Валов В.М. Введение в специальность. Проектирование зданий

Подождите немного. Документ загружается.

Ярким примером концентрации особенностей знакопеременных воз-

действий являются тепловые. Если рассматривать реакцию стержневого

элемента, например трубопровода на нестационарные воздействия окру-

жающей среды (рис. 2.9, а), то можно отметить, что свободно лежащий

элемент трубопровода беспрепятственно меняет свою длину

l при коле-

баниях температуры окружающей среды

t (рис. 2.9,б). Действительная

длина определяется с учетом коэффициента линейного теплового расши-

рения материала

трубопровода по элементарной формуле

()

ttll

⋅−=∆

210

В случае закрепления концов трубопровода резко меняется его реак-

ция на температурные колебания окружающей среды. С повышением тем-

пературы и неизбежным удлинением трубопровода в стесненных условиях

происходит его деформация в виде искривления (рис. 2.9,в), а при пониже-

нии температуры с сопутствующим укорочением трубопровода может

произойти его разрыв, особенно при многократных колебаниях температур

окружающей среды. Поэтому с целью предотвращения неизбежных де-

формаций в системе трубопроводов устраиваются так называемые компен-

саторы (рис. 2.9, г), которые «гасят» температурные деформации, работая

на сгибание и разгибание (рис. 2.9, д), обеспечивая большую долговеч-

ность.

Особенности знакопеременных несиловых воздействий и реакция

конструктивных элементов на эти воздействия ярко проявляются и в пло-

скостных конструктивных элементах: стеновых панелях, стареющем ас-

фальтобетоне, наружной облицовке стен и т.п. В стесненных условиях пе-

ременного нагрева и охлаждения отделочного слоя как по площади, так и

по толщине возникают деформации изгиба с отрывом от основания, тре-

щины по толщине с раскрытием к наружной плоскости (рис. 2.10,в). На-

пряжения взаимного поджатия по стыку плиток с максимальными их вели-

чинами в поверхностном слое и приводят к последовательному срезу со

Рис. 2.9. Схема деформаций

стержневых элементов в ус-

ловиях знакопеременных те-

пловых воздействий: а – ха-

рактер тепловых воздейст-

вий; б – свободно лежащий

элемент трубопровода; в –

трубопровод с защемленны-

ми концами; г – трубопровод

с компенсаторами; д – харак-

тер деформации петли ком-

пенсатора; d-d и е-е – оси при

H.1

; в-в и с-с – при t

H.2

сколом материала, начиная с поверхно-

сти отделочного слоя (рис. 2.10, г).

Шарнир разрушения в стыке плиток от-

делочного слоя обеспечивает свободу

изгибных деформаций с разрушением в

форме «отстрела» отдельных плиток.

Предотвратить эти последствия можно

назначением размеров плиток отделоч-

ного слоя, конструктивным решением

стыка плиток, заполнением стыка рав-

нодолговечными материалами с отде-

лочным слоем, упругими материалами

или устройством открытых стыков.

Заметный интерес представляют

воздействия на оболочку зданий и реак-

ция ее на эти воздействия. В той или

иной степени здание подвергается теп-

ловым воздействиям со стороны грунта,

внутренней и наружной воздушной сре-

ды. Если колебания температуры в

большинстве помещений гражданских и

промышленных зданий составляют

()

32 ÷±=∆

С, а в грунтовом основа-

нии под зданиями

()

±=∆

гр

С, то

колебания температур наружного воз-

духа на порядок выше:

(

)

4020

=∆

С. Поэтому переменные тепловые воз-

действия наружного воздуха определя-

ют деформации оболочки и характер ее

реакции (рис. 2.11).

Анализ реакции здания и его кон-

структивных элементов на переменные

тепловые воздействия с учетом того,

что длина и высота представляют

деформации

tll

⋅

∆⋅=∆

tHH

⋅∆⋅=∆

, позволяет намечать

некоторые объемно-планировочные и конструктивные решения: разрезку

зданий температурными швами на блоки; определять географию размеще-

ния вертикальных связей; вид сопряжений конструктивных элементов и

т.д.

Рис. 2.10. Схема деформаций пло-

скостных элементов отделочных

слоев: а – характер тепловых воз-

действий; б – схема деформаций; в –

вид с фасада; г – эпюра сжимающих

напряжений в швах и последова-

тельный срез тела элементов отде-

лочного слоя в пределах стыка; 1 –

плоскость выгиба; 2 – трещины; 3 –

отрыв плитки; 4 – последовательный

ез по пе

имет

ру

отделочных плит

2.5. Элементы строительной

теплофизики

Строительная климатоло-

гия

. Основная задача строительной

климатологии – обоснование целе-

сообразности решений планировки

городской застройки, выбор типов

зданий и ограждающих конструк-

ций, параметров для их расчета с

учетом климатических особенно-

стей района строительства. Все

климатические показатели, необ-

ходимые для решения строитель-

ных вопросов, разделяют на две

группы. Группа

А – показатели

для выбора типа застройки и типа

здания в зависимости от классов

погоды и их продолжительности.

Группа

Б – показатели для тепло-

технического расчёта ограждаю-

щих конструкций (охлаждение,

нагревание, увлажнение).

Существенно важным являет-

ся общее влияние влажности кли-

мата на здания и их ограждающие

конструкции. Нормами по строи-

тельной теплотехнике (СНиП) на

территории СНГ установлены зо-

ны: сухие, нормальные, влажные.

Эти зоны обуславливают разное

влажностное состояние конструк-

ций и величины теплопроводности

материалов.

Классы погоды характеризу-

ются тепловыми воздействиями на

человека в зависимости от средней

дневной температуры

дн

ср

t :

o очень холодная 12( −<

дн

ср

С)

– закрытый режим задания, отопление, пребывание людей в здании;

o холодная 8( +<

дн

ср

С) – закрытый режим здания, отопление;

Рис. 2.11. Схема деформаций оболоч-

ки здания в условиях знакоперемен-

ных тепловых воздействий окружаю-

щей среды: а – характер тепловых

воздействий; б – вид деформаций по

профилю; в – по плану в уровне по-

крытия; г – разрезка здания на темпе-

ратурные блоки

∆t

o прохладная 15...8( +=

дн

ср

С) – закрытые окна, кратковременное поль-

зование открытыми помещениями (балконы, лоджии, террасы);

o тёплая 28...16( +=

дн

ср

С) – открытый режим здания, длительное поль-

зование открытыми помещениями;

o жаркая 28( +=

дн

ср

С) – необходимость защиты здания от перегрева;

o очень жаркая 32( +=

дн

ср

С) – неблагоприятное воздействие темпера-

туры на человека.

В соответствии со строительными нормами и правилами вся террито-

рия СНГ разделена на четыре района: I – с очень холодной длительной су-

ровой зимой и коротким прохладным летом (Крайний Север, северо-восток

страны); II – с холодной зимой, но тёплым или умеренно жарким летом

(центральная и северо-западная территория европейской части, а также

прибрежные дальневосточные территории); III – с отрицательной, иногда

низкой зимней температурой, но обычно жарким летом (преимущественно

территории с континентальным климатом в средней полосе и отчасти юге

и юго-востоке); IV – с короткой и неустойчивой зимой, длительным жар-

ким и очень жарким летом (крайне южные и юго-восточные территории).

Каждый из этих четырёх районов подразделён на 3–5 подрайонов (А, Б, В,

Г, Д), всего 16 подрайонов.

С учётом приведённых климатических данных решаются задачи:

градостроительные (выбор участка, расположение, ориентация зданий);

объёмно-планировочные (размеры, форма здания, размеры и форма поме-

щений и их взаимосвязь); конструктивные (выбор материалов и конструк-

ций, проведение инженерных расчётов, учёт особых воздействий); приме-

нение специального инженерного оборудования.

Теплозащитные качества ограждающих конструкций. Наружные

ограждающие конструкции разделяют две среды с различными параметра-

ми и должны обладать: достаточными теплозащитными свойствами (со-

хранять тепло в холодный период и защищать помещения от перегрева в

жаркое время); необходимой теплоустойчивостью (тепловой инерцией), то

есть иметь допустимую амплитуду колебания температуры на внутрен-

ней поверхности стены при суточном изменении её на наружной по-

верхности; допустимой воздухопроницаемостью; сохранять нормальный

влажностный режим; не допускать на внутренней поверхности конденса-

тообразования; обеспечивать необходимые гигиенические условия.

Через ограждающую конструкцию здания при наличии разности тем-

ператур между воздухом в здании и окружающим его наружным воздухом

будет осуществляться теплопередача (рис. 2.12). Теплопередача – это со-

вокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии от более на-

гретых тел к другим, менее нагретым [2].

Количество тепла Q , проходящего через ограждение, может быть оп-

ределено по формуле

()

нв

Q ⋅⋅⋅−=

ττ

, (2.1)

где

– коэффициент теплопроводности материала, Вт/м˚С;

– толщина

ограждения,

м;

– площадь ограждения, м

;

– время, ч.

Из формулы (2.1)

()

нв

ττ

−⋅⋅

⋅

= . (2.2)

Если толщину ограждения, его площадь, время теплопередачи и

разность температур принять равными единице, то

, т. е. коэффици-

ент теплопроводности представляет собой количество тепла в джоулях, ко-

торое проходит в единицу времени через 1 м однородного ограждении

толщиной 1м

при разности температур на его поверхностях 1 °С. Важ-

нейшим теплотехническим свойством однородного ограждения является

его термическое сопротивление, т.е. способность сопротивляться прохож-

дению через него тепла, которое определяется разностью температур с од-

ной и другой стороны поверхности ограждения и выражается формулой

, (˚См

/Вт). Термическое сопротивление конструкции равно сумме

термических сопротивлений всех слоев, т. е.

∑

. Здесь

– толщина

отдельного слоя;

– коэффициент теплопроводности материала слоя.

При переходе теплового потока через ограждение температура снижа-

ется не только в материале ограждения, но и около его поверхностей в ре-

зультате наличия ламинарного слоя воздуха, который обладает термиче-

ским сопротивлением

влспс

/= . Однако толщина ламинарного слоя

Рис. 2.12. Схема теплового потока и

распределение температур в ограж-

дающей конструкции: t

– темпера-

тура наружного воздуха,

С; t

– тем-

пература внутреннего воздуха,

С;

н.п

– температура наружной поверх-

ности ограждения,

С; τ

в.п

– темпера-

тура внутренней поверхности ограж-

дения

С; R

, R

– сопротивление те-

плообмену соответственно внутрен-

ней и наружной поверхности ограж-

дения,

См

/Вт; R – термическое со-

противление ограждения,

См

/Вт; R

– общее сопротивление теплопере-

даче ограждения,

См

/Вт

воздуха

пс

является переменной величиной в результате его разрушения

турбулентными потоками воздуха. Поэтому процесс теплопередачи у

внешних поверхностей принято характеризовать коэффициентами тепло-

обмена, соответственно

нн

R/1=

для наружной и

вв

R/1

для внут-

ренней поверхности ограждения (Вт/м

°С).

Общее сопротивление теплопередаче однослойного ограждения

нв

αλ

++= , (2.3)

а для многослойных ограждений

нi

αλ

++=

∑

. (2.4)

При стационарном тепловом режиме входящий в ограждение тепловой

поток и проходящий через него равны между собой:

првх

, поэтому

нв

вв

−

, (2.5)

откуда

нв

вв

−

−=

, (2.6)

а температура на внутренней поверхности любого слоя ограждения

)(

хв

нв

вх

t +

−

−=

, (2.7)

здесь

– сумма термических сопротивлений слоев от внутренней по-

верхности ограждения до слоя определения.

С учётом обязательного обеспечения санитарно-гигиенических требо-

ваний температура внутренней поверхности ограждения должна быть не

ниже, а выше температуры точки росы, то есть

трв

> . Поэтому с учётом

этих требований и требований по исключению «холодной» радиации тем-

пературный переход между температурой внутреннего воздуха и темпера-

турой внутренней поверхности ограждения нормируется

вв

−=∆

()

нв

тр

ntt

⋅∆

⋅

−

, (2.8)

здесь n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности

ограждения по отношению к наружному воздуху;

t и

t – расчётные тем-

пературы соответственно внутреннего и наружного воздуха, °С.

Однако кроме расчёта из условий обеспечения санитарно-

гигиенических требований

∆

трв

> необходим расчёт ограждающих

конструкций из условий энергосбережения, то есть определения

эф

тр

R , ве-

личина которого, как правило, больше

R , то есть

трэф

тр

> .

Влажностный режим ограждающих конструкций. Неизбежные

увлажнения наружных ограждающих конструкций нарушают их эксплуа-

тационные качества: теплозащиту и долговечность, а также санитарно-

гигиенические условия помещений. Поэтому при проектировании наруж-

ных ограждающих конструкций необходимо прогнозировать их теплоза-

щитные качества и предусматривать методы предотвращения возможности

их увлажнения.

Разность упругостей водяного пара с одной и с другой стороны огра-

ждения является потенциалом переноса потока водяного пара через ограж-

дение. Это явление носит название диффузии водяного пара. Между про-

цессами диффузии газов и процессами тепловодности имеется полная ана-

логия. Поэтому по аналогии с формулой (2.1) можно написать

()

⋅⋅⋅−= ZFееP

нв

, (2.9)

где

– количество диффузионного пара, кг/м

ч;

– упругости во-

дяного пара с внутренней и наружной стороны ограждения, Па;

– коэф-

фициент паропроницаемости материала мг/(м·ч·Па).

При диффузии водяного пара через ограждающую конструкцию его

парциальное давление понижается с величины

пв

до величины

е за счет

общего сопротивления конструкции паропроницанию, которое определя-

ется по формуле

нппвпоп

RRRR

∑

, (2.10)

где

вп

нп

– сопротивления влагообмену соответственно на внутрен-

ней и наружной поверхностях ограждения;

R – сопротивление па-

ропроницанию слоя конструкции, м

Па/кг.

Величина парциального давления водяного пара в плоскости х попе-

речного сечения ограждающей конструкции определяется по формуле

()

∑

+⋅

−

−=

впхп

оп

нв

вх

ее

. (2.11)

Эта формула позволяет определить значение давлений в интересую-

щих плоскостях, как правило, в плоскостях – границах конструктивных

слоев поперечного сечения многослойных конструкций.

Причинами увлажнения ограждающих конструкций являются:

- строительная влага, которая вносится в ограждающие конструкции при

возведении зданий или при изготовлении их элементов;

- грунтовая влага, которая при отсутствии гидроизоляционных стен может

проникать в ограждения из грунта вследствие капиллярного всасывания

материалом стен зданий с их увлажнением до высоты 2–2,5 м от уровня

земли;

- атмосферная влага, которая проникает в ограждения при косом дожде в

результате смачивания поверхности стен и неисправности кровли и водо-

стоков;

- эксплуатационная влага, выделение которой связано с эксплуатацией

зданий, преимущественно в цехах промышленных зданий с мокрыми про-

цессами производства: текстильных, кожевенных, пищевых;

- гигроскопическая влага, которая накапливается в ограждении вследствие

гигроскопичности его материалов;

- конденсационная влага, которая является результатом конденсации вла-

ги из воздуха в зонах контакта с материалом, когда температура контакта

становится равной температуре точки росы

РТ .

Гигроскопичность – это свойство материала поглощать (сорбиро-

вать) влагу из воздуха.

Влагосодержание материала в обычных условиях при установившемся

равновесии процессов влагообмена с окружающей средой называется рав-

новесной влажностью

равн

. Закономерность изменения равновесного

влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоян-

ной температурой, но возрастающей относительной влажностью, выража-

ется изотермой сорбции (рис. 2.13).

Различают абсолютную и относительную влажности воздуха. Причём

абсолютная влажность определяется количеством граммов водяного пара,

содержащегося в 1м

воздуха, и обозначается

(г/м

), а относительная

влажность воздуха выражается в процентах. Определяется она отношени-

ем действительной упругости воздуха е (Па) к максимально возможной

его упругости

(Па), соответствующей данной температуре, то есть

%100

. Следует отметить интересный эффект образования росы на

холодных предметах при внесении их в тёплое помещение. Этот эффект

связан с охлаждением воздуха, ростом действительной упругости водяного

пара и достижением максимальной величины, то есть

→ , а

%100→

Рис. 2.13. Изотермы сорбции влаги для харак-

терных групп строительных материалов: I –

материалы со смачиваемой гидрофильной по-

верхностью пор капилляров и присутствием

остмотически связанной влаги; II – с промежу-

точными свойствами; 1 – количество влаги, ха-

рактеризующее влагоемкость материала при

его увлажнении в пределах от начальной (рав-

новесной) влажности до максимальной сорбци-

онной; III – с несмачиваемой (гидрофобной)

поверхностью

100

Температура, при которой наступает полное насыщение воздуха во-

дяным паром, называется температурой точки росы

РТ .

. При дальнейшем

понижении температуры излишнее количество влаги будет конденсиро-

ваться, то есть переходить в жидкое состояние. Конденсация влаги при на-

личии в воздухе или на поверхности конструкции гигроскопических солей

происходит при %100<

. Так, возможность в присутствии NaСl наступа-

ет при %75=

; NaNO

– при %66

; СаС1

– при %32

В подавляемом большинстве случаев конденсация влаги является

единственной причиной повышения влажности ограждения. Влага из воз-

духа может конденсироваться на внутренней поверхности ограждения и в

его толще. Поступление влаги в толщу ограждения осуществляется за счёт

паропроницаемости материалов ограждения и воздухопроницаемости с

молярным переносом парообразной влаги через толщу проницаемого ог-

раждения. Наружное ограждение считается удовлетворяющим требовани-

ям паропроницаемости, если оно отвечает условию

тр

2,1

≥ , где

R –

фактическое сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции,

м·ч·Па/мг, в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной

конденсации, а

тр

2,1

– требуемые сопротивления паропроницанию, отве-

чающие одному из двух условий влагосодержання в материале конструк-

ции. Плоскость возможной конденсации в однородной (однослойной) ог-

раждающей конструкции располагается на расстоянии, равном 2/3 толщи-

ны конструкции от ее внутренней поверхности, а в многослойной конст-

рукции совпадает с наружной поверхностью утеплителя (рис. 2.14).

Графоаналитический метод расчета влажностного режима

ограждающих конструкций. Для определения возможности появления

Рис 2.14. Расположение плоскости возможной конденсации внутри огражде-

ния: а – в стене, утепленной изнутри; б – в стене утепленной снаружи; в – в одно-

слойной стене с внутренним отделочным слоем; г – в покрытии с рулонной кровлей;

1 – плоскость возможной конденсации;

– соответственно размеры

толщины ограждения, увлажняемого слоя, внутреннего и наружного отделочных

слоев

конденсата в материале ограждения и количественной оценки конденсиро-

ванной влаги в условиях стационарного режима диффузии водяного пара

используют графоаналитический метод расчета влажностного состояния

ограждающих конструкций. Этот метод является эффективным средством

в научных и инженерных исследованиях и разработке новых ограждающих

конструкций. Сущность его состоит в построении на поперечном разрезе

ограждающей конструкции линии изменения температуры, действитель-

ной и максимальный упругости водяного пара. Значения этих величин оп-

ределяют на границах слоев в многослойных ограждениях или в условных

плоскостях, на которые разбивают однородное (однослойное) ограждение.

Расчет на конденсацию влаги в ограждении делается графически сле-

дующим образом (рис. 2.15):

1. В ограждении строятся линии падения температуры по формулам

(2.6) и (2.7). В отличие от процессов теплопередачи процессы диффузии

водяного пара через ограждающие конструкции протекают значительно

медленнее, в результате чего для стабилизации процесса диффузии требу-

ется более продолжительное время. Поэтому упомянутые значения расчет-

ной температуры

t и действительной

упругости водяного пара

наружного

воздуха принимают равными средним

величинам: для массивных конструк-

ций – за холодный период, для конст-

рукций средней массивности – за наи-

более холодный месяц, для легких,

быстро увлажняемых конструкций – за

наиболее холодный двухнедельный

период.

2. По температурной линии стро-

ится линия изменения максимальной

упругости водяного пара

в ограж-

дении.

3. Затем строится линия падения

действительной упругости водяного

пара

е по формуле (2.11). Если ли-

нии

и е не пересекаются, то это указывает на отсутствие конденсации

водяного пара в ограждении, так как при этом в любой плоскости ограж-

дения действительная упругость водяного пара оказывается ниже макси-

мальной упругости, что исключает возможность конденсации водяного па-

ра. Если же линии

и е пересекаются, то это значит, что в ограждении

возможна конденсация водяного пара.

Количество конденсированной влаги в материале определяется как

разность входящего количества

и выходящего из конструктивного слоя

Рис. 2.15. Тепловлажностный ре-

жим ограждающих конструкций