Новый материал для конструкций стеновых ограждений энергоэффективных зданий
Опубликовано: 02.09.2018
Проанализированы существенные конструктивные недостатки применяемых стеновых ограждений. Предложена конструкция стенового ограждения для многоэтажных энергоэффективных зданий с наружными стенами, поэтажно опирающимися на диски перекрытий на основе применения блока стенового трехслойного с гибкими связями.
Major structural drawbacks of the existing walls have been analyzed. A wall structure based on using a three-layer building block with flexible ties was offered for energy efficient multistory buildings with external walls resting upon the floor disks.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных задач, сформулированных в концепции развития строительного комплекса Республики Беларусь на 2011–2020 гг., является строительство энергоэффективных жилых домов, объемы которого к 2015 г. намечено довести до 6 млн м2, что составит около 60 % от общей площади вводимых зданий. Удельное потребление тепловой энергии на отопление таких зданий не должно превышать 60 кВт?ч на 1 м2 в год и в перспективе до 2020 г. – до 30–40 кВт?ч на 1 м2 в год. В глобальном масштабе – это один из способов оптимизации топливно-экономического баланса страны, поскольку на отопление и горячее водоснабжение жилого фонда Республика Беларусь потребляет около 35 %–40 % энергоресурсов страны.
Наиболее эффективными мероприятиями для снижения потребления тепловой энергии в жилых домах являются: повышение термического сопротивления ограждающих конструкций вновь возводимых и эксплуатируемых зданий, установка энергоэффективных окон, утилизация тепла вентиляционных выбросов и сточных вод. Среди перечисленных мероприятий применение новых типов ограждающих конструкций с повышенным термическим сопротивлением как технически, так и экономически является приоритетным. Поэтому производство новых отечественных стеновых материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами, разработка новых конструктивных систем тепловой изоляции зданий – одна из основных задач энергоэффективного строительства. Она усложняется тем, что с учетом введенных в республике в 2010 г. в действие изменений в нормы проектирования [1] термическое сопротивление ограждающих конструкций должно составлять не менее 3,2 м2?оС/Вт.
Ужесточение требований к термическому сопротивлению наружных ограждающих конструкций обусловило интенсивное строительство в Беларуси многоэтажных жилых домов с такими архитектурно-конструктивно-технологическими системами, как каркасные (сборно-монолитные, монолитные) и стеновые (поперечно-стеновые, продольно-стеновые, перекрестно-стеновые), позволяющими снять нагрузку с наружных стен, сделать их поэтажно навесными или поэтажно опертыми. Это дало возможность выполнять наружные стены с повышенным термическим сопротивлением.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В Беларуси стеновое ограждение каркасных зданий, как правило, выполняется в виде одно- или двухслойной кладки, поэтажно опирающейся на диски перекрытий. Кладка однослойных стен обычно ведется из ячеистобетонных блоков на тонких растворных швах с последующими защитно-декоративной облицовкой штукатурным раствором и окраской. Значительно реже возводятся здания, стеновое ограждение которых выполняется двухслойным – из ячеистобетонных блоков с защитно-декоративной облицовкой из кирпича [2].
На рис. 1 и 2 приведены традиционно применяемые в Республике Беларусь схемы стенового ограждения каркасных зданий с защитной облицовкой кирпичом. В соответствии с типовой серией, принятой в нашей стране, стеновое ограждение толщиной 500 мм, выполненное из газосиликатных блоков плотностью D400, должно обеспечивать для условий эксплуатации «Б» сопротивление теплопередаче 3,68 м2?оС/Вт. Однако расчеты с учетом типичных теплопроводных включений, характерных для данной конструкции стены, дают значительно более низкие значения сопротивления теплопередаче [3]. То есть здание с такими стенами не соответствует современным требованиям по теплозащите. Кроме того, приведенные на рис. 1 конструктивные решения стенового ограждения обладают рядом существенных недостатков [4–7].
а)
б)
1 – железобетонная панель перекрытия; 2 – внутренний слой; 3 – утеплитель;
4 – воздушный зазор; 5 – лицевой кирпичный слой;
6 – деформационная прокладка; 7 – керамическая плитка; 8 – вкладыши из пенополистирола
Рис. 1. Варианты сопряжения лицевого слоя с плитой перекрытияПрежде всего, они не обеспечивают непрерывности термоизолирующего слоя по всей высоте. Выходящие на контакт с наружным воздухом диски перекрытий являются мостиками холода, которые «обеспечивают» теплопотери стен более 20 %, приводят к образованию конденсата на поверхности стен внутри помещений, являясь причиной развития плесени и грибков, отдельные виды которых имеют канцерогенный характер [2]. Декоративная облицовка торцов плит перекрытия керамической плиткой или пиленым кирпичом неэффективна – из-за разности температур расширения керамики и бетона плитка и кирпич начинают отпадать уже в первые годы эксплуатации. Снижение теплопотерь путем облицовки торцов перекрытий пенополистиролом небольшой толщины является недостаточным, так как потоки тепла не перекрываются полностью (стрелки на рис. 1а). Применение с целью устранения этого недостатка термоизолирующих вкладышей, выполняемых в краевой части перекрытий методом сквозной перфорации, малоэффективно. Согласно тепловизионным съемкам, проведенным в феврале – марте 2011 г., по плите перекрытия имеет место температурный пробой, который усиливается за счет влаги, скапливающейся за зиму в утеплителе и воздушном зазоре [2]. Это может быть причиной массированного льдообразования во внутреннем объеме конструкции со всеми вытекающими последствиями. Кроме того, термовкладыши из хрупкого пенополистирола, особенно при некачественной их установке, контактируют с рабочей продольной и поперечной арматурой плиты, защитный слой бетона которой обычно имеет недостаточную толщину. При соприкосновении арматуры с конденсатом, скапливающимся в зоне термовкладышей, а также попадающей атмосферной влагой возникает коррозия стальной арматуры. Железобетонное сечение консолей с такой арматурой не может отвечать требованиям надежности. При образовании коррозионных трещин в консолях, которые сопровождаются многократными циклами замораживания–оттаивания, разрушительные процессы могут иметь лавинообразный характер [5]. Все эти недостатки в полной мере присущи и однослойному стеновому ограждению.
Применение для облицовки пустотелого кирпича (по сравнению с полнотелым) практически не оказывает влияния на повышение теплозащитных свойств стенового ограждения, более того, нерациональное расположение пустот создает в облицовочном слое стены участки с пониженными теплозащитными свойствами и повышенной паропроницаемостью. Это способствует концентрации влаги на внутренней поверхности лицевого слоя, что приводит к его переувлажнению и преждевременному разрушению [4].
Из анализа конструктивных решений стенового ограждения каркасных зданий авторы [2] делают вывод о том, что наиболее эффективными с точки зрения сопротивления теплопередаче являются слоистые конструкции, в которых утеплитель расположен непрерывно по всей площади стены. Данные конструктивные системы имеют высокий коэффициент теплотехнической однородности. Слой утеплителя может находиться внутри стены за защитно-декоративной облицовкой из кирпича и вентилируемой воздушной прослойкой или снаружи с защитой клеевым составом и декоративной штукатуркой. Последнее решение стенового ограждения имеет один существенный недостаток – низкую долговечность защитно-декоративного покрытия, поэтому его преимущественно следует применять в малоэтажном строительстве. Для энергоэффективных зданий повышенной этажности стеновое ограждение целесообразно выполнять в виде вентилируемой слоистой кладки с защитно-декоративной облицовкой из кирпича или других мелкоштучных материалов.
Приведенное выше указывает на необходимость (а с учетом значительной стоимости возведения и эксплуатации стенового ограждения в современных условиях – в кратчайшие сроки) разработки новых конструктивных решений стеновых ограждений на основе создания материалов и элементов, отвечающих всем современным требованиям нормативных документов. Причем, позволяя значительно повысить теплотехнические характеристики кладки и ее технологичность, их применение должно уменьшить материалоемкость ограждения, его массу и нагрузки на конструкции, сокращая количество бетона и железобетона, используемого для возведения фундаментов и перекрытий. Таким образом, их применение должно снизить не только стоимость выполнения стенового ограждения, но и стоимость строительства здания в целом.
Одним из типов современных конструкций ограждений многоэтажных энергоэффективных зданий с наружными стенами, поэтажно опирающимися на диски перекрытий, является предлагаемая авторами А. В. Геращенко и А. А. Васильевым конструкция из штучных стеновых материалов на основе применения стенового трехслойного блока с гибкими связями [8]. Блок представляет собой трехслойную конструкцию (рис. 2), в которой несущие слои выполнены из дисперсно-армированного бетона (стеклофибробетона), а теплоизолирующий слой – из пеностекла. Наружный и внутренний слои соединяются системой гибких связей, выполняемых из стеклотканевой сетки (регистрационный № 7498 в Государственном реестре полезных моделей).
По результатам предварительных испытаний получены следующие характеристики блока:
– габаритные размеры, мм – 280х360х220 (h);
– термическое сопротивление блока, м2?оС/Вт – не менее 3,5;
– водонепроницаемость – не ниже W8;
– огнестойкость – негорючий;
– морозостойкость, цикл – не менее 250;
– предел прочности на сжатие, МПа – не ниже 2,0;
– масса блока, кг – не более 11,5.
Применение таких материалов для ограждающей конструкции оптимально, поскольку стеклофибробетон по сравнению с традиционным железобетоном обладает существенными техническими преимуществами: повышенной трещиностойкостью, ударной прочностью, вязкостью разрушения, износо- и морозостойкостью, пониженными усадкой и ползучестью, возможностью использования в тонкостенных конструкциях без стержневой или сетчатой распределительной и поперечной арматуры. При работе со стеклофибробетоном возможно снижение трудозатрат, повышение степени механизации и автоматизации производства изделий. Пеностекло, в свою очередь, является универсальным теплоизоляционным материалом с присущими только ему уникальными теплофизическими и эксплуатационными свойствами: широчайшим температурным диапазоном применения, абсолютной непроницаемостью для воды, абсолютной негорючестью, стабильностью размеров (отсутствием усадки), стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам, высокими прочностными показателями, экологической чистотой. Оригинально соединенные в единое целое, эти материалы представляют собой уникальную конструкцию, сочетающую в себе лучшие свойства каждого материала в отдельности.
Для оценки возможности использования предлагаемого стенового трехслойного блока с гибкими связями выполним сравнение применения его и наиболее часто используемых для возведения конструкций ограждения блоков ПГС при разработке проекта одноподъездного восемнадцатиэтажного монолитного жилого дома на основе проекта ОКУП «Гомельгражданпроект». При использовании блоков ПГС (плотностью 500 кг/м3) кладка выполняется двухслойной (300 + 250 мм) с толщиной швов 3 мм (рис. 3). Таким образом, ее толщина составляет 553 мм. Кладка из предлагаемых стеновых трехслойных блоков с гибкими связями – однослойная на тонких растворных швах (рис. 4), ее толщина равна толщине блока и составляет 280 мм. Обе конструкции позволяют обеспечить требуемое значение сопротивления теплопередаче (3,2 м2?оС/Вт).
1 – железобетонная панель перекрытия; 2 – кладка из блоков ПГС на тонких растворных швах;
3 – отделочный слой
Рис. 3. Конструкция стенового ограждения многоэтажного жилого здания из блоков ПГС проекта ОКУП «Гомельгражданпроект»
1 – железобетонная панель перекрытия;
2 – кладка из стеновых трехслойных блоков с гибкими связями на тонких растворных швах
Рис. 4. Конструкция стенового ограждения многоэтажного жилого здания с использованием стеновых трехслойных блоков с гибкими связямиС учетом уменьшения толщины ограждения практически в 2 раза возможны два варианта выполнения ограждающей конструкции: первый – с сохранением внутреннего контура (рис. 5), второй – с сохранением внешнего контура (рис. 6). На обоих планах (см. рис. 5 и 6) заштрихованной областью показан контур здания.
В первом варианте уменьшается площадь монолитной плиты перекрытия на 24,9 м2, соответственно объем бетона в уровне перекрытия – на 5,0 м3 и его масса – на 12,5 т. Во втором варианте в уровне одного этажа увеличивается общая площадь квартир на 22,3 м3. В обоих вариантах при применении стенового трехслойного блока с гибкими связями объем кладки наружных стен в уровне одного этажа уменьшается на 40 м3. Соответственно нагрузка от наружных стен для одного этажа уменьшается на 24,0 т.
Сравнение стоимости и трудоемкости возведения здания на примере проекта 267.08 «106-квартирный жилой дом по улице Строителей, 18/14 в г. Бобруйске» приведено в таблице 1.
Таблица 1. Расчет экономии применения в кладке стеновых трехслойных блоков с гибкими связями (БСТ) по сравнению с кладкой из блоков ПГС
| ПГС | БСТ | ПГС | БСТ | ПГС | БСТ | ПГС | БСТ | ПГС | БСТ | ПГС | БСТ |
| 31.912 | 5.980 | 5.0 | 0.94 | 852.285 | 540.219 | 133.63 | 84.7 | – | 312.066 | – | 48.93 |
Необходимо отметить, что экономия при возведении здания из стеновых трехслойных блоков в ценах на 01.05.2011 составляет ориентировочно 759 230 тыс. бел. руб. Таким образом, использование стенового трехслойного блока с гибкими связями позволяет значительно уменьшить стоимость не только возведения наружных стен, но и за счет существенного уменьшения объема и массы несущих конструкций – стоимость всего здания в целом.
Кроме того, необходимо отметить, что выполнение двухслойной кладки из блоков ПГС более трудоемко и сложно контролируемо (устройство швов в двухслойной конструкции), требует дополнительных отделочных работ, что также отрицательно сказывается на трудоемкости и стоимости строительства.
Помимо ранее перечисленных стеновые трехслойные блоки обладают также рядом дополнительных качеств, позволяющих эффективно их эксплуатировать: возможностью выполнения фасадной стороны блока с декоративной отделкой в заводских условиях, повышенной коррозионной стойкостью и, как следствие, – значительной долговечностью. Кроме того, предлагаемая авторами конструкция, в основе выполнения которой лежит трехслойная панель, позволяет изготавливать блоки различных размеров и конфигураций в зависимости от проектного решения.
Необходимо обратить внимание на реальные экспортные возможности применения и продвижения ограждающих конструкций на основе использования стеновых трехслойных блоков с гибкими связями. Их применение для энергоэффективных зданий с услугой возведения под ключ обладает всеми критериями для динамичного развития экспортных программ строительной отрасли Республики Беларусь, что обусловлено монополией на производство и комплексом обязательных факторов, таких как:
– инновационная новизна конструкций, направленная на удовлетворение потребительского спроса в комплексе – острая востребованность всех международных корпораций (объединений) для успешного вхождения в рынок;
– экономическая и энергоэффективность, долговечность эффективной эксплуатации, не имеющая аналогов – не менее 50 лет до капитального ремонта;
– производительность, существенно сокращающая срок возведения здания, обеспечивает значительный рост объемов выполненного строительства за период времени. Освобождая производственные мощности для эффективного выполнения экспортной программы и увеличивая объемы строительства на 20 %–30 %, что влечет значительный рост выручки и доходов, сохраняет ликвидность продукта. И, наконец, главный приоритет:
– поступления максимально возможных объемов валютной выручки от продаж полезной жилой площади, например, в России, где с учетом всех особенностей рынка Российской Федерации, стоимость в среднем в 2 раза выше стоимости объекта в Беларуси, что, без сомнений, обеспечит необходимые платежи для импортной составляющей всего процесса экономики строительной отрасли и обязательных продаж валюты в бюджет страны.
Заключение
1 Строительство энергоэффективных зданий в Республике Беларусь – один из способов оптимизации топливно-энергетического баланса страны. Однако оно невыполнимо без разработки новых конструктивных решений стеновых ограждений с повышенным термическим сопротивлением, основанных на применении стеновых материалов с высокими теплоизоляционными свойствами, стойких к атмосферным воздействиям, долговечных и экономичных.
2 Предлагаемый стеновой трехслойный блок с гибкими связями позволяет проектировать стеновые ограждения для энергоэффективных зданий с поэтажно опирающимися на диски перекрытий наружными стенами. Такие ограждения отвечают всем современным нормативным требованиям не только в удовлетворении требуемых теплотехнических свойств, но и в обеспечении необходимой коррозионной стойкости и долговечности, обеспечивая зданиям выразительный архитектурный облик весь срок эксплуатации. При этом значительно снижается стоимость возведения (по сравнению с существующими) не только ограждающих конструкций, но и зданий в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ТКП 45-2.04-43-2006(02250): Строительная теплотехника. Изменение № 1. – Введ. 07.01.2009. – 3 с.
2. Деркач, В. Н. Об энергоэффективности наружного стенового ограждения каркасных зданий / В. Н. Деркач, А. Я. Найчук // Архитектура и строительство. – 2011. – № 1. – С. 22–25.
3. Горшков, А. С. Пути повышения энергоэффективности ограждающих конструкций зданий / А. С. Горшков, И. А. Войков // Сборник трудов II Всероссийской конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций». – СПб, 2009. – С. 45–48.
4. Ищук, М. К. Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки / М. К. Ищук. – М.: РИФ «Стройматериалы», 2009. – 360 с.
5. Лобов, О. И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий / О. И. Лобов, А. И. Ананьев // Жилищное строительство. – 2008. – № 8. – С. 48–52.
6. Гроздов, В. Т. О недостатках существующих проектных решений наружных навесных стен в многоэтажных монолитных железобетонных зданиях / В. Т. Гроздов // Дефекты зданий и сооружений. – СПб: БИТУ, 2006. – С. 15–21.
7. Орлович, Р. Б. Отечественные и зарубежные технические решения по наружному стеновому ограждению высотных зданий / Р. Б. Орлович, А. Я. Найчук, В. Н. Деркач // Архитектура, дизайн и строительство. – 2009. – № 3–4 (43). – С. 56, 57.
8. Васильев А. А. Энергоэффективная конструкция ограждения многоэтажного жилого здания / А. А. Васильев // Вестник Белорусско-Российского университета. – Могилев: ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2011. – № 1(26). – С. 89–93.