Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Повышение долговечности и экологической безопасности деревянных жилых зданий, эксплуатируемых в климатических условиях Севера

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Ламов, Игорь Феликсович, Архангельск

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ - ЦНИИМОД -

На правах рукописи

ЛАМОВ ИГОРЬ ФЕЛИКСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЕРЕВЯННЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

11.00.11. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Варфоломеев Ю.А.,

заслуженный деятель науки РФ, докт.техн.наук, проф. Научный консультант Стуков В.П.,

канд.техн. наук

Архангельск - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................8

1.1. Микроклимат жилища................................... 8

1.2. Развитие биопоражения в деревянных зданиях............... 14

1.3. Конструкционные методы повышения долговечности древесины в строительных объектах...................................20

1.4. Цель и задачи исследований.............................. 27

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ БИОПОРАЖЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРА................................................................ 29

2.1. Методика обследования деревянных зданий ................. 29

2.1.1. Определение влажности конструкций................. 29

2.1.2. Определение наличия биоинфекции с помощью химических индикаторов................................ 30

2.1.3. Отбор проб и экспериментальные исследования физико-механических свойств древесины..................... 30

2.1.4. Оценка физического износа основных конструкций зданий............................................ 31

2.1.5. Оценка физического износа узлов сопряжений конструктивных элементов жилых зданий...................... 42

2.2. Физико-механические свойства древесины строительных конструкций зданий и сооружений, длительно эксплуатируемых на Севере.............................. 45

2.3. Статистический анализ результатов натурньдх обследований длительно эксплуатируемых деревянных, жилых зданий...... 49

2.4. Разработка математической модели развития биопоражения конструктивных элементов во времени..................... 53

2.5. Анализ математической модели зависимости биопоражения деревянных конструкций жилых зданий от длительности

эксплуатации........................................... 62

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МАЛОЭТАЖНОГО ЖИЛОГО ДОМА ДЛЯ

КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СЕВЕРА................................. 66

3.1. Разработка деревянного, жилого дома, повышенной долговечности с учетом опыта зодчих Севера.................... 66

3.2. Определение параметров основных конструкций экспериментального, жилого дома.................................. 69

3.3. Обеспечение долговечности деревянных конструкций......... 82

3.3.1. Биопоражение изделий из древесины при эксплуатации

без защитной обработки.................................84

3.3.2. Биопоражение изделий из древесины, обработанной химическими препаратами при их эксплуатации........ 86

3.3.3. Разработка узлов сопряжений конструкций с учетом результатов натурных обследований.................. 87

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ............ 93

4.1. Разработка оборудования и исследование его технических характеристик.......................................... 93

4.2. Технология монтажа здания............................... 94

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. ТЕХНИКО-

99

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ..........................................

5.1. Методика оценки экономической эффективности строительства

99

жилых зданий ...........................................

5.2. Анализ технико-экономических показателей строительства

1ГП

экспериментальных зданий...............................

5.3. Внедрение результатов исследований в нормативно-техническую документацию.............................. 115

5.4. Разработка проектной документации....................... 116

5.4.1. Проектирование экспериментальных зданий повышен-

ной долговечности................................................................116

5.4.2. Проектирование подвесного бетоноукладчика....................120

5.4.3. Проектирование подъемного оборудования для строительства жилого дома....................................................121

5.5. Экспериментальное строительство..................................................122

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................'................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................129

ВВЕДЕНИЕ

Основной функцией жилища является защита людей от неблагоприятных метеорологических воздействий (холода, ветра, атмосферных осадков) за счет создания искусственной среды обитания человека в периоды его работы, отдыха, сна, восстановления жизненно необходимой энергии. Многовековой опыт показывает, что в деревянных жилищах обеспечиваются комфортные условия для длительного пребывания людей. На Севере древесина является традиционным строительным материалом. Основными причинами утраты деревянных построек являются биопоражение и пожары. Опыт эксплуатации объектов деревянного зодчества, построенных 200-360 лет назад, подтверждает высокий потенциал природной биостойкости древесины.

Методы обеспечения древними зодчими высокой долговечности деревянных культовых построек, эксплуатируемых на Севере, исследованы достаточно подробно [1-3]. Однако в задачи этих исследований не входила разработка новых методов обеспечения долговечности, и работы завершались оценкой эффективности применявшихся ранее различных методов конструкционной защиты древесины, не подвергавшейся химической обработке биоактивными препаратами.

Использованию химических средств защиты древесины от биопоражения и огня посвящены работы многих исследователей [4,5]. В последние годы просматривается четкая тенденция снижения экологической опасности таких биоактивных препаратов. Однако обеспечить полную безопасность при их применении - невозможно.

По условиям эксплуатации жилища существенно отличаются от культовых сооружений, что исключает непосредственную аппроксимацию на жилища результатов исследования долговечности церквей, колоколен, часовен. Поэтому в ходе настоящих исследований изучены закономерности биопоражения различных конструктивных элементов деревянных жилых

зданий, длительно эксплуатируемых в Архангельской области. На основании полученных результатов разработано жилое здание, в котором основным материалом является древесина с минимальным содержанием пропиточных биоактивных химических защитных препаратов там, где это необходимо. При этом конструкции, наиболее подверженные гниению и возгоранию, выполнены из биостойких и огнестойких материалов. Отказ от широкого применения биоактивных химических средств защиты древесины в жилых домах для повышения их долговечности обеспечивает более комфортное проживание людей и имеет большое значение для экологии.

Использование в разработанном жилом здании железо- или керамзитобетонных плит перекрытия взамен деревянных конструкций обеспечивает при необходимости свободную внутреннюю перепланировку помещений с учетом изменяющихся со временем требований проживающих. Отсутствие несущих стен на большой площади перекрытий облегчает инсоляцию и аэрацию помещений. Высокая несущая способность железобетонных плит позволяет, без дополнительного усиления основания, монтировать на них камины и печи, которые являются дополнительными источниками тепла и улучшают комфорт жилища. В полах можно устроить экономичную систему обогрева помещений без использования настенных радиаторов. Железобетонные колонны и перекрытия не только исключают биопоражение деревянных конструкций, но и повышают пожаростойкость здания.

Деревянные стены из бруса, смонтированные на отдельном от каркаса фундаменте или на плите цокольного перекрытия, обеспечивают снижение массы здания в 3 раза по сравнению с кирпичным, что особенно важно при строительстве на слабых грунтах.

Вариант опирания деревянных стен на цокольное перекрытие перспективен для строительства зданий на вечномерзлых грунтах, когда требуется устройство проветриваемого технического подполья для

предотвращения подтаивания грунта основания из-за теплопотерь эксплуатируемого здания.

В зоне контакта древесины с железобетоном, где обычно интенсивно развивается гниение из-за конденсирующейся влаги, элементы стен отделены от железобетона с помощью деревянных прокладок, пропитанных специальными средствами химической защиты.

Возведение зданий методом подъема крупногабаритных плит перекрытий с помощью разработанных компактных приспособлений делает их перспективными для строительства не только на стесненных соседними строениями площадках, но и в отдаленных труднодоступных районах, где нет оборудования большой грузоподъемности. В этом случае для строительства завозят только цемент, арматуру и щебень, а древесина и песок часто являются дешевыми местными строительными материалами.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Микроклимат жилища

Всякое жилище предназначено для создания искусственных условий, более благоприятных, чем естественные климатические, существующие в данной местности.

При современном развитии строительного дела существует возможность при любых метеорологических условиях, в том числе и в районах Крайнего Севера, создать в жилище искусственную благоприятную, здоровую, постоянно комфортную, экологическую среду обитания человека. Это можно обеспечить благодаря учету климатических условий и рельефа местности [6 ], направлений и интенсивности ветров, рациональной ориентации жилых зданий по сторонам света, применением долговечных строительных материалов и конструкций с низкой теплопроводностью, без токсичных выделений, представляющих опасность для человека и окружающей среды, а также устройством в жилищах гигиенически целесообразных систем жизнеобеспечения - отопления, вентиляции и т.п.

Для того чтобы жилая квартира была комфортной, удобной и удовлетворяла гигиеническим и социально-бытовым потребностям семьи, она должна иметь:

- здоровый микроклимат;

- необходимый состав помещений;

- размеры, отвечающие гигиеническим нормам;

- рациональную планировку;

- надлежащее санитарно-техническое оборудование;

- хорошее освещение.

Микроклимат в жилищах складывается из температуры воздуха и окружающих поверхностей, влажности и движения воздуха, комплексное воздействие которых на организм определяет, так называемый, тепловой комфорт [7].

Важно, чтобы на протяжении суток в разных точках жилого помещения микроклимат был ровным и постоянным, без резких колебаний, нарушающих нормальное теплоощущение у человека и неблагоприятно влияющих на его здоровье [8,9 ].

Во избежание нарушения теплового равновесия и одностороннего 4 охлаждения тела необходимо, чтобы разница в температурах воздуха по горизонтали от наружных стен до любой точки внутри помещения не превышала 2 °С. Такую разницу температуры человек в обычной одежде не ощущает [10,11 ]. Еще более важны с точки зрения гигиены и даже опасны для здоровья значительные перепады температуры по вертикали на высоте 1,5 м и у пола, поскольку пол традиционной конструкции сильно охлаждается, а с ним непосредственно соприкасаются ноги людей. При этом следует учитывать, что ближе к полу находятся дети.

Специальные исследования [12] показали, что перепады температур воздуха в жилищах по вертикали величиной 4 °С снижает температуру кожи стопы на 7-10 °С и вызывают дискомфортное тепловое состояние у человека. Поэтому в последние годы за рубежом, преимущественно в климатических условиях Севера, практикуется строительство полов с подогревом.

При оценке теплового режима в жилищах большое значение имеет температура внутренней поверхности ограждающих частей здания: стен, пола, остекления окон [11]. При низкой температуре этих ограждений, что наиболее характерно для климатических условий Севера, человек отдает им путем излучения значительную часть своего тепла, что нарушает теплообмен его, организма. Влияние отрицательной радиации в жилищах на теплоощущение людей было изучено рядом ученых-гигиенистов [12]. Анализ результатов их исследований показывает, что между температурой поверхности ограждающих конструкций и температурой воздуха в жилище максимально допустимым является перепад до 4 °С.

Важным показателем микроклимата в жилищах является влажность воздуха. Организм человека весьма чувствительно реагирует даже на небольшие колебания относительной влажности воздуха в помещениях. По мере увеличения колебаний влажности у человека нарушается и ухудшается теплообмен, возрастают кожные температуры, а также уменьшается влагоотдача с кожи. В то же время, чрезмерная сухость воздуха усиливает испарение влаги со слизистых оболочек и вызывает у человека неприятные ощущения. На основании физиологических наблюдений установлено, что в северных широтах нашей страны зимой в жилищах при температуре воздуха +21...22 °С наиболее благоприятна относительная влажность в пределах 30...45 % [7,8].

Скорость движения воздуха в закрытых помещениях очень невелика и субъективно человек обычно ее не ощущает, но, тем не менее, она существует и оказывает определенное влияние. В неподвижном или малоподвижном воздухе затрудняется теплоотдача организма. Исследования [ 13 ] показывают, что при температуре воздуха +18...20 °С и относительной влажности 30...45 % наиболее благоприятна для организма человека скорость движения воздуха в пределах от 0,1 до 0,15 м/сек.

Для комфортного состояния человека большое значение имеет величина воздухообмена в жилых помещениях. Чистый, незагрязненный посторонними примесями воздух, которым мы дышим, состоит из смеси различных газов: азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислоты (0,03 %) и небольших количеств инертных газов. Непостоянными составными частями может быть озон и другие. Кроме того, в воздухе могут находиться водяные пары, пыль и микроорганизмы.

При отсутствии надлежащего отопления, проветривания, инсоляции в условиях повышенной влажности воздуха в деревянном помещении могут быстро развиваться плесневые, деревоокрашивающие и дереворазрушающие

грибы. Это представляет опасность не только для древесины, но и для людей, особенно тех, кто страдает аллергическими и легочными заболеваниями.

Как физические свойства воздуха (температура, влажность, подвижность), так и его химико-бактериологический состав подвергается в закрытых помещениях значительным изменениям (перегревание, охлаждение, загрязнение). Одной из причин возможной загрязненности воздуха является скученность и длительное пребывание людей в недостаточно проветриваемых помещениях. Количество углекислого газа, выделяемого одним человеком в час, составляет 15-40 л.

Повышение содержания углекислого газа в воздухе помещений небезразлично для организма: учащается дыхание, появляются головные боли, тошнота, головокружение, снижается внимание. Установлено также ухудшение газового состава воздуха и нарушение микроклиматических условий в жилых помещениях, которые непосредственно сообщаются с кухней. Ухудшение газового состава воздуха жилых помещений, как правило, более выражено зимой и осенью [14].

Исследования влияния кратности воздухообмена на состояние организма, изучаемые в микроклиматической камере [7], показали, что наилучшие показатели: температура кожи, частота пульса, теплоощущение человека наблюдаются при одно- полуторакратном воздухообмене в час при объеме помещения 30 м .

В состав квартиры входят жилые и вспомогательные помещения. К жилым помещениям относятся: спальни, комнаты дневного пребывания, иногда особая рабочая комната-кабинет. Эти помещения составляют жилую площадь квартиры. К вспомогательным помещениям относятся: кухня, туалет, ванная комната, прихожая, кладовая, веранда, балкон, лоджия.

Одним из наиболее важных гигиенических требований, предъявляемых к планировке квартир, является обеспечение их сквозного проветривания [13]. Легче всего это осуществить при двухстороннем расположении

комнат, выходящих окнами на два противоположных фасада. Менее эффективным является угловое проветривание, т.е., когда две стены с окнами расположены под углом друг к другу. Для обеспечения гигиенических требований исключительно важным является взаимное расположение в квартире жилых комнат и вспомогательных помещений, количество, размеры и местоположение оконных проемов, их естественная освещенность и т.п.

Инсоляция (облучение помещений солнечным светом) - имеет большое гигиеническое значение не только в связи с необходимостью получения требуемого уровня освещенности, но и из-за способности солнечного света поражать болезнетворные микробы и бактерии [15].

Следует отметить, что проблемы проветривания, инсоляции, обеспечения комфортных условий для пребывания и жизнедеятельности человека легче обеспечить в помещениях оптимальных по площади и высоте и значительно труднее - в маленьких комнатах со стационарными перегородками в малог�