13 Дек 11 ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Надежность теплозащиты зданий определяется надежностью их ограждающих конструкций, которую, в свою очередь, характеризу­ют качественными единичными показателями долговечности и без­отказности.

При оценке долговечности ограждающих конструкций опреде­ляют продолжительность доремонтного периода эксплуатации кон­струкции, анализируя физико-механический аспект проблемы. Про­гнозирование долговечности в указанный период носит сравнитель­ный характер. Выбирают конструкцию ограждения с наибольшей сравнительной степенью долговечности и для нее уже определяют условную долговечность — продолжительность доремонтного перио­да.

Это позволяет отобрать для заданных климатических условий наиболее подходящие ограждающие конструкции и оценить их при­годность.

По критериальному методу С. В. Александровского [3] долго­вечность конструкции характеризуют критериями: по образованию трещин Кот, по раскрытию их Крт и глубине Кгт-

Отказом стеновой ограждающей конструкции считают такое ее состояние, при котором на наружной поверхности появляются тре­щины (Кот>1), их ширина раскрытия достигает предельно допу­стимого значения (Крт=1) и ослабление сечения конструкции из - за трещины на ее холодной грани равно предельно допустимому (Кгт=1). Для вычисления Кот, Крт И Кгт ОПрЄДЄЛЯЮТ СуММарНЫе напряжения в конструкции от совокупности воздействия нагрузки, собственной массы ограждения [3] и внешней среды. Критерии С. А. Александровского определяют для наиболее напряженных то­чек наружной поверхности ограждения. Чем больше значения выб­ранного критерия, тем выше степень долговечности ограждения по данному признаку.

Критерий долговечности по образованию трещин определяют по формуле

Кот == °р/Есх,

Где ор — расчетная прочность на осевое растяжение материала ог­раждения; Есх — предельное во времени значение суммарного на­ибольшего главного растягивающего напряжения в наиболее напря­женной точке.

Критерий долговечности по раскрытию трещин

КрТ = ан/ат,

Где ан=0,5 мм — предельно допустимая величина, а ат — суммар­ная наибольшая ширина раскрытия трещин на наружной поверх­ности ограждения при его длительной эксплуатации.

При Еох > ар, ат определяют без учета арматуры по формуле

Ат = {ЕрСх~ор)1/Е,

Где Е — модуль упругости замерзшего бетона, I — горизонтальный размер стеновой панели.

Критерий долговечности по глубине трещин

Кгт = K/hrx, (V.25)

Где Лн=0,1 б — предельно допустимое ослабление сечения (ограж­дения при наличии трещины на его наружной поверхности (6 — толщина ограждения); hTk — глубина этой трещины при Есх>ор,

Ч = б3 - Op) / {Е1х - ЕЪу), (V.26)

Где бз — толщина слоя промерзания; Есх, Есу — определенные во времени суммарные наибольшие главные растягивающие напряже­ния на границах этого слоя.

Из сравниваемых конструкций более долговечной будет та, у которой весь комплекс критериев долговечности имеет более высо­кие показатели.

Условная долговечность ограждения определяется временем до­стижения отказа. Если Кот^І, то ограждение имеет «бесконечную» долговечность, т. е. спроектировано неэкономично. Если Кот<1 и хотя бы один из критериев (Крт или Кгт) меньше единицы, то ог­раждение имеет ограниченную долговечность, определяемую по это­му критерию с учетом отказа. Если Крт и Кгт меньше единицы, то по каждому из них с учетом отказа определяют соответствующее значение долговечности и выбирают меньшее из них.

Условную долговечность ограждения Z по критерию Крт опре­деляют из уравнения где Есху Есх — соответственно температурные, усадочные и карбаннзацнонные напряжения бетонной ограждающей конст­рукции.

Значения ор и Е из-за деструкции холодного (наружного) слоя ограждения снижаются, а ЕІх, Е*х прямо пропорциональны г, поэтому левая часть уравнения (V.25) не зависит от времени, а правая содержит только заданные функции соответствующих вы­нужденных деформаций (температурной є°т (z), влажностной £°а, (г) или вызванной усадкой при карбонизации є°к (г).

Для автоклавного ячеистого бетона, например, временной за­кон развития вынужденных деформаций, вызванных влажностной усадкой, [3]

Єо (z) = 50 • Ю-5 (1 — 0,277е-3-7442 — 0,773d?-0-5442); (V.28)

Усадкой при карбонизации

Е° (z) = 51 - Ю-5 (1 — е~°г18гУ, є° = 38,5 • 10~5 (1 — e~°-l8z). (V.29)

П в

Время Z определяют из уравнений (V.27) и (V.28), (V.29). Ана­логично по критерию Кгт с учетом зависимостей (V.25), (V.26) по уравнению

H„ = *— ед, также содержащему заданные функции.

Есх (zj) ах

Напряженно-деформативное состояние однослойных бетонных конструкций в условиях, близких к эксплуатационным, определя­ют традиционными методами [2] или неразрушающими, например, методом голографической интерферометрии [6].

Прямой метод оценки долговечности С. В. Александровского учитывает особенности поведения наружных ограждающих конст­рукций из традиционных материалов при циклических воздействиях отрицательной температуры и криогенных фазовых превращений влаги в порах материалов.

Предпосылки метода следующие [5]. Материал ограждения удовлетворяет требованиям морозостойкости. Наружная огражда­ющая конструкция удовлетворяет требованиям СНиП 2.03.01-84 и СНиП 11-3-79*. Известны предполагаемый район строительства и характеристики его климатической активности, влияющие на долго­вечность ограждения — среднемесячная температура t„M, средняя амплитуда Ас суточных колебаний температуры по месяцам года; среднесуточная температура по дням месяцев года, средние расчетные периоды Рр устойчивых периодических морозов и отте­пелей по отношению к годовому изменению среднемесячной темпе­ратуры t„M в активные зимне-весенний и летне-осенний периоды го­да, когда происходят переходы температуры воздуха через 0 °С; средние расчетные амплитуды Ар этих заморозков и оттепелей в активные периоды года; среднее расчетное число тр указанных за­морозков и оттепелей в году.

Теплопроводность и температуропроводность материалов ограж­дения постоянны, а их значения соответствуют массовому отноше­нию влаги, определяемому расчетом (см. гл. IV) или по прил. 3 СНиП II-3-79 *.

Температура начала замерзания, определяемая эксперименталь­но или по справочным данным, принимается независимо от влажно­сти материала. Температура конца оттаивания льда в материале принимается О °С.

В mln, о в. * Шэ = у о W/'у0; шэ — w3 - J - Дшср,

Влажность материала в зоне промерзания ограждения в усло­виях эксплуатации в зимне-весенний w*3 и летне-осенний w°3 пе­риоды года при расчетах на долговечность принимают соответ­ственно

Mln

W3 = у

,min

Где уо, - утш — соответственно: плотность материала в сухом состоя­нии расчетная и минимальная из указанных в прил. 3 СНиП II-3-79 * для данного материала и его родственной группы; w — расчетное влагосодержание материала; Дкуср—предельно допусти­мое его приращение (см. табл. 1.15).

Снижение во времени характеристик качества ограждения {прочности, стойкости, теплозащитных свойств) пропорционально степени деструкции материала. Последняя пропорциональна объ­ему предшествующих криогенных фазовых превращений влаги в его порах и зависит от его влажности, числа циклов заморажива­ния и достигаемой в каждом цикле температуры замораживания. За один цикл замораживания она прямо пропорциональна количе­ству образовавшегося за это время льда. До достижения норма­тивного снижения прочности материала на сжатие при установле­нии его проектной марки по морозостойкости это условие сохраня­ется в каждом цикле. После этого начинается быстрое нелинейное накопление микроповреждений [5]. Имеющийся незначительный ре­зерв долговечности не учитывается.

Долговечность ограждающих конструкций или ее слоя при со­блюдении этих предпосылок определяют по формуле [5]

N (w„ — ьу0)

2 =----------------------- ——р---------------------- , (V.30)

К - %] 2 п1Q Vi> + К - ± (',-) 1=1 /=1

Где N — выдерживаемое материалом ограждения число циклов по­переменного замораживания при стандартных испытаниях на мо­розостойкость; wH — влажность материала, соответствующая его полному водонасыщению [5]; w? — равновесная влажность мате­риала, ниже которой при температуре (—20) °С лед не образуется, определяемая экспериментально (для ячеистых бетонов 4 %, шун - гизитогазобетонов —2,2 %, керамзитобетонов — 1,8 %, цементно - песчаных растворов — 0,6 % [5]; Q (U) — коэффициенты, представ­ляющие собой отношение количества замерзшей влаги при темпе­ратуре ti и (—20) °С в водонасыщенном материале, определяемые экспериментально, а для перечисленных выше материалов — по

Данным [5]; /гв,-, /г°,- — число случаев і достижения температуры в активные зимне-весенний и летне-осенний периоды года при пере­ходе ее через значение температуры начала замерзания tH.3 влаги в порах материала.

В условиях нестационарного температурного поля, как прави­ло, не бывает совпадающих циклов /і/, а только единственный цикл Пі в году при данной температуре u. Поэтому пві=п°і= 1 цикл в год.

Для установления числа случаев і и соответствующих им пока­зателей температуры tu яри которых находят коэффициенты Q (U), определяют полные нестационарные температурные поля огражда­ющей конструкции в зимне-весенний и летне-осенний периоды года с учетом характеристик климатической активности района строи­тельства. Для отделочного слоя наружной стеновой панели коэффи­циенты находят для середины этого слоя, а для самой стеновой па­нели — для середины слоя ее устойчивого промерзания в зимне-ве­сеннем и летне-осеннем периодах года. Температурное поле одно­слойного ограждения слагается из квазистационарной составляю­щей, связанной с линейным в эти периоды годовым изменением среднемесячных значений температуры воздуха ta при постоян­ной температуре внутреннего воздуха tB и двух гармонических со­ставляющих, а также с устойчивыми периодическими заморозками и оттепелями со средними расчетными амплитудами Лр, периодами Рр и числом п в году, и составляющей, связанной с суточными ко­лебаниями температуры наружного воздуха со средней амплитудой Ас и периодом Р=24 ч.

Квазистационарная составляющая температурного поля одно­слойной стены толщиной б

Т (xz) =Z1 + Z3x-~ Z5X2 + Z6X8 + (Z2 + z4x) г, (V.31)

Где x — координата слоя стены, отсчитываемая от ее наружной по­верхности; z — время, отсчитываемое от середины месяца зимне-ве­сеннего или, соответственно, зимне-осеннего периода, предшеству­ющего началу периодических заморозков с переходом через Zi — постоянные коэффициенты, определяемые по формулам:

Ьх

Zi = Лі + z2 = — {К—hY> z3 = Ч2 + i/o;

"h

Z4 = hbx ; z6 = K]2/2a; Z6 = — hbx /6a, где Тії = -7- bh + htHJ; т}2 = h (tH —

"h

Br lib

Щ = х2//*н; x2 = - -1— [3 (2 + hBb) (hH — h) — hhj> (3 + ЗД]. bhBhH

Причем bx — скорость линейного изменения среднемесячной темпе­ратуры наружного воздуха для зимне-весеннего или летне-осенне­го периодов года, а

К + К + ''вМ Здесь к = авА; ha — аи/К.

Амплитуды колебаний, связанные с устойчивыми периодически­ми заморозками и оттепелями, с периодом Рр определяют по фор­муле

HA

Л(х) = —[1 + Лв(6 — х)].

К

Быстро затухающие амплитуды суточных колебаний темпера­туры в слое стены могут быть определены как амплитуды в полу­бесконечном слое по формуле [5]

A(x) = Anexp(^~xy/r^pj,

Где An — амплитуда суточных колебаний температуры на наруж­ной поверхности стены:

AB = AJ/ 1 + — і/^ + нг^-

V К V аР HlaP

Таким образом, долговечность наружной стеновой панели рас­считывают по формуле (V.30) при коэффициентах Q (ti), найден­ных для середины слоя устойчивого промерзания в активные пе­риоды года по полному температурному полю этого ограждения.

Глубину устойчивого промерзания однослойной стены в актив­ном периоде года определяют приравниванием О °С левой части уравнения (V.31). Ее определяют дважды: для начала зимне-ве­сеннего и конца летне-осеннего периодов, затем находят средне­арифметическое этих двух значений [5].

Косвенный метод оценки долговечности, в основу которого по­ложен экономический подход [51], позволяет определить показа­тель долговечности многослойных конструкций из эффективных ма­териалов, например, ограждений мобильных зданий. При этом оп­ределяют срок службы наименее долговечного материала конст­рукции, которым в большинстве случаев является утеплитель, и по этому времени характеризуют долговечность ограждения в целом. Метод заключается в том, что текущая стоимость конструкции С (гь z) с материалом, претерпевающем деструкцию во времени, рассматривают как функцию двух значений: параметра Z — пред­полагаемой продолжительности доремонтного периода и перемен - нон z, текущей к Zt продолжительности эксплуатации:

Где f (zj) —начальная стоимость конструкции, определяемая с уче­том последующих деструкции материала на интервале времени z\ я]) (г) — монотонно затухающая функция амортизации конструкции, которую представляют [51] в виде простейшей дробнолинейной функции:

Ф(2)=1/(1+К1г). (V-32)

Коэффициент Ki в формуле (V.32) определяют скоростью сни­жения стоимости ограждения во времени, связанную с планируе­мыми амортизационными отчислениями для здания в целом, харак­теризующими общий износ конструкции во время эксплуатации с условно недеструктирующимся материалом. Например, этот коэф­фициент для капитально неремонтируемых мобильных (инвентар­ных) зданий определяют по формуле

К _ 1-(Сн/С0) .

1 (Сн/Со)Zi '

Где Сн — ликвидационная или балансовая стоимость ограждения мобильного (инвентарного) здания в конце нормативного срока экс­плуатации.

F (zi) определяют по формуле [51]: /(zj = К2а2/ (а — bcz), а об­щая стоимость конструкции

С (Zle z) =----------- ^---------- , (V.33)

При z=zi монотонно убывающая функция С (zi, z) имеет эк­стремум при

Z1 = (K1o-bc)/2baK1, (V.34)

Который является ее минимумом.

Снижение С (zi, z) по зависимости (V.33) допустимо до уста­новленного состояния отказа. Затем используют свойство ремонто­пригодности конструкции, что резко повышает ее стоимость. Таким образом, в общем случае ремонтопригодного здания функция С (zb z) имеет несколько экстремумов. Период времени до первого отка­за соответствует фактической долговечности неремонтопригодного ограждения или условной долговечности (продолжительности пер­вого доремонтного периода) ограждающей конструкции.

Пример. Определить соответствие фактической долговечности трехслойных ограждающих конструкций с утеплителем из фенольно-резольного пенопласта резопен нормативной долговечности для ограждений мобильных (инвентарных) сборно-разборных и контейнерных зданий.

Ликвидационная балансовая стоимость ограждений этих зданий составля­ет 15 % начальной стоимости. Тогда

1—0.15

Ki = _ =0,37 1/год для контейнерных зданий;

15-0,15 1—0.15

Кі= =0,28 1/год для сборно-разборных.

* и 9 Ю

Долговечность конструкций оценивают при максимальном влагосодержании утеплителя, которое определяют по данным настоящей главы (см. с. 155—157). Потерю прочности утеплителя рассматриваемых конструкций определяют по урав­нению типа (V.23)

Ь% =2,1 • 10» п —0,39(Atw)—2fi-l0~3(Atw) п, где Дt — максимально возможная удвоенная амплитуда колебаний температуры воздуха при переходе через 0 °С, определяемая по статистическим данным метео­рологических служб в районе возможной эксплуатации здания.

Интенсивность снижения прочности материала за один год эксплуатации в качестве утеплителя наружных ограждающих конструкций определяют по фор­муле ba =ba N, где N — число оттепелей или заморозков с переходом через О °С с нормируемой продолжительностью (например, более 5 сут) за один год в данном районе эксплуатации. Для климатических условий Украины можно при­нять [27] N=6 циклов в год.

Расчет по формуле (V.32) показывает, что при начальной прочности утепли­теля Ссж= 1,29-105 Па долговечность рассматриваемых конструкций составляет:

0,37-1.29-105-365-6 для контейнерных зданий z= „ „„„ „ ^ „„ «28 лет;

2-365-6-0.37 0.28-1.29-105-365-6 для сборно-разборных зданий Zi= 2 365-6 0 28 ~28 лет' где

365 Па/цикл, определенная по формуле (V.33) при максимально возможном влагосодержании утеплителя.

Нормативный срок эксплуатации мобильных контейнерных зданий равен 15 годам, а сборно-разборных — 20. Следовательно, по сопротивлению сжатия при 10 %-ной деформации, которое характеризует физическую сохранность утеп­лителя в конструкции, резопен удовлетворяет требованиям нормативной долго­вечности.

Косвенный метод оценки долговечности, в основу которого по­ложен экономический подход, удобен для прогнозирования дли­тельности первого периода эксплуатации ремонтопригодной ограж­дающей конструкции или фактической долговечности неремонто­пригодного ограждения. Он применим и для оценки долговечности ограждающей конструкции после определенного числа ремонтов. В этом случае используют следующие рекурентные формулы:

Z1 = (K1o1 — b3c1N)/2bllNK1-, z2 = гх + [(Кхо2 - bltN) 12ЙЛКх1; гт = zm_, + [(Kxom - blj) / 2^JVKJ.

Так как в материале накапливаются повреждения, то от<С от_і, а Ьа '>bam_v Поэтому слагаемое [(К^ — blmN)/2b3amNKJ с увеличе­нием т уменьшается и долговечность zm становится меньше mzГ- Безотказность теплозащиты зданий оценивают исходя из следу­ющих предпосылок. Для большинства ограждающих конструкций, основное назначение которых состоит в обеспечении теплозащиты здания, один из основных эксплуатационных показателей — приве­денное сопротивление теплопередаче этих конструкций. В процессе эксплуатации здания оно может уменьшиться только в результате увеличения теплопроводности утеплителя (нарушения, связанные с грубыми отклонениями от установленных условий эксплуатации не рассматриваются). Поэтому деструкция утеплителя и, как следст­вие, недопустимое повышение его теплопроводности — это состоя­ние его отказа несмотря на то, что другие элементы ограждающей конструкции можно эксплуатировать еще многие годы. Поэтому по­казателем безотказности теплозащиты зданий служит теплопровод­ность утеплителя и его термическое (приведенное) сопротивление. Порядок оценки следующий.

Определяют приведенное сопротивление теплопередаче ограж­дающих конструкций исследуемого здания, по которому вычисляют - приведенную теплопроводность утеплителя конструкции. По резуль­татам испытаний утеплителя на стойкость к климатическим воздей­ствиям оценивают интенсивность повышения Ь% его теплопровод­ности по формуле (V.24). По корреляционной зависимости = =Konp-~Nbtzi рассчитывают приведенную теплопроводность уте­плителя к окончанию первого доремонтного периода или для нере­монтопригодных конструкций — к концу нормативного срока их службы. По найденному значению рассчитывают приведенное со­противление теплопередаче ограждений здания к окончанию перио­да z и сравнивают это значение с нормируемыми санитарно-ги­гиеническими нормами Я0тр. При (/?onp)z1 >Rorp здание надежно по теплозащите, а при (Ronp)zt <ZRorp необходимы мероприятия по по­вышению его надежности.

Пример. Выполнить качественную оценку безотказности теплозащиты трех­слойных облегченных ограждающих конструкций с утеплителем из фенольно-ре - зольного пенопласта резопен при их использовании в качестве ограждений мо­бильных контейнерных зданий.

Приведенное сопротивление теплопередаче усовершенствованных ограждаю­щих конструкций контейнерного здания 2м2-К/Вт, что соответствует основным нормативным показателям (см. табл. V.2). Приведенная теплопроводность утеп­лителя ограждений к началу срока службы здания 0,054 Вт/(м-К). Интенсив­ность повышения теплопроводности утеплителя (резопена) при испытаниях его на стойкость к климатическим воздействиям определяют из уравнения типа (V.24).

Приведенная влажность утеплителя в рассматриваемых ограждениях равна 31 % после 90 сут имитации зимнего режима. Подставив это значение в зависи­мости (V.24), получим, что интенсивность увеличения теплопроводности резопена при температуре +20 °С после 40 циклов знакопеременных температурных воз­действий с амплитудой 45е при указанном значении массового влагосодержания равна 6 ^ = 1,7-Ю-5 Вт/(м-К-цикл). Для климатических условий Украины при­веденную теплопроводность утеплителя в конце нормативного срока эксплуата­ции здания определяют по зависимости

ЛгпР = Л£Р+6 Ь1гн.

По значению рассчитывают приведенное термическое сопротивление, а

Затем приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, ко­торое равно (i?0np)zH = 1,96 м2 К/Вт. Требуемое значение сопротивления тепло­передаче ограждений этих зданий по санитарно-гигиеническнм нормам 1,93 м2-К/Вт. Следовательно рассматриваемые ограждающие конструкции по ка­чественному единичному показателю безотказности отвечают требованиям на­дежности по теплозащите в течение нормативного срока службы мобильных кон­тейнерных зданий.