Основы строительной физики

 

План лекции:

1. Основы строительной физики.

1.1. Элементы теплотехники.

1.2. Элементы звукоизоляции.

1.3. Элементы светотехники.

1. Основы строительной физики.

При архитектурно-строительном проектировании зданий и помещений решают задачи, связанные с явлениями и законами физики. Эти задачи определяют назначение строительной физики, с помощью которой разрешаются вопросы, возникающие в строительной практике. В строительную физику входят теплофизика, звукоизоляция, инсоляция и другие ее элементы.

1.1. Элементы теплотехники.

Тепловая защита здания - теплозащитные свойства совокупности ограждающих конструкций здания, обеспечивающие заданный уровень расхода тепловой энергии (теплопоступлений) зданием с учетом воздухо-обмена помещений не выше допустимых пределов, а также их воздухопроницаемость и защиту от переувлажнения при оптимальных параметрах микроклимата помещений.

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций выражает способность конструкций сопротивляться прохождению через них теплоты и рассчитывается по формуле 1:

,                        (1)

где a_в - коэффициент теплоотдачи около внутренней поверхности конструкции, Вт/(м²×⁰С);

 a_н - коэффициент теплоотдачи около наружной поверхности конструкции, Вт/(м²×⁰С);

R_К - термическое сопротивление ограждающей конструкции, м² × ⁰С/Вт.

Термическое сопротивление для однослойной однородной ограждающей конструкции определяется по следующей формуле 2:

,                     (2)

где d - толщина слоя, м;

 l - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м × ⁰С).

Если конструкция многослойная, то R_К следует определять как сумму термических сопротивлений слоев и расчитывется по формуле 3:

R_К = R₁ + R₂ +... + R_n.               (3)

 

Конструкция считается с точки зрения теплотехники пригодной для применения, если сопротивление теплопередачи всей конструкции больше или равно требуемому значению сопротивления теплопередачи ,

R₀ ³

 

Воздушная прослойка в ограждении является эффективным средством теплозащиты. Именно поэтому в светопропускающих ограждениях (окнах, балконных дверях, фонарях) предусматривают двойное, тройное и даже четырехслойное остекленение для суровых северных условий. Но воздушная прослойка является эффективной лишь в том случае, если в ней отсутствует движение частиц воздуха. Для этого пространство прослойки необходимо изолировать от наружного и внутреннего воздуха, т.е. выполнить герметично. При большей толщине прослойки циркуляция воздуха усиливается и эффект теплозащиты не достигается.

Для жилых и общественных зданий  конструкций следует определять согласно с ДБНВ.2.6-31:2006 «Теплова ізоляція будівель». Для промышленных зданий нормативное значение сопротивления находится по формуле 4:

,                 (4)

где n – коэффициент, который принимается в зависимости от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху;

Dt^н – нормативный температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения, ⁰С

t_н – расчетная зимняя температура наружного воздуха, ⁰С.

Распределение температур в толщине конструкции (t_х) на расстоянии х от внутренней поверхности может быть найдено, зная термические сопротивления слоев конструкции по формуле 5:

,                          (5)

Влажностный режим ограждающих конструкций оказывает существенное влияние на их теплотехнические качества.

Оптимальной и допустимой считается относительная влажность воздуха в помещениях от 50-60%. При повышении температуры воздуха его относительная влажность снижается, при понижении – возрастет и может достичь предела насыщения – 100%.

Повышение влажности приводит к ухудшению их эксплуатационных качеств, поэтому не следует применять в наружных ограждениях конструкции и материалы, имеющие повышенную влажность. В период эксплуатации здания необходимо обеспечить требуемый влажностный режим ограждающих конструкций, предохранения их от увлажнения.

В целях сокращения потерь тепла в зимний период и поступления излишнего тепла в летний период при проектировании зданий следует предусматривать

· Объемно-планировачные решения с наименьшей площадью ограждающих конструкций;

· Солнцезащиту световых проемов с помощью штор, маркизов, ставен, жалюзи;

· Площадь световых проемов в соответствии с нормированным значением коэффициента естественной освещенности;

· Рациональное применение эффективных теплоизоляционных материалов;

· Утепление открывающихся элементов наружных ограждений;

· Плотное сопряжение элементов (швов) в наружных стенах и покрытиях.

 

В зависимости от расположения утеплителя в ограждающей конструкции выделяют три основные типа теплоизоляционных систем рис. 2.

Рис. 2. Расположение утеплителя, пароизоляции и гидроизоляции в наружных ограждениях.

1.2. Элементы звукоизоляции

Акустика – раздел физики, в котором рассматривается учение о звуке и его взаимодействии с веществом.

Строительная акустика – отрасль прикладной акустики, изучающая вопросы распространения звука и защиты от шума помещений, зданий и населенных мест.

Шумом называется всякий нежелательный для человека звук. Гигиена относит шум к санитарным вредностям. Он является помехой человеку в определенных условиях его жизнедеятельности, может раздражать его нервную систему, понижать работоспособность, вызывать профессиональные заболевания, связанные с потерей или снижением слуха.

Ухо человека воспринимает звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Избыточное давление в воздушной среде, возникающее при возбуждении звуковых колебаний, называется звуковым давлением р, МПа. Восприятие звука ограничено в пределах между значением порога слышимости (р_о=2×10^-5 Па) и болевого порога (р=20 Па).

В зависимости от способа возбуждения и путей распространения определяю различные виды шумов рис. 3.

Рис. 3. Распространение шума в здании.

1 – стена; 2 – перекрытие; 3 – источник воздушного шума; 4 – удар; 5 – воздушный шум; 6 – передача звука от удара.

 

По условиям возникновения и распространения шум различают воздушный и ударный. Воздушный шум возникает и передается по воздушной среде, ударный возникает и распространяется по конструктивным элементам здания. Конструктивные элементы вследствие вибраций могут излучать воздушные шумы, причиной возникновения которых является ударный шум.

Схема прохождения звука через ограждающую конструкцию представлена на рис. 4.

 

Рис. 4. Схема прохождения звука через ограждающую конструкцию:

1 – падающий звук; 2 – отраженный звук; 3 – звук, прошедший через материал;

4 – суммарный звук, прошедший через конструкцию; 5 – звук, возникающий от колебания конструкции как мембраны; 6 – звуковая энергия, трансформирующаяся в тепловую; 7 – звук, передающийся по материалу.

 

Шумовое воздействие на человека характеризуется уровнем силы звука и рассчитывается по формуле 6:

 или , [дБ]                      (6)

Борьба с шумом – одна из необходимых задач при проектировании и строительстве здания. Можно предложить следующие меры по ограничению внутренних шумов: применение мало- и бесшумного оборудования, усовершенствование существующих машин и механизмов; максимальную локализацию шума непосредственно у источников; поглощение возникающего шума звукопоглощающей отделкой или перегородкой; группировку помещений по их шумности.

Внешний шум может быть ограничен планировочными решениями, задерживающими его распространение по территории; учетом господствующих ветров в борьбе с формированием шумового поля на застраиваемых территориях; устройством шумозащитных экранов путем использования зеленных насаждений, рельефа местности, инженерных сооружений; применением усовершенствованных покрытий дорог и вынесением магистралей в шумобезопасные зоны.

Нормируемыми параметрами звукоизоляции ограждающих конструкций зданий являются индекс изоляции воздушного шума ограждающей конструкции, дБ и индекс приведенного уровня ударного шума под перекрытием, дБ.

1.3. Элементы светотехники

При проектировании освещения помещений строящихся и реконструируемых зданий и сооружений различного назначения надлежит соблюдать нормы, приведенные в ДБН В.2.5-28-2006 «Природне і  штучне освітлення». Проектирование естественного освещения помещений заключается в целесообразном выборе размеров, форм и расположения световых проемов, создающих необходимые благоприятные условия освещенности помещений.

Критерием оценки световой среды является освещенность (Е) – поверхностная плотность светового потока, определяемая соотношением по формуле 7:

, (лк),                                (7)

где F – величина светового потока, лм;

S – площадь участка поверхности, на которую распределяется световой поток, м².

Это удобно применять при расчетах искусственного освещения. Для дневного света применяют коэффициент естественного освещения (КЕО) 8:

,                     (8)

где Е_в – освещенность расчетной точки внутри помещения, лк;

Е_н – освещенность точки под открытым небосводом, лк.

Порядок расчетного определения площади светопроемов:

1. Определение требований к естественному освещению помещений;

2. Определение нормативного значения КЕО по разряду преобладающих в помещении зрительных работ;

3. Выполнение расчета естественного освещения;

4. Сравнение расчетного с нормативным значением КЕО и внесение изменений в площади светопроемов и повторный расчет (при необходимости).

Нормативное значение КЕО (е_н) определяется по формуле 9:

,                    (9)

где е_н^III – нормативное значение КЕО для зданий, располагаемых в III поясе светового климата;

m – коэффициент светового климата;

 с – коэффициент солнечного климата.

Полученные значения по этой формуле следует округлять до десятых долей.

Расчетное значение КЕО может отличаться от нормативного не более чем на ±10%

.

Расчетное значение КЕО для боковых проемов определяется по формуле 10:

,                      (10)

где e_б – геометрический КЕО в расчетной точке;

q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость неба при сплошной облачности;

e_зд – геометрический КЕО в расчетной точке, учитывающий свет, отраженный от противостоящих зданий;

R – коэффициент, учитывающий относительную яркость противостоящего здания;

r₁ – коэффициент, учитывающий повышение КЕО благодаря свету, отраженному от внутренних поверхностей помещения и подстилающего слоя, прилегающего к зданию;

t₀ – общий коэффициент светопропускания оконного заполнения;

К_з – коэффициент запаса.

,

где n₁ и n₂ – количество лучей, проходящих через оконный проем, определяемое соответственно, по графику Данилюка I и II.

Расчетное значение КЕО для верхних проемов определяется по формуле 11:

,                  (11)

где e_в – геометрическое КЕО в расчетной точке при верхнем освещении;

e_ср – среднее значение геометрического КЕО при верхнем освещении;

r₂ – коэффициент, учитывающий повышение КЕО при верхнем освещении, благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения;

К_ф – коэффициент, учитывающий тип фонаря.

,

где n₃ и n₂ – количество лучей, проходящих от неба в расчетную точку через световые проемы, определяемое соответственно, по графику Данилюка III и II.

Литература

1. Архитектура: Учеб. для студентов сантехн. специальностей строит. вузов / Орловский Б.Я., Магай А.А., Бабаян Г.А., Сербинович П.П.; Под ред. Б.Я. Орловского.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1984.- с. 51 – 66.

2. Архитектура гражданских и промышленных зданий. Учебник для вузов. В 5 т. Под общ. ред. В.М. Предтеченского. Т. II. Основы проектирования. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1976. с. 22 – 26, 70 – 75, 97 – 106, 169 – 176.

3. Сербинович П.П. Архитектура гражданских и промышленных зданий. Гражданские здания массового строительства. Учеб. для строительных вызов. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Высшая школа, 1975. с. 15 – 21, 30 – 37, 58 – 62.

4. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. / Госстрой СССР.- М.: Стройиздат, 1983.- с. 2 – 41.

5. ДБНВ.2.6-31:2006 «Теплова ізоляція будівель». / Мінбуд України.- К.: МБАЖКГ, 2006.- С. 71.

6. СНиП II-12-77. Защита от шума. / Госстрой СССР.- М.: Стройиздат, 1978.- с. 2 – 21.

7. ДБН В.2.5-28-2006 «Природне і штучне освітлення» / Мінбуд України.- К.: Мінбуд, 2006.- С.-76..

Лекция №3