WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

В.И. ЛЕДЕНЕВ, И.В. МАТВЕЕВА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАPУЖНЫХ КИРПИЧНЫХ СТЕН ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» В.И. Леденев, И.В. Матвеева ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАPУЖНЫХ КИРПИЧНЫХ СТЕН ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ Утверждено Ученым советом университета в качестве учебного пособия для студентов специальности 270105 «Городское строительство и хозяйство» Тамбов Издательство ТГТУ 2005 ББК Н711-09я73 УДК 624.059.7 Л39 Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор В.П Ярцев Генеральный директор ОАО ПИ Тамбовгражданпроэкта А.А. Воронков Леденев, В.И.

Л39 Физико-технические основы эксплуатации наpужных кирпичных стен гражданских зданий :

учеб. пособие / В.И. Леденев, И.В. Матвеева. Тамбов : Изд-во Тамб. гос. тех. ун-та, 2005. 160 с.

Изложены физико-технические основы эксплуатации кирпичных стен гражданских зданий. Рас смотрены процессы тепло-, влаго- и воздухопереноса в кирпичных стенах и их влияние на эксплуа тационные качества стен, показаны меры, ограничивающие негативные воздействия температур, влаги и воздуха на кирпичные стены. Даны примеры оценки физико-технических параметров экс плуатируемых кирпичных стен зданий.

Пособие предназначено для студентов специальности 270105 «Городское строительство и хозяй ство» всех форм обучения, изучающих курсы по технической эксплуатации и ремонту зданий. Оно также может быть полезным инженерно-техническим работникам, занимающимся эксплуатацией, ремонтом и реконструкцией зданий.

ББК Н711-09я УДК 624.059. ISBN 5-8265-0399- © Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), © Леденев В.И., Матвеева И.В., Учебное издание Леденев Владимир Иванович, Матвеева Ирина Владимировна ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАPУЖНЫХ КИРПИЧНЫХ СТЕН ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ Учебное пособие Редактор З.Г. Чернова Компьютерное макетирование Е.В. Кораблевой Подписано в печать 17.06.2005.

Формат 60 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Гарнитура Тimes New Roman. Объем: 9,3 усл. печ. л.;

9,5 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. С. 437M Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета, 392000, Тамбов, Советская, 106, к. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН q – плотность теплового по- Rext – сопротивление теплоот тока даче, (тепловой поток на еди- м2·°С/Вт;

ницу площади), Вт/м2;

Rk – термическое сопротив ление ог- раждающей конструкции, T, t – температура, К (°С);

м2·°С/Вт;

– температура поверхно- R – термическое сопротивле ние слоя сти, °С;

(i, e) – коэффициент те- ограждающей конструкции, плообмена м2·°С/Вт;

r (тепловосприятия или теп – приведенное термическое Rk лоотдачи), сопро- Вт/ (м2·°С);

тивление конструкции, м2·°С/Вт;

r С – коэффициент излучения – приведенное сопротив R поверх- ление теп- ности, Вт/м2·К4;

лопередаче ограждающей конструк- p – пористость материала, ции, м2·°С/Вт;

%;

qcal – расчетная величина теп 0 – объемная плотность лового материала, кг/м3;

потока, Вт/м2;

– плотность материала без siaV, seaV – средние темпера наличия туры пор, кг/м3;

внутренней и наружной по верхностей V – объем, м3;

ограждения, °С;

– толщина конструкции n – коэффициент, характери или ее зующий отдельного слоя, м;

положение наружной поверх ности m – масса материала, кг;

стены;

w – влажность материала по Rreq – нормативное сопротив ление массе, %;

теплопередаче ограждения, м2·°С/Вт;

wV – влажность материала Dd – градусо-сутки отопи по тельного объему, %;

периода, °С·сут.;

tht – средняя температура – расчетный коэффициент отопитель- тепло- проводности материала, ного периода, °С;

Вт/(м·°С);

0 – коэффициент теплопро- zht – продолжительность ото питель- водности материала в сухом состоя- ного периода, сут.;

нии, des Вт/(м·°С);

– удельный расход теп qh ловой с – удельная теплоемкость энергии на отопление здания, материала, Дж/(кг·0С);

кДж/(м2·°С·сут) или кДж/(м3·°С·сут.);

red со – удельная теплоемкость – нормируемый удельный qh материала расход в сухом состоянии, тепловой энергии на отопле Дж/(кг·°С);

ние зда- соV – объемная теплоем- ния, кДж/(м2·°С·сут.) или кость мате- риала, Дж/(м3·°С);

кДж/(м3·°С·сут.);

R0 – сопротивление тепло- tn – нормируемый темпера передаче турный ограждающей конструкции, перепад температур внутрен него воз- м2·°С/Вт;

Rint – сопротивление тепло- духа и внутренней поверхно восприя- сти ог- тию, м2·°С/Вт;

раждения, °С;

red – относительная влаж- – нормируемое сопро Rvp ность тивление воздуха, %;

паропроницанию, м2·ч·Па/мг;

f – абсолютная влажность G – воздухопроницаемость воздуха, конст- г/м3;

рукции, кг/(м2·ч);

e – действительная упру- i – коэффициент воздухопро гость водяно- ницае- го пара, Па;

мости материала или слоя ог ражде- E – максимальная упругость ния, кг/(м2·ч·Па);

водяного пара (парциальное давление Rinf – сопротивление воздухо насы- проница- щенного водяного пара), Па;

нию ограждения или его от дельного µ – коэффициент паропро- слоя, м2·ч·Па/кг;

ницаемости red материала, мг/(м·ч·Па);

– нормируемое сопро Rinf тивление z – время, ч;

воздухопроницанию ограж дения, Rvp – сопротивление паро- м2·ч·Па/кг;

проница- нию конструкции, – удельный вес воздуха, м2·ч·Па/мг;

Н/м3.

Rvint, Rvext – сопротивления влагооб- мену на внутренней и на- ружной по- верхностях стены, м2·ч·Па/мг;

УКАЗАТЕЛЬ ОБОЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ИНДЕКСОВ а – воздушная среда;

min – минимальное значение;

al – воздушная прослойка;

n – нормативное значение;

av – средняя величина;

o – нормативное значение, обозначе- cal – рассчитанное значение;

ние градуса, показатель в су хом со- con – условная расчетная стоянии;

величина;

d – сутки, точка росы;

r – приведенное значение;

des – проектное значение;

red – требуемое значение;

e, ext – наружная среда или se – наружная поверхность;

огражде- ние;

si – внутренняя поверхность;

h – теплота;

t – температура;

ht – отопление;

V – объем;

i, int – внутренняя среда или w – показатель по влажном ограж- состоя- дение;

нии;

i – целочисленное перечис- vp – паропроницание;

ление;

ins – теплоизоляция;

– температура поверхности;

inf – инфильтрационная со- 1, 2, 3,… – порядковая нуме ставля- рация ющая;

символа;

k – конструкция;

А, Б – наименование условий экс- max – максимальное значе- плуатации.

ние;

ВВЕДЕНИЕ Кирпич является одним из древнейших искусственно созданных человечеством материалов, повсе местно используемых в практике строительства. Как строительный материал кирпич нашел широкое применение и в России. Из него за многие сотни лет на территории России возведено огромное коли чество зданий, определяющих в настоящее время основной опорный фонд большинства городов страны и имеющих экономическую, историческую, культурную и архитектурную значимость. В этой связи сохранение и поддержание кирпичных зданий в надлежащем состоянии является важнейшей задачей эксплуатирующих их организаций.

Происходящие в стенах процессы тепло-, влаго- и воздухопереноса при определенных условиях мо гут существенно ухудшать эксплуатационные качества стен, снижать их прочностные характеристики и долговечность. Поэтому успешное решение задачи по сохранению кирпичных зданий во многом зави сит от знания эксплуатационниками физических процессов переноса влаги, тепла и воздуха в конструк циях кирпичных стен.

В настоящем пособии рассмотрены физико-технические основы эксплуатации кирпичных стен граж данских зданий. С позиций обеспечения их надежной эксплуатации последовательно рассмотрены:

конструктивные решения и материалы стен эксплуатируемых зданий;

внешние и внутренние воздей ствия на стены;

требования, определяющие эксплуатационные качества стен;

процессы теплоперено са и теплозащитные качества стен;

влажностный режим стен и меры по ограничению их увлажнения;

воздушный режим стен и меры по ограничению их повышенной воздухопроницаемости;

принципы восстановления теплозащитных качеств стен.

Излагаемый в пособии материал сопровождается простыми и наглядными примерами, отражающи ми процессы тепло-, влаго- и воздухопереноса в кирпичных стенах, а также примерами улучшения фи зико-технических качеств эксплуатируемых кирпичных зданий.

Пособие предназначено для студентов специальности «Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения, в том числе для бакалавров и магистров. Оно может быть полезным инженерно техническим работникам, занимающимся эксплуатацией кирпичных зданий, а также проектировщикам, разрабатывающим проекты капитального ремонта и реконструкции зданий с кирпичными стенами.

1 КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ КИРПИЧНЫХ СТЕН ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ Многовековой опыт строительства в России зданий с кирпичными стенами и их эксплуатация в различных природно-климатических условиях страны способствовали появлению и накоплению в опорном фонде современных городов кирпичных зданий с различными конструктивными решениями наружных стен. Эксплуатируемые в настоящее время здания различаются между собой по конструктив ным схемам и системам несущего остова, конструктивным решениям стен, примененным материалам и изделиям. Наличие такого разнообразия в основном связано с уровнем технического развития строи тельного производства в разные периоды возведения зданий. Своеобразие конструктивных решений, качество применяемых материалов и технология возведения оказывают существенное влияние на физи ческие процессы переноса тепла, влаги и воздуха в конструкциях стен и, соответственно, на их долго вечность и эксплуатационную надежность.

Ниже с этих позиций рассмотрены конструктивные решения и материалы эксплуатируемых в на стоящее время кирпичных стен гражданских зданий.

1.1 Конструктивные схемы и системы кирпичных зданий Стены являются основным элементом несущего остова здания и совместно с фундаментами и пере крытиями обеспечивают его жесткость и устойчивость. Жесткость и устойчивость эксплуатируемых кирпичных зданий определяется конструктивной схемой стен и конструктивной си-стемой здания, обеспечивающей их взаимосвязь и совместную работу со всеми остальными элементами несущего ос това.

По конструктивным схемам эксплуатируемые кирпичные здания делятся на схемы с продольными или поперечными несущими стенами и схемы с перекрестным расположением продольных и попереч ных несущих стен. В кирпичных зданиях имеются также схемы с внутренними колоннами, заменяю щими внутренние несущие стены. Кроме того, в кирпичных зданиях, и особенно, старой постройки, встречаются комбинированные конструктивные схемы, например, схемы с продольными и поперечны ми стенами, с продольными и поперечными стенами и внутренними колоннами и т.п. Основные виды конструктивных схем эксплуатируемых кирпичных зданий приведены на рис. 1.1.

В зданиях с продольными несущими стенами наружные стены выполняют две функции: несущую и ограждающую. При обеспечении несущей функции кирпичные стены должны обладать достаточной несущей способностью для восприятия нагрузок от собственного веса и веса, передающегося на них с перекрытий и крыши.

2Б 4А А а) б) г) 2А 3Б 5А в) 3А B 5Б B2 B2 B Рис. 1.1 Конструктивно-планировочные схемы кирпичных зданий с продольными (а), поперечными (б) и перекрестными (в) несущими стенами и с неполным каркасом (г):

1 – однопролетные;

2 – двухпролетные;

3 – трехпролетные;

4 – многопролетные;

5 – смешанные;

А – с внутренними несущими стенами;

Б – с колоннами, заменяющими внутренние стены Следовательно, наружные несущие стены должны выполняться из прочных материалов, но обла дающих в этой связи повышенной теплопроводностью. Для обеспечения ограждающей функции, и в частности, по теплозащите, наружные несущие стены должны выполняться из теплоизолирующих ма териалов, имеющих меньшую прочность по сравнению с материалами, используемыми для внутренних несущих конструкций. Необходимость использования в стенах материалов, обеспечивающих одновре менно требования прочности и теплозащиты, привела к ограничению этажности кирпичных зданий с продольными несущими стенами в основном пятью этажами. При большей высоте здания толщина на ружных стен определялась уже не требованиями норм теплозащиты, действующими в стране до 1995 г., а требованиями прочности.

Кирпичные здания высотой девять этажей и более, как правило, возводились с поперечными несу щими стенами. Схемы с перекрестным расположением продольных и поперечных несущих стен ис пользовались при строительстве кирпичных зданий повышенной этажности. Наружные стены в этих зданиях, как правило, являются самонесущими и в основном выполняют ограждающие функции. По этой причине материал и толщина внутренних стен определялись необходимой прочностью, а наруж ных стен – их теплозащитными качествами при одновременном соблюдении требований прочности.

В зданиях с внутренними колоннами наружные кирпичные стены, как правило, выполнялись несу щими. По этой причине здания с неполным каркасом возводились в основном высотой до пяти этажей.

Все кирпичные здания вне зависимости от принятых конструктивных схем имеют стоечно-балочные конструктивные системы: коробчато-стеновую при сборных плитных, сборно-монолитных и моно литных железобетонных перекрытиях в современных зданиях и балочно-стеновую при балочных пе рекрытиях с деревянными, металлическими или железобетонными балками и с деревянным, кирпич ным или бетонным межбалочным заполнением. Балочные перекрытия в основном применялись в зданиях постройки ранее 50-х гг. XX в.

Жесткость и устойчивость в кирпичных зданиях с коробчато-стеновой конструктивной системой обеспечивается жестким соединением продольных и поперечных стен и жесткими дисками перекрытий.

В зданиях с балочно-стеновой системой жесткость и устойчивость в большей мере обеспечивается жестким соединением продольных и поперечных стен, а также за счет раскрепления стен балками пере крытий.

В зданиях, возводимых до 20-х гг. XX в., для повышения жесткости и устойчивости в стенах уст раивались металлические связи. Связи устанавливались выше уровня оконных перемычек и располага лись по всем капитальным продольным и поперечным стенам. Количество связевых поясов зависело от наличия в здании арочных перекрытий и проемов, приводящих к появлению распорных сил, а также этажности здания. При обследовании кирпичных зданий, построенных в Тамбове до 20-х гг. ХХ в., на ми было выявлено, что практически во всех одноэтажных зданиях пояса устанавливались над оконными проемами выше уровня арочных или клинчатых перемычек. В двух- и трехэтажных зданиях связи рас полагались над перемычками второго и третьего этажей ниже или выше уровней междуэтажных пере крытий. Связи выполнялись из кованой полосой стали и реже из стали квадратного сечения. Площадь поперечного сечения тяжей составляла 6…9 см2. По длине элементы связей соединялись штырями, ус танавливаемыми в петли элементов связей. Петли выполнялись с помощью «кузнечной» сварки.

Как показали обследования, связи за счет надежного сцепления металла с материалами кладки в зна чительной мере обеспечивают монолитность кладки, жесткость и устойчивость стен. Особенно это важно для зданий, построенных на слабых грунтах, и зданий с деревянными балочными перекрытия ми. Об этом, в частности, свидетельствуют факты появления в стенах трещин после случайных раз рывов связей во время эксплуатации и при разрезании их во время ремонтов зданий.

1.2 Материалы кирпичных стен Материалами кирпичных стен являются кирпичи различных способов производства и кладочные строительные растворы.

Кирпичи относятся к искусственным строительным материалам. По виду производства кирпичи бывают обжигового и автоклавного изготовления. К обжиговым относятся глиняные кирпичи. Они бы вают сплошного сечения и с пустотами. К автоклавным относятся силикатные и шлаковые кирпичи.

Все кирпичи, использованные в кладке существующих зданий, условно можно разделить на три ви да:

- керамические (глиняные) полнотелые кирпичи;

- силикатные кирпичи;

- облегченные (легковесные) кирпичи.

К легковесным кирпичам относятся сорта кирпичей, имеющих объемную плотность 1500 кг/м3.

По этому признаку к легковесным кирпичам относятся пористые кирпичи, трепельные, глиняно трепельные, пу-стотелые, дырчатые, шлаковые и др.

Наибольшее распространение в практике имеют здания с кирпичными стенами, выполненными из керамических и силикатных кирпичей.

Керамические кирпичи в настоящее время изготавливают способами пластического формования или полусухого прессования из глинистых и кремнеземистых пород, обожженных в печах. Для кладки наружных стен в силу особенностей их эксплуатации под действием различных природных факторов используются кирпичи пластического формования. Кирпичи полусухого формования используются для устройства внутренних конструкций.

Кирпичи, изготовленные до начала ХХ в., по качеству обжига и, соответственно, по эксплуатацион ным характеристикам можно условно разделить на три сорта [2]: железняк, красный, алый.

Наиболее обожженный кирпич, называемый «железняком», имеет стекловидную поверхность. Он обладает повышенной прочностью и морозостойкостью. По этим причинам его использовали для наи более нагруженных конструкций, работающих в условиях повышенной влажности, то есть для фунда ментов, стен подвалов и цокольных участков наружных стен. При обследовании церковных построек Тамбовской области нами также установлено, что наиболее нагруженные участки стен, столбы и колон ны церквей во многих случаях выполнялись из «железняка».

Хорошо и равномерно обожженный кирпич, называемый «красным», имеет, как правило, ярко красный цвет, хорошую равномерную плотность по объему, правильные грани и сравнительно высокую прочность. При простукивании такой кирпич издает звонкий звук. «Красный» кирпич использовался для строительства наружных кирпичных стен. В частности, в Тамбове все значимые по тому времени гражданские и церковные здания возведены с использованием «красного» кирпича.

Третий сорт кирпича назывался «алым». Кирпичи этого сорта обжигались при более низких темпе ратурах. Об этом свидетельствуют их бледные цвета. При простукивании «алые» кирпичи издают глу хой звук. Они имеют пониженную прочность и морозостойкость. При строительстве «алые» кирпичи использовались в основном для забутовки в наружных стенах и для кладки внутренних малонагружен ных стен и перегородок.

При обследовании кирпичных зданий, построенных в XIX в. в сельских районах Тамбовской облас ти (приходские церкви, дворянские усадьбы и т.д.), установлено, что нередко в наружных стенах в каче стве лицевых кирпичей использовались одновременно все три сорта. При такой кладке на наружных стенах в настоящее время имеются повсеместные повреждения «алых» кирпичей на глубину до 5… см. Наибольшие повреждения «алых» кирпичей отмечены в кладке, сложенной на цементно-песчаном растворе. Повреждения «красных» кирпичей менее значительны и мало зависят от вида раствора. Клад ка из «железняка» практически не имеет повреждений.

Глиняные полнотелые кирпичи изготавливаются одинарными и утолщенными с размерами в плане 250 120 мм и, соответственно, с толщинами 65 и 88 мм.

В зданиях постройки начала ХХ в. и ранее применялись кирпичи размерами 266 133 67 мм, что в русской системе мер составляло 6 3 1,5 вершка. Например, в кирпичных зданиях, возведенных в сере дине ХIX в. в дворянской усадьбе графа Воронцова-Дашкова на территории села Новотомниково Там бовской области, кладка выполнена из кирпичей местного кирпичного завода, имеющих размеры 133 67 мм. Все кирпичи по виду обжига и качеству изготовления соответствуют марке «красный».

Кроме указанных кирпичей в стенах, возведенных в ХIX в. и начале ХХ в., встречаются кирпичи и других размеров. Например, в стенах обследованных нами кирпичных зданий Тамбовской области, построенных в этот период, фактические размеры кирпичей составляли по длине 24,5… 27,0 см, по ширине – 12,0…13,4 см, по высоте – 6,0…6,7 см.

Глиняные пустотелые и пористые кирпичи применяются в строительстве относительно непродол жительное время. Они используются для улучшения теплоизоляционных свойств кладки, снижения массы стен и уменьшения расхода материалов. В связи с более низкой по сравнению с полнотелыми кирпичами прочностью, а в ряде случаев и с пониженной морозостойкостью область применения пусто телых и пористых кирпичей была достаточно ограниченной.

Силикатные кирпичи изготавливаются способами прессования увлажненной смеси из кремнеземи стых материалов и извести или из других известесодержащих вяжущих с последующим твердением ее под действием насыщенного пара в автоклаве. Силикатные кирпичи выпускаются одинарными толщиной 65 мм и утолщенными толщиной 88 мм, полнотелыми и пустотелыми.

Возведение стен из силикатных кирпичей в России началось в ХХ в. Начало наиболее массового строительства гражданских зданий с силикатными стенами в России относится к 50-м гг. ХХ столетия. По этому накопленный опыт эксплуатации таких зданий ограничивается в основном 50 – 60 гг.

Виды и характеристики современных кирпичей приведены в табл. 1.1.

1.1 Виды и характеристики кирпичей Марки Объемная № кирпичей плотность Вид кирпичей п/п по прочно 0, кг/м сти Глиняный обыкновенный 1 1700…1900 50… пластического прессования Глиняный обыкновенный 2 1800…2000 75… полусухого формования 3 Силикатный 1800…2000 75… Глиняный пустотелый (дырчатый, пористо 4 1300…1450 50… дырчатый) пластического прессования Глиняный пустотелый 5 <1500 75… полусухого прессования Легковесный (глиняный 6 700…1450 35… пористый и трепельный) 7 Шлаковый 1200…1800 25… Вторым важнейшим компонентом кирпичной кладки является ра- створ. Современный кладоч ный раствор представляет собой смесь вяжущего, мелкого заполнителя, воды и, в случае необходи мости, специальных добавок. В кладке растворы после твердения выполняют задачу по связыванию в единое целое кирпичей и обеспечивают равномерную передачу усилий между рядами кладки. Кроме того, растворы улучшают эксплуатационные качества стен, например, уменьшая продуваемость и влагопроницаемость кладки.

Кладочные растворы в эксплуатируемых зданиях различаются по видам вяжущего и заполнителей, плотности и прочности.

Прочность растворов во многом зависит от количества вяжущего и его активности.

Наиболее широко в качестве вяжущего в практике используются цементы (портландцемент и его разновидности) и извести (воздушная или гидравлическая). Растворы, изготовленные на их основе, на зываются, соответственно, цементными и известковыми. Часто также растворы приготавливаются сложными на нескольких вяжущих, например, известково-цементные растворы.

До начала XX в. в качестве кладочных растворов в кирпичных стенах использовались известковые растворы. Такие растворы имели низкие марки по прочности (от 4 до 20), но зато отличались удобоук ладываемостью и хорошим сцеплением с кирпичами. Это обеспечивало хорошие эксплуатационные ка чества кладки по воздухо- и влагопроницаемости.

В более позднее время начали применяться цементно-песчаные растворы, а также сложные раство ры – цементно-известковые, обладающие достаточно высокой прочностью и в то же время имеющие хорошие пластические свойства и удобоукладываемость. Например, в Тамбовской области первые зда ния с использованием цементных кладочных растворов были построены в 1910 – 1914 гг. Кладочные растворы в это время изготавливались на портландцементе с тяжелым заполнителем из речного песка. В зданиях этого периода встречаются также кладки, выполненные на известково-цементных растворах.

Незначительное количество цемента в них вводилось для повышения прочности известкового раствора.

При строительстве в зимнее время в кладочные растворы вводились добавки, снижающие темпера туру замерзания. Наличие таких солевых добавок в значительной мере снижает эксплуатационные ка чества стен. В частности, они способствуют увеличению влажности стен за счет роста сорбционной влаги.

Эксплуатационные качества кирпичной кладки стен определяются различными свойствами мате риалов кладки. К таким свойствам относятся прочность, морозостойкость, водостойкость, плотность материалов, а также свойства, определяющие теплозащитные качества, воздухо- и водопроницаемость стен.

Прочность кирпичей является одной из основных характеристик кладки несущих конструкций стен.

Она характеризуется марками. Марки кирпичей означают их временное сопротивление (предел прочно сти) сжатию и предел прочности при изгибе, определяемые при испытаниях. Испытания кирпичей кладки по прочности регламентированы соответствующими ГОСТами [3 – 6].

Для оценки прочности кирпичей эксплуатируемых зданий производится их отбор из кладки и испы тание в соответствии с действующими методиками. При испытании кирпича на сжатие из стены отби раются целые кирпичи и распиливаются дисковой пилой. Затем половинки кирпича склеиваются рас твором так, чтобы поверхности распила были направлены в противоположные стороны. Толщина слоя раствора не более 5 мм. Поверхности покрываются раствором толщиной 3 мм. Подготовленные образ цы испытывают на прессе через три – четыре дня. Предел прочности при изгибе определяется путем испытаний на прессе целого кирпича, уложенного на две опоры, расположенные на расстоянии 200 мм, и загруженного сосредоточенной силой в середине пролета.

Допускается определять прочность кирпичей эксплуатируемых зданий при сжатии на образцах цилиндрах диаметром и высотой около 50 мм, высверленных из кладки электродрелью со специальной коронкой. Могут также использоваться неразрушающие методы определения прочности, например, ультразвуковой метод определения прочности при сжатии [7]. Ориентировочно марку кирпича можно определять по последствиям нанесения по нему ударов молотком (табл. 1.2).

1.2 Приближенная оценка прочности кирпича Марка Количество ударов Вид разрушения < 50 Один Разбивается в щебень Разрушается в мелкие 50…100 Несколько ударов куски Материал искрит, отка > 100 Скользящие удары лываются мелкие ле щадки Марки основных видов кирпичей, применяемых в современных зданиях, приведены в табл. 1.1.

Кирпичи, использованные в старых зданиях (до 20-х гг. ХХ столетия), имеют прочность, соответст вующую маркам в основном в пределах 30…50. Лишь в редких случаях прочность достигает значений, соответствующих марке 75. Например, при испытаниях «красных» кирпичей, взятых из стены доходно го дома купца Никонова, построенного в 1912 г. в г. Тамбове, из 25 образцов только два образца соот ветствовали марке 75, десять – марке 50, а остальные – маркам 35 – 40. Прочность кирпичей старой кладки заметно снижается при повышении влажности кладки.

Морозостойкость кирпичей в значительной мере определяет долговечность кладки. В увлажненной кладке вода замерзает и, увеличиваясь в объеме, стремится разорвать стенки пор. Морозостойкость кирпичей определяется марками F, обозначающими количество циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, выдерживаемых кирпичами без видимых разрушений и без снижения прочности согласно ГОСТа [8]. Кирпичи наружных стен современных зданий соответствуют маркам F25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300. В старых зданиях кирпичи кладки соответствуют маркам F10, 15, 25.

Очень редко в таких зданиях марка достигает F35. При обследованиях установлено, что в зданиях с кладкой, имеющей морозостойкость, соответствующую маркам F10, 15, наблюдаются повреждения на ружных слоев кладки на участках, подвергаемых периодическим увлажнениям.

Применение для наружных стен гражданских зданий кирпичей малой плотности уменьшает их прочность и снижает морозостойкость.

Морозостойкость кирпичей связана с их водопоглощением, которое зависит не только от пористо сти материала, но и от степени закрытости пор. Например, водопоглощение керамического кирпича за счет закрытости пор меньше водопоглощения силикатного кирпича, имеющего поры в виде открытых, выходящих наружу каналов.

Прочность кладочного раствора зависит от активности вяжущего, водоцементного отношения, дли тельности и условий твердения [9]. Прочность характеризуется маркой, устанавливаемой по пределу прочности на сжатие, которая определяется при испытании образцов, изготавливаемых в виде кубиков [10]. Для эксплуатируемых зданий кубики изготавливаются размерами 4040 мм из отобранных из кладки и склеенных гипсовым раствором пластинок кладочного раствора.

Растворы кирпичной кладки имеют марки 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200. Наименьшую прочность имеют известковые растворы. В старых зданиях прочность известковых растворов соответствует мар кам от 4 до 15. Увлажненные известковые растворы имеют пониженную прочность. Например, проч ность известкового кладочного раствора в наружных стенах дома купца Никонова, построенного в г., на неувлажненных участках соответствовала маркам 10, 15. На увлажненных участках кладки рас твор имел прочность, соответствующую маркам от 4 до 10.

Морозостойкость раствора определяется числом циклов попеременного замораживания и оттаива ния до потери 15 % первоначальной прочности (или 5 % массы). По морозостойкости растворы подраз деляют на марки Мрз 10…300. В стенах жилых зданий в основном использованы растворы с марками Мрз 4, 10, 25 и редко с маркой Мрз 50.

Характеристики материалов кладки, определяющие теплозащитные качества стен, рассмотрены в главе 2.

1.3 Конструктивные решения кирпичных стен Конструктивное решение кирпичных стен во многом определяется типом их кладки. Развитие и со вершенствование кладки стен происходило постоянно во все времена возведения кирпичных зданий. До начала ХХ в. это совершенствование основывалось на осмыслении имеющегося эмпирического опыта строительства кирпичных зданий. В последующие времена развитие и совершенствование в этой облас ти связано с развитием (начиная с 30-х гг. ХХ в.) теории расчета и практики проектирования каменных и армокаменных конструкций.

В период до начала ХХ в. стены выполнялись со сплошной массивной кладкой толщиной от 69 см (2,5 кирпича) до 150 см (5,5 кирпича). Большая толщина стен определялась низкими прочностными ха рактеристиками кирпичей и кладочных растворов, а также отсутствием надежной теории расчета ка менных конструкций. В этой связи наибольшую толщину имели наиболее нагруженные стены церков ных зданий. В частности, наружные стены сохранившихся в Тамбовской области храмов имеют толщи ны не менее чем в 3,0 кирпича. Стены гражданских кирпичных зданий, возведенных в Тамбове в этот период, имеют толщину в пределах от 2,5 до 3,5 кирпичей. Например, толщина стен памятника архи тектуры федерального значения «Гостиный двор», построенного в 30-х гг. XIX в. в г. Тамбове, состав ляет на первом этаже 3,5 кирпича, а на втором этаже 3,0 кирпича.

В гражданском строительстве этого периода использовалось несколько видов сплошной кладки [14]:

• цепная – ложковые и тычковые ряды в кладке чередуются, вертикальные швы всех ложковых ря дов совпадают (рис. 1.2, а);

• крестовая – вертикальные швы в ложковых рядах выкладываются в перевязку (рис. 1.2, б);

• голландская – тычковые ряды чередуются со смешанными рядами;

при этом в смешанном ряду ложковые и тычковые кирпичи идут через один (рис. 1.2, в);

• готическая – кладка в виде только смешанных рядов;

при этом тычковые и ложковые кирпичи чередуются в каждом ряду (рис. 1.2, г);

а) б) в) г) д) е) Рис. 1.2 Тип кирпичных кладок:

а – цепная;

б – крестовая;

в – голландская;

г – готическая;

д – английская;

е – многорядная • английская – в кладке на каждые два ложковых ряда приходится один тычковый;

при этом все ряды перевязаны в 1/4 кирпича (рис. 1.2, д);

• многорядная – в кладке тычковые ряды выполняются через четыре ложковых ряда;

при этом все ряды перевязаны в 1/4 кирпича (рис. 1.2, е).

Из перечисленных кладок наибольшее распространение имели цепная и многорядная кладка. В провинциальных городах в основном применялась цепная система кладки. При обследовании зданий в г. Тамбове установлено, что 90 % стен сложено с цепной перевязкой, в остальных случаях использована многорядная кладка. На нескольких зданиях обнаружена кладка с крестовой перевязкой, а также готи ческая кладка.

Начиная с 30-х г. ХХ в. и по настоящее время в практике строительства применяются в основном две системы перевязки: цепная и многорядная (рис. 1.3).

При этом кладка с многорядной системой перевязки имеет более широкое распространение. Это связано с целым рядом прочностных, технологических и эксплуатационных преимуществ многорядной системы, а именно [1]:

– так как ложковые ряды придают кладке прочность в продольном направлении, а тычковые в попе речном, многорядная перевязка создает большую сопротивляемость в продольном направлении, что а) б) в) г) Рис. 1.3 Системы перевязок кладки из кирпича:

а – цепная перевязка кладки из кирпича толщиной 65 мм;

б – то же, из кирпича толщиной 88 мм;

в – многорядная перевязка кладки из кирпича толщиной 65 мм;

г – то же, из кирпича 88 мм очень существенно для стен, имеющих большую протяженность;

– вертикальные швы многорядной кладки обладают большим сопротивлением образованию тре щин, так как они перекрываются на 1/2 кирпича, тогда как при цепной перевязке на 1/4 кирпича (см.

рис. 1.3);

– многорядная система улучшает сопротивляемость кладки растяжению и срезу, поскольку в этом случае раствор горизонтального шва перекрыт на 1/2 кирпича, а не на 1/4 кирпича как в цепной кладке;

– кладка с многорядной системой более технологична, производительна и менее трудоемка (на 15…20 %), требует менее квалифицированных специалистов, так как имеет по сравнению с цепной сис темой больший объем забутовки;

– многорядная система перевязки снижает теплопроводность кладки по сравнению с цепной пере вязкой, однако следует отметить, что воздухо-проницаемость ее несколько выше – в кладке возможно образование участков с продольной фильтрацией воздуха.

Наряду с кирпичными стенами из сплошной массивной кладки в практике эксплуатации встречаются здания со стенами из облегченной кирпичной кладки. Впервые строительство стен с такой кладкой было предложено русским инженером А.И. Герардом в 1829 г. Он предлагал устраивать стены из двух наружных стенок толщиной в 1/2 кирпича каждая, соединяемых между собой металлическими связями, а пространство между ними заполнять шлаком. Этот принцип используется и до настоящего времени.

Достаточно широкое распространение получила облегченная кладка (рис. 1.4 и 1.5) в практике в) а) б) 1 1 Рис. 1.4 Кирпично-бетонные стены:

а, б – с заполнением из легкого бетона;

в – с термовкладышами;

1 – легкий бетон;

2 – термовкладыши строительства в 20-х – 40-х гг. ХХ столетия.

Это было связано с тем, что в малоэтажном строительстве, а также в зданиях средней этажности с поперечными несущими стенами прочность сплошной кладки наружных стен остается недоисполь зованной. В облегченной кладке теплозащитные и прочностные функции распределены между раз ными материалами. К наиболее распространенным типам облегченных стен относятся кирпично бетонные стены и стены с колодцевой кладкой.

Кирпично-бетонные стены выполнялись двух видов (рис. 1.4, а, б, в) – с заполнением легким моно литным бетоном и с термовкладышами заводского изготовления, выполненными из легкого бетона, пе нобетона, пеносиликата и других теплоэффективных материалов.

Достоинством кирпично-бетонных стен первого вида по сравнению с другими видами облегченных кладок является их более значительная прочность. Связано это с тем, что бетон воспринимает часть нагрузки, передаваемой на стену. При этом лицевые кирпичные стенки имеют хорошую связь. Зда ния с такими стенами возводились на высоту до пяти этажей. Иногда такую кладку делали на пяти верхних этажах более высоких зданий. Однако такие стены имели повышенную трудоемкость изго товления и существенные эксплуатационные недостатки, приводящие к снижению их долговечности.

Стены с колодцевой кладкой выполнялись нескольких видов. К ним, в частности, относятся кладки а) б) в) г) Рис. 1.5 Колодцевая кладка:

а – планы;

б – сечение по колодцу;

в – сечение по поперечной стенке;

г – сечение по колодцу при устройстве засыпки;

1 – ложковые ряды;

2 – поперечная стенка;

3 – легкий бетон;

4 – засыпка шлаком;

5 – армированные растворные диафрагмы с термовкладышами, с засыпками шлаком или керамзитом, с заливкой колодцев легким бетоном (рис.

1.5, а, б, в, г). Колодцевая кладка с монолитным легким бетоном применялась в зданиях высотой до пя ти этажей. Кладка со шлаковыми и другими засыпками использовалась в двухэтажных зданиях. Как по казал опыт эксплуатации стен с колодцевой кладкой, они также имеют значительные эксплуатационные недостатки и пониженную долговечность из-за недостаточной прочности и разрушений теплоизоли рующих материалов.

В последнее время здания с облегченной кладкой практически не возводились.

В 30-х – 60-х гг. ХХ столетия были построены здания с кладкой наружных стен на «теплых» кла дочных растворах. Такие растворы имели шлаковые добавки. Эксплуатация стен с «теплыми» раство рами показала, что кладка имеет пониженную прочность, менее долговечна, и особенно, при повышен ной влажности.

В последнее время в связи с повышением норм по теплозащите зданий наружные кирпичные стены начинают выполнять с конструктивными решениями, обеспечивающими более четкое разделение не сущих и ограждающих функций стены. Это достигается путем устройства многослойных конструкций, состоящих из несущей кирпичной части и из теплоизолирующей конструкции, расположенной с внут ренней или наружной поверхности кладки. Такие решения принимаются также и в случаях дополни тельного утепления стен при капитальном ремонте и реконструкции зданий (см. главу 6).

Важное значение для обеспечения монолитности кладки и создания благоприятных условий для эксплуатации стен имеет качество выполнения швов. Толщина горизонтальных швов оказывает влияние на прочность кладки. С ростом толщины прочность кладки снижается. Например, согласно [2] при по вышении толщины швов от 8 мм до 10…12 мм ориентировочно прочность снижается на 10 %, а при толщине 15…17 мм или неровном кирпиче – до 25 %. При строительстве зданий в XIX в. рекомендова лось принимать толщину горизонтальных швов равной 12 мм. При такой толщине в 1 м по высоте раз мещалось 13 рядов кладки из кирпичей толщиной 65 мм и 10 рядов кладки при толщине кирпичей мм. При обследовании фактическая толщина швов определяется путем замера десяти рядов кладки и соответствующего арифметического подсчета.

Важное влияние на эксплуатационные качества стен оказывает вид обработки швов наружной по верхности кладки (рис. 1.6).

В случае устройства кладки под штукатурку для лучшей связи штукатурного слоя со стеной швы с наружной стороны не заполняются раствором на глубину 10…15 мм (рис. 1.6, а). Такой прием кладки называется «впустошовку». Если поверхность стен не оштукатуривается, то кладку • а) б) в) г) Рис. 1.6 Обработка швов кирпичной кладки:

а – кладка впустошовку;

б – вподрез;

в и г – под расшивку ведут с полным заполнением швов приемами «вподрез» (рис. 1.6, б) или «под расшивку» (рис. 1.6, в, г).

В гражданских зданиях лицевые швы с целью придания наружным неоштукатуренным стенам декора тивных качеств в основном используется прием кладки «под расшивку». Расшивка швов выполняется специальным инструментом, придающим им форму валика или выкружки. При качественном выполне нии расшивки значительно снижается воздухопроницаемость стен.

2 ВНЕШНИЕ И ВНУТРЕННИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТЕНЫ И ТРЕБОВАНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА Наружные стены являются одним из основных элементов оболочки здания, обеспечивающих тре буемые параметры микроклимата помещений. В процессе эксплуатации стены находятся под посто янным воздействием многочисленных факторов внешней и внутренней среды. От вида и уровня воз действия этих факторов во многом зависят их конструктивные решения и эксплуатационная надеж ность. Обеспечение эксплуатационной надежности и долговечности стен достигается правильной ор ганизацией их эксплуатации с учетом конкретных природно-климатических условий района и пара метров микроклимата внутри здания.

2.1 Характеристики климата, влияющие на эксплуатационные качества стен Конструкции наружных кирпичных стен и степень их долговечности в значительной мере опреде ляются природно-климатическими условиями района строительства. От этого, в частности, зависит вы бор материалов кладки, толщина стен и их конструктивные решения.

В процессе эксплуатации стены находятся под воздействием различных факторов внешней окру жающей среды. К таким воздействиям относятся температура и влажность наружного воздуха;

вид, ко личество и характер выпадения осадков;

скорости и направления ветра;

солнечная радиация и др. Све дения о параметрах этих воздействий приведены в СНиП 23-01–99* [12].

Большая территория страны, наличие горных, равнинных и прибрежных районов, резко отличаю щихся по климатическим признакам, и ряд других подобных факторов привели к необходимости деления страны на четыре климатических района, включающих в себя 15 подрайонов. Такое деление позволяет бо лее дифференцированно подходить к проектированию и эксплуатации зданий с учетом конкретных при родных условий подрайона. Карта климатического районирования и характеристики климатических рай онов приведены в СНиП 23-01–99* [21].

Большинство внешних воздействий, оказывающих влияние на стены, проявляется комплексно. Воз действия вызываются одновременным действием нескольких физических величин, например, низкой температуры и ветра, высокой температуры и солнечной радиации. Совместные действия могут при водить к чрезмерному переохлаждению или перегреву конструкций. Возникновение таких или по добных им ситуаций должно быть учтено как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуата ции стен, например, путем нанесения на стены дополнительных защитных слоев.

Внешние воздействия оказывают влияние на процессы старения ограждения. Интенсивность воз действий внешней среды зависит от ее характера. К наиболее важным факторам, определяющим харак тер среды, относятся: солнечная радиация, атмосферная, грунтовая, биологическая и водная состав ляющие, температурные параметры среды и их колебания во времени. Перечисленные факторы оказы вают влияние на конструкции стен не изолированно, а совместно, усиливая тем самым действие каждо го из них. Например, осмотические напряжения, возникающие при капиллярном поднятии жидкости, сочетаются с действиями механических напряжений: напряжений, вызываемых действием солнечной радиации;

напряжений от периодически меняющихся наружных температур, часто переходящих через нулевое значение;

напряжений, определяемых структурой материала, и т.п. В таких случаях в материале возникают сложные напряженные состояния, приводящие к появлению микротрещин, а затем и к по следующему разрушению конструкций.

Характерным примером комплексного воздействия факторов природной среды на стены зданий яв ляется процесс интенсивного износа кирпичных стен в прибрежных районах Охотского моря [13].

По просьбе администрации г. Охотска в 1980 г. было произведено исследование наружных кирпич ных стен зданий, возведенных в период 70-х гг. ХХ в. на прибрежных территориях Охотского моря.

При обследовании было установлено, что в природных условиях этих районов по истечении нескольких лет эксплуатации кирпичные неоштукатуренные стены начинают интенсивно разрушаться. В процессе разрушения от наружных поверхностей кирпича отслаиваются пластинки материала толщиной 5… мм. На местах сколов было заметно наличие солевого налета. Постепенное отслоение материала приве ло к тому, что со временем уменьшились не только теплотехнические свойства стен, но и возникла уг роза снижения их несущей способности. Наиболее интенсивно подвергались разрушению поверхности стен южной, юго-восточной и юго-западной ориентаций.

При изучении причин разрушения было установлено, что оно вызывается комплексным действием влаги с сопутствующими этому физико-химическими процессами и колебаниями наружных температур.

Кирпичная кладка имеет пористо-капиллярную структуру. При контакте с водой или влажным воз духом она интенсивно увлажняется. Влияние влаги на долговечность проявляется как поверхностно активного вещества, оказывающего физические воздействия на конструкцию, и как химически актив ной агрессивной среды. При увлажнении кладки дождевой водой силы капиллярного давления влаги вызывают сложные напряжения в материале, приводя к появлению микротрещин. Влага, попадающая в микротрещины, в силу дипольной ориентации молекул в адсорбированном слое, имеет упругость, близ кую к упругости материала, и оказывает расклинивающее воздействие по мере сужения микротрещин.

Схема такого воздействия показана на рис. 2.1.

Процесс разрушения ускоряется при совместном действии отрицательных температур и влаги. При низких температурах замерзающая вода увеличивается в объеме и вызывает в материале напряжения, превосходящие его прочность.

Большое влияние на износ кирпичной кладки в этих условиях оказывает ее попеременное увлажне ние и высыхание. Это влияние усиливается при увлажнении водой, содержащей растворы морских со лей.

p p. 2.1 Находящаяся в конструкции вода образует растворы неодинаковой концентрации. Стремясь выров нять концентрацию, растворы вызывают большие осмотические давления на стенки пор. При высыха нии конструкции соли, оставаясь в кладке, образуют кристаллы, увеличивающие расклинивающие воз действия в месте микротрещин.

Чем больше различаются плотности кирпича и раствора кладки, тем большим оказывается влияние перечисленных выше факторов.

В кладочном растворе, так как он является микропористым материалом, при замерзании влаги возни кают большие, чем в кирпиче, напряжения. Кирпич оказывается сдавленным «обоймой». Напряжения, возникающие в результате ее действия, способствуют соединению микротрещин и, как следствие, про исходит отслоение пластинок материала. Эффект усиливается также за счет влаги, накапливающейся на границе кирпича и раствора и не успевающей мигрировать в раствор.

Колебания температур в ограждениях в зимний период в прибрежных районах Охотского моря су щественно зависят от воздействия солнечной радиации. Воздействия солнечной радиации в период с отрицательными температурами наружного воздуха меняют положение нулевой изотермы в огражде нии. При этом появляются также нулевые изотермы и в пределах наружного слоя конструкции. Их на личие способствует проникновению влаги внутрь конструкции и увеличению ее концентрации в преде лах наружных слоев. В конечном итоге при высыхании конструкции это ведет к увеличению давления кристаллов солей, а при замораживании – к увеличению давления кристаллов льда.

Воздействие солнечной радиации в этих районах дополнительно усиливается тем, что влага, попа дающая в конструкции из наружного воздуха, содержит большое количество растворенных солей. Соли понижают температуру замерзания воды и, следовательно, циклы замораживания и оттаивания проис ходят более часто, чем в других районах.

Рассмотренный пример наглядно указывает на необходимость учета при проектировании и экс плуатации стен совместного воздействия на них факторов природной среды.

Следует отметить, что учет при проектировании комплексного воздействия факторов внешней сре ды является сложной задачей. Так как закономерности влияния каждого из факторов существенно раз личны по своему физическому действию, при определении физических свойств конструкции, например, ее сопротивления теплопередаче или теплоустойчивости, приходится учитывать только расчетные ве личины отдельных наиболее важных факторов. В последующем это может негативно сказываться на эксплуатационных качествах ограждений. Поэтому в ряде случаев необходим расчет стен по несколь ким сочетаниям климатических воздействий, например:

– по наиболее неблагоприятным условиям воздухопроницания (при сильном ветре и сопровождаю щей его умеренной температуре);

– по наибольшему возможному охлаждению при низкой расчетной температуре и относительном безветрии;

– по условиям большой скорости ветра и предельно низкой температуры (если их совпадение воз можно по времени).

Выбор сочетаний регламентируется соответствующими главами СНиП.

Подробно с физико-климатическими факторами и их воздействиями на ограждающие конструкции можно ознакомиться в [12].

2.2 Микроклимат помещений и требования, определяющие эксплуатационные качества стен В помещениях гражданских зданий в зависимости от их функционального назначения должны обеспечиваться санитарно-гигиенические условия, определяющие микроклимат внутренней среды.

Микроклимат помещений характеризуется температурами воздуха, их колебаниями во времени и изменениями по объему, температурами поверхностей ограждений, относительной влажностью возду ха, скоростью движения воздуха в помещении, кратностью воздухообмена, а также гигиеническим со стоянием воздуха и наличием или отсутствием агрессивных воздействий на ограждения. Параметры мик роклимата определяются соответствующими главами СНиП, СанПиНами и ГОСТами, например, [11, 17, 18] и учитывают указанные выше факторы, а также вид деятельности людей, находящихся в помеще нии. Основные критериальные параметры микроклимата, обеспечивающие комфортное тепловое вос приятие человека, приведены в табл. 2.1.

2.1 Критериальные значения параметров микроклимата в помещениях жилых и общественных зданий Допусти Ед. Оптималь Параметры мые уров изм. ные уровни ни 20…22 (зи 17 (зима) ма) Температура воздуха °С 28 (лето) 22…25 (ле то) Градиент температуры °С 3,0 2, воздуха по горизонтали Градиент температуры °С 3,0 2, воздуха по вертикали Разница температур °С 4…6 2, «воздух-ограждение» Продолжение табл. 2. Допусти Ед. Оптималь Параметры мые уров изм. ные уровни ни Температура стекла °С 10…12 Температура пола °С 18…28 Влажность воздуха % 60 30- 0,15…0,30 0,10…0, (зима) (зима) Скорость движения м/с воздуха 0,30…0,50 0,20…0, (лето) (лето) Обеспечение нормальных условий эксплуатации наружных стен во многом зависит от влажностного режима помещений. Согласно СНиП 23-02–2003 [19] влажностный режим помещений характеризу ется сочетанием температуры и относительной влажности воздуха. Сочетания, определяющие влаж ностный режим помещений, приведены в табл. 2.2.

2.2 Влажностный режим помещений Влажность внутреннего воздуха, %, при температуре, °С Режим до 12 св. 12 до 24 св. Сухой до 60 до 50 до Нормаль св. 60 до 75 св. 50 до 60 св. 40 до ный Влажный св.75 св. 60 до 75 св. 50 до Мокрый – св. 75 св. Повышенная влажность воздуха помещения совместно с конкретной температурой приводят к ув лажнению кладки стен и, соответственно, к снижению их теплотехнических качеств и долговечности.

Степень увлажнения стен зависит также от зоны влажности территории, на которой размещено зда ние. Сочетания зон влажности местности и влажностного режима помещений определяют условия эксплуатации ограждающих конструкций, которые согласно СНиП 23-02–2003 [19] делятся на два вида: А и Б. Условия эксплуатации в зависимости от зоны влажности района и влажностного режима помещений приведены в табл. 2.3.

2.3 Условия эксплуатации ограждающих конструкций Влажностный Условия эксплуатации А и Б режим в зоне влажности района помещений зданий сухая нормальная влажная (по табл. 2.2) Сухой А А Б Нормальный А Б Б Влажный или Б Б Б мокрый В случае условий вида Б конструкции наружных стен имеют повышенную влажность и, соответственно, худшие условия эксплуатации.

Комфортные санитарно-гигиенические условия в помещениях зависят от внутренних тепло- и влаго выделений и внешних климатических воздействий. Обеспечение комфортных условий достигается регулировкой внутренних тепло- и влаговыделений, а также путем снижения степени воздействия внешних факторов наружными ограждениями и, в частности, кирпичными стенами.

Таким образом, наружные стены должны отвечать целому ряду требований, выполнение которых не обходимо при эксплуатации здания для обеспечения санитарно-гигиенических условий и условий по долговечности и надежности работы конструкций:

– стены должны обладать достаточными теплозащитными свойствами для защиты помещения зи мой от холода, а летом от перегрева;

– температура внутренних поверхностей стен не должна значительно отличаться от температуры внутреннего воздуха. Разница температур не должна превышать величин, определяемых санитарно гигиеническими требованиями и условиями невыпадения конденсата на внутренних поверхностях ог раждений;

– воздухопроницаемость стен не должна превышать допустимых величин, определяемых условия ми ограничения низких температур на внутренних поверхностях ограждений, ограничения скорости движения воздуха у поверхностей стен, а также условиями ограничения накопления влаги в ограждении и повышенного расхода тепловой энергии;

– влажность материалов стен должна быть минимальной по условиям, исключающим образование на поверхностях ограждений плесени и грибков, а также по условиям долговечности конструкций.

3 ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ КАЧЕСТВА КИРПИЧНЫХ СТЕН ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ Для обеспечения в помещениях требований микроклимата и ограничения расхода тепловой энер гии, теряемой зданием через стены, необходимо чтобы стены имели достаточные теплозащитные ка чества. Требуемые теплозащитные качества стен эксплуатируемых гражданских зданий определя лись нормами проектирования, действующими в период их возведения. В настоящее время в экс плуатации находятся кирпичные здания с фактическими сроками службы от 1 года до 100 и более лет. Стены этих зданий были запроектированы с использованием разных теплотехнических норм и, соответственно, имеют различные уровни теплозащиты. На теплозащитные качества стен сущест венное влияние оказывают условия передачи тепла через ограждения, теплофизические свойства ис пользованных строительных материалов (кирпича и раствора) и условия эксплуатации стен.

3.1 Процессы и условия передачи тепла через наружные стены Через стены при разности температур на их внутренней и наружной поверхностях идет поток те пловой энергии. В связи с тем, что происходят постоянные колебания температур наружного и внут реннего воздуха, тепловой поток также постоянно изменяется во времени. Условия теплопередачи при изменениях теплового потока во времени называются нестационарными. В случае, если коле баний температур не происходит, поток тепловой энергии остается постоянным во времени и усло вия теплопередачи называются стационарными.

В реальных ситуациях теплопередача через стены практически всегда нестационарна. Однако, учитывая, что теплотехнические расчеты ограждений при нестационарных условиях теплопередачи достаточно сложны, они выполняются только в особых случаях, например, при оценке теплоустой чивости. В большинстве же ситуаций с точностью, допустимой при практических расчетах, можно считать теплопередачу через ограждающие конструкции стационарной. При этом температура воз духа в здании принимается осредненной за некоторый период времени (например, за сутки), а для наружной температуры устанавливается некоторое расчетное ее значение исходя из климатических условий данной местности и тепловой инерции ограждения.

В случае стационарного режима теплопередачи все теплотехнические расчеты значительно уп рощаются. В практике при стационарных условиях определяются потери тепла зданием, теплоза щитные качества ограждений, распределения температур в ограждениях и др.

Передача тепла через стену происходит в сторону более низких температур, т.е. зимой – в сторо ну наружного воздуха. Весь процесс передачи тепла в этом случае состоит из трех этапов:

- восприятие тепла внутренней поверхностью ограждения от воздуха помещения;

- передача тепла через толщу стены;

- отдача тепловой энергии наружной поверхностью стены наружному воздуху.

В этом процессе участвуют все три вида передачи энергии в окружающей среде: теплопровод ность, конвекция, излучение.

Теплопроводность – вид передачи тепла, при котором кинетическая энергия передается после довательно в твердых и жидких телах упругими волнами, а в газах – диффузией атомов или молекул.

Наиболее полно теплопроводность проявляется в твердых телах.

Конвекция – перенос тепловой энергии движущимися массами вещества. Конвекция наблюдает ся в жидкой и газообразной средах.

Излучение – перенос энергии в виде электромагнитных волн между взаимно излучающими по верхностями, имеющими температуру выше абсолютного нуля. Излучение происходит в газообраз ной среде.

Процесс передачи тепла через стену сопровождается понижениями температур на ее поверхно стях и в толще. Схемы распределения температур на границах и в толще однослойной и многослой а) б) qint qext q 0 °С qint q qext 1 Рис. 3.1 Передача тепла и распределение температур в однослойной (а) и многослойной (б) конструкциях стен при стационарном режиме теплопередачи ной стен приведены на рис. 3.1.

На первом этапе передача тепла к поверхности наружного ограждения осуществляется от возду ха помещения конвекцией и от внутренних поверхностей ограждений помещения (стен, полов, по толков) излучением. При этом по мере приближения к поверхности стены происходит понижение температуры воздуха tint до температуры поверхности si (см. рис. 3.1). Перепад температур tint = tint – si, обусловленный процессом теплообмена у внутренней поверхности ограждения, зависит от коэф фициента теплоотдачи внутренней поверхности i, Вт/(м2 °С). Тепловой поток, поступающий на единицу площади конструкции, в этом случае определяется как qint = i (tint - si ), Вт/м2. (3.1) На втором этапе передача тепла через толщу кирпичной стены, не имеющей воздушных просло ек, происходит за счет теплопроводности. Изменение температур в толще стены зависит от толщины конструкций, м и от коэффициента теплопроводности кладки, Вт/м °С. Тепловой поток, прохо дящий через толщу единицы площади стены, определяется как q = (si - se ), Вт/м2. (3.2) Отдача тепла наружной поверхностью стены наружной окружающей среде (третий этап) осуще ствляется конвекцией и излучением. Понижение температуры с se до text обусловлено процессом те плообмена у наружной поверхности, который зависит от величины коэффициента теплообмена по верхности e, Вт/(м2 °С). Тепловой поток, уходящий с единицы поверхности стены, определяется как qext = e (se - text ), Вт/м2. (3.3) int int t t si int t int si t se se ext t ext t Как видно из формул (3.1) и (3.3), отдача тепла на поверхностях стены определяется величиной коэффициентов i и e, зависящих от условий конвективного теплообмена и теплового излучения, т.е.

i = iк + iл, e = eк + eл, (3.4) где iк, iл, eк, eл – коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением соответственно на внут ренней и наружной поверхностях стены.

Для конкретных условий эксплуатации эти коэффициенты могут быть получены расчетом на ос новании экспериментальных данных о температурах среды и поверхностей ограждений, а также о характеристиках излучения энергии поверхностями.

Коэффициенты теплоотдачи излучением iл, eл с достаточной точностью можно определять по форм.улам, приведенным в [24], как 4 tint + 273 si + + int 1 100 iл = ;

(3.5) 1 1 tint - int tint + int + C1 C2 C 4 se + 273 text + 1 100 eл =. (3.6) 1 1 se - text + C1 C2 C Здесь C0 = 5,77 Вт/(м2 К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

C1 и C2 – соответст венно, коэффициенты излучения поверхностей наружной стены и других излучающих на эту стену поверхностей.

В случае, если наружная поверхность исследуемой стены находится достаточно далеко от стен дру гих зданий, коэффициент C2 можно принимать равным C0 и тогда формула (3.6) будет иметь более про стой вид:

4 C1 se + 273 text + eл = -. (3.7) se - text 100 Значения коэффициентов излучения для некоторых материалов, применяемых при отделке кир пичных стен, приведены в табл. 3.1.

3.1 Значения коэффициентов излучения С, Наименование материала и состояние Вт/(м2 К поверхностей ) Мрамор шлифованный:

серый 5, темный 5, Гранит серый светлый шлифованный 2, Известняк шлифованный:

светлый 2, темный 2, Песчаник шлифованный красный 3, Кирпич обыкновенный красный 5, Бетон, гладкая поверхность 3, Силикатный кирпич 5, Штукатурка:

светлая 5, темная 5, Эмалевые краски 5, Конвективный теплообмен у внутренней и наружной поверхностей стен различен. У внутренней поверхности происходит естественная конвекция, вызываемая разностью температур воздуха и по верхности стены. У наружной поверхности стены из-за действия ветра в основном происходит вы нужденная конвекция. В этой связи коэффициенты теплоотдачи конвекцией iк и eк определяются по разным формулам.

Согласно [24] iк можно определить как iк = K3 t, (3.8) где t = tint – si – температурный перепад у поверхности стены, °С;

K – коэффициент, учитывающий положение поверхности. Для вертикальной гладкой поверхности стены K = 1,66.

Значения eк можно вычислять по формуле Франка [18]:

eк = 7,34v0,656 + 3,78e-1,91v, (3.9) где v – скорость ветра, м/с;

e = 2,718 – основание логарифмов. За расчетную скорость ветра для зим них условий принимается средняя скорость ветра из тех румбов за январь, повторяемость которых составляет 16 % и более. Расчетные скорости ветра приведены в СНиП [21].

Следует отметить, что первый член формулы (3.9) учитывает вынужденную конвекцию, а второй – естественную. Видно, что при наличии ветра второй член практически приближается к нулю, и те плообмен происходит в основном за счет вынужденной конвекции.

Пример 3.1. Найти коэффициенты теплообмена у поверхностей наружной эксплуатируемой сте ны. По результатам обследования и выполненных измерений установлено следующее. Стена сложена из глиняного обожженного кирпича. Толщина кирпичной кладки составляет 0,51 м. С внутренней стороны стена оштукатурена известково-цементной штукатуркой толщиной 0,02 м. Снаружи стена не оштукатурена и выполнена с расшивкой швов. Температура и относительная влажность внутреннего воздуха составляют tint = 18 °С, int = 50 %. Температуры внутренней и наружной поверхностей стены равны si = 12 °С, se = –23 °С. Температура наружного воздуха равна text = –25 °С. Скорость ветра – 5 м/с.

Внутренние поверхности стены и других ограждений помещения имеют коэффициент излучения С = 5,25 Вт/(м2 К4). Коэффициент излучения наружной поверхности стены равен С = 5,37 Вт/(м2 К4).

Решение. Значения i и e находятся по формулам (3.4) – (3.9).

Определяем по формуле (3.5) коэффициент теплоотдачи излучением внутренней поверхности стены:

4 18 + 273 12 + 1 100 iл = = 4,56 Вт м2 °С.

1 1 18 - + 5,25 5,25 5, Коэффициент теплоотдачи конвекцией внутренней поверхности стены определяем по формуле (3.8) iк = 1,663 18 -12 = 3,02 Вт м2 °С.

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены согласно формуле (3.4) равен i = iк + iл = 3,02 + 4,56 = 7,58 Вт м2 °С.

Так как обследованное здание находится на достаточном удалении от соседних зданий и, соот ветственно, С2 = С0, расчет коэффициента теплоотдачи излучением наружной поверхности стены производим по формуле (3.7):

- 23 + 2734 - 25 + 5, eл = - = 3,31 Вт м2 °С.

- 23 - (-25) 100 Коэффициент теплоотдачи конвекцией наружной поверхности стены определяем по формуле (3.9):

eк = 7,34 50,656 + 3,78e-1,915 = 21,06 Вт м2 °С.

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены e = eк + eл = 21,06 + 3,31 = 24,37 Вт м2 °С.

Коэффициенты теплоотдачи iк и iл можно также определить по графикам, приведенным на рис.

3.2.

В частности, для данного случая при t = tint – si = 18 – 12 = 6 °С и tav = (tint + si)/2 = (18 + 12)/2 = 15 °С, коэффициенты и будут равны iк iл = 2,99 Вт /(м2 С), = 4,63 Вт /(м20 С).

°С) °С).

iк iл Коэффициент теплоотдачи ' = ' +' °С)2,99 + 4,63 = 7,62 Вт /(м20 С).

= i iк iл Видно, что i и ' практически совпадают.

i iк, iл, Вт/(м2°С) Вт/(м2°С) 3, 4, 2, 3, 2, 3, –16 –8 0 8 16 tav = (tint + si ) / tint 1, Рис. 3.2 Графики для определения 0, коэффициентов лучистого iл и 0 4 8 12 16 20 t t = tint - si tint б Анализ результатов расчетов показывает, что теплообмен на внутренней поверхности стены в данном случае в большей мере определяется излучением (60 %). На наружной поверхности стены от дача тепла излучением имеет незначительную величину (13,6 %). Конвективная теплоотдача на на ружной поверхности стены определяется в основном вынужденной конвекцией. Естественная кон векция на наружной поверхности при скорости ветра 5 м/с практически равна нулю.

Так как при эксплуатации гражданских зданий в зимний период, как правило, на поверхностях наружных стен обеспечиваются примерно одни и те же условия теплообмена, при расчетах теплоза щиты можно также использовать коэффициенты i и e, принимаемые по СНиП 23-02–2003 [19] и равные для гладких стен i = 8,7 Вт/(м2 · °С), e = 23 Вт/(м2 · °С).

3.2 Теплотехнические характеристики материалов кладки Теплозащитные свойства стены определяются величиной проходящего через них потока тепловой энергии. Согласно формуле (3.2) величина потока зависит от коэффициента теплопроводности материала.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность материала проводить тепло че рез свою массу. Он показывает количество тепла в Дж, проходящего за 1 с через 1 м2 плоской стенки толщиной в 1 м при разности температур на ее поверхностях в 1 °С, и имеет, соответственно, раз мерность Вт/(м · °С).

Величина теплопроводности зависит от объемной плотности материалов, связанной с его порис тостью, структуры и от влажности материалов.

Материалы кирпичной кладки в большей или меньшей мере являются пористыми телами.

Пористость материала определяется содержанием пор в материале и выражается процентным отношением объема пор к общему объему материала, p, %.

Объемная плотность материала 0, кг/м3, определяется массой единицы объема материала в том состоянии, в котором он применяется в строительстве. Объемная плотность может значительно отличаться от плотности материала без наличия пор, кг/м3. Например, глиняный кирпич, состоящий из глины и песка, имеет плотность материала, равную = 2600 кг/м3. Объемная же плотность глиня ного кирпича 0 изменяется в пределах от 1900 кг/м3 для плотного кирпича до 700 кг/м3 для пористо го кирпича.

При известных значениях плотности и объемной плотности 0 величина пористости определя ется как - p = 100, %. (3.10) Материал кладки стены всегда содержит определенное количество влаги. Влажность материа ла характеризуется наличием в нем химически свободной воды. Выражается влажность относитель ными величинами по массе w или по объему wV m1 - m2 V w = 100, % ;

wV = 100, %, (3.11) m1 V где m1, m2 – массы влажного и сухого материала;

V1 – объем влаги, содержащейся в материале;

V2 – объем сухого материала.

При одном и том же объемном содержании влаги в образце значения влажности по массе будут различны в зависимости от объемной плотности материала. Для материалов с большей плотностью влажность по массе выразится меньшим процентом, чем для материала с меньшей объемной плотно стью. Следовательно, объемная влажность более полно характеризует содержание влаги в материале, чем влажность по массе. Объемную влажность материала сложно определять экспериментально, по этому ее чаще всего находят по формуле w wV =. (3.12) Здесь w и 0 – влажность по массе и объемная плотность материала в сухом состоянии, определенные экспериментально.

Коэффициенты теплопроводности кладки существенно зависят от объемной плотности и порис тости кирпичей.

Так как теплопроводность воздуха меньше теплопроводности самого материала, увеличение по ристости кирпичей приводит к снижению коэффициента теплопроводности. Наглядным примером служат данные о зависимости коэффициента теплопроводности от объемной плотности, приведен ные на рис. 3.3. Как видно из графика, по объемной плотности кирпичей можно приближенно судить об их коэффициентах теплопроводности. Имеющиеся на графике отклонения от прямой линии связа ны с тем, что на величину коэффициента теплопроводности кирпичей кроме пористости также ока зывают влияние размеры пор и структура материала. С увеличением размеров пор растет коэффици ент теплопроводности воздуха в порах и, соответственно, всего изделия.

Теплопроводность зависит также от связи пор между собой. При сообщающихся порах коэффи циент теплопроводности из-за возникновения конвекционных токов воздуха возрастает. В кирпичах и растворе кладки поры, как правило, замкнуты и это явление практически не имеет значения.

, Вт/м°С 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, кг/м 0, 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 РИС. 3.3 ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНО СТИ ГЛИНЯНОГО КИРПИЧА ОТ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ ПО ДАННЫМ [18]:

1 – высокопористый кирпич с пористостью p = 69 %;

2 – пористый кирпич с p = 54 %;

3 – слабопористый кирпич с p = 46 %;

4 – плотный На коэффициент теплопроводности оказывает влияние не только воздух, но и теплопроводность ос новного вещества изделия. Это влияние приближенно можно показать на материалах кладки. Силикат ный кирпич кладки и цементно-песчаный раствор имеют одинаковую объемную плотность 1800 кг/м3, но при этом их коэффициенты различны. По данным [25] коэффициент теплопроводности кирпичей в сухом состоянии равен 0,754 Вт/(м · °С), а раствора, соответственно, 0,692 Вт/(м °С).

На коэффициент теплопроводности кирпичей незначительное влияние оказывает также величина контактных площадок между частицами материала. При уменьшении площадок контакта величина коэффициента теплопроводности уменьшается.

Коэффициенты теплопроводности материалов увеличиваются с повышением их средних темпе ратур. Это явление связано с ростом кинетической энергии молекул основного материала, а также с возрастанием теплопроводности воздуха в порах материалов и с увеличением в них передачи тепла излучением. Как показывают исследования, величина изменений коэффициентов теплопроводностей материалов кирпичной кладки в пределах рабочего диапазона температур (от –50 °С до +50 °С) очень незначительна и ею при практических расчетах обычно пренебрегают [24].

Коэффициенты теплопроводности кирпичей и кладочного раствора существенно зависят от их влажности. С повышением влажности наблюдается достаточно резкий рост теплопроводности и, со ответственно, ухудшение теплозащитных качеств стен. Изменение коэффициентов теплопроводно сти кладки, сложенной из обыкновенного глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе, в зави симости от влажности по массе приведено на графике рис. 3.4.

Подробные исследования влияния влаги на теплопроводность кирпичей и кладочных растворов было выполнено в середине ХХ в. в НИИСФе А.У. Франчуком [25]. Некоторые данные этих иссле дований приведены в табл. П1.

Повышение теплопроводности кладки при росте влажности материалов связано с тем, что вода, попадающая в поры, имеет больший коэффициент теплопроводности, чем вытесненный ею воздух (примерно в 20 раз). Кроме того, вода в порах увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала и тем самым дополнительно повышает теплопередачу.

Из графика рис. 3.4 видно, что сначала при увеличении влажности кирпича от первоначальных малых значений идет более интенсивный рост коэффициента теплопроводности. Затем рост несколь ко замедляется. Связано это с тем, что вначале заполняются водой мелкие поры и капилляры, оказы вающие большее влияние на теплопроводность кирпичей, чем крупные поры.

, Вт/м°С 1, 1, 0, 0, 0, 0 0,1 0,7 2 2,4 4 6 8 9 w, % Рис. 3.4 Зависимость теплопроводности кладки от влажности кирпича по данным К Ф Фокина [24] При замерзании влажной кладки теплопроводность ее возрастает еще более. Связано это с тем, что коэффициент теплопроводности льда в четыре раза превышает коэффициент теплопроводности воды. В частности, это повышение теплопроводности хорошо заметно при сравнении коэффициентов теплопроводности, приведенных в табл. П1 для положительных и отрицательных температур. В ка честве примера на рис. 3.5 приведены графики роста коэффициентов теплопроводности красного кирпича при росте его объемной влажности при положительных и отрицательных температурах.

Следует отметить, что замерзание влаги в порах может происходить при температурах значи тельно ниже 0 °С. Чем меньше диаметр пор, тем ниже температура замерзания влаги. Таким образом, с понижением температуры замерзшей кладки теплопроводность ее постоянно возрастает.

Накопление влаги в кирпичных стенах, как будет показано далее в главе 4, зависит от климати ческих условий района строительства, от параметров микроклимата, материалов кладки, конструк тивного решения стен и ряда других факторов.

В соответствии с особенностями климатических воздействий, влияющих на естественную сушку ограждений, территория России разделена на три зоны влажности: сухую, нормальную и влажную.

Карта зон влажности приведена в СНиП 23-02–2003 [19].

В сухой зоне средняя многолетняя равновесная влажность ограждений в зданиях с нормальной влажностью близка к максимальной гигроскопической влажности, а в районах с устойчивым сухим климатом может быть и ниже.

, Вт/м°С 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0 2 5 10 15 20 wV, % Рис. 3.5 Рост коэффициента теплопроводности красного кирпича объемной плотностью 0 = 1800 кг/м3 в зависимости от роста объемной влажности при положительных (- - -) и отрицательных (- • - • -) температурах В зоне с нормальной влажностью равновесная влажность ограждений, как правило, превышает максимальную гигроскопическую влажность и коэффициенты теплопроводности наружных ограж дений, в том числе и кирпичных стен, имеют более высокие значения, чем в сухой зоне.

Во влажной зоне материалы наружных ограждений могут иметь весьма большую влажность. В этом случае их коэффициенты теплопроводности имеют высокие значения, и особенно, у медленно высыхающих материалов (например, шлаковых кирпичей).

Как сказано в п. 2.2, сочетание влажностных параметров климата и температурно-влажностных параметров помещений определяют условия эксплуатации наружных ограждений по условиям нако пления в них влаги. В зависимости от условий эксплуатации устанавливаются расчетные коэффици енты теплопроводности материалов, которые всегда выше коэффициентов теплопроводности этих материалов в сухом состоянии.

Во всех теплотехнических расчетах используются расчетные коэффициенты теплопроводности. Зна чения расчетных коэффициентов теплопроводности строительных материалов приведены в СП 23-101– 2004 [22]. Значения коэффициентов для материалов кирпичной кладки приведены также в прило жении в табл. П2.

Следует иметь ввиду, что для кирпичной кладки значения коэффициентов даны как для ком плексной конструкции, состоящей из кирпичей и кладочного раствора. В зависимости от вида кирпи чей и состава раствора расчетные коэффициенты теплопроводности кладок существенно различают ся между собой даже при их одинаковой объемной плотности.

Например, согласно данным [22] (см. также табл. П2) кладка из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе объемной плотностью 0 = 1800 кг/м3 имеет коэффициенты теплопро водности для условий эксплуатации А и Б, соответственно, А = 0,70 Вт/(м °С) и Б = 0,81 Вт/(м °С). Кладка из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе объемной плот ностью 0 = 1800 кг/м3 имеет для этих условий коэффициенты А = 0,76 Вт/(м °С) и Б = 0, Вт/(м °С).

Пример 3.2. Выбрать расчетную величину коэффициента теплопроводности кирпичной кладки из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе с объемной плотностью 0 = 1800 кг/м3 для стен жилых зданий, эксплуатируемых в условиях городов Тамбова и Архангельска.

Температура воздуха в помещении tint = 20 °С, относительная влажность воздуха int = 50 %.

Решение. Результаты выбора приведены в табл. 3.2.

Видно, что в условиях влажного климата Архангельска кирпичные стены больше накапливают влаги и, следовательно, имеют более высокий расчетный коэффициент теплопроводности по сравне нию с расчетным коэффициентом для кирпичных стен, эксплуатируемых в условиях сухого климата г. Тамбова. Превышение составляет 15,7 %. По сравнению с 0 кладки в сухом состоянии эксплуати руемые стены в обоих случаях имеют более значительные величины расчетных коэффициентов.

Превышения составляют, соответственно, 25 и 45 %.

Важной теплотехнической характеристикой материалов является их теплоемкость – способ ность материала поглощать тепло при повышении температуры. Количественно теплоемкость харак теризуется удельной теплоемкостью c, равной количеству тепла в Дж, необходимому для повыше ния температуры 1 кг материала на 1 °С, и имеющей размерность Дж/(кг · °С). Удельная теплоем кость зависит от влажности материала. С повышением влажности растет и удельная теплоемкость.

Это объясняется ростом в материале воды, имеющей более высокую теплоемкость, чем строитель ный материал.

Значения удельной теплоемкости для материалов в сухом состоянии с0 приведены в СП 23-101– 2004 [22]. Для кирпичной кладки стен они даны также в табл. П2.

3.2 Выбор расчетного коэффициента теплопроводности для кладки стен Наименование Район строи- Обоснование показателя тельства показателя Та Архан мб гельск ов Температура по ГОСТ воздуха поме 20 30494– щения, °С Относительная влажность воз- по ГОСТ 50 духа помеще- 30494– ния, % сухой Влажностный су СНиП 23-02– режим поме- хо 2003, щения й табл. 1 (см.

также табл. 2.2 посо бия) СНиП 23-02– Зона влажно- су влаж 2003, сти хая ная прил. В СНиП 23-02– 2003, Условия экс табл. 2 (см.

плуатации сте- А Б также ны табл. 2.3 посо бия) СП 23-101– Коэффициент 2004, теплопровод- прил. Е, табл.

0, ности кладки в 0,56 Е. сухом состоя- (см. также нии, Вт/(м·С) табл. П пособия) Расчетный ко СП 23-101– эффициент те 2004, плопроводно- 0, прил. Е, табл.

0, сти кладки в Е. условиях экс (см. также плуатации табл. П пособия) Для материала, имеющего конкретную влажность, удельная теплоемкость может быть вычислена по формуле с0 + 0,01w сw =, (3.13) 1+ 0,01w где сw – удельная теплоемкость материала при влажности по массе равной w, %;

с0 – удельная тепло емкость этого же материала в сухом состоянии.

Для кладки, как конструкции, состоящей из нескольких материалов, удельную теплоемкость сле дует определять с учетом весовых ча- стей материалов кладки ск pк + cp pp скл =, (3.14) pк + pp где скл, ск, ср – удельные теплоемкости, соответственно кладки, кирпичей и раствора;

pк, рр – весовые части в кладке, соответственно, кирпичей и кладочного раствора.

В СП 23-100–2004 [22] и табл. П3 значения удельной теплоемкости для кладок стен даны приведен ными в соответствии с формулой (3.14).

Реже в практике оценки теплотехнических качеств ограждений используется объемная тепло емкость материала. Она определяется как произведение удельной теплоемкости с0 на объемную плотность материала, т.е.

соV = с0 0. (3.15) Объемная плотность соV имеет, соответственно, размерность Дж/(м3 · °С).

3.3 Сопротивление теплопередаче стен как мера их теплозащитных качеств Как показано в п. 3.1, процесс передачи тепла через стену в зимних условиях состоит из трех этапов: восприятия тепла внутренней поверхностью стены от воздуха помещения, передачи его через толщу ограждения и последующей отдачи наружной поверхностью окружающей среде.

Учитывая, что потоки тепла, поступающие на ограждение, проходящие через его толщу и ухо дящие наружу, в условиях стационарной теплопередачи, равны между собой, можно, сложив форму лы (3.1) – (3.3) и выполнив соответствующие преобразования, получить общую формулу теплового потока, проходящего через ограждение, в виде ti nt - tехt ti nt - text q0 = =. (3.16) 1 R + + i e В формуле (3.16) величина R0, равная 1 R0 = + +, (3.17) i e называется сопротивлением теплопередаче ограждающей конструкции.

Как видно из формулы (3.16) с ростом величины R0 поток тепловой энергии, уходящей через конструкцию, уменьшается. Следовательно, сопротивление теплопередаче R0 является мерой те плозащитных свойств ограждения.

Из формулы (3.17) видно, что теплозащита зависит от коэффициентов теплоотдачи i и e, тол щины ограждения и коэффициента теплопроводности материала ограждения.

Величины 1 Rint Rint =, Rext = (3.18) i e называются, соответственно, сопротивлениями тепловосприятия и теплоотдачи ограждения.

Величина Rk = (3.19) называется термическим сопротивлением ограждения.

Расчеты величин R0 следует выполнять по формуле 1 R0 = + Rk +. (3.20) i e Расчетные формулы для определения Rk зависят от конструктивного решения ограждения.

Как показано в главе 1, наружные кирпичные стены могут выполняться однослойными, много слойными, многослойными со сложной регулярной структурой кладки и т.п. В стенах могут быть разные включения с различными коэффициентами теплопроводности, а также замкнутые и вентили руемые воздушные полости и прослойки. Кирпичи кладки могут быть сплошными по сечению и с пустотами. В каждом из перечисленных случаев определение величины термического сопротивления Rk имеет свои особенности.

Однослойные стены. Для однослойных конструкций (см. рис. 3.1, а) термическое сопротивление конструкции Rk = R =. (3.21) Многослойные стены. Для многослойных конструкций, в которых слои материала располага ются параллельно наружным поверхностям и друг другу (см. рис. 3.2, б), сопротивление n n i Rk = =, (3.22) Ri i i=1 i = где Ri = i i – термическое сопротивление i-го слоя конструкции, имеющего толщину i и коэффи циент теплопроводности материала i.

Пример 3.3. Найти сопротивление теплопередаче наружной кирпичной стены эксплуатируемого в г. Тамбове здания, выполненной из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном рас творе и оштукатуренной с внутренней стороны цементно-песчаной, а с наружной стороны известко во-цементной штукатурками. При обследовании установлено, что кладка имеет объемную плотность 0 = 1800 кг/м3, толщина кладки составляет 0,51 м. Толщина штукатурных слоев равна 0,02 м. Из вестково-цементная штукатурка имеет объемную плотность 0 = 1700 кг/м3, объемная плотность це ментно-песчаной штукатурки равна 0 = 1800 кг/м3. При установившемся тепловом потоке и темпе ратуре внутреннего воздуха равной tint = 20 °С температура на внутренней поверхности стены по данным измерений составляет si = 13 °С. Средняя температура наружного воздуха за пять суток в период обследования составляла text = -28 °С. Относительная влажность внутреннего воздуха поме щения составляла int = 45 %. Условия теплообмена на наружной поверхности стены аналогичны ус ловиям, показанным в примере 3.1.

Решение. Определяем коэффициент теплообмена i на внутренней поверхности стены. Как пока зано в параграфе 3.1 i = iк + iл. Для нахождения конвективной iк и лучистой iл составляющих коэф фициента i определим величину температурного перепада t = tint – s = 20 – 13 = 7 °С и среднее арифметическое значение температур tint и si: (tint + si)/2 = = (20 + 13)/2 = 16,5 °С. По графикам рис.

3.2 находим, что iк = = 3,14 Вт/(м2 ·°С), а iл.= 4,94 Вт/(м2 ·°С). Тогда имеем i = 3,14 + 4,94 = 8, Вт/(м2 ·°С).

Так как условие теплообмена на наружной поверхности стены аналогичны условиям обмена сте ны в примере 3.1, коэффициент теплообмена е принимаем равным е = 24,37 Вт/(м2 ·°С).

Определяем коэффициенты теплопроводности материалов конструкций. Для этого вначале нахо дим условия эксплуатации стены. Так как влажность и температура воздуха помещения соответст венно равны int = 45% и tint = 20 °C, влажностный режим помещения сухой (см. табл. 2.2). Зона влаж ности территории согласно карте зон влажности (см. прил. В [19]) – сухая. Следовательно, условия эксплуатации стены соответствуют условиям вида А (см. табл. 2.3). По табл. Е.1 прил. Е СП 23-101 2004 [22] (см. также табл. П2) находим, что коэффициенты теплопроводности составляют: для клад ки – кл = 0,70 Вт/(м · °С);

для цементно-песчаной штукатурки – цр = 0,76 Вт/(м · °С);

для известко во-цементной штукатурки – ицр = 0,70 Вт/(м · °С).

Вычисляем термическое сопротивление отдельных слоев стены: внутренней цементно-песчаной шту катурки Rцр = 0,02/0,76 = 0,026 м2 · °С/Вт;

кладки Rкл = 0,51/0,70 = 0,729 м2 · °С/Вт;

наружной известко во-цементной штукатурки Rицр = 0,02/0,70 = 0,029 м2 · °С/Вт.

Термическое сопротивление стены равно Rk = 0,026 + 0,729 + 0,029 = 0,784 м2 · °С/Вт.

Сопротивление теплопередаче стены в целом составляет R0 = 1/i + Rk + 1/e = 1/8,08 + 0,784 + 1/24,37 = = 0,124 + 0,784 + +0,041 = 0,949 м2 · °С/Вт.

Так как сопротивление R0 является мерой теплозащитных свойств ограждения, можно опреде лить поток тепловой энергии, уходящей через 1 м2 кладки стены. В данных условиях он составляет q0 = (tint - text ) / R0 = [20 - (28)]/ 0,949 = 50,60 Вт/м2.

tint Стены с неоднородным конструктивным решением. В тех случаях, когда конструкции неод нородные (слои не располагаются параллельно, имеются теплопроводные включения и т.п.), при рас чете R0 определяется приведенное термическое сопротивление конструкции r Rk = (siav - seav ) qcal, (3.23) где qcal – расчетная величина теплового потока, определяемая как tint qcal = i (tint - siav ) = e (seav - text ) ;

(3.24) siav, seav – средние температуры внутренней и наружной поверхности неоднородного ограждения, определяемые по данным расчета температурного поля или по результатам экспериментальных за меров температур на стенах эксплуатируемых зданий.

При экспериментальных исследованиях можно также непосредственно определять тепловой по ток qэкс и затем производить расчет приведенного сопротивления теплопередаче ограждения как r R0 = (tint - text ) qэкс. (3.25) tint Методика определения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций на основе расчета температурных полей приведена в СП 23-101–2004 [22].

Стены с регулярной системой неоднородностей. Как показано в главе 1, в практике встреча ются кирпичные стены, имеющие неоднородную конструкцию с регулярной системой неоднородно стей: слои разных материалов располагаются перпендикулярно и параллельно друг другу (см. рис.

1.4 и 1.5). Для оценки теплозащитных качеств таких ограждений можно производить расчет приве денного сопротивления теплопередаче, используя методику, изложенную в [22].

1) Плоскостями, параллельными направлению теплового потока, стена (или ее часть) условно разрезается на участки, из которых одни могут быть однородными (однослойными) – из одного ма териала, а другие неоднородными – из слоев различных материалов, и определяется термическое со противление Raт:

F1 + F2 +... + Fn Raт =, (3.26) F1 F2 Fn + +... + R1 R2 Rn где F1, F2, …, Fn – площади отдельных участков стены;

R1, R2, …, Rn – термические сопротивления этих участков, определенные по формуле (3.21) – для однородных участков и по формуле (3.22) – для неоднородных участков.

2) Плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока стена (или часть ее, приня тая для определения Raт) условно разрезается на слои, из которых одни могут быть однородными – из одного материала, а другие неоднородными – из однослойных участков разных материалов. Терми ческое сопротивление однородных слоев определяется по формуле (3.21), а неоднородных слоев по формуле (3.26) и термическое сопротивление стены Rт находится как сумма термических сопротив лений отдельных однородных и неоднородных слоев по формуле (3.22).

Приведенное термическое сопротивление стены определяется в конечном итоге по формуле r Rk = (Raт + 2Rт ) 3. (3.27) В тех случаях, если величина Raт превышает величину Rт более чем на 25 %, то приведенное r термическое сопротивление Rk следует определять на основании расчета температурного поля.

Приведенное сопротивление теплопередаче стены определяется как 1 r r R0 = + Rk +. (3.28) i e Пример 3.4. Найти сопротивление теплопередаче облегченной кирпичной стены, сложенной из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе с заполнением перлитобетоном (см.

рис. 3.6). Стена оштукатурена с наружной стороны известково-песчаным раствором, с внутренней стороны – сложным раствором.

При обследовании конструкции стены и лабораторных испытаниях образцов установлены коэф фициенты теплопроводности материалов: кладка – к = 0,81 Вт/(м ·°С);

перлитобетон – п = 0, Вт/(м ·°С);

известково-песчаный раствор – из = 0,81 Вт/(м ·°С);

сложный раствор – сл = 0, Вт/(м ·°С).

1 2 3 4 tint text перлито бетон Рис. 3.6 Схема кирпичной стены облегченной кладки к приме ру 3 Решение. Однородность материала стены нарушена как в параллельном, так и в перпендикуляр ном тепловому потоку направлениях. Кладка имеет регулярную систему, следовательно, расчет мож но произвести по изложенной выше методике.

В качестве расчетной площади по поверхности стены берем шесть рядов кладки длиной 1 м, т.е.

Fрасч = 0,45 1 = 0,45 м2. Это обусловлено тем, что структура стены не меняется по всей длине.

Чтобы определить приведенное термическое сопротивление стены выполняем вначале расчет сопротивлений Rат и Rт.

Разрезаем конструкцию плоскостями, параллельными направлению теплового потока, на два участка и по формуле (3.26) определяем F1 + F2 0,14 + 0, Raт = = = 1,18 м2 ·°С/Вт, F1 F2 0,14 0, + + R1 R2 0,79 1, где F1 = 1 0,14 = 0,14 м2;

F2 = 1 0,31 = 0,31 м2 – площади 1 м длины 1-го и 2-го участков;

R1 и R2 – термические сопротивления 1-го и 2-го участков, из к с 0,015 0,51 0, R1 = + + = + + = 0,79 м2 ·°С/Вт;

из к с 0,81 0,81 0, из к с п 0,015 0,12 0,015 0, R2 = + 2 + + = + 2 + + = 1,51 м2 ·°С/Вт.

из к с п 0,81 0,81 0,87 0, Разрезаем конструкцию плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, на пять слоев. По формуле (3.21) определяем термические сопротивления однородных 1, 2, 4 и 5 слоев:

R1 = из/из = 0,015/0,81 = 0,018 м2 ·°С/Вт;

R2 = R4 = к/к = 0,12/0,81 = 0,148 м2 ·°С/Вт;

R5 = с/с = 0,015/0,87 = 0,017 м2 ·°С/Вт.

Сопротивление неоднородного третьего слоя определяем по формуле (3.26):

F1 + F2 0,14 + 0, R3 = = = 0,628 м2 ·°С/Вт, F1 F2 0,14 0, + + 0,31 1, R3 R где R3 = к/к = 0,25/0,81 = 0,31 м2 ·°С/Вт – термическое сопротивление части третьего слоя, состоя щей из кирпичной кладки;

R3 = п/п = = 0,27/0,23 = 1,17 м2 ·°С/Вт – термическое сопротивление части третьего слоя, состоящей из перлито бетона.

По формуле (3.22) определяем термическое сопротивление Rт = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 = = 0,018 + 0,148 + 0,628 + 0,148 + 0,017 = 0,960 м2 ·°С/Вт.

Так как Raт = 1,18 м2 ·°С/Вт превышает Rт = 0,96 м2 ·°С/Вт на 23 < 25 %, расчет приведенного тер мического сопротивления можно выполнить по формуле (3.27), т.е.

r Rk = (Raт + 2Rт ) 3 = (1,18 + 2 0,96) / 3 = 1,03 м2 ·°С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче стены равно 1 1 1 r r R0 = + Rk + = +1,03 + = 1,19 м2 ·°С/Вт.

i e 8,7 Здесь i = 8,7 Вт/(м2 ·°С), e = 23 Вт/(м2 ·°С) – значения коэффициентов теплоотдачи приняты стан дартными по СНиП 23-02–2003 [19].

Поток тепловой энергии, проходящей через 1 м2 поверхности стены с облегченной кладкой, при температуре tint = 20 °С и наружной температуре text = –28 °C составляет r q0 = (tint - text ) R0 = [20 - (-28)]/1,19 = 40,34 Вт/м2.

tint Сравнение потоков тепла q0, проходящих через стены, рассмотренные в примерах 3.3 и 3.4, пока зывает, что стена с облегченной кладкой при одинаковой толщине ее со стеной из сплошной кладки более эффективна по теплозащите. Тепловой поток q0обл на 25 % меньше q0спл.

Стены с кладкой из пустотелых кирпичей и камней. Достаточно часто в практике строитель ства мало- и среднеэтажных зданий стены устраиваются из различных пустотелых кирпичей и кам ней с большим количеством пустот (силикатные и керамические кирпичи и камни, мелкоразмерные бетонные и шлакобетонные блоки и др.). Определение приведенного термического сопротивления стены путем разрезки стены плоскостями, параллельными и перпендикулярными направлению теп лового потока, значительно усложняет расчет, так как в этих случаях получается большое количество участков по поверхности стены и слоев по ее толщине. Поэтому для упрощения обычных практиче ских расчетов предварительно определяют средний коэффициент теплопроводности кирпича (камня, блока и т.п.), а затем рассматривают стену как сложенную из сплошных кирпичей (камней, блоков) с коэффициентом теплопроводности, равным среднему коэффициенту теплопроводности кирпича (камня, блока).

Пример 3.5. Найти сопротивление теплопередаче стены, сложенной из керамических камней со щелевидными сквозными пустотами, расположенными параллельно плоскости стены. При обследо вании установлено, что стена имеет толщину кладки 400 мм и оштукатурена с двух сторон цементно песчаным раствором толщиной 20 мм. Коэффициент теплопроводности массы камня – к = 0, Вт/(м · °С), штукатурки – шт = 0,76 Вт/(м · °С). Размеры камня даны на рис. 3.7.

Решение. Вначале определяем приведенное термическое сопротивление керамического камня.

Так как камень имеет неоднородную регулярную структуру, расчет его термического сопротивления выполняем по методике, рассмотренной выше.

I II I II q Рис. 3.7 Схема пустотелого керамического камня к при Камень симметричен относительно средней оси и, следовательно, расчет производим для одной его половины. Учитывая, что структура камня по высоте одинакова, в качестве расчетной площади принимаем половину ширины камня, т.е. 95 мм. Термические сопротивления воздушных прослоек, входящих в состав камня. принимаем в соответствии с данными табл. 3.5. При толщине прослоек мм Ral = 0,15 м2 ·°С/Вт.

Расчет производим в следующей последовательности.

1 Условно разрезаем камень плоскостями, параллельными тепловому потоку (см. рис. 3.7). При этом получаем четыре участка. Так как первый и третий, второй и четвертый участки идентичны, объе диняем их в расчете под одними номерами I и II. Вычисляем термическое сопротивление каждого уча стка.

I участок. Сплошная керамика: FI = (0,018 + 0,014)0,19 = 0,006 м2;

RI = 0,19/0,81 = 0,23 м2 · °С/Вт.

II участок. Керамика с пятью щелевидными пустотами:

FII = (0,042 + 0,021) 0,19 = 0,012 м2;

RII = (0,19 – 0,014 5)/0,81 + 0,15 5 = 0,881 м2 ·°С/Вт.

Термическое сопротивление камня при разрезке плоскостями, параллельными тепловому потоку, составит FI + FII 0,006 + 0, Raт = = = 0,454 м2 ·°С/Вт.

FI FII 0,006 0, + + RI RII 0,23 0, 2 Условно разрезаем панель плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку (см. рис. 3.7).

Слои 1, 3, 5, 7, 9, 11 состоят из сплошной керамики. Сумма сопротивлений этих слоев будет R1– = (0,02/0,81) 6 = 0,148 м2 ·°С/Вт, а расчетная площадь равна F1–11 = 0,02 0,095 6 = 0,0114 м2.

Слои 2, 4, 6, 8, 10 состоят из керамики и пустот. Термические сопротивления пяти воздушных про слоек равны Ral = 0,15 5 = 0,75 м2 ·°С/Вт. Площадь воздушных прослоек равна Fal = 0,014(0,042 + 0,021) 5 = = 0,0044 м2. Термическое сопротивление слоев керамики Rкер = = (0,014/0,81) 5 = 0,086 м2 · °С/Вт.

Площадь слоев керамики Fкер= 0,014 0,032 5 = 0,0022. Тогда термическое сопротивление слоев 2, 4, 6, 8, 10 составит Fal + Fкер 0,0044 + 0, R2-10 = = = 0,210 м2 · °С/Вт.

Fal Fкер 0,0044 0, + + Ral Rкер 0,75 0, Термическое сопротивление камня при разрезании плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку, составит Rт = R1–11 + R2–10 = 0,148 + 0,210 = 0,358 м2 · °С/Вт.

Приведенное термическое сопротивление камня со щелевидными пустотами равно r Rk = (Raт + 2Rт ) 3 = (0,454 + 2 0,358) / 3 = 0,390 м2·°С/Вт.

Средний коэффициент теплопроводности камня равен r кav = k Rk = 0,19 / 0,39 = 0,490 Вт/(м ·°С).

Тогда сопротивление теплопередаче стены будет равно 1 1 кл шт 1 1 0,40 0, r R0 = + + + 2 = + + + 2 = 1,03 м2 ·°С/Вт.

i e кav шт 8,7 23 0,49 0, Поток тепловой энергии, проходящей через 1 м2 поверхности стены из керамических камней толщи ной 0,40 м при температуре tint = 20 °C и наружной температуре text = –28 °C, составит r q0 = (tint - text ) R0 = [20 - (-28)]/1,03 = 46,60 м2 ·°С/Вт.

tint Из сравнения полученного значения q0 с данными расчетов в примере 3.3 видно, что конструкция стены с пустотными керамическими камнями эффективнее по теплозащите, чем стена со сплошной кладкой из полнотелых кирпичей.

Стены с замкнутыми воздушными прослойками. В состав кирпичных стен иногда входят замкнутые воздушные прослойки. Так как воздух имеет достаточно низкое значение коэффициента теплопроводности (при t = 0 °С, в = 0,025 Вт/(м·°С)), передача тепла в них в основном происходит за счет конвекции и излучения.

Величина термического сопротивления прослойки Ral зависит от ее толщины, места расположе ния в ограждении и направления теплового потока. Термическое сопротивление конструкции стены при наличии в ней с воздушной прослойки определяется как n Rk = + Ral. (3.29) Ri i= Для практических расчетов, не требующих большой точности, можно пользоваться величинами термических сопротивлений воздушных прослоек, приведенными в справочной литературе, а также в ранее действующем СНиП II-3–79** [20]. Сведения о термических сопротивлениях воздушных про слоек с условиями теплопередачи, аналогичными условиям теплопередачи в замкнутых воздушных прослойках кирпичных стен, приведены в табл. 3.3.

3.3 Термическое сопротивление вертикальной замкнутой воздушной прослойки Термическое сопротивление воздушной Тем прослойки пера Ral, м2 ·°С/Вт при толщине прослойки, м тура возду 0 0 0 0 0 0 0, ха в,,,,,, …0, про 0 0 0 0 1 1 слойке 1 2 3 5 0 Поло- 0 0 0 0 0 житель,,,,,, 0, ная 1 1 1 1 1 3 4 4 4 5 Отри- 0 0 0 0 0 цатель,,,,,, 0, ная 1 1 1 1 1 5 5 6 7 8 Учитывая, что в практике современного строительства начинают находить применение разнооб разные эффективные теплозащитные конструкции кирпичных стен, включающие в свой состав замк нутые воздушные прослойки различной формы и протяженности, вопросы оценки их термических сопротивлений рассмотрим более подробно.

Передача тепла в замкнутых воздушных прослойках происходит иначе, чем в твердых телах.

Термическое сопротивление твердого слоя прямо пропорционально его толщине, и, следовательно, количество тепла, проходящего через него, при постоянной разности температур на поверхностях обратно пропорционально его толщине. В воздушной прослойке такой пропорциональности не име ется. Теплопередача в ней осуществляется не только теплопроводностью, но и конвекцией и излуче нием, и, соответственно, тепловой поток определяется как qаl = qт + qк + qл, (3.30) где qт – поток тепла за счет теплопроводности, qк и qл – потоки за счет конвекции воздуха и излуче ния поверхностями прослойки.

Рассмотрим процесс передачи тепла в замкнутой воздушной прослойке (рис. 3.8) с температура ми на поверхностях 1 > 2.

Передача тепла теплопроводностью воздуха описывается как qт = (1 - 2)т / al, (3.31) где т – коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха;

al – толщина прослойки.

Движение воздуха в прослойке имеет характер естественной конвекции. Схема движения возду ха показана на рис. 3.8. Конвективный тепловой поток при этом может быть описан как qк = (1 - 2)к / al, (3.32) qт q qк q qл al 1> Рис. 3.8 Передача тепла в воздушной прослойке где к – условный коэффициент, называемый коэффициентом передачи тепла конвекцией [24].

Коэффициент к зависит от толщины прослойки, температуры воздуха в ней, разности темпера тур на поверхностях и расположения прослойки в ограждении. Коэффициент передачи тепла конвек цией возрастает с увеличением толщины прослойки.

Это объясняется тем, что в тонких прослойках восходящий и нисходящий потоки взаимно тор мозятся и в очень тонких прослойках (<5 мм) величина к стремится к нулю. С увеличением толщины прослойки, наоборот, конвекцион ные токи становятся более интенсивными, увеличивая к. С увеличением разности температур на по верхностях величина к также возрастает вследствие повышения интенсивности конвекционных по токов. Разделить величины т и к достаточно сложно, поэтому их значения обычно даются совмест но. Значения величин т + к по данным [24] приведены в табл. 3.4.

Поток тепла излучением в прослойках описывается выражением qл = (1 - 2) л, (3.33) где л – коэффициент отдачи тепла излучением.

Видно, что количество тепла, передаваемого излучением, не зависит от толщины прослойки.

Коэффициент л определяется по формуле (3.5), из которой видно, что л не является постоянной величиной, а зависит от коэффициентов излучения поверхностей, ограничивающих воздушную про слойку, и от разности четвертых степеней абсолютных температур этих поверхностей.

3.4 Значения величин т + к при температуре воздуха 0 °С для вертикальных воздушных про слоек в зависимости от толщины прослойки al и разности температур на ее поверхностях 1 - Значения т + к, увеличенные в 1000 раз, при al в 1 – см 2, 1 2 3 5 7 1 1 1 2 °С 0 2 5 0 1 2 2 3 4 6 8 9 1 1 3 4 4 9 3 1 3 1 4 2 0 2 2 3 4 6 7 1 1 1 1, 3 1 2 2 9 0 1 4 7 5 4 7 0 4 5 2 3 5 7 9 1 1 1 2 4 7 0 3 4 2 4 6 0 3 1 6 7 1 2 4 5 8 1 1 1 1 2 0 6 4 9 7 1 4 6 9 4 2 5 5 8 8 1 2 4 6 9 1 1 1 2 2 5 8 9 5 7 2 6 8 1 7 3 0 4 9 4 2 3 5 7 1 1 1 1 2 2 0 0 2 1 0 3 7 9 3 9 4 3 3 8 5 4 2 3 5 7 1 1 1 2 2 3 5 3 6 4 0 4 8 0 4 1 9 1 3 9 9 7 3 3 5 7 1 1 1 2 2 3 0 4 8 8 1 4 9 2 6 2 5 7 1 1 1 6 Согласно [24] для определения величины 1 + 273 4 2 + 273 Kт = - - 2), (3.34) ( 100 входящей в правую часть формулы (3.5) и называемой «температурным коэффициентом», достаточ но знать среднюю температуру воздушной прослойки (1 + 2)/2. Это возможно сделать для наруж ных ограждений. Ввиду малости диапазона температур, величина коэффициента может быть принята не зависящей от значений 1 и 2, а зависящей только от их средней величины. Значения температур ного коэффициента формулы (3.5) для средних температур воздушной прослойки в диапазоне от + до –25 °С приведены по данным [24] в табл. 3.5.

Из табл. 3.5 видно, что значения температурного коэффициента Kт растут с увеличением средней температуры прослойки. Следовательно, ее теплозащитные свойства улучшаются по мере понижения средней температуры. т.е. в теплотехническом отношении прослойку выгоднее располагать ближе к наружной поверхности, где температуры в зимнее время более низкие.

Сложив значения потоков qт, qк, qл, имеем qal = (1 - 2)(т + к + лal ) / al.

3.5 Значения температурного коэффициента Kт в зависимости от средней температуры воздушной прослойки Средняя температура воздуш Температурный ной прослойки коэффициент (1 + 2)/ +25 1, +20 1, +15 0, +10 0, +5 0, +0 0, –5 0, –10 0, –15 0, –20 0, –25 0, Выражение т + к + лal можно рассматривать как коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, подчиняющийся законам передачи тепла через твердые тела. Этот суммарный коэффици ент носит название эквивалентного коэффициента теплопроводности воздушной прослойки э [24]:

э = т + к + лal. (3.35) Зная величину э, термическое сопротивление прослойки можно найти по формуле (3.19), как Ral = al э.

Следует иметь ввиду, что формула (3.35) применима только для замкнутых воздушных прослоек, т.е. не имеющих сообщения с наружным или внутренним воздухом.

При сообщении с наружным воздухом прослойка становится вентилируемой. При проникнове нии холодного воздуха в прослойку ее термическое сопротивление не только может стать равным нулю, но и послужить причиной еще более значительного уменьшения сопротивления теплопередаче ограждения в целом.

Для определения величины т + к, входящей в формулу (3.35), необходимо знать температуры на поверхностях прослойки, которые в свою очередь зависят от термического сопротивления Ral, оп ределяемого по величине э. Поэтому при оценке фактического Ral существующих конструкций све дения о температурах получают экспериментально. При расчетах новых конструкций температурами задаются предварительно и по ним определяют э, Ral и R0. Затем по значениям сопротивлений R0 и Ral находят температуры в ограждении на границах прослойки (расчет температур в ограждении рас смотрен ниже) и уточняют э. Если вновь полученная величина э оказывается близкой к первона чально принятой, расчет считается законченным, в противном случае делается пересчет.

Пример 3.6. Оценить термическое сопротивление невентилируемой воздушной прослойки, раз мещаемой в кирпичной стене. Температуры на стенках прослойки по результатам измерений состав ляют 1 = 10 °С и 2 = 5 °С. Толщина прослойки равна 5 см.

Решение. Вычисляем коэффициент л. Расчет производим по формуле (3.5). Вначале находим сред нюю температуру прослойки (1 + 2)/2 = = (10 + 5)/2 = 7,5 °С. По табл. 3.5 при средней температуре прослойки 7,5 °С определяем температурный коэффициент Kт. Он равен Kт = 0,89. Определяем приведенный коэффициент излучения поверхности по формуле Cпр = 1 (1 С1 +1 С2 +1 С0) = 1 (1 5,37 +1 5,37 -1 5,77) = 5,02. Здесь коэффициенты С1 и С2 приняты по табл. 3.1 для кладки из красного кирпича. Вычисляем по формуле (3.5) коэффициент л = 5,02 · 0,89 = = 4,47 Вт/(м ·°С).

По разности температур 1 – 2 = 10 – 5 = 5 °С по табл. 3.4 для толщины прослойки 5 см находим величину т + к = 0,073 Вт/(м · °С).

По формуле (3.35) определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности прослойки:

э = 0,073 + 4,47 · 0,05 = 0,30 Вт/(м · °С).

Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки составляет Ral = al э = 0,05 0,30 = 0,17 м2 · °С/Вт.

Количество тепла, проходящего через прослойку составляет qal = (1 - 2) Ral = (10 - 5) 0,17 = 29,4 Вт/м2.

Анализ формул (3.30) – (3.35) и данных табл. 3.5 – 3.7 показывает следующее:

– воздушная прослойка с точки зрения теплозащиты является более эффективной, если ее распо лагать ближе к наружной поверхности, т.е. в зоне более низких температур;

– увеличение толщины воздушной прослойки мало влияет на уменьшение количества тепла, проходящего через прослойку. Это связано с тем, что основная доля тепла в прослойке передается излучением, на процессы которого не влияет расстояние между стенками прослойки;

– уменьшение количества тепла, проходящего через прослойку, можно достичь путем повыше ния коэффициента излучения поверхности стенок прослойки. В практике это делается за счет оклей ки поверхности стенки алюминиевой фольгой [24];

– при росте толщины прослойки могут наступить условия, когда величина э может оказаться выше коэффициента ут утеплителя, который возможно расположить в прослойке. В этих случаях прослойку следует заполнять теплоизолирующими материалами. Например, в примере 3.6 при заполнении про слойки пенопластом с п = 0,041 Вт/(м · °С) термическое сопротивление составит Rп = 0,05 / 0,041 = 1, м2 · °С/Вт >> Ral = = 0,17 м2 · °С/Вт.

В целом результаты анализа показывают, что устройство в кирпичных стенах замкнутых воз душных прослоек не эффективно с точки зрения теплозащиты и экономически нецелесообразно.

3.4 Распределение температур в стенах При оценке теплозащитных качеств наружных стен необходимо знать температуру на внутрен ней поверхности стены, а также распределение температур внутри нее при заданных значениях тем ператур воздуха с двух сторон ограждения. Особое значение для теплотехнической оценки стен име ет температура внутренней поверхности. Она определяет возможность образования конденсата на стенах, а также количество теряемой человеком тепловой энергии за счет излучения ее на наружные стены. Распределение температур в стене необходимо знать также при расчетах ее влажностного ре жима. Сведения о температурах на поверхностях и внутри ограждений позволяют судить о средних коэффициентах теплопроводности отдельных слоев и стены в целом.

Определение температуры на внутренней поверхности производится по формуле tint tint si = tint - n (tint - text ) (iR0), (3.36) а температура наружной поверхности определяется как n(tint - text ) tint se = tint - + Rk, (3.37) tint R0 i где Rk – термическое сопротивление конструкции, м2 · °С/Вт;

tint, text – температуры внутреннего и на ружного воздуха, °С;

n – коэффициент, характеризующий положение наружной поверхности стены по отношению к наружному воздуху (для стен согласно СНиП 23-02–2003 он равен n = 1);

R0 – со противление теплопередаче стены, м2 · °С/Вт, определяемое по формуле (3.20);

i – коэффициент те плопередачи внутренней поверхности стены, Вт/(м2 · °С).

Расчет температуры в любой плоскости внутри однородного ограждения выполняется по форму ле n(tint - text ) tint x = tint - +, (3.38) tint Rx R0 i где – сумма термических сопротивлений части конструкции от внутренней поверхности огра Rx ждения до рассматриваемого сечения x.

Расчеты по формулам (3.36) – (3.38) справедливы для плоских однородных участков стены при направлении теплового потока перпендикулярно к поверхности ограждения. В этом случае линии, соединяющие точки с одинаковыми значениями температур (изотермы), располагаются параллельно поверхности стены. Изменение температур происходит только в одном направлении и температурное поле (распределение температур) стены является одномерным. На участках стен, имеющих углы, вы ступы, ниши, проемы, теплопроводные включения (например, опирание железобетонных балок или плит на наружную стену) и т.п., температурные поля могут быть двух- и трехмерными (см. рис. 3.9).

Распределение температур в этом случае определяется на основе расчета температурных полей. Рас чет можно производить на ПЭВМ по специально разработанным программам.

а) text б) text ti ti text tуг q q tint tint. 3.9 :

Пример 3.7. Найти характер распределения температур в кирпичной стене из глиняного обыкно венного кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м3 (к = 0,81 Вт/(м · °С)) с внутренним отделочным слоем толщиной 20 мм из сложного раствора плотностью 1700 кг/м3 (шт = 0,87 Вт/(м · °С)) (рис. 3.10). Толщина кладки 510 мм. Место строительства – г. Тамбов. Температура воздуха: внутреннего tint = 18 °С, наружного text = –28 °С. Определить температуру в плоскости, расположенной на расстоя нии 270 мм от ее внутренней грани.

Решение. Вычисляем термические сопротивления слоя кладки толщиной 510 мм – Rk, слоя клад ки толщиной 250 мм – Rk и отделочного слоя – Rшт.

Имеем Rk = 0,51 0,81 = 0,630 м2 · °С/Вт;

Rk = 0,25 0,81 = 0,308 м2 · °С/Вт;

Rшт = 0,02 0,87 = 0,023 м2 · °С/Вт.

Находим сопротивление теплопередаче всего ограждения 1 1 1 R0 = + Rшт + Rk + = + 0,02 + 0,63 + = 0,81м2 ·°С/Вт.

i e 8,7 Вычисляем по формуле (3.36) температуру на внутренней поверхности ограждения 18 - (-28) si = 18 - 0,81 = 11,5 °С.

8, tint = 18 °С 0 °С si = 11,5 °С 1 = 10,05 °С 2 = –5,09 °С se = –25,7 °С text = –28 °С Рис. 3.10 Cхема распределения температур в кирпичной стене к примеру 3. Определяем по формуле (3.38) температуры в толще стены:

– на границе между отделочным слоем и кирпичной кладкой имеем 1(18 - (-28)) 1 = 18 - + 0,02 = 10,05 °С;

0,81 8, – на расстоянии 270 мм от внутренней поверхности стены 1(18 - (-28)) 2 = 18 - + 0,02 + 0,31 = -5,09 °С;

0,81 8, – на наружной поверхности стены 1(18 - (-28)) se = 18 - + 0,02 + 0,63 = -25,73 °С.

0,81 8, Пример 3.8. Найти распределение температур в стене и на плите перекрытия в месте опирания плиты перекрытия на наружную стену. Место расположения здания – г. Иркутск. Стена выполнена из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м3. Стена оштукатурена с двух сторон цементно-песчаным раствором плотностью 1800 кг/м3. Толщина кирпичной кладки мм, толщина штукатурки 20 мм. Плита перекрытия выполнена из железобетона толщиной 160 мм.

Плита опирается на стены на глубину 200 мм. Согласно данным обследования температура внутрен него воздуха tint = 20 °C, относительная влажность воздуха int = 55 %. Схема участка стены дана на рис. 3.11.

Решение. Так как обследуемый участок стены неоднородный (плита перекрытия является тепло проводным включением), температурное поле на этом участке будет двухмерным.

Расчет поля производим на ПЭВМ по программе «TEPLO.BAS», разработанной в ТГТУ. При решении использованы следующие данные: температура наружного воздуха text = –37 °С;

коэффици енты теплообмена на поверхностях i = 8,7 Вт/(м ·°С), e = 23 Вт/(м ·°С);

коэффициенты теплопро водности кладки и штукатурки кл = 0,76 Вт/(м ·°С), шт = 0,76 Вт/(м ·°С);

коэффициент теплопровод ности железобетонной плиты ж = 2,04 Вт/(м ·°С).

Распределение температур на исследуемом участке стены по данным расчетов на ПЭВМ приве дено на рис. 3.11.

12,5 °C 12,4 °C 12,2 °C 12,5 °C Рис. 3.11 Распределение температур в месте опирания железобетонной плиты на кирпичную стену к примеру 3.8:

1 – цементно-песчаный раствор;

2 – кирпичная кладка;

3 – железобетонная плита перекрытия ° С ° С – ° С – ° С – ° С Видно, что наличие железобетона внутри кирпичной кладки приводит к искажению температур ного поля в месте опирания. Однако, из-за незначительной толщины плиты и малой по сравнению с толщиной стены глубиной опирания плиты, понижение температур на поверхностях плиты и стены вблизи опирания в сравнении с температурами на остальной глади незначительно. Следовательно, такое решение опирания плит на кирпичные стены, принятое исходя из условий прочности, допусти мо также и по теплотехническим требованиям.

Пример 3.9. Установить среднее значение коэффициента теплопроводности материала наружной стены, если по результатам замеров tint = 16 °C, si = 10 °C, text = –20 °C. Толщина стены 0,41 м.

Решение. Используя формулу (3.36), определяем сопротивление теплопередаче стены. Имеем tint n(tint - text ) 1(16 - (-20)) R0 = = = 0,81 м2 · °С/Вт.

(tint - si )i (16 -10) 7, tint Здесь значение i принято по графикам рис. 3.2 при t = 16 -10 = 6 °C и tav = (16 +10) / 2 =13 °C. Имеем i = iк + iл = 2,8 + 4,6 = 7,4 Вт/(м2 ·°С). Коэффициент e принимаем равным e = 23 Вт/(м2 · °С).

1 Зная, что R0 = + Rk + = 0,81 м2 · °С/Вт, вычисляем термическое сопротивление ограждения как i e 1 1 1 Rk = R0 - - = 0,81- - = 0,63 м2 · °С/Вт.

i e 7,4 Находим средний коэффициент теплопроводности материала стены 0, av = = = 0,65 Вт/(м2 · °С).

Rk 0, 3.5 Оценка температуры внутренней поверхности кирпичных стен в местах расположения теплопроводных включений Достаточно часто в эксплуатируемых кирпичных стенах встречаются включения из материалов с большей теплопроводностью, чем материал кладки. Из-за повышенной теплопроводности включений температуры внутренней поверхности на этих участках стен оказываются ниже, чем на остальной их глади. Такое понижение температуры (при определенных условиях) может приводить к образованию конденсата на поверхностях. Выпадение конденсата на участках с теплопроводными включениями наблюдается при понижениях температур наружного или внутреннего воздуха или при повышениях влажности воздуха помещения.

Теплопроводные включения могут быть выполнены из металлических или железобетонных эле ментов и имеют разные конструктивные решения. Основные схемы теплопроводных включений приведены на рис. 3.12.

text text III I т т si si tint tint si si text text т IIа IV т si si tint si si tint т text т text a/ н V IIб в a/ c11см si si tint si tint si Диаметр стержня phq. 3.12 quel` eoknopnbndm{u Для оценки возможности выпадения конденсата в местах теплопроводных включений и разра ботки мер по его исключению необходимо определять температуру поверхностей на этих участках.

Температуру внутренней поверхности в местах размещения теплопроводных включений, схемы которых приведены на рис. 3.12, можно определить по формулам СП 23-101–2004 [22]:

– для неметаллических теплопроводных включений (железобетонных колонн, плит, балок, поя сов, армошвов и др.) coп n(tint - text ) R si = tint - 1+ -1 ;

(3.39) tint tint coп ' R0 i R – для металлических теплопроводных включений (металлических колонн, элементов связей, ба лок и др.) n(tint - text ) tint coп si = tint - (1+ R0 i ), (3.40) tint coп R0 i coп где, R0, R0 – сопротивления теплопередаче по сечению ограждающей конструкции, м2 °C/Вт, соот ветственно в местах теплопроводных включений и вне этих мест, определяемые по формуле (3.20);

, – коэффициенты, принимаемые согласно СНиП II-3–79* [20] по табл. 3.6 и 3.7;

n, tint, text, i – то же, что и в формуле (3.36).

Чаще всего в конструкциях кирпичных стен встречаются включения, соответствующие III и IV схемам рис. 3.12. В эксплуатируемых кирпичных зданиях к таким включениям относятся устраивае мые при реконструкции и ремонтах железобетонные пояса усиления. К схеме I в кирпичных зданиях относятся участки с армированными швами, устраиваемыми во время нового строительства или при последующей надстройке здания. Схема II встречается в кирпичных стенах с термовкладышами и за сыпками (см. главу 1).

Анализ формулы (3.39) показывает, что величина температуры si зависит от размеров и места расположения включения. Например, расположение железобетонного пояса с наружной стороны стены (схема IV) приводит к понижению температуры на внутренней поверхности меньше, чем расположе ние пояса с внутренней стороны (схема III).

В первом случае температуры поверхности распределяются более равномерно и их понижение про исходит менее значительно, чем во втором случае. Это связано с тем, что тепло, распространяющееся вдоль поверхности стены, обращенной в помещение, способствует выравниванию значений темпера тур. Однако следует отметить, что зона охлаждения поверхности в этом случае распространяется на большую площадь.

3.6 Значения коэффициента Схема Коэффициент при а/ тепло провод ного 0 0 0 0 0 1 1 включе,,,,,,,, ния по 1 2 4 6 8 0 5 рис.

3. I 0 0 0 0 0 0 0,,,,,,,, 5 6 7 8 9 9 9 2 5 9 6 0 3 5 При в/н 0 0 0 0 0 0 0 I,,,,,,,, 0, I 3 4 6 7 8 9 9 1, a 0 6 8 9 6 1 7 2, 0 0 0 0 0 0 0 5,,,,,,,,, 2 3 5 6 7 8 9 4 8 6 9 7 3 3 0 0 0 0 0 0 0,,,,,,,, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 8 9 7 3 5 0 0 0 0 0 0 0,,,,,,,, 1 2 4 5 5 6 7 6 8 2 1 8 4 6 При c/ 3 3 2 2 1 1 1,,,,,,,, 0, 6 2 7 3 9 7 4 0, 0 6 2 0 7 1 7 0, I 2 2 1 1 1 1 1 I,,,,,,,, I 3 2 9 7 6 4 3 4 6 7 6 2 8 1 1 1 1 1 1 1 1,,,,,,,, 2 5 4 2 2 1 1 8 2 0 8 1 7 1 При I c/ V 0 0 0 0 0 0 0,,,,,,,, 0, 1 2 4 5 6 7 8 0, 6 8 5 7 6 4 7 0, 0 0 0 0 0 0 0,,,,,,,, 2 3 5 6 7 8 9 3 9 7 0 7 3 1 0 0 0 0 0 0 0,,,,,,,, 2 4 6 7 8 8 9 9 7 7 8 4 8 3 Примечания: 1 Для промежуточных значений а/ коэффициент следует определять интерполяцией.

2 При а/ > 2,0 следует принимать = 1.

3 Для параллельных теплопроводных включений типа IIа табличное значение коэффициента следует принимать с поправочным множителем 1 + е–5L (где L – расстояние между включениями, м).

При размещении пояса с внутренней стороны стены (схема III) понижение температуры будет более резким, но достаточно ограниченным по поверхности. Последнее относится и к сквозному включению (схема I), например, при устройстве армошва.

Таким образом, при выборе конструкции теплопроводного включения необходимо учитывать размеры и место его расположения.

3.7 Значения коэффициента Схема теп Коэффициент при аТ/ лопровод ного 150, включения 0,25 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 50, по рис.

3. I 0,10 0,16 0,22 0,30 0,38 0,43 0,45 0,48 0, 5 0 7 4 7 0 6 5 IIб – – – 0,15 0,20 0,25 0,30 0,36 0, 6 6 7 7 9 При с/ 0,06 0,07 0,08 0,09 0,09 0,10 0,10 0,10 0, 1 5 5 1 6 0 1 1 0, III 0,08 0,11 0,14 0,16 0,17 0,18 0,18 0,18 0, 0, 4 2 0 0 8 4 6 7 0, 0,10 0,14 0,18 0,22 0,26 0,27 0,29 0,29 0, 6 2 9 7 7 8 1 2 При c/ 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, 2 2 3 3 3 4 4 5 0, IV 0,00 0,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0, 0, 6 8 1 2 4 7 9 1 0, 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,06 0,07 0, 3 2 3 5 8 3 6 1 При V в/н 0,00 0,02 0,05 0,14 – – – – – 7 1 5 0,75 – – – – – 0,00 0,01 0,04 0, 1,00 – – – – – 6 7 7 2, 0,00 0,01 0,03 0, 3 1 2 Примечания: 1 Для промежуточных значений аТ/ коэффициент следует определять интерполя цией.

2 Для теплопроводного включения типа V при на личии плотного контакта между гибкими связями и арматурой (сварка и скрутка вязальной проволокой) в coп r формуле (3.40) вместо R0 следует принимать R0.

Пример 3.10. При реконструкции кирпичного здания памятника истории и культуры Тамбовской области «Доходный дом купца Никонова» нами был разработан проект и произведены работы по усилению наружных стен путем устройства в них железобетонных монолитных поясов. Толщина на ружной стены, сложенной из глиняного обыкновенного кирпича на известковом растворе, составляет по результатам обмеров 0,80 м. С внутренней и наружной стороны стена оштукатурена известково цементным раствором толщиной 0,03 м. Железобетонный пояс имеет размеры 0,25 0,30 м и распо лагается с внутренней стороны стены. Температура внутри помещения в зимний период эксплуата ции составляет tint = 20 °C, относительная влажность воздуха равна int = 60 %. Расчетная температура наружного воздуха в зимний период для наиболее холодной пяти дневки в г. Тамбове составляет text = –28 °C. Коэффициенты теплопередачи на поверхностях стены равны i = = 8,7 Вт/(м2 °С) и е = 23 Вт/(м2 °С). Необходимо определить величину понижения температуры на поверхности стены в месте расположения железобетонного пояса. Схемы стены к расчету si приве дены на рис. 3.13.

Решение. Определяем коэффициенты теплопроводности материалов конструкции. Для этого на ходим условия эксплуатации стены. Так как влажность и температура воздуха помещения равны int = 60 %, tint = 20 °C, влажностный режим помещения нормальный (см. табл. 2.2). Зона влажности территории согласно карте зон влажности (см. прилож. В [19]) – сухая. Следовательно, условия эксплуатации сте ны соответствуют условиям вида А (см. табл. 2.3). По табл. Е.1 прил. Е СП 23-101–2004 [22] нахо дим, что коэффициенты теплопроводности составляют: для кладки кл = 0,70 Вт/(м °С);

для штука турки – шт = 0,70 Вт/(м °С);

для железобетона – жб = 1,92 Вт/(м °С).

Определим вначале температуру поверхности стены при расположении пояса с внутренней сто роны (см. рис. 3.13, а). Так как пояс выполнен неметаллическим, расчет величины si производим по coп формуле (3.39). Вначале вычисляем сопротивления теплопередаче R0 и R0. Имеем 1 кл шт 1 1 0,80 0,03 1 м2 o С coп R0 = + + 2 + = + + 2 + = 1,39 ;

i кл шт е 8,7 0,70 0,70 23 Вт а) б) tint tint text ' si ' si text si si Рис. 3.13 Схемы к расчету температуры внутренней поверхности стены при устройстве в ней железобетонного пояса:

а – при расположении пояса с внутренней стороны стены;

б – то же с наружной стороны стены 1 кл шт жб R0 = + + 2 + + = i кл шт жб е 1 0,50 0,03 0,30 1 м2o С.

= + + 2 + + = 1, 8,7 0,70 0,70 1,92 23 Вт Коэффициент в формуле (3.39) находим по табл. 3.6 для схемы III при соотношениях а/ = 0,25/0,86 = 0,29 и с/ = 0,30/0,86 = 0,35. По интерполяции из табл. 3.6 имеем = 2,66. Тогда 1 (20 - (-28)) 1, si = 20 - °С.

1+ 2,66 -1 = 13, 1,39 8,7 1, Определяем температуру поверхности стены si вне места расположения теплопроводного включе ния, используя формулу (3.36). Имеем 1 (20 - (-28)) si = 20 - = 16,03 °С.

1,39 8, Температура в месте расположения железобетонного шва si = 13,36 °С ниже температуры ос тальной глади стены si = 16,03 °С на 2,67 °С.

Размещение пояса с внутренней стороны стены было принято по конструктивным соображениям, исходя из удобств устройства пояса. Рассмотрим также вариант размещения пояса с наружной сто роны стены. Схема стены к расчету приведена на рис. 3.13, б.

Расчет выполняем по формуле (3.39). В данном случае изменения имеет только коэффициент. Его находим по интерполяции по табл. 3.6 для схемы IV при соотношениях а/ = 0,25/0,86 = 0,29 и с/ = 0,30/0,86 = = 0,35. Имеем = 0,40. Тогда 1 (20 - (-28)) 1, si = 20 - 0,40 -1 = 15,63 °С.

1+ 1,39 8,7 1, Видно, что в этом случае понижение температуры в месте расположения пояса значительно меньше, чем при расположении его с внутренней стороны стены. Понижение температуры составля ет всего лишь (16,03 – 15,63) = 0,40 °С.

Пример 3.11. Определить понижение температуры на внутренней поверхности стены в месте расположения армированного бетонного шва, устраиваемого при надстройке здания в г. Тамбове.

Стена сложена из глиняного обыкновенного кирпича на известковом растворе. Толщина кладки 0, м. Стена оштукатурена с двух сторон известково-цементным раствором с толщиной штукатурки 0, м. Шов выполнен из бетона на мелком гранитном заполнителе толщиной 0,08 м.

tint Остальные данные аналогич- text ны данным примера 3.10. Схема ' si стены к расчету приведена на рис.

3.14.

si Решение. Коэффициенты теп- лопроводности материалов кладки и шва имеют такие же значения, как и в примере 3.10.

Так как армошов является сквозным и выполнен из неметал лических материалов, расчет про изводим по формуле (3.39). Вна чале вычисляем сопротивления coп теплопередаче R0 и R0. Имеем Рис. 3.14 Схема к расчету температу ры внутренней по верхности стены в месте расположения армированного бетонного шва 1 кл шт 1 1 0,64 0,03 1 м2o С coп R0 = + + 2 + = + + 2 + = 1,16 ;

i кл шт е 8,7 0,70 0,70 23 Вт 1 а.ш шт 1 1 0,64 0,03 1 м2o С R0 = + + 2 + = + + 2 + = 0,58.

i а.ш шт е 8,7 1,92 0,70 23 Вт Коэффициент в формуле (3.39) находим по табл. 3.6 для схемы I при соотношении а/ = 0,08/0,70 = 0,11. По интерполяции из табл. 3.6 имеем = 0,54.

Тогда 1 (20 - (-28)) 1, si = 20 - °С.

1+ 0,54 -1 = 12, 1,16 8,7 0, Определяем температуру поверхности стены si вне места расположения теплопроводного включе ния, используя формулу (3.36). Имеем 1 (20 - (-28)) si = 20 - = 15,24 °С.

1,16 8, Температура в месте расположения армированного бетонного шва si = 12,49 °С ниже темпера туры остальной глади стены si = 15,24 °С на 2,75 °С.

3.6 Нормирование теплозащитных качеств стен Как видно из рассмотренного выше, теплозащитные качества стен с точки зрения расхода тепло вой энергии определяются величиной теплового потока, проходящего через ограждения, или обрат ной ему величиной сопротивления теплопередаче [см. формулу (3.16)]. Санитарно-гигиенические ус ловия в помещениях в зимний период во многом зависят от температуры внутренней поверхности наружной стены. Температура поверхности должна ограничиваться из условия минимальной отдачи тепла от тела человека наружной стене, а также из условия невыпадения конденсата на поверхности ограждения.

В этой связи в СНиП 23-02–2003 [19] для зданий установлены три нормируемых показателя теп ловой защиты:

– приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания, в том числе и наружных стен;

– санитарно-гигиенический показатель, определяющий перепад между температурой внутренне го воздуха и температурами поверхностей ограждающих конструкций, в том числе и стен;

– удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величина ми теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий, в том числе и стен.

Для обеспечения наружными стенами первого показателя необходимо, чтобы приведенное сопро r тивление теплопередаче стены R0, м2·°С/Вт, было согласно [20] не менее нормируемого значения Rreq, м2·°С/Вт, т.е.

r R0 Rreq. (3.41) Значения нормируемого сопротивления теплопередаче Rreq определяются по СНиП 23-02– [19] в зависимости от градусо-суток района строительства Dd, °С·сут.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.