∆

>0 – «жарко»),

связанное с повышением температуры, или его дефицит, приводящий к пе-

реохлаждению организма (

Q∆

<0 – «холодно»), при

Q∆

=0 обеспечивает-

ся тепловой комфорт микроклимата внутренней среды. Система организма

позволяет в определенных пределах обеспечивать баланс продуцируемого

и теряемого телом тепла. Однако возможности терморегуляции весьма ог-

раничены. Для регулирования процесса теплообмена человека с окружаю-

щей средой помещений используются системы искусственных средств.

2.3. Элементы архитектурно-конструктивных решений зданий

Основными конструктивными элементами гражданских и промыш-

ленных зданий являются: фундаменты, каркас, стены, перекрытия, лестни-

цы, перегородки, балконы, окна, двери и др. (рис. 2.3).

Фундаменты – подземные несущие конструкции, передающие на-

грузки от здания на грунт. Они устраиваются под стенами и колоннами

(столбами), технологическим оборудованием и т.п.

Стены – несущие и ограждающие конструкции здания. По своему на-

значению и месту расположения в здании они делятся на наружные и

внутренние. Наружные стены являются ограждающими конструкциями,

которые защищают помещения от неблагоприятных внешних воздействий.

Они могут быть несущими, самонесущими и навесными. Несущие и само-

Рис. 2.3. Поперечные разре-

зы зданий: 1 – чердачное пе-

рекрытие; 2 – междуэтаж-

ное; 3 – надподвальное; 4 –

стена наружная; 5 – внут-

ренняя; 6 – перегородка; 7 –

строительные элементы; 8 –

балкон; 9 – лестничный

марш; 10 – площадка этаж-

ная; 11 – промежуточная; 12

– ограждение лестницы; 13 –

чердак; 14 – крыша; 15 –

карниз; 16 – труба вентиля-

ционная; 17 – дымовая; 18 –

цоколь; 19 – отмостка; 20 –

проем оконный; 21 – двер-

ной; 22 – стена подвала; 23 –

ограждение крыши; 24 –

ленточный фундамент; 25 –

перемычка или обвязочная

балка; 26 – колонна крайняя;

27 – колонна средняя; 28 –

балка или ферма покрытия;

29 – плита покрытия; 30 –

кровля; 31 – пол; 32 – осно-

вание (грунт); 33 – балка

подкрановая; 34 – мостовой

кран; 35 – фундаментная

балка; 36 – столбчатый фун-

дамент колонны; 37 – фо-

нарь световой или свето-

аэ

ионный

Пролет

несущее стены опираются на фундаменты. Навесные стены навешиваются

на элементы каркаса или на несущие внутренние стены.

Каркас является несущей системой здания. Он состоит из колонн, ри-

гелей, балок, прогонов и связей. Колонны опираются на фундаменты.

Перегородки – это сравнительно тонкие ненесущие внутренние стены,

разделяющие этажи на отдельные помещения.

Перекрытия – горизонтальные конструкции здания, разделяющие его

внутреннее пространство на этажи и несущие полезные нагрузки. Для со-

общения между этажами устраивают лестницы и лифты.

Крыша (покрытие) – наружная ограждающая и несущая конструк-

ция, которая служит для защиты здания от атмосферных осадков, от по-

терь тепла зимой и перегрева летом.

Для гражданских и промышленных зданий характерны одни и те же

конструктивные элементы, имеющие свои конструктивные особенности

(рис. 2.3). Например, одноэтажные промышленные здания отличаются зна-

чительными размерами пролетов, наличием подкрановых балок, по кото-

рым перемещаются мостовые краны, фундаментных балок и др. Конструк-

тивные элементы многоэтажных промышленных зданий во многом сходны

с элементами гражданских зданий.

Основные несущие конструктивные элементы здания (фундаменты и

стены, колонны и столбы, балки и прогоны, перекрытия и покрытия) обра-

зует остов здания – пространственную систему вертикальных и горизон-

тальных несущих элементов, так называемую конструктивную систему.

Конструктивная система – это взаимосвязанная совокупность вер-

тикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, восприни-

мающих все нагрузки и воздействия, совместно обеспечивающих его

прочность, пространственную жёсткость и устойчивость. Соответственно

виду вертикальной несущей конструкции получили наименование пять ос-

новных конструктивных систем зданий: каркасная, стеновая – бескар-

касная, объемно-блочная, ствольная и оболочковая (рис. 2.4,а). Наряду с

основными широко применяют комбинированные конструктивные систе-

мы (рис. 2.4,б). В этих системах вертикально несущие конструкции компо-

нуют, сочетая разные виды несущих элементов – стены и колонны, стены и

объемные блоки и другое.

Характер размещения несущих конструкций в объеме здания опреде-

ляет конструктивную схему, которая может быть с поперечным, про-

дольным и смешанным размещением стен, рам каркасов и т.п. [3].

Строительная система определяет конструктивную систему по ма-

териалу несущих элементов (деревянная, каменная, железобетонная,

стальная и т.п.) и по технологии производства работ (мелкоштучная, мел-

ко- и крупноблочная, объемно-блочная, сборная монолитная и т.п.).

2.4. Воздействия на здания и реакция их на эти воздействия

Прежде чем перейти к особенностям воздействий на архитектурные

объекты, необходимо отметить следующий немаловажный факт. Анализ

воздействий и их результаты могут быть более эффективными, если най-

дешь аналогии в окружающей среде – природе. Природные аналогии ста-

вят перед специалистом много задач и вопросов, ответы на которые тре-

буют особого умения, в частности:

- почему ветви и сучья деревьев к зиме начинают провисать к земле?

- почему ствол дерева круглый?

- почему любой материальный предмет, например, колонна, балка,

угол здания, горная скала и т.п. начинает разрушаться с углов, сопряже-

ний, острых выступов и т.п.?

- почему свежеуложенное асфальтобетонное, цементно-песчаное, бе-

тонное, покрасочное, глинопесчаное, грунтовое и другие отделочные и от-

крытые поверхности в условиях знакопеременных воздействий окружаю-

щей среды разрушаются в виде трещин с выделением отдельностей в фор-

ме «черепков» с их короблением?

Рис. 2.4. Основные (а) и комбинированные (б) конструктивные системы: 1 – стено-

вая; 2 – каркасная; 3 – ствольная; 4 – оболочковая; 5 – объемно-блочная

несущая и ограж

дающая наружная

конс

рукции

наружная ограж

дающая конструк-

ции

внутренняя несу

щая

конструкция несу

щий объемный

блок

самонесущи

объемный блок

а)

)

1-2

2-4

1-4

2-5

1-5

3-4

2-3

3-5

3 4

- почему ветви и сучья деревьев в месте их крепления к стволу имеют

линейные наросты в форме разбегающихся сторон угла?

- откуда и как появляются зимние узоры на оконном стекле с непред-

сказуемостью и неповторяемостью рисунка этих художественных произ-

ведений природы как элементов авнгардизма, импрессионизма и всех дру-

гих «-измов» и как не воспользоваться художнику-архитектору этими «да-

рами» природы?

Воздействия на здания. Весь процесс проектирования любых зданий,

конструктивных элементов и их узловых сопряжений из условий обеспе-

чения технической целесообразности сводится к выявлению всей совокуп-

ности воздействий окружающей среды и представлению их в виде про-

стейших воздействий (рис. 2.5). Причем такой прием правомерен в том

случае, если последствия схематизированных воздействий идентичны по-

следствиям, возникающим в действительных условиях, и чем точнее сис-

тема схематизированных воздействий будет воспроизводить действитель-

ную, тем достовернее окажутся получаемые результаты.

Принято все внешние воздействия на сооружение и его конструкции

делить на силовые (активные) и несиловые. Внешние силовые активные

силы, действующие на сооружения, называются нагрузками, к ним отно-

сятся:

○ постоянные нагрузки, которые всегда находятся на сооружении,

как собственный его вес, вес несущих и ограждающих конструкций:

○ временные нагрузки, периодически действующие на сооружение;

временные длительные неподвижные от стационарного оборудования,

длительно хранящихся грузов, веса слоя воды на водонаполненных пло-

ских покрытиях, постоянных

элементов здания и кратковре-

менные подвижные нагрузки от

оборудования, воздействий сне-

га и ветра.

К несиловым воздействиям

относятся:

- тепловые воздействия,

вызывающие изменение линей-

ных размеров материалов и кон-

струкций, приводящих к возник-

новению внутренних напряже-

ний и соответствующих дефор-

маций, а также влияющих на те-

пловой режим помещений;

- влажностные воздейст-

вия атмосферной и грунтовой

Рис. 2.5. Схема взаимодействия здания с ок-

ру

жающей с

едой

влаги, строительно-технологической и эксплуатационной влаги, гигро-

скопической и конденсационной влаги из воздуха на поверхности и в тол-

ще ограждающих конструкций;

- ветровые воздействия, вызывающие не только силовые нагрузки,

но и фильтрацию воздуха через конструкции, сквозное продувание поме-

щений с сопутствующим изменением их воздушного и теплового режима,

а также определяющие снего- и пылеотложения;

- воздействия лучистой световой, инфракрасной (тепловой) и

ультрафиолетовой энергий солнца и теплоисточников технологиче-

ского процесса, вызывающих изменение физико-технологических свойств

как поверхностных, так и толщи материала конструкций в результате ме-

стного их нагрева, изменение теплового и светового режимов помещений;

- воздействия агрессивных химических веществ, содержащихся в

воздухе, которые при соответствующем тепловлажностном режиме среды

могут вызвать коррозию материалов конструкций и привести к разруше-

нию конструкций здания;

- биохимические воздействия, вызываемые микроорганизмами, при-

водящие к разрушению конструкций из органических и даже неор-

ганических строительных материалов;

- воздействия звуковой энергии от источников шума, находящихся

вне или внутри здания, нарушающие нормальный акустический режим по-

мещений и узловых сопряжений конструктивных элементов.

Главная особенность проявления практически всех видов несило-

вых воздействий заключается в их знакопеременности (нестационарно-

сти), которая предопределяет стойкость материалов с сохранением их за-

данных качеств и, как следствие, долговечность конструкций и зданий в

целом.

Можно выделить следующие виды стойкости материалов:

○ морозостойкость материалов, т.е. способность водонасыщенного

материала противостоять многократному попеременному замораживанию

и оттаиванию с сохранением заданных качеств. Физическая особенность

данного процесса в том, что при увлажнении материала влага заполняет

его поры и при переменном замерзании и оттаивании создает напряженное

состояние в скелете материала с неизбежным его разрушением;

○ термостойкоть материалов, т.е. способность сухого материала

противостоять многократному попеременному нагреву и охлаждению с

сохранением заданных качеств;

○ влагостойкость материалов, т.е. способность материала противо-

стоять многократному попеременному увлажнению и сушке с сохранением

заданных качеств при сопутствующих деформациях размягчения, набуха-

ния, усадки, коробления, растрескивания, расслоения и т.п.;

○ коррозийная стойкость, т.е. способность материалов сопротивлять-

ся и противостоять разрушению, вызываемому химическими и электрохи-

мическими процессами с сохранением заданных качеств;

○ биохимическая стойкость, т.е. способность органических и даже

неорганических строительных материалов сохранять качества при дейст-

вии микроорганизмов и сопутствующих химических воздействий;

○ огнестойкость материалов, т.е. способность противостоять или со-

противляться воздействию огня с сохранением заданных качеств.

В некоторых случаях под влиянием одних и тех же факторов могут

возникать одновременно и силовые, и несиловые воздействия. Так, при

ветре под влиянием скоростного напора на поверхность ограждения дейст-

вует ветровая нагрузка и одновременно увеличивается количество прони-

кающего через неё воздуха, снижающего теплоизоляционные качества это-

го ограждения. Слой выпавшего снега создает дополнительную нагрузку

на покрытие и одновременно изменяет его температурный режим.

Последствия, вызываемые воздействиями на элементы здания, прояв-

ляются в виде многообразных процессов как при строительстве, так и при

эксплуатации. Определяются они формой, структурой и свойствами мате-

риалов, характером взаимосвязи с другими элементами здания, т. е. конст-

руктивным решением узловых сопряжений.

Воздействия и реакция. Рассмотрим характер внешних знакопере-

менных воздействий и особенности реакции конструктивных элементов

здания на эти физико-климатические воздействия. Начнем с анализа моро-

зостойкости материалов наружных ограждающих конструкций.

С физической точки зрения любое отапливаемое здание с его ограж-

дающими конструкциями является общей «шубой» для людей, технологи-

ческого процесса, животных и должно защищать помещения от переохла-

ждения, перегрева, ветра, осадков и других нежелательных воздействий,

давать максимальную возможность использования природных факторов –

свежего воздуха, естественного освещения и солнечной энергии при обяза-

тельном сохранении заданных эксплуатационных качеств.

Ограждающие конструкции являются преградой, разделяющей две

среды: наружную и внутреннюю с различными параметрами температуры,

давлений воздуха, содержания водяных паров и газовых вредностей. Через

толщу ограждений идет постоянный процесс переноса тепла, парообразной

и жидкой влаги из помещений, влаги косых дождей и газовых вредностей в

условиях перепадов температур и давлений внутреннего и наружного воз-

духа.

Поскольку долговечность ограждающих конструкций находится в

прямой зависимости от влажности их материалов при воздействии знако-

переменных температур и газовых вредностей, то эксплуатационное со-

стояние ограждений определяет качество среды как жилых, так и произ-

водственных помещений и в конечном счете срок службы всего здания. В

холодное время года температура воздуха с внутренней стороны, как пра-

вило, значительно выше температуры наружного воздуха и, как следствие,

упругость водяного пара с внутренней стороны ограждения оказывается

значительно выше, чем с наружной его стороны. Вследствие различия уп-

ругостей (парциальных давлений) водяного пара

нв

ее > по обеим сторо-

нам ограждений через его толщу к наружной поверхности перемещается

парообразная влага. Этот процесс носит название диффузии. В строитель-

ной теплофизике пользуются понятием «паропроницание» или общим по-

нятием «влагопроводность», включающим в себя процесс перемещений

влаги в материале независимо от механизма ее движения. При воздухо-

проницаемости ограждающих конструкций на процесс паропроницания

может накладываться процесс молярного переноса влаги за счет фильтра-

ции внутреннего и наружного влаж-

ного воздуха.

В случае, когда падение темпера-

туры по толщине ограждения будет

более интенсивным, чем падение уп-

ругости водяного пара, могут создать-

ся условия, когда парциальное давле-

ние водяного пара достигнет макси-

мальной упругости

е = , т.е. после

того, как материал использует всю

свою сорбционную ёмкость, достиг-

нув максимального сорбционного ув-

лажнения, возможно образование сво-

бодной влаги с выпадением в виде

конденсата с увлажнением материала

ограждающей конструкции.

В нестационарных условиях теп-

ловых воздействий в результате коле-

бания наружной температуры (рис.

2.6, а) увлажненная зона конденсаций может попеременно находиться в

условиях неизбежного промерзания и оттаивания. Влага, замерзая в порах

материала, при переходе в лед увеличивается в объеме на 9%. Воздействие

на материал ограждающих конструкций попеременного замораживания и

оттаивания подобно многократному воздействию растягивающей нагруз-

ки, вызывающей усталость материала и его разрушение. Так, кирпичные

стены расслаиваются по толщине в зоне конденсации влаги (рис. 2.6, б),

т.е. в продольной плоскости поперечного сечения ограждения, отстоящей

от внутренней поверхности примерно на 2/3 толщины.

Результаты исследований зданий в натурных условиях подтверждают,

что слои материала ограждения должны располагаться в следующем по-

1/3

2/3

δс

Рис. 2.6. Эксплуатационный ре-

жим кирпичной стены в нестацио-

нарных условиях воздействия сре-

ды: а – «морозные» напряжения; б

– расслоение стены: 1 – расслое-

ние; 2 – выпучивание слоя стены;

3 – распределение влажности; з.к.

– зона конденсации

рядке: у внутренней поверхности материалы плотные, как правило, тепло-

проводные и малопроницаемые, а к наружной, наоборот, пористые, паро- и

воздухопроницаемые. Аналогия – наша синтетическая одежда, типа плаща

«болонья» и т.п.: от дождя спасает, исключает испарение с тела человека.

Результат – жарко и «мокро». Нарушение

этого принципа в ограждающих конст-

рукциях индустриального типа приводит

к весьма плохим результатам. Размеще-

ние с наружной стороны плотного слоя с

большим сопротивлением паропроница-

нию препятствует удалению влаги из

толщи наружной стены и способствует

накоплению ее в зимний период у наруж-

ной поверхности теплоизоляционного

слоя (рис. 2.7). Влажность наружного

слоя теплоизоляции в 1,5 раза превышают

предельно допустимую. Это снижает теп-

лозащитные качества стен и их долговеч-

ность с расслоением и разрушением утеп-

ляющего слоя [10].

Огнестойкость зависит от сгораемо-

сти материала, т.е. его способности вос-

пламеняться и гореть. В зависимости от степени огнестойкости строитель-

ные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Предел огнестойкости выражается в часах времени, в течение которого

конструкции при стандартном воздействии огня и высоких температур со-

храняют заданные качества по несущей способности и устойчивости без

проявления деформаций. Можно отметить, что предел огнестойкости явля-

ется критерием назначения времени эвакуации людей за счет соответст-

вующих объемно-планировочных решений, применения необходимых ма-

териалов, конструкций и сохранения их эксплуатационной надежности при

пожаре.

Физической основой проявления влаго- или водостойкости строи-

тельных материалов являются попеременные процессы их увлажнения и

сушки, разрушающих стабильность структурных свойств материала. При

насыщении материала водой происходит его набухание (рис. 2.8, а). По-

лярные молекулы водно-паровой среды, проникая в промежутки между

гранулами, частицами или волокнами материала, как бы расклинивают их

с утолщением гидратных оболочек вокруг частиц с исчезновением внут-

ренних менисков и капиллярных сил. При высыхании материала происхо-

дит его обычная или поверхностная усадка с уменьшением объема (рис.

2.8, б, в). Усадка материала вызывается уменьшением толщины гидратных

Рис. 2.7. Температурно-влажност-

ный режим двухслойной наруж-

ной стены дома серии 1-335

слоев вокруг частиц материала и действием капиллярных сил по сближе-

нию между собой частиц материала. Чередование процессов увлажнения и

сушки пористых материалов сопровождается деформациями набухания и

усадки с появлениям трещин и расслоений. Характеристикой водостойко-

сти служит коэффициент размягчения, равный отношению предела проч-

ности на сжатие насыщенного водой материала

нас

R и сухого материала

сух

R , т.е.

сухнасраз

RRk /= , который изменяется от 0 (размокающие глины)

до 1 (металлы). Водостойкими считаются строительные материалы с ко-

эффициентом размягчения

8,0>

раз

k (гранит, бетон,

асбестоцемент и др.).

Термостойкость мате-

риала зависит от степени

его однородности и способ-

ности каждого компонента к

тепловым деформациям, ко-

торые характеризуются ко-

эффициентом линейного

или объемного расширения.

Чем меньше эти коэффици-

енты и выше однородность

материала, тем выше термо-

стойкость, большее количе-

ство циклов резких смен

температуры материал мо-

жет выдержать без наруше-

ния его сплошности. Термическое расширение является упругим для одно-

родных материалов, и оно полностью обратимо. В основе разрушения

структуры лежат физические явления, под влиянием которых в материале

возникают напряжения. Наибольшее разнообразие возникающих напряже-

ний наблюдается в структуре многокомпонентных материалов, т.е. с гете-

рогенной системой, из двух или большего количества компонентов с раз-

личными коэффициентами термического расширения. Если в однокомпо-

нентных материалах деформации, возникающие вследствие градиента

температур и коэффициента термического расширения, развиваются в

стесненных условиях с отсутствием условий свободного изменения объема

материала, то в многокомпонентных структурах при разнице коэффициен-

тов контактирующих компонентов неизбежно возникают касательные и

объемные напряжения. При большом количестве циклов резких смен тем-

ператур и знакопеременных деформациях компонентов может разрушаться

структура материала.

а)

б)

в)

Рис. 2.8. Идеализированная схема деформаций: а

– одностороннее увлажнение фанерного листа; б –

деформации при увлажнении и последующем вы-

сыхании; в – образование черепков при высыха-

нии глиняного слоя