Новый композиционный деревянный брус для малоэтажного строительства

Древесина - это материал, который имеет богатую историю в России. Она использовалось для создания различных предметов для дома, строительства христианских храмов, домов, крепостей и многое другое. Это показывает, что дерево было доступным и важным материалом в культуре России и что его использование имеет глубокие корни. Начало индустриализации деревянного домостроения происходило в России [1], домокомплек-ты изготавливали в местах заготовки леса в специальных удобных производственных местах, далее готовую продукцию перевозили и монтировали у заказчика [2]. Климатические условия проживания и природная смекалка россиян определили подобный результат. Но и сейчас, в эпоху ультрасовременных технологий и материалов, интерес к деревянному домостроению по-прежнему очень высок. Развитие деревянного малоэтажного домостроения [3–9] охватывает широкий спектр научных исследований, что отражает безусловную важность и актуальность данной темы. Большой интерес для строителей и архитекторов представляют композиционные строительные материалы. Развитие деревянного домостроения имеет ряд преимуществ, которые делают его привлекательным для строительства индивидуальных жилых домов. Во-первых, дерево - это экологически чистый материал, который не загрязняет окружающую среду. Во-вторых, деревянные дома обладают высокой тепло- и звукоизоляцией, что делает их комфортными для проживания. В-третьих, деревянные дома имеют эстетичный вид и могут быть украшены различными пропильными декоративными элементами [10–21]. Натуральное дерево позволяет воплотить практически любые строительные и архитектурно-художественные идеи на практике.

Анализ технологий домостроения

В настоящее время применение древесины для возведения ограждающих конструкций ограничено в основном малоэтажным домостроением, но в этой области дерево по-прежнему сохраняет лидирующее положение, хотя традиционное бревно постепенно уступает место брусу. Это вызвано как экономическими причинами (быстрой сборкой дома и существенным уменьшением доли ручного труда), так и пониженными требованиями к квалификации исполнителей, необходимой при работе с брусом. Оцилиндрованное бревно при всех его достоинствах занимает меньший сегмент рынка из-за большей (по сравнению с обычным пиленым брусом) стоимости.

На рынке существует несколько различных технологий деревянного домостроения, включая каркасные дома, дома из бруса и дома из оцилинд-рованного бревна. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки, и выбор зависит от личных предпочтений заказчика. Деревянный дом должен служить нескольким поколениям - он строится на долгие годы. Для этого уже при планировании следует учесть целый ряд строительных нормативов, а при строительстве соблюдать обязательные условия, необходимые для реализации ряда главных критериев - прочности и малой теплопроводности, экологичности, эстетике и экономике.

В последнее время теплоизоляция жилых зданий стала очень важной проблемой в строительстве. Особенно это касается дачного и коттеджного строительства, где правильная теплоизоляция может снизить расходы на отопление в 3–4 раза. При анализе различных типов малоэтажного деревянного домостроения было выявлено, что дома из оцилиндрованных бревен, массивного профилированного бруса и рубленые дома являются наиболее экологически безопасными. Однако теплотехнические расчеты показали, что стены из бруса толщиной 200 мм требуют дополнительного утепления.

Новый композиционный строительный материал

В результате проведенного анализа был разработан «Композиционный деревянный брус» (см. рисунок). В таблице приведена его характеристика. Брус содержит скрепленные между собой профилированные вертикальные и горизонтальные стенки с образованием внутри них продольного сквозного отверстия, заполненного утеплителем. Горизонтальные стенки, выполненные из многослойного тонколистового материала, установлены в пазах, выбранных в вертикальных стенках, при этом вертикальные стенки выполнены из склеенных между собой брусков с противоположным направлением волокон. Для обеспечения конструкции высоких прочностных и несущих характеристик на внутренней стороне вертикальных стенок

В

С1     Н    С2

Композиционный деревянный брус

Характеристика композиционного деревянного бруса

Таблица

Параметр	Величина	Ед. изм.	Предельное отклонение
Высота бруса, A	340	мм	+/–0,5
Толщина бруса, B	220 290 340 380	мм мм мм мм	+/–0,5 +/–0,5 +/–0,5 +/–0,5
Толщина утеплителя, Н	150–300	мм	+/–0,5
Толщина стенок бруса, С1и С2	42	мм	+/–0,5
Толщина фанеры, Г1 и Г2	10	мм	+/–2
Глубина паза, h2	10	мм	–0,5
Длина бруса, L	От 500 до 4500	мм	+/–2

закреплены ребра жесткости в плоскости, перпендикулярной плоскостям вертикальных стенок. При этом вдоль всей длины бруса установлены поперечные перемычки, выполненные из тонколистового материала и закрепленные в вертикальных стенках, с образованием n камер, а в верхней горизонтальной стенке выполнены технологические отверстия.

Выполнение горизонтальных стенок из многослойного тонколистового материала позволяет ускорить сборку готового бруса и использовать его как третий связующий элемент в угловых вертикальных и горизонтальных соединениях брусьев. Вертикальные стенки выполнены из склеенных между собой брусков с противоположным направлением волокон. Тем самым достигаются высокие эстетические и прочностные характеристики изделия в целом.

Результаты и обсуждения

Рассмотрим требуемое значение сопротивления теплопередаче для композиционного деревянного бруса толщиной 280 мм, высотой 320 мм, с вертикальными деревянными стенками 42 мм и утеплителем (пенополиуретан) 200 мм. В качестве горизонтальных стенок бруса используется водостойкая фанера толщиной 10 мм. Высокое качество межвенцового уплотнения достигается в результате применения специального утеплительного полотна (ватина) из лубяных волокон льна или джута толщиной 3 мм.

Величину градусо-суток D d в течение отопительного периода следует вычислять по формуле

D d = (t int – t ht )z ht .                      (1)

Продолжительность отопительного периода zht, сут, и среднюю температуру наружного воздуха tht, °С, в течение отопительного периода следует принимать согласно СП 131.13330.2020 [22], где tint – расчетная средняя температура внутреннего воздуха, °С.

D d = (21– (–6,5)) · 218 = 5995 °С.

Определим нормируемые значений сопротивления теплопередаче R reg по формуле

R reg = a· D d + b =

= 0,00035 · 5995 + 1,4 = 3,3 (м²°C)/Bт (2)

Далее рассчитаем требуемое сопротивление неоднородной ограждающей конструкции по формуле

₌ F 1 + F 2

^R a p F , ^F 1 + ^f2

R 1 R 2

где F 1 , F 2 – площади отдельных участков конструкции (или части ее); R₁, R₂ – термическое сопротивление указанных отдельных участков конструкции. Подсчитываем термическое сопротивление каждого слоя стены:

R=1,2/0,15=1,33; R=0,2/0,06=3,33;

R= 0,2/0,05 = 4; R джут = 0,23/0,06 = 3,83; R 4 = 0,045/0,14 = 0,323; R 5 = 0,045/0,14 = 0,32; 0,32 + 0,003 = 0,323,

где 0,32 – высота бруса, 0,003 – толщина утеплителя джута, 0,045 – толщина стенок бруса, λ дерево = 0,14; 0,2 – толщина утеплителя внутри бруса, λ утеплитель = 0,05.

Ra(1)   0,003

3,83

0,323

0,02   0,3     ’   ;

i- —— + ——

1,23  4,64

R_b = 0,32 + 0,32 + 3,55 = 4,19.

_ 0,04   0,02 + 0,24  0,04_

^b(1) = 0,15 + F    F 2   ⁺ 0,15 =

R 1 R 2

= 0,27 + 4,1 + 0,27 = 4,66.

Приведенное термическое сопротивление ограждающей конструкции определяем по формуле

R Пр =

R a + 2R_b   3,95 + 2 ■ 4,19

= 4,11 м-С. (4)

Вт

Сопротивление теплопередаче определяем:

^R 0 = — + R k + — =

aв

aн

1            1    „       м² ° С

= — + 4,11 + —= 4,268 ----

8,7   ,     23    ,       Вт

.

Сравним полученные результаты:

Rтр.стен = 3,5 м-С , 0            Вт а сопротивление теплопередаче для композиционного деревянного бруса (толщиной 0,28 м, где вертикальные стенки бруса – 0,04 м, утеплитель толщиной 0,20 см) равно

R 0 = 4,2 мС

Вт

.

Сравним результаты исследования:

R₀ > R тр.стен

.

Рассчитаем и сравним сопротивление теплопередаче для цельного клееного деревянного бруса и композиционного деревянного бруса.

D d = (t int — t ht )z ht = (21 — ( — 6,5)) - 218 = 5995 ° C 6000 — 5995 ₌ тр-стен ^3,5      2000

= 3,5 + 0,0025 = 3,5025 ---С ;

Вт

R       = R

^R утеплителя    ^R тр

— ^^^ — ^^— —

= 3,5025

Y н

8,7

Y b

0, 09 0,14

R к

= 3,5025 — 0,043 — 0,115 — 0,642 =

= 2,7025 м ° С;

Вт

^ утеплителя = 2,7025 - 0,05 = 0,135 м = 13,5 см,

где 0,05 – коэффициент теплопроводности утеплителя.

Для цельного клееного профилированного бруса

R _ст = 3,5025 — 0,043 — 0,115 = 3,3445

м 2 ° С

.

З ст = 3,3445 - 0,14 = 0,468 м = 46,8 см

Вт

- рас-

четная толщина стены из клееного профилированного бруса.

Рассчитаем толщину стены для композиционного деревянного бруса:

R T =

1(18 - ( - 34) _ 1 - 52

A t_H Y b      4 - 8,7

= 1,494 м—С - 0,14 =

Вт

= 0,209 м = 20,9 см.

Расчет на сопротивление паропроницанию

Рассчитать сопротивление паропроницанию композиционного деревянного бруса для жилого здания в Челябинске. Проверить соответствие сопротивления паропроницанию стены требованиям СП 50.13330.2012 [23], рассчитать распределение парциального давления водяного пара по толще стены и возможность образования конденсата в толще стены.

Исходные данные

Расчетная температура t int , °C, и относительная влажность внутреннего воздуха φ int , %: для жилых помещений t int = 20 °C согласно ГОСТ 30494-2011 [24], φ int = 55 % согласно СП 50.13330.2012 [23].

Для Челябинска наиболее холодный месяц январь и согласно СП 131.13330.2020 t ext = –15,8 °C, P ext = 78 % [22, табл. 3.1].

Влажностный режим жилых помещений – нормальный; зона влажности для Челябинска – сухая, тогда условия эксплуатации ограждающих конструкций определяют по параметру А согласно СП 50.13330.2012 [23]. Расчетные теплотехнические показатели материалов приняты по параметру А СП 23-101-2004 [25, приложение Д].

Композиционный деревянный брус состоит из следующих слоев, считая от внутренней поверхности:

• 1)    доска из сосны толщиной 42 мм, плотностью р = 500 кг/м³, X = 0,14 Вт/(м°-С), μ = 0,06 мг/(м·ч·Па);

• 2)    пенополиуретан Владипур А3017/1П толщиной 150 мм, плотностью р = 40 кг/м3, X = 0,028 Вт/(м^°С), ц = 0,05 мг/(м-ч-Па);

• 3)    доска из сосны толщиной 42 мм, плотностью р = 500 кг/м3, X = 0,14 Вт/(м-°С), μ = 0,06 мг/(м·ч·Па).

Порядок расчета

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции равно

R = 1/8,7 + 0,042/0,14 + 0,15/0,028 +

+ 0,042/0,14 + 1/23 = 6,115 (м²°C)/Bт.

Согласно СП 50.13330.2012 [24] (п. 9.1, примечание 3) плоскость возможной конденсации в многослойной конструкции совпадает с наружной поверхностью утеплителя.

Сопротивление паропроницанию R _{v p}, м²·ч·Па/мг, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее нормируемых сопротивлений паропроницанию, определяемых по формулам СП 50.13330.2012 [23]:

R vpireq = (e int - E)R ype /(E - e ext ); (7)

R vpi^req = 0,0024z_o(e_mt - E₀)/( P w 5 w A av + n ), (8) где e int – парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха, Па, при расчетной температуре и относительной влажности этого воздуха, определяемое по формуле:

e int = (φ int /100)E int , (9) где E_int – парциальное давление насыщенного водяного пара, Па, при температуре t_int принимается по приложению СП 23-101-2004 [25]: при t_int = 20 °C E int = 2338 Па. Тогда при ф_int = 55 % e_mt = (55/100) x x 2338 = 1286 Па;

E – парциальное давление водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемое по формуле

E = (E 1 z 1 + E 2 z 2 + E 3 z 3 )/12,        (10)

где Е 1 , Е 2 , E 3 – парциальные давления водяного пара, Па, принимаемые по температуре t i , в плоскости возможной конденсации, определяемой при средней температуре наружного воздуха соответственно зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов; Z₁, Z₂, Z₃, продолжительность, мес, соответственно зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов, определяемая с учетом следующих условий:

• а)    к зимнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха ниже минус 5 °C;

• б)    к весенне-осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха от минус 5 до плюс 5 °С;

• в)    к летнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха выше плюс 5 °С.

Продолжительность периодов и их средняя температура определяются по табл. 3.1 СП 131.13330.2020  [22], а значения температур в плоскости возможной конденсации ti, соответствующие этим периодам, по формуле СП 23-1012004 [25]

tᵢ = t int – (t int – t i )(R si + sR)/R o ,        (11)

где t int – расчетная температура внутреннего воздуха °С, принимаемая для жилого здания в Челябинске равной 20 °C;

t_i – расчетная температура наружного воздуха i -го периода, °C, принимаемая равной средней температуре соответствующего периода; R_si – сопротивление теплопередаче внутренней поверхности ограждения, равное

R si = 1/a int = 1/8,7 = 0,115 м²·°С/Вт;     (12)

sR – термическое сопротивление слоя ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации;

R o – сопротивление теплопередаче ограждения, определенное ранее равным R = 6,115 (м²·°C)/Вт.

Определим термическое сопротивление слоя ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации sR = 0,042/0,14 + 0,15/0,028 = 5,657 (м²·°C)/Вт.

Установим для периодов их продолжительность Z_i, сут, среднюю температуру t_i, °C, согласно СП 131.13330.2020 [22] и рассчитаем соответствующую температуру в плоскости возможной конденсации t i , °C, по формуле (11) для климатических условий Челябинска:

• зима (январь, февраль, март, ноябрь, декабрь): Zᵢ = 5 мес;

t 1 = [(–15,8) +(–14,3) + (–7,4) + +(–6,2)+(–12,9)]/5 = –11,32 °C;

t 1 =20 – (20+11,32)(0,115+4,05)/4,508= –8,94 °C; весна–осень (апрель, октябрь):

Z2 = 2 мес;

t 2 = [3,9 + 2,4]/2 = 3,15 °C;

t 2 = 20–(20 – 3,15)(0,115+4,05)/4,508 = 4,43 °C; лето (май–сентябрь):

• Z₃ = 5 мес;

• t 3 =(11,9 + 16,8 + 18,4+ 16,2+ 10,7)/5 = 14,8 °C; t 3 =20 (20–14,8)(0,115+ 4,05)/4,508 = 15,2 °C.

По температурам (t₁, t₂, t₃) для соответствующих периодов определяем по приложению С парциальные давления (Е 1 , Е 2 , Е 3 ) водяного пара: Е 1 = 285,5 Па, Е 2 = 838 Па, Е 3 = 1727 Па и по формуле (10) определим парциальное давление водяного пара E, Па, в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации ограждающей конструкции соответствующих продолжительностей периодов Z₁, Z₂, Z₃.

Е = (285,5×5 + 838×2 + 1727×5)/12 = 978,2 Па.

Сопротивление    паропроницанию    Rνpͤ, м²·ч·Па/мг, части ограждающей конструкции, расположенной между наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации, Rνpͤ = =–0,042/0,06 = 0,7 м²·ч·Па/мг. Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха eext, Па, за годовой период определяется по СП 131.13330.2020 [22, табл. 7.1] Eext= (160 + 170 + 290 + 530 + 780 + 1160 + 1470 + 1260 + 900 + 530+ 330 + 220)/12 = 650 Па. По формуле определяем нормируемое сопротивление паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги за годовой период эксплуатации согласно СП 50.13330.2012 [23] (п. 8.1а)

R νp1^req = (1286 – 978,2) × 0,7/(978,2 – 650) = = 0,66 м ² ·ч·Па/мг.

Для расчета нормируемого сопротивления па-ропроницанию R νp2^req из условия ограничения влаги за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха берут продолжительность этого периода Z_o, сут, среднюю температуру этого периода t_o, °C: z_o = 151 сут, t = –11,32 °C. Температуру t_o, °C, в плоскости возможной конденсации для этого периода определяют по формуле t o =20 – (20+ 11,32)(0,115 + + 5,675)/6,115 = –9,65 °C. Парциальное давление водяного пара Е о , Па, в плоскости возможной конденсации определяют по приложению С [25] при t o = –9,65 °C равным Е о = 267 Па.

Согласно СП 50.13330.2012 [23] в многослойной ограждающей конструкции увлажняемым слоем является утеплитель, в данном примере пенополиуретан плотностью 40 кг/м³ при толщине δ = 0,15 м. Предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в этом материале согласно СП 50.13330.2012 [23] Δ w ₐ _ν = 25 %.

Средняя упругость водяного пара наружного воздуха периода месяцев с отрицательными средними месячными температурами, равна

Е oext = (160 + 170 + 290 + 330 + 220)/5 = 234 Па.

Коэффициент η определяется по формуле (8.5) СП 50.13330.2012 [23].

η = 0,0024(267–234)151/0,7 = 17,08.

Определим R _{ν p2} ^req по формуле (8.2) СП

50.13330.2012 [23]

R νp2^req = 0,0024 × 151(1286–267)/(40 × 0,15 × 25 + 17,08) = 2,21 м²·ч·Па/мг.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации): R νp = Σ( δ i /μᵢ) = 0,042/0,06 + 0,15/0,05 = 3,7 м²·ч·Па/мг.

При сравнении полученного значения R _{ν p} с нормируемым устанавливаем, что

R _{ν p} = 3,7 м²·ч·Па/мг > R _{ν p2} = 2,21 м²·ч·Па/мг > > R _{ν p2} ^req = 0,66 м²·ч·Па/мг

Выводы

Можно отметить, что эстетика деревянных домов может быть очень красивой и гармонично вписывающейся в природный ландшафт. Они также могут иметь уникальный и индивидуальный дизайн, что делает их привлекательными для проживания людей. В целом деревянное малоэтажное домостроение является перспективным направлением в строительстве, которое может сочетать в себе экологические, экономические и эстетические преимущества. Современное инновационное решение – изобретенный строительный материал «Композиционный деревянный брус» (патент № 2008143949/057341). Он соответствует новым требованиям к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций. Это интересная тема для продолжения данного исследования, в которой можно рассмотреть результаты по теоретическому расчету и испытанию прочности для возведения несущих ограждающих стен из «Композиционного деревянного бруса».