CC BY
159УДК 624:692.231.2
Э.И. КИРЕЕВА, канд. техн. наук ([email protected]), В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук
АО «ЦНИИЭП жилища - институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий» (АО «ЦНИИЭП жилища») (127434, Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)
Конструкции ненесущих трехслойных наружных стен с облицовкой кирпичом в гражданских зданиях повышенной этажности
На примере Московского климатического региона рассмотрены три типа ненесущих наружных стен трехслойной конструкции из мелкоштучных материалов с облицовочным слоем из кирпича, вентилируемым воздушным зазором, эффективным утеплителем и вариантами внутреннего слоя - из ячеисто-бетонных блоков (тип 1), кирпичной кладки (тип 2) и кладки из керамических камней высотой 140 мм (тип 3) для применения в каркасных зданиях высотой 50, 75 и 100 м. Приведены требования к расчету и проектированию трехслойных наружных стен, выполнение которых позволит обеспечить надежность рассматриваемых решений на стадии разработки проекта. В качестве примера приведены результаты расчета фрагментов стен с одним и двумя проемами, расположенных соответственно в шаге несущих конструкций 4,4 и 6 м. Определена зависимость толщины облицовочного слоя от высоты здания, длины рассчитываемого фрагмента и условий крепления к несущим конструкциям.
Ключевые слова: трехслойные наружные стены, вентилируемый воздушный зазор, надежность и безопасность, вертикальные температурно-деформационные швы.
E.I. KIREEVA, Candidate of Science (Engineering) ([email protected]), V.S. BELYAEV, Candidate of Science (Engineering) AO «TSNIIEP zhilishcha» - institute for complex design of residential and public buildings» (AO «TSNIIEP zhilishcha») (9/3, Dmitrovskoe Highway, Moscow, 127434, Russian Federation)
Design of Non-Bearing Three-Layered External Walls with Brick Facing in Civil Buildings with Increased Number of Storeys
On the example of the Moscow climatic region, three types of non-bearing external walls of three-layered design from small piece materials with a brick facing layer, ventilated air gap, efficient heat insulation and variants of the internal later - from cellular concrete blocks (type 1), brick masonry (type 2) and masonry made of ceramic stones of 140 mm height (type 3) to use in frame buildings of 50, 75, and 100 m height are considered. Requirements for calculation and design of three-layered external walls, fulfilling of which makes it possible to ensure the reliability of solutions considered at the stage of project development, are presented. As an example, results of the calculation of fragments of walls with one and two openings located in the pitch of bearing structures of 4.4 and 6 m respectively are also presented. The dependence of the facing layer on the height of the building, length of calculated fragments and conditions of fastening to bearing structures is determined.
Keywords: three-layered external walls, ventilated air gap, reliability and safety, vertical temperature-deformation joint.
Запрет на применение в строительстве на территории г. Москвы и Московской области трехслойных наружных стен с эффективным утеплителем и облицовкой кирпичом в 2008 г. акцентировал проблему надежности и безопасности многослойных конструкций наружных стен облегченного типа в жилых и общественных зданиях повышенной этажности. Проведенные обследования технического состояния наружных стен в некоторых аварийных зданиях, как строящихся, так и уже построенных, позволили определить основные причины повреждений кирпичного облицовочного слоя. К ним отнесены как проектные ошибки, так и низкое качество производства работ по возведению стен. К одной из основных проектных ошибок относится недооценка тем-пературно-влажностных усилий, возникающих в облицовочном слое кладки от перепада температуры наружного воздуха, отсюда отсутствие в облицовочном слое вертикальных температурно-деформационных швов, недостаточное армирование наружного слоя и крепление его к несущим конструкциям здания в зонах с максимальными температурными деформациями. Другой не менее важной причиной деформации кирпичной кладки наружного слоя является недостаточный влаж-ностный режим трехслойных наружных стен, способствующий влагонакоплению в конструкции стены от попадания как дождевой воды, так и влаги со стороны помещения. И наконец, низкое качество строительных работ объяснялось в тот период отсутствием технологического регламента на возведение стен многослойной конструкции.
За последние годы выполнено много работ по исследованию влияния перечисленных факторов на состояние многослойных наружных стен с кирпичной облицовкой, в основе которых лежит «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», определивший подходы к вопросам надежности и долговечности конструкций стен (и материалов), их безопасной эксплуатации [1—6]. По изложенной проблеме также выполнено следующее:
— разработаны методы расчета лицевого кирпичного слоя в наружных стенах облегченного типа на тем-пературно-влажностные воздействия, даны рекомендации по армированию кладки облицовочного слоя и устройству в нем вертикальных температур-но-деформационных швов СТО 36554501-013—2008 (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2010 г.);
— в качестве методического пособия для проектирования разработан «Альбом технических решений многослойных продольных и торцевых наружных стен, облицованных кирпичом толщиной 120 мм (с утолщенной наружной стенкой или пустотностью 13%), для строительства жилых и общественных зданий высотой до 75 м» (ЦНИИЭП жилища, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2010 г.);
— разработаны типовые технологические карты 17-10ТК, 18-10ТК, 19-10ТК на возведение двух- и трехслойных ненесущих наружных стен с облицовкой кирпичом, ПКТИпромстрой, 2010 г.;
— актуализирована редакция СНиП 3.03.01—87 — СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие кон-
Герметик Вилатерм 050/
Гибкие связи Н-1
\ Минераловатная плита полужесткая
' стеновой блок, плотность 500-600 кг/м3 класс В2,5
Герметик Вилатерм 050 Гибкие связи
И Облицовочный кирпич | | Облицовочный кирпич 0,5НФ 250х60^65(И) мм и!-1 1НФ 250х120х65(И) мм
| Рядовой кирпич
Рис. 1. Наружная стена тип 1 с внутренним слоем из ячеисто-бетонных блоков, наружный слой толщиной: а - 120 мм; б - 190 мм
струкции», где регламентированы допуски в отклонении несущих конструкций при монтаже зданий повышенной этажности, влияющие на величину опорной зоны ненесущих наружных стен; — актуализирована редакция СНиП 11-22—81* — СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции», в которую включены требования к расчету и проектированию многослойных наружных стен облегченного типа и их гибким соединительным связям.
Результаты проведенных исследований позволяют в настоящее время вернуться к решениям наружных стен трехслойной конструкции с облицовочным слоем из кирпича на новом уровне, учитывая допущенные ранее ошибки и разработанные в рамках СП 15.13330.2012 требования к расчету и проектированию многослойных стен. Применение трехслойных конструкций наружных стен в гражданском строительстве, например в каркасных зданиях или зданиях смешанных конструктивных систем в виде ненесущих поэтажно опираемых стен, позволит не только увеличить количество типов ограждающих стеновых конструкций наряду с двухслойными
стенами, но и расширить область применения керамических изделий, выпускаемых отечественными заводами. Например, для наружного слоя стен может использоваться облицовочный кирпич форматов 0,5 НФ и 0,7 НФ размером соответственно 250x60x65 мм и 250x85x65 мм или кирпича ЕВРО аналогичных размеров (рис. 1, 2); для наружного и внутреннего слоев стен могут применяться керамические камни формата 2,1 НФ размером 250x120x140 мм соответственно облицовочные и рядовые по ГОСТ 530—2012 (рис. 3, а); возможен вариант комбинированного применения рядового керамического камня во внутреннем слое и облицовочного кирпича в наружном слое — стены на (рис. 3, б).
Надежность и безопасность трехслойных стен тип 1—3 (рис. 1—3) на стадии разработки проекта будет обеспечиваться выполнением следующих требований.
1. Трехслойные стены с эффективным утеплителем и облицовкой кирпичом должны удовлетворять положениям СНиП 23-02—2003 по параметрам влажностного режима, что решается путем устройства вентилируемого воздушного зазора на границе облицовочного и утепляющего слоев; толщина зазора должна быть не менее 40 мм.
2. Прочность облицовочного слоя трехслойных стен с гибкими связями должна проверяться расчетом на растяжение от температурно-влажностных деформаций, в результате расчета определяется расстояние между вертикальными темпера-турно-деформационными швами в кладке наружного слоя и его армирование; независимо от результатов расчета должно производиться конструктивное армирование кладки сетками или каркасами с шагом по
высоте стен не более 60 см, а на углах — Г-образными сварными сетками на длину не менее 1 м от угла или до вертикального деформационного шва (если он расположен ближе), шаг сеток на углах по высоте не более 300 мм.
3. Прочность кладки наружного и внутреннего слоев и прочность гибких соединительных связей должны проверяться расчетом фрагментов стен на пиковые ветровые нагрузки, действующие из плоскости стены на угловых и рядовых участках здания; в зависимости от условий закрепления стен к несущим конструкциям здания расчетом определяются растягивающие напряжения в наружном и внутреннем слоях стены соответственно по перевязанному и неперевязанному сечениям кладки, а также усилия растяжения-сжатия в соединительных связях. При расчете стен ветровые нагрузки принимаются по СП 20.13330.2011, а расчет выполняется в соответствии с СП 15.13330.2012 с учетом особенностей расчета, изложенного в [7].
4. Толщина облицовочного слоя в трехслойных стенах принимается по результатам расчета на ветровые нагрузки и зависит от следующих факторов: высоты
б
а
здания, величины ветровых нагрузок для конкретного региона строительства, шага вертикальных несущих конструкций каркаса, к которым крепятся стены, зоны расположения фрагмента стен (угловая или рядовая) и высоты этажа.
5. Площадь и количество гибких соединительных связей должны назначаться исходя из суммарных усилий растяжения, возникающих в них при действии ветровых нагрузок и усилий от возможного перекоса элементов каркаса. При этом наибольшие усилия растяжения в связях от ветровых нагрузок возникают в угловых зонах фасадов в местах крепления наружного слоя к элементам каркаса, а при перекосе значительные усилия растяжения приходятся на связи крепления внутреннего слоя к несущим конструкциям здания.
6. Соединительные связи должны назначаться таким образом, чтобы перемещения наружного и внутреннего слоев при ветровой нагрузке были практически одинаковые, в этом случае действующие усилия от ветра распределяются между слоями пропорционально их жесткости.
7. Независимо от результатов расчета количество гибких соединительных связей на углах и Z-образных участках стен, по периметру проемов и в местах вертикальных деформационных швов необходимо увеличить в два раза или шаг связей принять не более 300 мм.
Приведенные выше требования вошли в проект изменения № 1 к актуализированной редакции СП 15.13330.2012 - СНиП 11-22-81*. Выполненные авторами расчеты фрагментов трехслойных стен длиной 4,4 м с одним окном и длиной 6 м с двумя окнами на пиковые ветровые нагрузки I ветрового района показали, что при принятой схеме соединительных связей ненесущие наружные стены тип 1-3 на рис. 1-3 могут применяться в каркасных жилых и общественных зданиях высотой до 100 м. При этом толщина облицовочного слоя в зависимости от вышеперечисленных в п. 4 факторов может назначаться 120, 190 или 250 мм.
Стена тип 1 (рис. 1) - трехслойная ненесущая с вентилируемым воздушным зазором толщиной 40 мм, внутренний слой из ячеисто-бетонных блоков толщиной 200 мм, плотностью 500-600 кг/м3, класс бетона В2,5 (М35) ГОСТ 31359-2007 и ГОСТ 31360-2007; средний слой из базальтовых минераловатных плит толщиной 150 мм, плотностью у=125 кг/м3; наружный слой из лицевого кирпича марки М100 на растворе М75.
Стена тип 2 (рис. 2) - трехслойная ненесущая с вентилируемым воздушным зазором толщиной 40 мм, внутренний слой - кирпичная кладка из полнотелого или пустотелого кирпича толщиной 120 мм, марка кирпича М100, раствора - М75; средний слой из базальтовых минераловатных плит толщиной 170 мм, плотностью у=125 кг/м3; наружный слой из керамического лицевого кирпича М100 на растворе М75.
Стена тип 3 (рис. 3) - трехслойная ненесущая с вентилируемым воздушным зазором толщиной 40 мм, вну-
Герметик , Вилатерм 050/
Гибкие связи Н-1
Гибкие связи
чМинераловатная плита
полужесткая
Гидроизоляция
[Л Облицовочный кирпич I о I Облицовочный кирпич Рядовой
ш 0,5НФ 250*60x6501) мм -1 1НФ 250*120*65(11) мм ^^ кирпич
Рис. 2. Наружная стена тип 2 с внутренним слоем из кирпичной кладки, наружный слой толщиной: а - 120 мм; б - 190 мм
тренний слой толщиной 120 мм из пустотелого рядового керамического камня КМ-Р-250х120х140 мм (2,1 НФ), плотностью в кладке 1600 кг/м3, марка камня М100, раствора - М75; средний слой из базальтовых минера-ловатных плит толщиной 170 мм, плотностью у=125 кг/ м3, наружный слой толщиной 120 мм может быть из кирпича или пустотелого лицевого керамического камня КМ-Л-250х 120x140 мм (2,1 НФ) толщиной 190 и 250 мм - из лицевого кирпича в наружном и рядового кирпича во внутреннем рядах.
Соединение наружного и внутреннего слоев стен принято одиночными гибкими связями 05 мм из коррозионно-стойкой стали или базальтопластиковой арматуры, шаг связей 500x600 ф) мм. Связи должны быть надежно зафиксированы в швах кладки наружного и внутреннего слоев, для чего в уширенных швах ячеисто-бетонных блоков устанавливаются базальтовые сетки СБП-С. В угловых зонах, по периметру проемов, в местах вертикальных температурно-деформационных швов шаг связей по горизонтали принимается 250-300 мм.
Крепление слоев стен к несущим конструкциям в каркасных зданиях, как правило, должно приниматься: - наружный слой - к вертикальным несущим конструкциям (справа и слева фрагментов стен - к колон-
б
S Облицовочный кирпич 0,5НФ 250*60*65(11) мм
Ш Облицовочный кирпич 1НФ 250x120x65(11) мм
Рис. 3. Наружная стена тип 3 с внутренним слоем из керамических камней, наружный слой: а - из облицовочного камня 2,1 НФ толщиной 120 мм; б - из кирпичной кладки толщиной 190 мм
Рис. 4. Пример установки кирпичей ИКВ с горизонтальными (или наклонными) отверстиями для вентиляции наружных стен: а - фрагмент длиной 4,4 м (с одним проемом); б - фрагмент длиной 6 м (с двумя проемами)
нам или пилонам) и вверху — к горизонтальной продольной балке перекрытия с помощью петлеобразных гибких связей из коррозионно-стойкой арматуры 05 мм и анкеров с рым-болтом;
— внутренний слой — к вертикальным несущим конструкциям (колоннам или пилонам) с помощью гибких связей из коррозионно-стойкой стали в виде перфорированных гнутых пластин ПЛ, устанавливаемых в четырех уровнях по высоте стены.
Расчеты фрагментов стен на ветровые нагрузки показали, что наибольшие растягивающие напряжения возникают в наружном слое стен при расположении фрагментов в угловых зонах здания. Во фрагментах стен с одним проемом, расположенных в узком шаге колонн (до 4,4 м), прочность кладки облицовочного слоя может обеспечиваться при толщине облицовочного слоя 120 мм в зданиях высотой до 100 м; во фрагментах длиной 6 м с двумя проемами толщина облицовочного слоя уже должна назначаться не менее 190 мм, а в зданиях высотой 75—100 м может быть и 250 мм. При проектировании конкретных зданий толщина облицовочного слоя трехслойных стен и прочность соединительных гибких связей проверяются расчетом в соответствии с пп. 2—5.
Принятый в конструкциях стен вентилируемый воздушный зазор на границе облицовочного слоя и утеплителя обеспечивает требуемый влажностный режим стен трехслойной конструкции. Площади вентиляционных отверстий в верхней и нижней зонах облицовочного слоя определяются из расчета оптимальной влагопередачи в стене. Необходимое количество воздуха, проходящего через воздушную прослойку, должно составлять как минимум 10 кг/(ч-м), что может быть обеспечено при десяти вентиляционных отверстиях на 1 м2 стены при площади одного отверстия 6 см2. Исходя из этого определена площадь вентиляционных отверстий в облицовочном слое кладки на каждый фрагмент стены. Например, в наружном слое фрагмента стены длиной 4,4 м (с одним проемом) необходимо принять десять вентиляционных отверстий с суммарной площадью отверстий 560 см2, а фрагмента стены длиной 6 м (с двумя проемами) — 12 отверстий с суммарной площадью 680 см2. Примеры расположения вентиляционных отверстий на фасаде приведены на рис. 4. Для зданий повышенной этажности с целью исключения ослабления кладки «пустошовками» (одно из решений вентиляции с помощью устройства пустых, не заполненных цементным раствором вертикальных швов кирпичной кладки), а также из эстетических соображений предлагается в кладке наружного слоя предусматривать специальные керамические кирпичи ИКВ с горизонтальными или наклонными вентиляционными отверстиями (рис. 5). При облицовочном слое толщиной 120 мм размеры кирпича ИКВ составляют 250x120x140 (^ мм, марка кирпича по прочности М150, марка по морозостойкости F100, площадь вентиляционных отверстий в одном кирпиче 56 см2. Для большей прочности наружные стенки кирпича ИКВ приняты толщиной 35 мм, вну-
Рядовой кирпич
б
а
Рис. 5. Индивидуальные кирпичи вентиляционные марки ИКВ размером 250x120x140 мм и 250x190x140 мм: а - с наклонными пустотами; б - с горизонтальными пустотами
тренние - 25 мм. Отверстия предпочтительно устраивать с контруклоном с целью исключения попадания внутрь наружной дождевой воды и влаги.
Рассмотренные технические решения трехслойных наружных стен с учетом выполнения перечисленных выше требований к расчету и проектированию позволят проектировать надежные и безопасные при эксплуатации наружные стены трехслойной конструкции в гражданском строительстве.
Список литературы References
1. Ищук М.К. Причины дефектов наружных стен с ли- 1. цевым слоем из кирпичной кладки. Жилищное строительство. 2008. № 3. С. 28-31.
2. Вознюк А.Б, Киреева Э.И. Фасады крупнопанель- 2. ных зданий из мелкоштучных элементов. Жилищное строительство. 2011. № 3. С. 63-65.
3. Ищук М.К. Требования к многослойным стенам с 3. гибкими связями. Жилищное строительство. 2008. № 5. С. 15-19.
4. Малахова А.Н. Дефекты наружных стен здания в 4. многослойной кирпичной кладке. Вестник МГСУ. 2014. № 10. С. 87-94.
5. Обозов В.И., Давидюк А.А. Анализ повреждений 5. кирпичной облицовки фасадов многоэтажных каркасных зданий. Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2010. № 3. C. 51-56.
6. Умнякова Н.П. Долговечность трехслойных стен с 6. облицовкой из кирпича с высоким уровнем тепловой защиты. Вестник МГСУ. 2013. № 1. С. 94-100.
7. Киреева Э.И., Валь Е.Г. К вопросу расчета трехслой- 7. ных ненесущих наружных стен с облицовкой кирпичом на ветровые нагрузки // Жилищное строительство. 2016. № 4. С. 40-43.
Ishchuk M.K. Causes of defects in the external walls with facing layer of masonry. ZhilishchnoeStroitel'stvo [Housing Construction]. 2008. No. 3, pp. 28—31. (In Russian). Voznyuk A.B, Kireeva E.I. Facades of large-panel buildings made of small-piece elements. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011. No. 3, pp. 63—65. (In Russian). Ishchuk M.K. Requirements for multi-layer walls with flexible connections. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2008. No. 5, pp. 15-19. (In Russian). Malakhova A.N. Defects in the outer walls of the building in a multi-layer masonry. Vestnik MGSU. 2014. No. 10, pp. 87-94. (In Russian).
Obozov V.I., Davidyuk A.A. Analysis of the damage of a brick facade ofmulti-storey frame buildings. Seysmostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzheniy. 2010. No. 3, pp. 51-56. (In Russian).
Umnyakova N.P. The durability of sandwich walls with facing brick with a high level of thermal protection. Vestnik MGSU. 2013. No. 1, pp. 94-100. (In Russian). Kireeva E.I., Val' E.G. To the problem of calculation of three layered non bearing external walls with brick facing for wind loads. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2016. No. 4, pp. 40-43. (In Russian).
