Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЕМЕЛЬЯНОВА Татьяна Александровна
Новая конструкция многослойной стены для малоэтажных зданий и ее экспериментально-теоретическое обоснование
Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Воронеж 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Денисова Алла Павловна
Официальные оппоненты: Маилян Левон Рафаэлович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ростовской государственный строительный университет, кафедра автомобильных дорог, профессор.
Ласьков Николай Николаевич, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кафедра Строительные конструкции, профессор
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный архитектурно - строительный университет
Защита состоится 24 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет по адресу:
394006, г. Воронеж, ул. 20-летияОктября, д. 84, аудитория 3220, тел.(факс): (473)271-59-05.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан 23 мая 2012 г.
Учный секретарь диссертационного совета Власов Виктор Васильевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Актуальность диссертационной работы определяется следующими факторами: сокращением сроков строительства малоэтажных зданий; необходимостью снижения стоимости применяемых строительных материалов и стоимости 1 м2 ; улучшением эксплуатационных качеств здания - повышением огнестойкости, надежности и долговечности строительных конструкций с использованием местных материалов применительно к малоэтажным зданиям различного назначения; необходимостью дальнейшего совершенствования конструктивных решений малоэтажного строительства с применением прогрессивных методов строительства.
Недостатки современных конструктивных решений одно-, двух- и трехслойных стен малоэтажных зданий показали необходимость проведения дальнейших исследований по разработке новых конструктивных решений стен с применением местных материалов, в том числе ежегодно возобновляемых сельскохозяйственных отходов.
Целью диссертационной работы является разработка новой конструкции стены сельских малоэтажных зданий различного назначения на основе использования местных материалов, отвечающих современным требованиям экологии, экономики и технологии возведения.
Основные задачи работы:
- выбрать слои многослойной стены малоэтажных зданий с применением местных материалов и обосновать их расположение в составе конструкции;
- сформулировать принцип формообразования многослойной стены;
- разработать узлы сопряжения многослойной стены с основными несущими элементами здания;
- провести экспериментальные исследования работы новой многослойной конструкции стены;
- разработать алгоритм инженерного расчета новой многослойной конструкции стены;
- разработать практические рекомендации по применению и проектированию многослойной стены в составе малоэтажных зданий.
Объект исследований - новая конструкция многослойной стены малоэтажных зданий.
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области создания и совершенствования рациональных несущих конструкций малоэтажных зданий для строительства в сельских и пригородных районах и методов их расчета. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались стандартные и нестандартные методики, позволяющие оценить работу новой многослойной конструкции стены с учетом экономической и конструкционной безопасности на основе принципа формообразования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1) обосновано применение торкрет-бетона в качестве несущих слоев новой конструкции многослойной стены;
2) проведено формообразование многослойной стены с учетом расположения слоев и образования контактного слоя, обосновано его функциональное назначение; сформулирован принцип формообразования многослойной стены;
3) предложено применение сборных пространственных рам из деревянных брусков в местах сопряжения многослойной стены с основными элементами несущего остова здания для обеспечения его жесткости;
4) впервые экспериментально на натурных фрагментах определены механические характеристики слоев многослойной стены и ее несущая способность и пожаробезопасность;
5) предложена расчетная схема многослойной стены и разработан алгоритм инженерного расчета;
6) разработаны практические рекомендации по применению и проектированию многослойной стены в составе малоэтажных зданий.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методик, использованием аттестованного лабораторного оборудования, статистических методов обработки полученных результатов, сопоставимостью полученных результатов с ранее выполненными исследованиями других авторов и нормативными данными, а также необходимыми испытаниями и их положительным практическим эффектом.
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании конструктивных решений многослойных стен на основе экспериментальнотеоретических исследований: использовании местных органических материалов, повышении энергоэффективности, снижении материалоемкости и трудоемкости изготовления, разработке алгоритма расчета и рекомендаций по возведению. Результаты исследований явились основой для разработки проекта мансардного дома в г. Пугачев Саратовской области. Отдельные положения диссертации использованы в курсовом и дипломном проектировании на кафедре Промышленное и гражданское строительство Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях: международных - г. Пенза - Пензенская государственная архитектурно-строительная академия, 2008-2010 гг.; г. Москва - Московский государственный строительный университет, 2010 г.; всероссийских - г. Москва ООО Европейский Технический Институт, г. Миасс XXVIII Российская школа по проблемам науки и технологий, 2008; региональных г. Саратов - Саратовский государственный технический университет, 2008-2009 гг.; г. Балаково - Балаковский институт техники, технологии и управления (филиал) ФГБОУ ВПО СГТУ, 20072010 гг. В 2011 г. автор работы - участник программы У.М.Н.И.К (Саратов - СГТУ, Пенза - ПГТА). Представление проекта на международном интернет-фестивале Молодые ученые за инновации: создавая будущее (2 место).
Личный вклад. Разработка новой конструкции многослойной стены для малоэтажных зданий с применением местных материалов.
Разработка узлов сопряжения новой конструкции многослойной стены с основными элементами здания.
Проведение экспериментальных исследований новой многослойной конструкции стены.
Разработка алгоритма инженерного расчета новой многослойной конструкции стены и программы на языке программирования С#.
Разработка практических рекомендаций по применению и проектированию многослойной стены в составе малоэтажных зданий.
Разработка проектного предложения для строительства одноэтажного жилого дома площадью 84 кв.м для участия ООО Пугачвжилстрой в Федеральной целевой программе Свой дом.
Реализация и внедрение результатов работы:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к практической реализации в рамках участия в Федеральной целевой программе Свой дом ООО Пугачвжилстрой в составе проектно-технических мероприятий при организации строительства малоэтажных жилых зданий молодым специалистам на селе. Разработаны практические рекомендации по применению и проектированию стен малоэтажных зданий с использованием новой многослойной конструкции несущих стен. Результаты проведенных экспериментально-теоретических исследований внедрены в учебный процесс Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. по специальности 270100 Промышленное и гражданское строительство.
На защиту выносятся:
- новая конструкция многослойной стены для сельских зданий различного назначения;
- принцип формообразования пятислойной конструкции стены с обоснованием расположения слоев в составе конструкции;
- обеспечение жесткости несущего остова малоэтажных зданий с применением новой конструкции многослойной стены;
- результаты экспериментальных исследований по определению несущей способности новой конструкции многослойной стены и ее эксплуатационные характеристики;
- расчетная схема многослойной стены и алгоритм ее расчета;
- технико-экономические показатели новой конструкции многослойной стены.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей общим объемом 31 с. (личный вклад автора - 22 с.), из них 3 - в изданиях перечня ВАК. Получен патент на полезную модель Российской Федерации № 98441, опубликован 20.10.2010 г., получено свидетельство на программу для ЭВМ № 2012611926, опубликовано 20.02.2012 г.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, изложена на 181 страницах и содержит 1страниц машинописного текста, 84 рисунка, 43 таблицы, список литературы из 172 наименований и 3 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведены исследования современного состояния конструктивных решений стен для малоэтажных зданий различного назначения в отечественной и зарубежной практике строительства. Осуществлен анализ и дана оценка конструктивных решений стен для малоэтажных зданий на территории средней полосы Поволжья, выполненных отечественными учеными А.С. Ваценко, А.М. Шепелевым, Д.Г.Одинцовым, Г.И. Автомановым, Ю.А. Дыховичным, З.А. Казбек-Казиевым, О.В. Иноземцевой, И.В. Резько, С.М. Нанасовой, В.П. Потокаевым, А.А. Токаревым и другие. Формированиам строительства малоэтажных зданий с применением экологически чистых материалов занимался в Белоруссии Е.И. Широков, а в США - А. Стин и Б. Стин В России наметилась тенденция на возрождение села, где традиционно используется малоэтажное строительство. Разработка проектов по возведению социального малоэтажного жилья и быстровозводимого жилья также необходима для людей, пострадавших в чрезвычайных ситуациях. В современных условиях наиболее экономичными и энергоэффектинвными для массового строительства малоэтажных зданий на селе являются многослойные конструкции стен (лPLASTBAU, Экодом, ЛСТК (Genesis*), Русская стена, Велокс и других). В качестве теплоизоляционного материала в основном используются волокнистые утеплители и пенополистирол. Достоинством данных конструкций являются быстрота возведения здания и обеспечение требуемого сопротивления теплопередачи.
Начиная с 80-х годов двадцатого века для возведения стен малоэтажных зданий стали применять экологически чистые местные строительные материалы - прессованные соломенные блоки (рис. 1 б). В настоящее время такое рациональное и экономически оправданное строительство получило широкое применение за рубежом в самых различных климатических зонах Канады, Австралии, Франции, Чили.
На современном этапе задача снижения стоимости нового строительства на селе и пригородных поселках, применение эффективных конструктивных решений ограждающих и несущих стен, а также технологий их возведения на практике остаются необходимыми и востребованными. Причем одним из приоритетных направлений, рассматриваемых в диссертационной работе, является применение местных материалов, использование которых способствует как уменьшению транспортных расходов и возможности строительства с применением средств малой механизации, так и снижению стоимости здания в целом.
Во второй главе на основе сформулированного принципа формообразования, который заключается в образовании единой многослойной конструкции с одновременным формированием слоев переменной жесткости и функционального назначения, рассмотрена новая конструкция многослойной стены (МС). Переставлены узлы сопряжения стены с несущими элементами здания. Приведена оценка эксплуатационных качеств многослойной стены с учетом требований нормативной документации, предъявляемых к жилым зданиям.
Конструктивно многослойная стена симметрична относительно продольной оси и состоит из пяти слоев: двух внешних несущих слоев из армированного торкрет-бетона; утеплителя из органического материала; двух контактных слоев соломобетона между несущими слоями и утеплителем (рис. 1). Несущие слои соединены между собой поперечными связями из стеклопластиковой арматуры. Для утеплителя предложено использовать органический материал - пшеничную или ржаную солому, в виде прессованных блоков. Солома, как и древесина, имеет трубчатую структуру, пустотелые трубчатые стебли которой могут выдерживать огромные перепады температур без нарушения влажностного режима. Наиболее известными изделиями из соломы являются прессованные соломенные блоки или ленты, изготавливаемые обычным или рулонным пресс-подборщиком. Кроме того, существуют различные плиты из соломы, изготавливаемые в заводских условиях. Выбор органического утеплителя зависит от наличия местных сырьевых ресурсов и вида изделий из соломы и требований теплозащиты зданий.
Несущие слои МС выполнены из армирован- ного торкрет-бетона, который укладывался с помощью набрызга под давлением, что позволило создать уплотненные тон- костенные несущие слои из железобетона не только повышенной надежности, но и долговечности.
Проведенный сравнительРис. 1. Новая конструкция конструкция многослойной ный анализ применения стены: а - общий вид МС; б - поперечный разрез МС: 1 - обычного бетона и армированный торкрет-бетон, торкрет-бетона показал 2 - органический утеплителя; 3 - контактный слой, 4 - связи ряд значительных преимуществ последнего: по прочности на осевое растяжение (до 50 %), на срез (до 10 %), на сжатие (до 70 %), по водонепроницаемости (до 20 %), морозостойкости (до 30%), трещиностойкости (до 40 %) и долговечности (до 20 %). Кроме того, при торкретировании за счет неполной сплошности органического материала на границе несущих и теплоизоляционного слоев происходит образование контактного слоя, который характеризуется свойствами как утеплителя, так и несущих слоев. Контактный слой обеспечивает эффективный переход по жесткости и играет роль пароизоляции, что будет показано ниже.
Предложены модификации конструкции стены: многослойная несущая стена (МНС) для одно- и двухэтажных производственных и жилых зданий и многослойная стена с каркасом (МСК) для трех- и пятиэтажных общественных и жилых зданий.
Для возможности использования новой конструкции многослойной стены в практике жилого строительства автором проведены теоретические исследования (согласно требованиям СНиП 2.08.01-89* Жилые здания) по оценке ее эксплуатационных качеств: долговечности, температурно-влажностного режима, пожаробезопасности (с учетом экспериментальных данных, результаты которых представлены в главе 3).
Исследования температурно-влажностного режима МС показали, что сопротивление теплопередаче в 2,3 раза больше нормативного значения для региона Поволжья и свидетельствует об энергоэффективности нового конструктивного решения. Наличие контактного слоя позволило переместить точку росы со слоя утеплителя на границу между несущим слоем и контактным слоем.
Предварительная оценка пожарной безопасности многослойной стены, показала что по степени огнестойкости ее можно отнести ко II классу (подтверждение будет получено при экспериментальных исследованиях). Применение торкрет-бетона в несущих слоях позволило повысить пожаробезопасность на 20 %.
Оценка долговечности многослойной стены из условия климатической активности Саратова с учетом марки торкрет-бетона по морозостойкости составила 45 лет, что соответствует III классу долговечности. По трещиностойкости несущих слоев ожидаемый срок службы многослойной стены составил 85 лет, что соответствует II классу долговечности.
Таким образом, предварительная теоретическая оценка эксплуатационных качеств новой конструкции многослойной стены показывает, что она может быть рекомендована для строительства жилых малоэтажных домов.
Учитывая большую толщину теплоизоляционного слоя многослойной стены, для обеспечения жесткости здания в целом предложено в узлах сопряжения стен с несущими элементами остова установить пространственные рамы, собираемые из типовых стандартных плоских рам Р-1, Р-2, изготовленных из деревянных брусков сечением 50х50 мм (рис. 2 в). При этом целесообразно покрытие и полы здания конструировать также многослойными. Перекрытие принять деревобетонным с балками из бревен и настилом из торкрет-бетона (2 г).
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований на большеразмерных фрагментах новой конструкции многослойной стены.
Для обоснования новой конструкции многослойной стены были спланированы и проведены экспериментальные исследования с учетом требований нормативной литературы для несущих конструкций. Целью эксперимента являлось определение несущей способности многослойной стены и физико-механических характеристик ее слоев. Исследования были проведены в 4 этапа: первый этап - конструктивное моделирование большеразмерных фрагментов многослойной стены; второй этап - определение несущей способности многослойной стены;
третий этап - определение теплопроводности слоев; четвертый этап - определение степени огнестойкости многослойной стены.
Первый этап исследований включал последовательное изготовление большеразмерных фрагментов многослойной стены согласно предложенному принципу ее формообразования. В качестве утеплителя использовались наиболее доступные для местных производителей Поволжского региона прессованные блоки из пшеничной соломы размером 400х600х900 мм, поэтому толщина теплоизоляционного слоя образцов многослойной стены составила 400 мм.
Было изготовлено 3 фрагмента высотой 600 мм, глубиной 900 мм с различной толщиной несущего слоя: 30 мм (МС-1), 50 мм (МС-2) и 80 мм (МС-3).
Рис. 2. Несущий остов дома с мансардой из многослойных конструкций стен а - план дома; б - разрез 1-1; в - узел пересечения стен; г - узел сопряжения многослойной стены с деревобетонным перекрытием и многослойным покрытием; д - узел сопряжения стены и пола с фундаментом; Р-1, Р-2 - деревянные рамы для создания требуемой жесткости сопряжения При изготовлении образцов выполнялись работы в следующем порядке:
На поддон, разделенный на 3 секции, последовательно с перевязкой укладывались прессованные тюки из соломы с сопряжением между собой деревянными шпильками. Затем с обеих сторон образцов МС-2,МС-3 устанавливались арматурные сетки, которые соединялись поперечными связями. После этого с помощью торкрет-установки СО-50 ПБН и компрессора ПКСД-5,25ДМ производился набрызг бетонной смеси с обеих сторон утеплителя.
Мелкозернистая бетонная смесь готовилась по массе в соотношении - : П : В = 1 : 2,58 : 0,43. В качестве крупного заполнителя использовался речной песок Мкр=1,6. Толщина несущих слоев образцов корректировалась маяками (рис. 3).
Второй этап экспериментальных исследований включал определение несущей способности образцов в целом и механических характеристик слоев многослойной стены. Все испытания проводились в сертифицированной лаборатории Эксплуатационная надежность строительных материалов и конструкций Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. согласно требованиям ГОСТ. Для каждой серии испытаний производился отбор не менее трех образцов.
а) б) в) д) е) г) Рис. 3. Экспериментатное изготовление большеразмерных образцов МС: а, б - подготовка оборудования (торкрет-установка СО-50 ПБН и компрессора ПКСД- 5,25ДМ) к торкретированию;
в - укладка блоков из прессованной соломы; г - установка арматурных сеток в натурных фрагментах МС-2, МС-3 и связей; д - торкретирование несущих слоев; е - готовые образцы МС Для определения прочности бетона несущих слоев были выпилены кубики из каждого образца (МС-1, МС-2, МС-3) и испытаны на сжатие. Проектный класс торкрет-бетона соответственно определенному экспериментальным путем и составил В 22,5.
Впервые проведены экспериментальные исследования по определению механических характеристик теплоизоляционного органического слоя. Для получения достоверных данных и сравнения результатов аналогичные исследования проведены на образцах из пенопласта, как наиболее применяемого утеплителя.
Проведенные испытания показали, что прочность органического утеплителя в среднем на 14 % меньше прочности пенопласта (рис. 4).
По эмпирической формуле определен модуль упругости:
Eb 2320b R 17, (1) где b - средняя плотность материала т/м3;
Модуль упругости органического материала на 20 % меньше модуля упругости пеРис.4. Сравнение результатов испытаний нопласта. ( органического утеплителя и пенопласта Для исследования сцепления несущих слоев и органического утеплителя были проведены испытания соответствующих образцов на разрывной машине РС-50. Были отобраны образцы высотой 60 мм, глубиной 60 мм с различной толщиной несущего слоя: 30 мм (МС-1), 50 мм (МС-2) и 80 мм (МС-3).Перед испытанием была замерена толщина контактных слоев образцов. Она составила 1520 мм. Среднее значение разрывного усилия составило 420 кг. Разрушение образцов произошло в центре слоя утеплителя, что подтвердило хорошее сцепление между слоями утеплителя и контактного слоев, контактного и несущего слоев.
Несущие конструкции зданий испытывают продольную и поперечную нагрузки. Основные цели испытаний включали оценку прочности, жесткости и трещиностойкости несущих железобетонных слоев и определение допускаемых предельных нагрузок на конструкции. Для испытаний были подготовлены образцы с различной толщиной несущего слоя 30 мм, 50 мм и 80 мм. При этом высота образца соответствовала высоте теплоизоляционного блока - 600 мм.
Все испытания проводились в два этапа: нагрузка на образцы прикладывалась с шагом 10 кН, при этом фиксировалась величина прогиба. Затем образцы доводились до разрушения. На каждом этапе образец осматривался, показания прогиба фиксировались по индикаторам часового типа.
По результатам испытаний на поперечную нагрузку установлено, что в пределах шага связей на опытных образцах деформации прогиба составили от Nэкс 0,69 мм, 0,81 мм, 1,0 мм при = 79 кН, 280 кН, 332 кН. При этом расчетная раз нагрузка на наружный слой МС достигает по проекту 0,135 кН (рис. 5). Результаты испытаний на продольную нагрузку показали, что ширина раскрытия трещин при средней нагрузке Nтр=39 кН, 141 кН, 167 кН не превышала значений, принятых в СП 52-101-2003 как acrc,ult = 0,4 мм. Разрушение несущего слоя МС Nэкс произошло при нагрузках =56 кН, 200 кН, 238 кН (рис. 6).
раз МС-МС-1 МС-МС-1 МС-2 МС-Рис. 5. Результаты испытаний Рис. 6. Результаты испытаний на поперечную нагрузку на продольную нагрузку При этом отношение контрольной нагрузки по прочности к расчетной нагрузке на БПС-2 составляет 10,8, что превышает нормируемый коэффициент безопасности с = 1,6 в 6,7 раз (ГОСТ 8829-94). С учетом характера развития трещин в опорной зоне дополнительно проведена оценка прочности и трещиностойкости на высоте 100 мм. Поэтому для более детального изучения этой зоны, были отобраны образцы из БПС-1,2,3 с высотой несущего слоя 100 мм, которые были испытаны на центральное сжатие и доведены до разрушения.
Обработка результатов производилась с помощью компьютерного моделирования. Результаты испытаний показали, что ширина раскрытия трещин составила от 0,15 до 0,25 мм при средней нагрузке Nтр = 118 кН, 449 кН, 500 кН, что не превышает значений, принятых в СП 52-101-2003 как acrc,ult = 0,4 мм (рис. 7); разрушеNэкс ние МС произошло при нагрузках = 168 кН, 606,7 кН, 712,7 кН. Нагрузка образ разования трещин на 9 % превышает рассчитанную согласно СП 52-101-2003.
Анализ результатов проведенных испытаний образцов МС с различной толщиной несущих слоев показал, что несущая способность образца МС-1с толщиной неармированного несущего слоя 30 мм на 28 % ниже, чем образца МС-2 с толщиной армированного несущего слоя 50 мм. Тогда как несущая способность образца МС-3 с толщиной армированного несущего слоя 80 мм на 13% больше несущей способности образца МС-2. (рис. 7).
Таким образом, для обеспечения несущей способности и трещиностойкости новой многослойной конструкции стены малоэтажного дома МС-1 МС-2 МС-достаточной толщиной несущего слоя из армированного торкрет-бетона определена толщина в 50-80 мм.
Рис. 7. Сравнение результатов прочности МС при hэо=100 мм Третий этап эксперимента заключался в определении коэффициента теплопроводности слоев МС. Для определения теплопроводности слоев использовался электронный измеритель теплопроводности ИТП МГ-4. На основе экспериментальных данных получены достоверные результаты коэффициентов теплопроводности торкрет-бетона и органического материала. При этом впервые экспериментально определен коэффициент теплопроводности мелкозернистого торкретбетона, который получился в 2 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности монолитного бетона.
На 4 этапе эксперимента были проведены испытания на огнестойкость МС, которые показали, что толщина несущих слоев из торкрет-бетона 50 мм обеспечивает огнестойкость II класса (RE150/I45).
Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 1, табл. Таблица Физико-механические характеристики слоев многослойной стены Наименование характеристик Величина Несущий слой В 22,Класс торкрет-бетона Модуль упругости торкрет-бетона Е1, МПа 278Rb1, МПа 11,37-13,Средняя прочность при сжатии Толщина внешнего несущего слоя торкрет-бетона t1, м 0,05- 0,0,4Коэффициент теплопроводности слоя торкрет-бетона 1, Вт/(мС) Теплоизоляционный слой 0,1Средняя прочность при сжатии Rb3, МПа 6,Модуль упругости соломы Е3, МПа 0,37-0,Толщина утеплителя t3, м Продолжение табл. Наименование характеристик Величина Коэффициент теплопроводности органического 0,0материала 3, Вт/(мС) Контактный слой 1,Прочность на отрыв утеплителя Rотр, МПа c 0,015-0,Толщина контактного слоя t2, м Таблица Результаты испытаний фрагмента несущей стены МС на сжатие № Вид нагрузки Расчетная Разрушающая Nэкс / Nрасч раз п/п при hэо=600 мм нагрузка Nэкс нагрузки, кН раз Nрасч, кН МС-1 МС-2 МС-3 МС-1 МС-2 МС-30 мм 50 мм 80 мм 30 мм 50 мм 80 мм 1. Поперечная 13,5 79 280 332 5,85 20,7 24,2. Продольная 18,5 56 200 238 3,0 10,8 12,В четвертой главе проведен анализ существующих методик расчета многослойных стен. Предложен алгоритм расчета многослойной конструкции стены.
Приведены результаты численных экспериментов по существующим и нормативным методикам. Приведены практические рекомендации по применению и проектированию стен малоэтажных зданий с многослойной конструкцией стены МС.
Теоретическую базу исследования в области расчета одно, двух- и многослойных конструкций составили труды отечественных и зарубежных ученых, таких как С.А. Амбарцумян, А.П. Прусаков, Л. М. Куршин, А.Я. Александров, Л. Э.
Брюкнер, Э. И. Григолюк, П. П. Чулков, Б.Г. Горенштейн, В.С. Денисов, А.А. Евдокимов, И.Л. Жодзишский и В.Г. Золотухин, Ю.И. Мешкаускас, Г.А. Гениев, Н.В. Морозов, Н.Я. Спивак и Ш.А. Акбулатов, Б.Е. Шунгский, Е.А. Король, А.С. Семченков и других; научная, учебная и методологическая литература, периодические издания, сведения в сети Интернет.
Для исследования работы многослойной стены МС одноэтажного здания с высотой этажа Нэт на действие внешних нагрузок вырежем полоску шириной равной шагу b несущего элемента перекрытия (рис. 8 б). В этом случае расчетная схема стены будет представлять собой однопролетную балку, жестко защемленную с одной стороны и шарнирно опертую с другой, загруженную в зависимости от расположения стены: горизонтальной (ветровой) нагрузкой qw и продольной силой N от действия покрытия Nпок и перекрытия (qпер) - для наружной стены (рис. 8 а);
продольной силой N от действия покрытия Nпок и перекрытия (qпер) - для внутренней стены (рис. 8 б).
Если при этом работу теплоизоляционного и контактного слоев не учитывать из-за значительного различия их модулей упругости по сравнению с модулем упругости несущих слоев (Е1 >Е3 в 4000 раз и Е1 >Е2 в 140 раз соответственно), то расчетное сечение балки будет составным - состоящим из двух элементов (несущих слоев многослойной стены из торкрет-бетона), соединенных между собой поперечными связями с шагом l1 (рис. 8, в).
Анализ распределения нагрузки от перекрытия (qпер) и покрытия Nпок на несущие слои стен показал, что продольная сила приложена с эксцентриситетом е=11,1 см для наружной стены (рис. 8 а), и цена - внешней стены;
трально для внутренб - внутренней стены; в - расчетное сечение ней стены (рис. 8 б).
Рис. 8. Расчетная схема МС При оценке устойчивости внешней стены влиянием поперечной нагрузки qw пренебрегаем, так как ее воздействие уменьшает влияние продольной силы N (рис. 8, а). В дальнейшем будем рассматривать балку составного сечения, подверженную совместному воздействию осевой силы N и пары, приложенной к концевому сечению, момент которой равен М0 = N*е (рис. 8). Определим уравнение упругой линии такой балки, которое в дальнейшем можно будет применить при расчете многослойной стены двухэтажного дома.
Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки имеет вид (А.С. Вольмир):
, (2) где.
Продифференцируем (1) дважды при E1Ix=const:
(3) Общее решение уравнения (2) имеет вид: (4) Решение (3) должно удовлетворять следующим граничным условиям:
(5) Подставив значение граничных условий получим уравнение устойчивости:
(6) Наименьшее значение. Тогда величина критической силы будет равна:
Для балок составного сечения величина критической силы определяется с учетом работы поперечных связей:
(7), (8) где Е1Ix - жесткость составной балки; ЕрIр - жесткость поперечной связи;
Е1Iв - жесткость ветви; l1 - жесткость поперечной связи.
Согласно (3) и (4) запишем уравнение упругой линии:
(9) где.
Определим величину максимального прогиба при :
(10) Проверку прочности стены МС проведем по максимальному изгибающему моменту, определяемому по выражению:
(11) Расчет внутренней стены является частным случаем при М0=0.
Для апробации предложенного алгоритма инженерного расчета МС были проведены численные эксперименты для проектирования внешней стены мансардного здания для города Саратов с высотой этажа Нэт= 3м по представленному выше алгоритму, аналитическим решениям дифференциального уравнения продольно-поперечного изгиба балки К.Ф. Шагивалиева (СГТУ имени Гагарина Ю.А.), в программному комплексу Лира 9.6 и СНиП 52-01-2003. Толщина несущих слоев стены МС принята как t1=0,05 м, ширина полосы как b=0,6 м, модуль упругости как Е1=27800 МПа (табл. 1), продольная нагрузка N=18,67 кН приложена с эксцентриситетом е=0,111 м. Расстояние между несущими осями принято как с=0,м. Связи выполнены из стеклопластиковой арматуры с 20 мм и модулем упругости Ер=30000 МПа. Результаты представлены в табл. 3.
Таблица Результаты расчета Вид расчета fmax, см Nкр, кН , МПа Предложенный алгоритм инженерного 0,101 0,00114 309,расчета Аналитическое решение 0,113 0,00109 - ПК Лира 9.6. 0,148 0,0016 - СНиП 52-01-2003 1,87 [2 см] - Таким образом, сравнение результатов расчетов по предложенному алгоритму с аналитическим решением показало хорошую сходимость (3-12 %). Расхождение с результатами расчета в ПК Лира 9.6 составило 30 %. Результаты расчета по СНиП 52-01-2003 показали значительные расхождения с полученными, что характерно для составной балки с тонкостенными несущими слоями.
По предложенному алгоритму была создана программа расчета многослойных стен при помощи объектно-ориентированного языка С#. Программа учитывает действительную работу МС на основе балочной расчетной схемы и может быть рекомендована для расчета конструкций данного типа.
В результате проведенных экпериментально-теоретических исследований были разработаны рекомендации по применению и проектированию стен малоэтажных зданий с многослойной конструкцией стены: 1. Торкрет-бетон несущего слоя выполнять из класса не менее В 22,5. 2. Толщину несущих слоев для одноэтажного дома и дома с мансардой принять не менее 50 мм, для дома более двух этажей не менее 80 мм. 3. Армирование несущего слоя проводить с помощью обычной сетки 3,5-5 мм с шагом ячейки 50х50 мм. 4. Несущие слои соединять между собой связями из стеклопластиковой арматуры трубчатого сечения 15- 20 мм с шагом 600-800 мм. 5. Теплоизоляционный слой выполнять из органического утеплителя в виде прессованных соломенных блоков или рулонных лент с толщиной слоя 240-400 мм. 6. Укладку блоков производить в шахматном порядке с сопряжением между собой деревянными шпильками. 7. В углах здания предусмотреть пространственные деревянные рамы. 8. Перекрытия выполнять в виде деревоплиты, состоящей из бревенчатых балок и железобетонной плиты. 9. Для защиты нижней части многослойной стены рекомендуется выполнять цоколь из торкретбетона на высоту 200-300 мм.
В пятой главе дана оценка энерго- и экономической эффективности МС.
На основе разработанной конструкции малоэтажного сельского жилого дома проведены сравнения технико-экономических показателей новой конструкции многослойной стены с известными конструктивными решениями стен. При определении экономической эффективности предложенного решения стены был исследован опыт применения стен из прессованных соломенных блоков, оштукатуренных с двух сторон при строительстве жилых домов в селах Белоруссии.
Эффективность МС с внешними несущими слоями из торкрет-бетона и среднего слоя из органического утеплителя была подтверждена в сравнении с проектными решениями НАМИКС (рис. 9). Оценка технико-экономических показателей МС МС а - диаграмма сравнительной трудоемкости в чл.дн.; б - диаграмма сравнительной стоимости 1 кв. м стены с стены здания МС с различными материалами Рис. 9. Сравнение технико-экономических характеристики 1 м2 МС показала, что применение МС приведет к повышению энергоэффективности здания в течение года на 30 %, к снижению расходов топлива при отоплении здания в процессе эксплуатации на 20 %; к снижению трудоемкости на 21-38 % и стоимости в целом на 25-30 %.
Для возможности использования предложенного конструктивного решения был разработан эскизный проект одноэтажного жилого дома площадью 84м2 для его строительства ООО Пугачвжилстрой в Поволжском регионе.
,% ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ На основе проведенных автором экспериментально-теоретических исследований были получены следующие результаты:
1. Выполнен анализ современного состояния конструктивных решений стен малоэтажных зданий различного назначения, используемых в зарубежной и отечественной практике строительства. Выявлено экономически обоснованное использование местных материалов в виде прессованных блоков, которые выполняют как несущую и теплоизоляционные функции в бескаркасных домах (Канада, США), так и теплоизоляционную функцию в каркасных (Украина, Белоруссия). Определено приоритетное направление совершенствования конструкций стен с применением местных ежегодновозобновляемых материалов в виде прессованных соломенных блоков, которые особенно распространены для средней полосы России. Обоснована актуальность цели диссертационного исследования и сформулированы основные задачи.
2. Разработана новая многослойная конструкция стены малоэтажных зданий, которая состоит из пяти слоев: двух несущих из армированного торкрет-бетона и расположенных внутри них двух контактных слоев соломобетона и слоя органического утеплителя в виде прессованных соломенных блоков. Несущие слои между собой соединены поперечными связями из стеклопластиковых элементов. Применение несущих слоев из торкрет-бетона повысило несущую способность и пожаробезопасность; привело к образованию двух контактных слоев, которые обеспечивают более плавное изменение жесткости слоев стены, а также выполняют роль пароизоляции. Получен патент РФ на данное конструктивное решение многослойной стены и способ ее возведения.
3. Сформулирован принцип формообразования новой конструкции многослойной стены, на основе которого доказана возможность возведения таких стен с применением местных экологически чистых строительных материалов в виде прессованных соломенных блоков. Разработаны модификации новой конструкции многослойной стены, учитывающие этажность и функциональное назначение здания.
Проведена оценка эксплуатационных качеств новой многослойной конструкции стены с учетом экспериментальных данных для возможности ее использования при строительстве жилых малоэтажных зданий. Определены ее долговечность (III класс) и пожаробезопасность (степень огнестойкости II), а также показатели теплоустойчивости.
4. Разработаны узлы сопряжения многослойной стены с основными элементами здания. Для обеспечения пространственной жесткости несущего остова в углах здания предложено использовать близкие к органическому утеплителю по структуре сборные пространственные деревянные рамы из брусков. Предложено использовать деревобетонное перекрытие, обладающее необходимой несущей способностью, а также являющееся преградой распространению огня за счет железобетонной плиты из торкрет-бетона.
6. Впервые проведены экспериментальные исследования по конструктивному моделированию и определению действительной работы новой конструкции многослойной стены на натурных фрагментах, размеры которых соответствуют габаритам прессованных соломенных блоков. При конструктивном моделировании натурных фрагментов стены были обоснованы как принцип формообразования новой конструкции стены, так и образование двух контактных слоев из соломобетона.
Получены достоверные данные по несущей способности стены, физикомеханическим характеристикам ее слоев, исследована их совместная работа в конструкции. Кроме того, определена степень огнестойкости стены (II класс). Определены рациональные величины толщины несущих слоев из торкрет-бетона новой конструкции для зданий различной этажности (1 и 5 этажей).
7. Разработан алгоритм инженерного расчета многослойной стены с учетом ее конструктивных особенностей. Достоверность алгоритма подтверждена сравнением результатов численных экспериментов по предложенному алгоритму, аналитическому решению на основе операционного исчисления дифференциального уравнения, программному комплексу Лира 9.6 и СНиП 52-01-2003. Сравнение результатов расчетов по предложенному алгоритму и аналитическим решениям, а также в ПК Лира 9.6 показало хорошую сходимость (3-30 %). При этом сравнение результатов расчета по предложенному алгоритму и СНиП 52-01-2003 показало значительные расхождения, что характерно для многослойных стен с тонкостенными несущими слоями. На основе разработанного алгоритма создана программа расчета при помощи объектно-ориентированного языка С# для многослойных стен. Получено свидетельство РФ на программу для ЭВМ.
7. Разработаны практические рекомендации по применению и проектированию многослойной стены в составе малоэтажных зданий. Рекомендации содержат порядок возведения малоэтажных домов с применением многослойной стены, требования к материалам, алгоритм оценки несущей способности многослойной стены.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
1. Емельянова Т.А. Тенденции развития и перспективы применения метода торкретирования / А.П. Денисова, Т.А. Емельянова // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - №12. - С. 48-49. Лично автором выполнено 1 с.
2. Емельянова Т.А. Новый старый торкрет-бетон / А.П. Денисова, Т.А.
Емельянова // Промышленное и гражданское строительство. - 2009. - №9. - С. 55-57. Лично автором выполнено 1,5 с.
3. Емельянова Т.А. Алгоритм расчета конструкции многослойной стены малоэтажных зданий / А.П. Денисова, Т.А. Емельянова// Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2011. - №6. - С. 156-160. Лично автором выполнено 3 с.
4. Емельянова Т.А. Исследование новой биопозитивной конструкции стены // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. ст. IХ международной науч.-техн. конференции. - Пенза, 2009. - С. 20 - 23.
5. Емельянова Т.А. Новая конструкция стены малоэтажных зданий сельского типа / А.П. Денисова, Т.А. Емельянова // Строительство - формирование среды жизнедеятельности: сборник статей XIII международной межвузовской научнопрактической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. Москва - 2010. - С. 69-71. Лично автором выполнено 2 с.
6. Емельянова Т.А. Опыт применения торкрет-бетона / А.П. Денисова, Т.А.
Емельянова// Мир строительства и недвижимости. - Санкт-Петербург, 2011. - №39.
- С. 14-15. Лично автором выполнено 1 с.
7. Емельянова Т.А. Малоэтажный жилой дом для сельских районов Поволжья / А.П. Денисова, Т.А. Емельянова // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24: сборник трудов XIV международной научной конференции. Т.
8. - Саратов, 2011. - С. 27 - 29. Лично автором выполнено 1,5 с 8. Емельянова Т.А. Малоэтажный жилой дом для молодых специалистов на селе// Молодые ученые за инновации: создавая будущее: сборник материалов международного Интернет-фестиваля - Саратов, 2011. - С. 73-77.
9. Емельянова Т.А. Малоэтажные жилые дома из местных строительных материалов / А.П. Денисова, Т.А. Емельянова// Мир строительства и недвижимости. - Санкт-Петербург, 2011. - №41. - С. 34-35. Лично автором выполнено 1,5 с.
10. Пат. 98441 БИ № 29, 2010. Многослойный строительный элемент. Денисова А.П., Емельянова Т.А. Лично автором выполнено 1,5 с.
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611926. 20.02.2012. Оценка НДС многослойной стены малоэтажных зданий.
Емельянова Т.А., Денисова А.П., Фролов Д.А.
Подписано в печать 23.04.2012 Формат 60х84 1/16.
Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №1____________________________________________________________________ Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям