Суточные и сезонные изменения температуры наружного воздуха, прямое солнечное излучение, отраженное солнечное излучение и т. д. приводят к изменению распределения температуры в отдельных элементах конструкций зданий и сооружений. Эти изменения вызывают температурные воздействия на конструкции зданий, которые необходимо учитывать при их проектировании.
В этой, первой, части дается упрощенный обзор особенностей учета температурных воздействий при проектировании конструкций зданий по российскому своду правил СП 20.13330.2012 (СНиП 2.01.07-85). При реальном проектировании необходимо применять актуализированную редакцию этого документа.
Во второй части представлены основы теории температурных деформаций, напряжений и перемещений в конструкциях.
В третьей части показаны примеры температурных воздействий на простейшие конструкции – балки с различными условиями закрепления, а также выводы, которые можно сделать из них для реальных конструкций.
Температурные воздействия на конструкции зданий
Требования по назначению температурных воздействий для учета их при проектировании зданий и сооружений устанавливает свод правил СП 20.13330.2012 (СНиП 2.01.07-85) [1]. В европейской системе Еврокодов температурные воздействия рассматривает EN 1991-1-5 (Еврокод 1) [2].
Основные факторы температурных воздействий
Степень температурных воздействий на конструкции зданий зависит от следующих факторов [2]:
- местные климатические условия,
- пространственная ориентация конструкции,
- общая масса конструкции,
- свойства наружных поверхностей (облицовки, отделки зданий),
- режимы работы систем обогрева и кондиционирования,
- тепловая изоляция здания.
Необходимость учета температурных воздействий
Температурные воздействия на конструкции здания следует учитывать при определении расчетных параметров конструкционных элементов, если существует возможность превышения предельных состояний по несущей способности и эксплуатационной пригодности вследствие температурных перемещений и/или напряжений. Для подтверждения того, что температурные деформации (перемещения) не вызовут перенапряжений в конструкции, элементы несущих конструкций:
- включают в проектные расчеты влияние температурных воздействий или
- применяют конструкционные меры, которые будут обеспечивать свободное перемещение узлов и соединений при изменении их температуры [1].
Для конструкций, которые защищены от суточных и сезонных изменений температуры, температурные климатические воздействия не учитываются [1, 2].
Температурные воздействия по СНиП 2.01.07-85
Параметры температурных воздействий
СНиП 2.01.07-85 предписывает для конструкций, которые не защищены от суточных и сезонных изменений температуры, учитывать изменение во времени:
- средней температуры Δt строительных элементов;
- среднего перепада температуры ϑ по сечению строительных элементов.
Нормативные значения изменения средней температуры элемента летом ∆tw и зимой ∆tс определяют по формулам:
∆tw = tw – t0с
∆tс = tс – t0w
Здесь tw, tс – нормативные значения средней температуры элемента летом и зимой, а также t0w, t0c – летняя и зимняя начальные температуры конструкции.
Средние перепады температуры по сечению элемента ϑw и ϑc определяют по формулам таблицы 13.1 СНиП 2.01.07-85 с применением данных других таблиц.
Примечание: Здесь и далее для краткости вместо применяемых в СНиП выражений «теплое время года» и «холодное время года» применяются слова «лето», «летний» и «зима», «зимний».
Типы конструкций зданий по температурным воздействиям
В СНиП 2.01.07-85 отдельно рассматриваются две категории конструкций зданий:
- не защищенные от воздействия солнечного излучения;
- защищенные от воздействия солнечного излучения.
Для каждой из этих двух категорий отдельно рассматриваются конструкции:
- не отапливаемых зданий и открытых сооружений
- отапливаемых зданий
- зданий с технологическими источниками тепла.
Ниже для определенности и простоты будем рассматривать только отапливаемые здания, как не защищенные, так и защищенные от солнечного излучения. Другие случаи рассматриваются аналогично, но по другим формулам.
Параметры, общие для всех категорий конструкций зданий
Средние суточные температуры воздуха летом tew и зимой teс
tew = tиюль + Δиюль
teс = tянв + Δянв
Здесь: tиюль и tянв – многолетние средние месячные температуры воздуха в январе и июле (принимаются по специальным картам);
Δянв и Δиюль – отклонения средних суточных температур от средних месячных
(Δянв принимается по специальной карте, Δиюль = 6 ºС).
Начальная температура конструкции
Летнюю или зимнюю начальную температуру конструкции — температуру, при которой было выполнено замыкание конструкции или ее части в законченную систему, определяют по формулам:
t0w = 0,8·tиюль + 0,2·tянв
t0с = 0,2·tиюль + 0,8·tянв
Конструкция отапливаемого здания, не защищенная от солнечного излучения
Средние температуры по сечению элемента летом tw и зимой tс
Нормативная средняя летняя температура по сечению элемента tw
tw = tew + θ1 + θ4
Здесь:
tew – средняя суточная температура наружного воздуха летом;
θ1 – приращение температуры в зависимости от материала и толщины конструкционного элемента;
θ4 – приращение температуры элемента от солнечного излучения.
Приращение θ4 вычисляется по формуле:
θ4 = 0,05·ρ·Smax·k
Здесь:
ρ – коэффициент поглощения солнечного излучения;
Smax (Вт·ч/м2) – суммарное солнечное излучение в июле в зависимости от широты местности и ориентации (вертикально-горизонтально, юг-восток/запад-север);
k – коэффициент, учитывающий свойства материала.
Нормативная средняя зимняя температура по сечению элемента tс
tс = tic + 0,6(tec – tic) + 0,5θ2
Здесь:
tic – температура внутреннего воздуха зимой;
tec – средняя суточная температура наружного воздуха зимой (см. 2.4);
θ2 – приращение температуры от солнечного излучения, зависит от материала
(для металлических конструкций составляет 6 ºС).
Средние перепады температуры по сечению элемента ϑw и ϑc
Средний летний перепад температуры по сечению элемента ϑw
ϑw = θ5
Здесь θ5 – приращение перепада температуры от солнечного излучения.
Приращение θ5 вычисляется по формуле:
θ5 = 0,05·ρ·Smax·(1-k)
Здесь:
ρ – коэффициент поглощения солнечного излучения;
Smax (Вт·ч/м2) – суммарное солнечное излучение в июле в зависимости от широты местности и ориентации (вертикально-горизонтально, юг-восток/запад-север);
k – коэффициент, учитывающий свойства материала.
Средний зимний перепад температуры по сечению элемента ϑс
ϑс = 0,8(tec – tic) – 0,5θ3
Здесь θ3 – приращение перепада температуры в зависимости от материала
Пример расчета летних температурных воздействий
Исходные данные:
- конструкция отапливаемого здания;
- конструкция не защищена от солнечного излучения;
- материал конструкции — алюминий (ρ = 0,5; θ1 = 8 ºС; k = 0,7);
- Москва, 59º с.ш., вертикальная поверхность, восточная ориентация(Smax = 791 Вт·ч/м2);
- время замыкания конструкции – зима;
- время температурных воздействий – лето.
Это может относиться, в том числе, к наружным элементам светопрозрачных фасадных конструкций, например, прижимным планкам стоечно-ригельных фасадов.
Примечание
СНиП 2.01.07-85 учитывает возрастание теплопоглощения материалами темных цветов, в том числе, стали, увеличением коэффициента поглощения солнечного излучения ρ до 0,8. Вместе с тем, алюминиевые сплавы, окрашенные и неокрашенные, светлые и темные, никак не подразделяются – в таблице 13.3 для них предусмотрена только одна строка «алюминий» с коэффициентом ρ, равным 0,5.
Температурное воздействие летом
Для определения температурного воздействия летом применяют формулы:
∆tw = tw – t0с
ϑw = θ5
Здесь:
tw – нормативная средняя температура элемента летом;
t0c – зимняя начальная температура конструкции;
3.3.3. Летняя средняя суточная температура наружного воздуха:
tew = tиюль + ∆июль = 20 + 6 = 26 ºС
Средняя летняя температура элемента tw
tw = tew + θ1 + θ4
Летняя средняя суточная температура наружного воздуха tew = 26 ºС
Приращение θ1 = 8 ºС.
Приращение θ4 = 0,05·ρ·Smax·k
θ4 = 0,05·0,5·791·0,7 ≈ 14 ºС.
Средняя летняя температура по сечению элемента tw = 26 + 8 + 14 = 48 ºС
Начальная температура при замыкании конструкции зимой t0с
t0с = 0,2·tиюль + 0,8·tянв = 0,2·20 + 0,8·(–10) = 4 – 8 = –4 ºС
Нормативное изменение средней температуры по сечению элемента летом:
∆tw = tw – t0с = 48 – (– 4) = 52 ºС.
Средний перепад температуры по сечению элемента ϑw
ϑw = θ5
Приращение θ5 = 0,05·0,5·791·(1-0,5) ≈ 10 ºС.
ϑw = 10 ºС
Расчетные температурные воздействия
Коэффициент надежности по нагрузке для температурных климатических воздействий составляет 1,1 [1]. Поэтому расчетные летние температурные воздействия для конструкции отапливаемого здания, не защищенной от излучения солнца составят:
- по изменению средней температуры элемента: 52·1,1 ≈ 57 ºС;
- по среднему перепаду температуры по сечению элемента: 10·1,1 ≈ 11 ºС.
Отметим, что при расчете этих температурных воздействий не учитывалось возможное существенное увеличение температуры алюминиевых элементов, окрашенных в темные цвета, под воздействием солнечного излучения.
Конструкция отапливаемого здания, защищенная от солнечного излучения
Средние температуры по сечению элемента летом tw и зимой tс
Средняя летняя температура по сечению элемента tw
tw = tew
Здесь: tew – средняя суточная температура наружного воздуха летом
Средняя зимняя температура по сечению элемента tс
tс = tic
Здесь: tic – температура внутреннего воздуха зимой.
Средние перепады температуры по сечению элемента ϑw и ϑc
Средний летний перепад температуры по сечению элемента ϑw
ϑw = 0
Средний зимний перепад температуры по сечению элемента ϑw
ϑс = 0
Пример расчета летних температурных воздействий
Исходные данные:
- конструкция отапливаемого здания;
- конструкция защищена от солнечного излучения;
- материал конструкции — алюминий;
- Москва, 59º с.ш.;
- время замыкания конструкции – зима;
- время температурных воздействий – лето.
Этот случай может относиться к алюминиевым подконструкциям навесных вентилируемых фасадов, так как они защищены от солнечного излучения слоем наружной облицовки.
Для определения температурных воздействий летом применяют формулы:
∆tw = tw – t0с
ϑw = 0
Летняя средняя суточная температура наружного воздуха:
tew = tиюль + ∆июль = 20 + 6 = 26 ºС
Средняя летняя температура по сечению элемента tw
tw = tew = 26 ºС
Начальная температура при замыкании конструкции зимой t0с
t0с = 0,2·tиюль + 0,8·tянв = 0,2·20 + 0,8·(–10) = 4 – 8 = – 4 ºС
Нормативное изменение средней температуры по сечению элемента летом:
∆tw = tw – t0с = 26 – (– 4) = 30 ºС.
Средний перепад температуры по сечению элемента ϑw
ϑw = 0
Расчетные температурные воздействия для конструкции отапливаемого здания, защищенной от излучения солнца
С учетом коэффициента надежности 1,1 по нагрузке для температурных климатических воздействий согласно [1], расчетные температурные воздействия составляют:
- по изменению средней температуры по сечению элемента летом: 33 ºС;
- по среднему перепаду температуры по сечению элемента летом: 0 ºС.
заключение
- Температурные воздействия на элементы конструкций зданий оцениваются согласно СНиП 2.01.07-85 по следующим параметрам:
— изменение средней температуры элемента конструкции;
— средний перепад температуры по сечению элемента конструкции. - В климатических условиях Москвы нормативные летние температурные воздействия для алюминиевой конструкции, не защищенной от солнечного излучения, например, элементов светопрозрачного фасада, могут достигать:
— 57 ºС по изменению средней температуры конструкционного элемента;
— 11 ºС по перепаду по сечению элемента.
При оценке этих температурных воздействий не учитывалось возможное повышенное поглощение солнечного излучения алюминиевыми элементами, окрашенными в темные цвета. - Летние температурные воздействия на алюминиевую конструкцию, защищенную от солнечного излучения, например, на подконструкцию навесного вентилируемого фасада, значительно ниже:
— 33 ºС по изменению средней температуры конструкционного элемента
— 0 ºС по перепаду по сечению элемента.
