Развитие методов расчёта многослойных ограждающих конструкций с монолитной связью слоёв

УДК 624
ББК 38.5
К68
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А.В. Боровских, 
Президент Международной академии экологии и строительства;
Академик РАТ, доктор технических наук, профессор Л.А. Андреева,  
заместитель директора по науке ЗАО «ПРОМТРАНСНИИПРОЕКТ» 
	
Король, Елена Анатольевна.
К68 	 	 Развитие методов расчёта многослойных ограждающих конструкций с монолитной связью слоёв 
[Электронный ресурс] : монография / Е.А. Король, М.Н. Берлинова ; М-во науки и высшего образования Рос. Федерации; Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — Электрон. дан. и прогр. 
(4,3 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ
, 2019. (Библиотека научных разработок и 
проектов НИУ МГСУ). — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r_91/cgiirbis_64.exe?C
21COM=F&I21DBN=IBIS&P21DBN=IBIS. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-1954-1 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-1953-4 (локальное)
В монографии рассмотрен расчет прочности многослойных ограждающих конструкций общественных зданий. 
Представленные результаты исследования являются развитием теории прочности стеновых многослойных панелей с монолитной связью слоёв. 
Для специалистов строительных специальностей, магистров и аспирантов.
Научное электронное издание


© Национальный исследовательский
     Московский государственный 
     строительный университет, 2019

Редактор, корректор В.А. Киселева
Верстка и дизайн титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2013, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 18.04.2019 г. Объем данных 4,3 Мб. 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................................................   6
Глава 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ.........   8
1.1. Пути совершенствования ограждающих стеновых панелей.
..........................................................................   8
1.1.1. Используемые материалы для многослойных стеновых панелей.
........................................................ 11
1.1.1.1 Бетоны и способы их получения.................................................................................................... 11
1.1.1.2. Особенности армирования стеновых многослойных панелей.................................................. 12
1.2. Экспериментальные исследования ограждающих конструкций.
.................................................................. 12
1.3. Теоретические исследования ограждающих конструкций.
............................................................................ 13
1.3.1. Исследования по образованию трещин трёхслойных панелей............................................................. 13
1.3.2. Обзор исследований по деформациям..................................................................................................... 14
1.4. Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций.................................................................. 16
1.4.1. Технологические свойства многослойных ограждающих конструкций с эффективными
утеплителями............................................................................................................................................. 16
1.4.2. Физико-механические характеристики многослойных стеновых панелей со средним слоем
из полистиролбетона....................................................................................................................................... 18
1.5. Краткие выводы.
................................................................................................................................................... 21
Глава 2. РАСЧЁТ ЖЕЛЕЗОБЕТОНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ......... 22
2.1. Современные подходы к расчёту железобетонных ограждающих конструкций........................................ 22
2.2. Основы расчёта многослойных элементов при сжатии.................................................................................. 22
2.3. Расчёт изгибаемых многослойных панелей.
..................................................................................................... 25
2.4. Краткие выводы.
................................................................................................................................................... 32
Глава 3. НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРЁХСЛОЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ......................... 33
3.1. Основы совместной работы слоёв в многослойных ограждающих конструкциях.
..................................... 33
3.2. Влияние связей на работу трёхслойных элементов.
........................................................................................ 33
3.3. Численный анализ напряжённо-деформированного состояния многослойных стеновых панелей.
......... 35
3.4. Краткие выводы.
................................................................................................................................................... 40
Глава 4. РАСЧЁТ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.
................................................................................................. 41
4.1. Общие положения. Диаграммы деформирования бетона и арматуры.......................................................... 41
4.2. Расчётная модель трещинообразования изгибаемых многослойных панелей............................................ 47
4.3. Расчёт самонесущих стеновых панелей  на стадиях проектирования, монтажа и эксплуатации............. 54
1. Определение расчётных нагрузок.................................................................................................................. 54
2. Определение веса (массы) конструкции.
....................................................................................................... 54
3. Расчёт панели на монтаже и при проектировании.
...................................................................................... 55
4. Расчёт на монтажный случай.
......................................................................................................................... 55
5. Расчёт в эксплуатационной стадии................................................................................................................ 56
6. Армирование панели....................................................................................................................................... 57

Глава 5. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ.
................................................................................................................... 59
5.1. Теоретические основы прочности конструкционных бетонов....................................................................... 59
5.2. Нелинейность деформирования бетонов в многослойных конструкциях................................................... 62
5.3. Критерии длительной прочности конструкционных бетонов.
....................................................................... 65
5.4. Кинетическая оценка прочности бетона в ограждающих конструкциях..................................................... 68
5.5. Зависимость прочности бетона от условий эксплуатации.
............................................................................. 72
5.6. Краткие выводы.
................................................................................................................................................... 74
Заключение.
............................................................................................................................................................................. 75
Библиографический список.................................................................................................................................................. 76

ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование методов расчета и проектирования строительных конструкций позволяет использовать более эффективные сечения элементов, уменьшать расход бетона и существенно снижать собственный вес конструкций, что может повысить в дальнейшем конкурентоспособность железобетона с другими современными конструкционными материалами и расширить 
область его применения. 
В большинстве случаев в конструкциях, которые должны быть защищены от разрушительных 
воздействий внешней среды, бетон находится в напряженном состоянии, вызванном внешними силами. Длительное приложение нагрузки и её величина существенно влияют на прочностные свойства бетона и его деформативность. 
В строительной науке теория расчёта железобетонных конструкций является одним из наиболее глубоко исследованных разделов. Современные методы использования математических моделей для расчёта учитывают не только условия работы, но и нелинейный характер деформирования 
бетона в железобетонной конструкции. 
Промышленные программные комплексы позволяют решать конкретные задачи с необходимой точностью лишь с  наложением многочисленных дополнительных условий. Тем не менее, 
строительная практика показывает, что и при проектировании в соответствии с современными 
нормативными документами возникают случаи значительного снижения несущей способности. 
Поэтому важной задачей становится исследование таких подходов к прогнозированию поведения 
строительных конструкций в зданиях и сооружениях, которые уже на ранней стадии эксплуатации конструкций максимально могли бы обеспечить прогноз безопасности и долговечности. 
Особую роль здесь необходимо отвести разработке расчётных методов конструктивной безопасности многослойных ограждающих конструкций.
Сегодня развитие технологий, увеличение строительных объёмов и актуальность реконструкции обосновывают необходимость энергоэффективного подхода к  строительным материалам 
и проектированию конструкций ограждений в зданиях временного и постоянного пребывания 
людей. Наибольшее распространение получили многослойные ограждающие конструкции. 
Применение эффективных лёгких бетонов позволяет значительно снизить толщину ограждающих конструкций и соответственно массу зданий.
Также одним из важных направлений в развитии прогрессивных ограждающих конструкций 
из лёгких и тяжёлых бетонов является повышение термического сопротивления, совершенствование широко распространенных решений панелей наружных стен зданий. 
Сегодня одним из наиболее эффективных утеплителей является вспененный полистирол. Он 
имеет сравнительно низкий коэффициент теплопроводности и малое водопоглощение. Его применение в строительстве возможно в различном качестве, как в насыпной или плитной изоляции, так 
и в составе полистиролбетона.
Перспектива построения теоретических основ поведения многослойных ограждающих конструкций для любого возраста и при различных условиях эксплуатационных нагрузок в качестве 
уточнения основных расчётных положений по предельным состояниям строительных конструкций позволит повысить конструктивную безопасность как для проектов нового строительства, так 
и при реконструкции общественных зданий жилищно-коммунального комплекса.
Авторами рассмотрен подход к оценке длительной прочности и долговечности для бетонов 
в многослойном сечении ограждающих конструкций численными методами.
До настоящего времени этот вопрос в научной литературе не достаточно изучен. Возможность 
построения теоретических основ оценки  эксплуатационной безопасности многослойных конструкций даст возможность прогнозирования поведения таких конструкций в здании или сооружении и позволит повысить безопасность ограждающих конструкций различных строительных 
объектов.
6

В первой главе представлен анализ конструктивных особенностей многослойных ограждающих конструкций. Вторая глава посвящена  оценке разработанных методов расчёта ограждающих 
стеновых конструкций гражданских зданий из железобетона. Третья и четвертая главы посвящены оценке напряжённо-деформированного состояния многослойных конструкций и методам расчёта на этой основе. Пятая глава посвящена оценке долговечности многослойных стеновых панелей из конструкционных бетонов.
Учитывая сложность постановки и решения таких задач авторы рассматривают эту работу как 
развитие одного из возможных направлений в исследовании многослойных конструкций с монолитной связью слоёв.
Расчётные методы, представленные в монографии, рекомендуются для использования в обучающих программах и научной деятельности студентам, аспирантам и специалистам строительных 
специальностей. 

Глава 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
МНОГОСЛОЙНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1. Пути совершенствования ограждающих стеновых панелей
Принципиально новая строительная конструкция — первая трёхслойная стеновая панель, 
которая получила название «сэндвич», была произведена в США в начале XX века. 
Преимущества многослойных конструкций получили признание в мире, и все же они завоёвывали популярность очень медленно  — причиной этого являлась высокая стоимость. 
И только через несколько десятилетий, когда была отработана технология массового производства панелей, использование их стало экономически выгодным и они начали быстро завоёвывать рынки США и Европы. 
В российских научных школах работа над трёхслойными конструкциями была основана 
в тридцатые годы прошлого века, однако из-за отсутствия эффективных решений и материалов широкого применения такие конструкции в то время  не получили. Развитию этого направления в проектировании не уделялось большого значения по причине отсутствия значительных объёмов панельного домостроения.
В качестве ограждений зданий применялись разнообразные по конструктивному решению 
стеновые панели: однослойные, двухслойные и трёхслойные с использованием лёгкого бетона 
на пористых заполнителях.
Самое незначительное распространение имели двухслойные стены с наружным утепляющим слоем. Строительная практика показала, что эти панели обладают низкими эксплуатационными свойствами, что привело к резкому сокращению их использования. 
Наибольшее распространение получили сплошные однослойные и трёхслойные панели. 
Однослойные панели выполнялись из ячеистых бетонов или на пористых заполнителях, 
являлись технологичными в изготовлении и экономичными ограждающими конструкциями, 
но в связи с не высокими теплотехническими харатеристиками область их применения была 
ограничена.
После Великой Отечественной войны значительно расширилось опытное строительство 
с применением трехслойных панелей с утеплителем из минераловатных плит и железобетонными рёбрами связей между наружными слоями. Однако из-за сезонных и суточных колебаний температуры в большинстве климатических районов в наружных стенах возникали достаточно высокие температурные напряжения, что приводило к образованию и  раскрытию 
трещин. Известно, что они являются путями проникновения влаги в тело конструкции, что 
вызывало увлажнение утеплителя и коррозию арматуры. Также имели место теплопроводные 
включения и образования конденсата на поверхности вблизи рёбер.
Большого распространения такие конструкции тоже не получили, так как указанные недостатки железобетонных трёхслойных панелей с минераловатным утеплителем и железобетонными рёбрами оказались существенными. 
Как видим, эти конструкции имели серьёзные недостатки: однослойные панели являлись 
весьма материалоемки, а трёхслойные — трудоёмки в изготовлении. Кроме того, возможность 
повышения теплозащитных свойств стен из однослойных панелей практически была исчерпана, а увеличение толщины панелей наружных стен было экономически нецелесообразно; трёхслойные с «жёсткими» связями промерзали по контуру, что требовало значительных расходов 
на эксплуатацию зданий. 
Использование панельных конструкций в строительстве общественных зданий относится 
к середине 60-х годов прошлого века, но только с начала 80-х началось их массовое внедрение.
8

В 1967 году вступил в действие первый (разработанный Госстроем СССР) ГОСТ 11309-65 
на все типы крупнопанельных зданий, определяющий все требования к их качеству, устройству стыков и степени точности производства и монтажа изделий.
Наибольшее применение среди многослойных конструкций получили стеновые панели 
с вкладышами из пенополистирола и обычные ребристые плиты покрытий с комплексным поперечным сечением из тяжелого бетона с утолщённой полкой из конструкционно-теплоизоляционного материала (поризованного керамзитобетона). 
Разработанные позднее трёхслойные панели с  эффективными утеплителями и  гибкими 
стальными связями являлись технологически более прогрессивными конструкциями, обеспечивающими в  различных регионах нашей страны требуемое термическое сопротивление 
ограждающих конструкций.
Сегодня крупные производители стройматериалов с целью исключить экономические риски 
тщательно проводят мониторинг тенденций рынка сбыта и заботятся о качестве своих изделий.
Опыт панельного домостроения советских времён оказался печальным, когда скорость и дешевизна застройки с  использованием однослойных панелей из железобетона совмещались 
с низкими качеством и неспособностью держать тепло.
Использование многослойных стеновых панелей является плюсом за счёт простоты и скорости монтажа, отсутствие необходимости в использовании дорогостоящего подъёмного оборудования. Надо только закрепить в нескольких местах и – готова стена.
Фактически на стройплощадку прибывает готовое изделие, не требующее при сборке больших усилий. И все это при неоспоримых достоинствах, таких как отменная теплоизоляция, 
влагонепроницаемость, шумоизоляция. 
Возрождение панельного домостроения в России началось на новом уровне развития технологий и стандартов качества. Современное производство многослойных стеновых панелей имеет тенденцию роста, предлагая рынку всё новые и новые модификации. 
Сегодня созданы технологические возможности для того, чтобы обеспечить не только высокое качество продукции, но и ассортимент с учётом различных условий эксплуатации. 
Выбор того или иного типа панелей определяется не только климатическими условиями эксплуатации, но и современными требованиями к внедрению энергосберегающих технологий. 
Необходимо учитывать целый ряд обстоятельств: теплозащитные свойства,  материалоёмкость 
и наличие в регионе необходимого для производства сырья.
Как следует из вышесказанного, в зависимости от условий применения и функционального 
назначения зданий в нашей стране имеется достаточно широкая номенклатура взаимозаменяемых конструкци стеновых панелей, отличающихся используемыми материалами, эксплуатационными параметрами, расходом бетона и стали, технологией изготовления. 
Наружный и  внутренний слои современных панелей выполняются из бетонов класса не 
ниже В20. В зависимости от функционального назначения строящегося объекта эффект теплоизоляции достигается применением различных вариантов исполнения среднего слоя: минераловатные плиты или пенополистирол. Так, например, по теплоизоляционным свойствам, трёхслойная панель при толщине 300 мм соответствует кирпичной кладке толщиной 650 мм.
В последние десятилетия распространение получили трехслойные стеновые панели с гибкими связями из металлических стержней вместо жёсткой железобетонной связи между наружными слоями, что является наиболее эффективным благодаря отсутствию теплопроводящих 
соединительных ребер и высокой однородности температурного поля. 
Основными конструктивными особенностями таких панелей являются: экономическая эффективность монтажа в короткие сроки возведения здания; не значительная зависимость строительных работ от погодных условий; увеличивает несущую способность панели за счёт перераспределения нагрузки между бетонными слоями (рис 1.1).
Многослойные ограждающие конструкции с  эффективными утеплителями производятся 
на заводаж ЖБИ по различным технологическим схемам. 
Традиционные трёхслойные ограждающие конструкции выпускаются с  использованием 
плитных утеплителей. 
9