Стена здания из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона с несъёмной опалубкой

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении самонесущих стен каркасных зданий из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона с несъемной опалубкой.
Известно устройство стены здания с одним слоем монолитного пенобетона, заливаемого в съемную опалубку, выбранное в качестве аналога [Устройство и способ возведения стен зданий из поризированного бетона. Патент на изобретение RU 2268967 С1, приоритет от 08.04.2005, кл. МПК: Е04В 2/84, Е04В 2/86].
Стена состоит из одного слоя монолитного поризированного бетона (другое название пенобетона) марок D150 - D1200 и каркасообразующих элементов оригинальной конструкции в виде рамок из пластмассы, образующих прямоугольные параллелепипеды, которые изготовляются в заводских условиях. Поперечный размер каркасообразующих элементов определяет толщину слоя пенобетона в стене.
Соединение этих элементов с помощью фиксаторов по длине и высоте стены и их крепление к каркасу здания обеспечивает образование прочного и жесткого пространственного каркаса. К наружной и внутренней сторонам каркасообразующих элементов крепятся щиты стандартной съемной стальной опалубки. В результате затвердевания пенобетона каркасообразующие элементы замоноличиваются в теле стены и образуют прочную и жесткую конструкцию, что позволяет использовать стену после заливки пенобетона в качестве несущей в малоэтажных зданиях.
Недостатки устройства стены по аналогу заключаются в следующем:
в конструкции стены используется пенобетон, предел прочности, теплоизоляция, морозостойкость и долговечность которого значительно меньше по сравнению с фибропенобетоном;
указанные в патенте марки пенобетона в диапазоне D150 - D300 являются теплоизоляционными и не могут использоваться для возведения стены с одним слоем пенобетона;
при возведении стены по аналогу в средней полосе России в соответствии с проделанными расчетами применяются каркасообразующие элементы размером 450 мм. Изменение указанного размера элементов, необходимого для строительства стен зданий в других климатических регионах, вызывает большие технико-экономические трудности;
2
каркасообразующие элементы остаются замоноличенными в пенобетоне стены, что приводит к высоким материальным затратам и увеличивает стоимость 1 м стены без их применения в 2-3 раза;
использование стандартной и неоптимальной для пенобетона съемной стальной опалубки большой массы и прочности, предназначенной для возведения стен из стандартного железобетона.
Указанные недостатки делают применение устройства стены по аналогу нерентабельным в строительстве как многоэтажных зданий, так и зданий «эконом-класса».
Названные недостатки устройства стены по аналогу частично устраняются в устройстве стены с одним слоем из конструкционно-теплоизоляционного монолитного фибропенобетона с несъемной опалубкой, выбранным в качестве прототипа [http://www.vpconsulting.co.za, дата обращения 27.04.2018 г.].
Такое устройство стены из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона удовлетворяет основным требованиям к самонесущим стенам каркасных зданий.
Преимущества прототипа по сравнению с аналогом заключаются в:
применении вместо пенобетона фибропенобетона, который имеет больший до 25% предел прочности на изгиб, до 30% лучшую теплоизоляцию, увеличенную до 1.5 раз морозостойкость, уменьшенное на 10% водопоглощение и хрупкость;
возможности и простоте варьирования толщины стены;
отсутствии громоздкой и дорогой съемной опалубки;
отсутствии большого количества специализированных расходных элементов, остающихся в стене;
уменьшенных материальных, трудовых и временных затратах на строительство стен.
Недостатки устройства стены по прототипу заключаются в следующем:
большая металлоемкость стены из-за применения стального опалубочного каркаса, являющегося основным элементом несъемной опалубки;
разрушение стены в случае пожара из-за деформации стальных элементов конструкции в результате их неравномерного нагрева и термического расширения;
увеличенные трудовые и временные затраты в связи с необходимостью использования металлообрабатывающего инструмента при изготовлении и обработке металлических элементов;
2
увеличенная стоимость изготовления 1 м стены.
Указанные недостатки устройства стены, а также большое количество стальных элементов опалубочного каркаса по прототипу делает нерентабельным применение такой стены в строительстве зданий «эконом-класса», прежде всего в регионах с холодным и умеренно-континентальным климатом.
Техническим результатом, достигаемым в устройстве по полезной модели, является обеспечение простоты конструкции стены, включающей несъемные опалубочные каркасы, их изготовление и монтаж, при одновременном обеспечении пожаробезопасности стены.
Указанный технический результат достигается тем, что в стене здания из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона с несъемной опалубкой, содержащей наружный и внутренний опалубочные каркасы, последние установлены параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине заливаемого между ними слоя фибропенобетона, и выполнены из вертикальных стоек и горизонтальных перемычек, при этом наружные поверхности вертикальных стоек и горизонтальных перемычек соединены с выдерживающими давление и непроницаемыми для заливаемого фибропенобетона элементами, выполненными из сеток, закрепленных на опалубочных каркасах и соединенных между собой проволочными связями, при этом на наружные поверхности сеток нанесен непроницаемый для заливаемого фибропенобетона слой материала. В описываемой стене монолитный слой конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона выполнен из марок D400-D700 толщиной от 200 мм до 600 мм, вертикальные стойки и горизонтальные перемычки выполнены из деревянных брусьев сечением от 30×30 мм до 50×50 мм с расстояниями между ними от 300×300 мм до 500×500 мм, при этом противолежащие вертикальные стойки наружного и внутреннего опалубочных каркасов соединены горизонтальными вставками из деревянных брусьев сечением, равным сечению вертикальных стоек, и длиной, равной расстоянию между каркасами. Сетки соединены между собой связями из двух проволок каждая диаметром от 0.8 мм до 1.5 мм, проходящими через геометрические центры противолежащих ячеек опалубочных каркасов.
Сетки, закрепленные на опалубочных каркасах, могут быть выполнены в виде стальных просечно-вытяжных сеток толщиной от 0.5 мм до 1.0 мм с размерами ячеек во взаимно-перпендикулярных направлениях от 1.5×4 мм до 4×8 мм.
Сетки, закрепленные на опалубочных каркасах, могут быть выполнены в виде, по крайней мере, двух наложенных друг на друга со сдвигом штукатурных сеток из стекловолокна с размерами ячеек от 2×2 мм до 5×5 мм каждая.
Непроницаемый для фибропенобетона слой материала на сетках наружного и внутреннего каркасов может быть выполнен в виде слоя гипсовой штукатурки толщиной от 3 мм до 5 мм.
На слой гипсовой штукатурки на наружном каркасе может быть нанесен слой фасадной штукатурки толщиной от 10 мм до 25 мм.
На слой гипсовой штукатурки на внутреннем каркасе нанесен слой финишной штукатурки толщиной от 10 мм до 20 мм.
На слой гипсовой штукатурки на сетке внутреннего каркаса может быть установлен вместо финишной штукатурки лист влагостойкого гипсокартона толщиной от 9 мм до 13 мм.
Простота конструкции стены достигается за счет выполнения стоек, перемычек и вставок опалубочных каркасов из деревянных брусьев вместо профилей из оцинкованной стали. Их изготовление и монтаж не требуют больших трудовых, временных и экономических затрат.
Пожаробезопасность стены обеспечивается полным замоноличиванием элементов опалубочного каркаса из древесины в фибропенобетоне, а отсутствие их деформации при нагревании в случае пожара - малым коэффициентом термического расширения дерева, который в 3-4 раза меньше по сравнению со сталью.
Простота конструкции опалубочного каркаса, его изготовления и монтажа обусловлена выполнением вертикальных стоек, горизонтальных перемычек и вставок из стандартных деревянных брусьев, а также применением непроницаемых для фибропенобетона элементов из просечно-вытяжной или штукатурно-малярной сеток, двух слоев штукатурки на них или листов влагостойкого гипсокартона в случае их использования.
Возможно варьирование и оптимизация параметров материалов, размещенных на опалубочных каркасах, путем установки на них просечно-вытяжных или штукатурных сеток из стекловолокна оптимальных толщин, форм и размеров ячеек, слоев штукатурки различных марок или листов влагостойкого гипсокартона.
Устройство стены здания из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона показано на фиг. 1-2, где на фиг. 1 показан поперечный разрез стены, а на фиг. 2 - схематическое представление структуры стены в изометрии, при этом:
1 - наружный опалубочный каркас;
2 - внутренний опалубочный каркас;
3 - вертикальная стойка опалубочного каркаса;
4 - горизонтальная перемычка опалубочного каркаса;
5 - слой фибропенобетона;
6 - сетки опалубочных каркасов;
7 - проволочная связь сеток опалубочных каркасов;
8 - слой гипсовой штукатурки;
9 - слой фасадной штукатурки;
10 - слой финишной штукатурки;
11 - горизонтальная вставка опалубочных каркасов.
Стена состоит из наружного 1 и внутреннего 2 опалубочных каркасов с вертикальными стойками 3 и горизонтальными перемычками 4, выполненными из деревянных брусьев сечением от 30×30 мм до 50×50 мм с расстояниями между ними от 300×300 мм до 500×500 мм, в результате чего каждый опалубочный каркас имеет вид плоской решетки. Опалубочные каркасы устанавливаются вертикально на всю высоту стены на расстоянии друг от друга, равном толщине слоя 5 от 200 мм до 600 мм конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона марок D400 - D700 и прикрепляются к стойкам и горизонтальным перемычкам каркаса здания и его основанию.
Вертикальные стойки 3 противолежащих опалубочных каркасов соединены через одну ячейку решетки в шахматном порядке горизонтальными вставками 11 из деревянных брусьев сечением, равным сечению вертикальных стоек, и длиной, равной расстоянию между каркасами. Сетки 6, закрепленные на опалубочных каркасах, соединены проволочными связями 7, по крайней мере, из двух проволок, каждая диаметром от 0.8 мм до 1.5 мм, проходящими через геометрические центры противолежащих ячеек опалубочных каркасов.
Ниже описан пример выполнения стены по полезной модели с использованием всех признаков формулы.
На наружных поверхностях стоек 3 и перемычек 4 каждого каркаса установлены стальные просечно-вытяжные сетки 6 толщиной от 0.5 мм до 1.0 мм с размерами ячеек во взаимно-перпендикулярных направлениях от 1.5×4 мм до 4×8 мм или штукатурные сетки из стекловолокна с размерами ячеек от 2×2 мм до 5×5 мм. При этом для уменьшения эффективного размера ячеек штукатурной сетки из стекловолокна 6 и ее прогиба при заливке фибропенобетона на внутренних поверхностях каркасов могут быть установлены по крайней мере две наложенные друг на друга со сдвигом штукатурные сетки из стекловолокна 6 с размерами ячеек от 2×2 мм до 5×5 мм каждая.
Наружные поверхности сеток внутреннего и внешнего опалубочных каркасов покрыты слоем быстросохнущей гипсовой штукатурки 8 толщиной от 3 мм до 5 мм, полностью закрывающим отверстия сетки.
На слое гипсовой штукатурки 8 на наружном опалубочном каркасе 1 расположен слой фасадной штукатурки 9 толщиной от 10 мм до 25 мм, а на слое гипсовой штукатурки 8 на внутреннем опалубочном каркасе 2 - слой финишной штукатурки 10 толщиной от 10 мм до 20 мм или листы влагостойкого гипсокартона толщиной от 9 мм до 13 мм.
2
Выбор марки конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона и толщины его слоя в стене δ определяется на стадии проектирования и зависит от региона строительства здания, градусо-суточного отопительного периода, от требований строительных норм и правил (СНиП) и должен обеспечивать прочность и жесткость самонесущей стены здания при минимальной толщине слоя. При этом определяющими характеристиками являются теплопроводность, плотность, предел прочности на сжатие и твердость фибропенобетона, а также его масса и стоимость 1 м стены.
в
н
в,н
2
2
Сопротивление теплопередачи стены R в приближении ее однородности по толщине определяется формулой R=[1/α+δ/λ+1/α] и для рассматриваемых условий теплообмена с погрешностью ≤15% можно принять R≈δ/λ, (λ - коэффициент теплопроводности фибропенобетона, β - коэффициенты теплоотдачи для внутренней (≈10 Вт/(мК) и наружной (≈20 Вт/(мК) поверхностей стены соответственно).
При заданной СНиП 23-02-2003 величине сопротивления теплопередачи стены R*, допустимая толщина δ слоя фибропенобетона определяется соотношением δ=R*⋅λ, а напряжение сжатия σ на нижних слоях стены составляет σ=ρ⋅g⋅h и не зависит от толщины стены.
2
Допустимое по СНиП значение R* при величине градусо-сутки отопительного периода 5000°С × сутки для стен жилых зданий Московского региона составляет 3.2 м⋅°С/Вт. В этом случае минимальная толщина стены со слоем конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона марки D400 составит 320 мм (λ=0.10 Вт/(м⋅К), а при использовании марки D700 (λ=0.18 Вт/(м⋅К) - 580 мм. Для регионов с «теплым» климатом и для межкомнатных перегородок толщина слоя стены может быть уменьшена до 200 мм.
сж
сж
Благодаря низкой плотности конструкционно-теплоизоляционного ФПБ запас прочности самонесущей стены высотой 3 м составит от 60 (D400, предел прочности на сжатие σ≈0.8 МПа) до 100 (D700, σ≈2 МПа) раз.
п
2
2
2
Величина сопротивления паропроницаемости рассматриваемой устройства стены из фибропенобетона составляет около R=1.6 м⋅час⋅Па/мг для марки D400 и 3.7 м⋅час⋅Па/мг для марки D700, что выше минимально требуемого СНиПом значения 1.5 м⋅час⋅Па/мг.
Для подтверждения возможности реализации устройства по полезной модели проведен эксперимент, который заключался в изготовлении прямоугольного фрагмента однослойной стены высотой 1.5 м, шириной 1.0 м и толщиной 200 мм. Каждый из двух опалубочных каркасов содержал одну вертикальную стойку, проходящую по центру, и две перемычки из соснового бруса размером 50×50 мм. Каркасы прикреплялись к прямоугольной деревянной раме с открытой верхней стороной.
К наружной стороне каждого каркаса прикреплялись просечно-вытяжные сетки толщиной 0.8 мм с ромбической просечкой размером 3×6 мм. Противолежащие ячейки сеток каркаса соединялись проволочными связями. На сетку наносился путем ручного наброса слой гипсовой штукатурки толщиной 5-6 мм. После затвердевания этого слоя штукатурки на него наносился слой фасадной штукатурки под затирку толщиной 8-10 мм.
Полость между опалубочными каркасами заливалась через открытую сторону рамы последовательно по высоте фибропенобетоном марки D400 -сначала на высоту 750 мм, а после его затвердевания, которое визуально наступало после 6 часов, следующий слой до всей высоты фрагмента стены. Просачивание фибропенобетона через оштукатуренный каркас не наблюдалось. После затвердевания фибропенобетона усадка и растрескивание не наблюдались. Изменение положения фрагмента из вертикального в горизонтальное, транспортировка на автомашине на расстояние 30 км продемонстрировало прочность фрагмента стены.
3
Визуальное сравнение пористости и определение массы вырезанных из нижнего и верхнего слоев стены образцов размером 200×200×200 мм показало близкую однородность их поверхностей и размеров пор, а средняя по высоте плотность составила 410±30 кг/м.
2
Таким образом, изобретение по полезной модели позволяет возводить самонесущие стены каркасных зданий из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона с несъемной опалубкой, обеспечивающие полное отсутствие или минимальное использование металла в конструкции стены, ее пожаробезопасность, простоту конструкции, ее изготовления и монтажа, уменьшенные трудовые, временные затраты и соответственно стоимость 1 м стены.
Стена из монолитного конструкционно-теплоизоляционного фибропенобетона по полезной модели обеспечивает указанные выше привлекательные технико-экономические характеристики, прежде всего для стен малоэтажных зданий «эконом-класса», и позволяет рассматривать ее как современное инновационное архитектурно-технологическое решение.