Оценка долговечности новой многослойной конструкции стены малоэтажных зданий

В последнее время существенно увеличилось количество строящихся зданий с многослойными ограждающими конструкциями, долговечность которых с позиции теории надежности по определению меньше долговечности конструкций однородных. Связано это с тем, что выход из строя любого конструктивного слоя (пароизоляции, элементов крепления, теплоизоляции, наружного ограждения и т. д.) такой конструкции нарушает нормальную эксплуатацию конструкции в целом. Наиболее распространенными примером таких конструкций являются сандвич панели с различными обшивками и средним теплоизоляционным слоем. Достоинством таких конструктивных решений является простота и невысокая трудоемкость возведения. Однако, как показала практика их использования в России, данные конструкции не всегда отвечают требованиям долговечности.

На основе проведенных авторами исследований существующих конструктивных решений ограждающих стен малоэтажных зданий и в долговечности, и в технологичности возведения предложена новая многослойная конструкция стены МНС [2]. Конструктивно МНС состоит из 5 слоев, симметрично расположенных относительно продольной оси: утеплителя из органического материала (плотных соломенных блоков или лент);двух контактных слоев и двух наружных несущих слоев из армированного торкрет-бетона (рис 1).

Рис. 1. Новая конструкция многослойная конструкция стены:
а– общий вид; б – поперечный разрез : 1–армированный торкрет-бетон,
2 – органический утеплитель; 3 – контактный слой, 4 – связи

Данная конструкция предназначена для строительства малоэтажных зданий в сельских районах.

Рис. 2. Годовой ход среднесуточных и среднемесячных температур на летне-осеннем периоде 2011 г. в Саратове: 1 – среднесуточные температуры; 2 - кривая годового хода среднемесячных температур; 3 – граница перехода через 0⁰С

Определим ожидаемый срок службы МНС при толщине утеплителя 380 мм, толщине наружных слоев по 50 мм, класса прочности торкрет-бетона В 22,5 и морозостойкости F 300 [3].

Долговечность , лет, наружной многослойной стены слоя определяется по формуле [3]:

(1)

где = 300;

_н– по таблице 6 [3]=8,3%;;

_р– по таблице 7[3]=0,6%;

Оценка квазистационарного составляющего поля по методике [3] в летне-осенний период показала отсутствие переходов через 0 ⁰С и соответственно .

_э^(з) = 44 % - определяется расчетом по методике [3];

(t_i) = 0,584 принимается по табл. 8 [3] в зависимости от достигаемой материалом отрицательной температуры t_i в каждом отдельном случае i ее перехода через 0C ниже температуры начала замерзания t_нз в нем жидкой влаги (см. рис. 2);

n_i^(з)=2 (определяется по графикам см. рис 2).

Ожидаемый срок службы МНС составил 45 лет, что соответствует III классу долговечности.

Основным материалом, обеспечивающим долговечность МНС является несущие слои из торкрет–бетона. Поэтому во втором подходе оценка долговечности была проведена методом механики разрушения бетона и учитывала структурные изменения бетона во времени, характеризующиеся трещиностойкостью несущих слоев.

Метод базируется на следующих основных принципах и положениях, которые определяют долговечность и механизмы разрушения бетона [1]:

• бетон рассматривается как упругая квазиоднородная двухкомпонентная среда, состоящая из а) матрицы – цементного камня со структурными элементами щебня и песка; б) пустот, капилляров и трещин.
• все пустоты в структуре бетона могут быть рассмотрены как трещиноподобные дефекты структуры. Генерация трещин протекает во времени, и этот процесс можно назвать «старением бетона».
• пустоты в матрице представлены соподчиненной пятиуровневой системой (по форме и размерам, кратным диаметру; чем больше кратное, тем выше уровень), см. табл. 4.2.[4].

Долговечность рассматривается как третье предельное состояние, определяемое временным отрезком, в пределах которого в бетоне вследствие тепловых и коррозионных процессов, а также механических напряжений суммарная характеристика структурных дефектов, накопившихся в матрице и заполнителях, достигает критической величины, а остаточные физико–механические свойства удовлетворяют условиям эксплуатации. КИН железобетона принимается за основную характеристику, оценивающую накопление повреждений в материале.

Для расчета были приняты следующие исходные данные: несущий слой МНС выполнен бетона класса В 22,5 следующего состава (данные эксперимента):

Ц – 164,4 кг, П-423,9 кг, В – 71,4 кг, В/Ц – 0,43.

Толщина теплоизоляционного слоя – 0,4 м. Армирование по толщине стенки: 2 арматурных каркаса 5 А240 с шагом 100 мм. Несущий защитный слой торкрет-бетона 50 мм.

Наружная стена МНС подвергается воздействиям: с наружной стороны – климатической температуры и влажности.

Климатические (пиковые) параметры района [5]:

в зимнее время: температура (-44 °С), влажность воздуха 83%;

в летнее время: температура (42 °С), влажность воздуха 41%.

В расчетах приняты максимальная и минимальная температуры холодного и теплого периодов, а не ее средние значения, что позволит, в конечном счете, иметь некоторый запас. Долговечность бетона определяется его структурой, поэтому в расчете используются параметры трещиностойкости бетона – критические (КИН) коэффициенты интенсивности напряжений – структурозависимые интегральные характеристики.

Предельное значение КИН для заданного состава бетона определяется по формуле, полученной в результате многофакторного анализа [4]:

= -0,0148 + 0,0011 R_ag + 0,1330 (Ц/В) + 0,0058 R_c – 0,0082 W_b – 0,5825 K_ag (2)

где: R_ag = 78,8 МПа - прочность крупного заполнителя (песка);

Ц/В - цементно-водное отношение;

R_c = 39,2 МПа - активность цемента (принят портландцемент Вольского цементного завода);

W_b - влажность бетона, принимается в зависимости от влажности эксплуатационной среды W и содержания воды в исходном составе бетона по формуле:

W_b = W/100 + В/68 = 83/100 + 71,4/68 = 1,88 %;

K_ag = 0,904 л/м³·10^-3 количество заполнителя (крупного) в единице объема бетона, учитывая насыпной объемный вес песка 1565 кг/м³.

= -0,0148 + 0,0011·78,48 + 0,1330 (164,4/71,4) + 0,0058·39,2 - 0,0082·1,88- - 0,5825·0,904 = 0,5358 МПа·м^1/2.

Это максимально возможное значение КИН.

Определив значения коэффициентов интенсивности напряжений для каждого вида пустот при температурном и влажностном воздействии в холодное =6,247 МПам^1/2 и теплое =6,031 МПам^1/2 время года и от силовой нагрузки =1,389 МПам^1/2, был найден суммарный КИН.

Долговечность бетона ЖБК или время, в пределах которого структурные параметры бетона принятого состава достигнут предельных значений, равно:

, (результат – в годах) (3)

Ожидаемый срок службы стены МНС по трещиностойкости составил 85 лет, что соответствует II классу долговечности.

По результатам расчетов принимается наименьший класс долговечности, поэтому можно сделать следующий вывод: конструкция МНС относится к IV классу капитальности, то есть – по долговечности основных конструкций не ниже III степени (более 20 лет).

1. Зайцев, Ю.В. Механика разрушения для строителей Учеб. Пособие для строит. Вузов. – М.: Высш. Шк., 1991 – 288 с.
2. Пат. № 98441. РФ. Многослойный строительный элемент / Т.А. Емельянова, А.П. Денисова // БИ. 2010. №29.
3. Рекомендации по проектированию наружных стен панельных жилых зданий для северной строительно – климатической зоны. РСН 58-86[Текст]. – Введ. 22.04.1986. – Ленинград: ГОСГРАЖДАНСТРОЙ ЛенЗНИИЭП, 1986.
4. РД ЭО 0447–03. Методика оценки состояния и остаточного ресурса железобетонных конструкций АЭС, важных для безопасности [Электронный ресурс] / Официальный сайт компании «Консультант Плюс». – Режим доступа: http://www.consultant.ru/online/base/?req=doc;base=LAW;n=78699.
5. СНиП 23–01–99*. Строительная климатология.– Введ.01.01.2000. – М.: Госстрой России, 2000.