CC BY
36
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве вестник
_МГСУ
УДК 699.86
С.А. Голунов
ФБГОУ ВПО «МГСУ»
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ НАВЕСНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ
Энергоэффективность стеновых конструкций может достигаться с использованием различных систем теплоизоляции, как например, навесных фасадных систем. Изложен вопрос, решение которого напрямую связано с обеспечением долговечности и надежности эксплуатации таких систем.
Ключевые слова: навесная фасадная система, система теплоизоляции, расчетная схема, анкерный узел, методы испытания.
В соответствии с государственной программой энергосбережения и повышения энергетической эффективности за период до 2020 г. в части жилищного сектора и сферы услуг (в т.ч. бюджетных потребителей) основным индикатором энергосбережения принято среднее значение удельного расхода тепла на цели отопления единицы площади помещения (жилые дома, здания бюджетной сферы и прочих потребителей), которое напрямую зависит от теплофизических характеристик ограждающих конструкций. Решение данной задачи во многом обеспечивает проведение комплекса мероприятий по устройству систем наружной теплоизоляции фасадов, применяемых при утеплении зданий и сооружений как в процессе их строительства, так и при капитальном ремонте и реконструкции, в т.ч. и так называемых «навесных фасадных систем».
Типовая навесная фасадная система (НФС) представляет собой конструкцию (рис. 1), состоящую из слоя минераловатного утеплителя, закрепленного на несущей стене тарельчатыми дюбелями, несущего каркаса (подсистемы), который, в свою очередь, крепится к стене с помощью анкеров, а так же материалов внешней облицовки (панелей, плит или листовых материалов и др.), устанавливаемых так, чтобы между ней и утеплителем оставался воздушный зазор порядка 40.. .80 мм.
© © © ©
ЙЙ8
© |ГаШ т41 Мг-1
аИП
1. несущая стена
2. кронштейн
3. прокладка термоизолирующая
4. анкерный дюбель
5. профиль Г-образный
6. профиль Л-сбразный
7. профиль 2-образный
8. кляммер рядовой
9- кляммер стартовый
10. утеплитель
11. гидро-ветрозащитьая паропрони-цаемая мембрана
12. тарельчатый дюбель
13. облицовочная плита
14. заклепка вытяжная
Рис. 1. Принципиальная схема НФС с облицовочным слоем из искусственного керамогранита (слой утеплителя не показан)
вестник 3/2012
Очевидно, что для надежной и безопасной долгосрочной работы НФСв процессе проектирования зданий (при новом строительстве) или дополнительно перед началом работ (при капитальном ремонте) должны проводиться прочностные расчеты элементов ее конструкции, а также крепежных элементов системы (анкерных креплений).Расчеты должны вестись на основе максимально полной информации о материалах и элементах НФС, а также ее конструктивных особенностях, с учетом всего комплекса нагрузок и воздействий, действующих на здание, в т.ч. с учетом динамических нагрузок по его высоте. Качество расчетов напрямую зависит от правильного определения комплекса действующих на конструкцию фасадной системы усилий, а также от правильного выбора расчетных схем элементов (в т.ч. с учетом кинематического анализа) проектируемой конструкции НФС.
При проведении расчетов и выборе расчетных схем необходимо учитывать следующее [1]:
1) схема в виде многопролетной неразрезной балки с одной шарнирно неподвижной и остальными шарнирно-подвижными опорами не учитывает нагрузки от линейных температурных деформаций. Отсутствуют сведения о прочностных испытаниях, подтверждающих эту расчетную схему и правомерность использования общепринятых формул для расчета усилий и прогибов;
2) в расчетах, как правило, отсутствуют: проверка прочности элементов подсистемы, общей устойчивости направляющих (особенно для профилей несимметричного сечения), а также местной устойчивости стенок и полок элементов НФС, что особенно важно при низком модуле упругости алюминия. В редких случаях, когда проверка прочности формально выполнена, не учитывают усилия кручения, связанные с асимметрией сечения направляющей. Данные характеристики могут быть также предметом прочностных испытаний;
3) прогибы направляющих должны определяться в местах их максимального значения с учетом поворота кронштейнов и влияния собственного веса облицовки. Необходимо учитывать нормативные значения нагрузок и гололедную нагрузку.
4) расчетная схема кронштейнов должна быть обоснована независимо от типа их исполнения (в виде уголка, тавра или трубы) и должна согласовываться с расчетом направляющей. В случае отступления от этого требования можно получить неверные значения нагрузок на анкерные элементы, особенно при несимметричных кронштейнах, фактически работающих на косой изгиб. Для таких узлов контрольные испытания крайне необходимы;
5) особенно тщательно надо подходить к расчетам узлов конструкции, не допускать совмещения в одном узле болтов и заклепок, волевого назначение коэффициентов трения в опорных кронштейнах, якобы компенсирующих температурные перемещения;
6) должен быть учтен поворот сечения направляющей в несущих кронштейнах. Не выполнение этого требования в сочетании с температурными деформациями приводит к «закусыванию» и, как следствие, к быстрому разрушению крепления кронштейна к стене;
7) особое внимание необходимо уделять расчету вытяжных заклепок (на срез и смятие) в узлах крепления направляющих к опорным кронштейнам, где заклепки установлены в овальные отверстия, а овалы размещены поперек усилия; вытяжным заклёпкам, которые используются для «стягивания в пакет», а также их расчетным характеристикам (при отсутствии их в нормах определять экспериментальным путем);
8) в обязательном порядке учитывать отличия свойств алюминия (по сравнению со свойствами стали): втрое меньший модуль упругости, вдвое больший коэффициент линейного расширения, втрое меньшее относительное удлинение при
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве
вестник
.МГСУ
разрыве и отсутствие площадки текучести. Данные характеристики также должны подтверждаться результатами лабораторных исследований.
Очевидно, что многие показатели прочности деталей конструкции, ее узлов и элементов крепления должны быть подтверждены результатами комплекса испытаний, который можно охарактеризовать как процедуру определения конструкционной надежности НФС. Кроме того, расчетная часть проекта должна базироваться на комплексе испытательных процедур (для отдельных элементов и сборочных узлов), который должен учитывать фактические условия эксплуатации НФС (натурные испытания).
В качестве примера таких испытаний ниже рассмотрим натурные испытания анкерного узла крепления НФС к основанию как одного из наиболее важных элементов конструкции в целом.
Для проведения испытаний применяются серийно выпускаемые приборы с автоматической записью зависимости деформаций от нагрузки. На рис. 2 показана работа с таким прибором.
Рис. 2. Испытательное устройство для анкерных узлов крепления НФС
На экран электронного блока выводятся показания текущих значений нагрузки, деформации и скорости роста нагрузки. Автоматически осуществляется точечная регистрация параметров нагружения (усилия и деформации) с интервалом 0,1...0,2мм. По результатам каждого испытания в памяти электронного блока остается запись координат всех точек, по которым автоматически строятся графики зависимостей деформаций от нагрузки.
После обработки графиков получают единичные результаты разрушающей нагрузки испытываемого анкерного крепления. На рис. 3 показаны графики зависимо-
вестник
3/2012
стей деформаций от испытательной нагрузки, построенные прибором при проведении натурных испытаний.
я ■
График зависимости перемещения от приложенного уси/м*.
«Г-
/
------,-------
О 0.5 1 1;5 2 2,5 3 3.5 4 4.5 5 5,5 6 6;5 7 7.5
5.5 9 9.5 Перемещение, мм и
б
Рис. 3. Графики зависимости перемещения от приложенных усилий для различных типов анкеров и оснований (а) и (б)
а
Переломы на кривых показывают значения испытательных нагрузок, при которых происходит резкое уменьшение жесткости анкерных креплений, вызванное началом проскальзывания анкера относительно строительного основания.
После статистической обработки результатов испытаний[2] получают нормативное значение сопротивления анкерного крепления вытягивающей нагрузке. В таблице приведены результаты статистической обработки одной серии испытаний анкерных креплений с использованием распорных стальных анкеров.
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве вестник
_МГСУ
Значение единичного результата, кН (по возрастанию) Проверка принадлежности крайних значений совокупности единичных результатов по критерию 3S
15,849 Критерии отбраковки: N min < м - 3S N max > M + 3S
17,168
19,043
19,303 Отбракованы результаты испытаний Нет
19,915
20,057 Среднее арифметическое М, кН 20,093
20,717
21,429 Среднеквадратическое отклонение Б, кН 2,618
22,175
25,275 Коэффициент вариации V,% 13,030
—
— Коэффициент обеспеченности разрушающей нагрузки 0,95 2,568
—
—
— Нормативное значение М", кН 13,370
—
Коэффициент вариации V характеризует относительную изменчивость процесса разрушения анкерного крепления. Чем он меньше, тем однообразнее процесс разрушения, тем стабильнее характеристики строительного основания и крепежного изделия, тем выше будут значения нормативного сопротивления.
Расчетное значение сопротивления получают делением нормативного значения на коэффициент надежности по материалу.
Таким образом, подтверждение данных, полученных расчетом, и показателей, полученных в результате экспериментальных лабораторных испытаний (с учетом возможных допустимых отклонений), можно считать основным критерием оценки пригодности НФС для применения в условиях капитального ремонта и нового строительства, обеспечивающим требуемую надежность и долговечность.
Библиографический список
1. СТО ФЦС - 44416204-010—2010. Крепления анкерные. Метод определения несущей способности по результатам натурных испытаний. М., 2010.
2. МДС 20-1.2006. Временные рекомендации по назначению нагрузок и воздействий, действующих на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве. М., 2006.
Поступила в редакцию в январе 2012 г.
Об авторе: Голунов Сергей Анатольевич — заместитель директора Научно-исследовательского института строительных материалов и технологий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, +7-495-7891649, golunoff@gmail.com.
Для цитирования: Голунов С.А. Некоторые особенности проектирования теплоизоляционных навесных фасадных систем // Вестник МГСУ 2012. № 3. С. 51—56.
becthmk 3/2012
S.A. Golunov
PECULIARITIES OF DESIGN OF CURTAIN WALL SYSTEMS TO ASSURE THERMAL
INSULATION
Power efficiency of residential houses requires the application of varied thermal insulation systems, including curtain walls. Peculiarities of their design that can produce a substantial impact on their durability and operational reliability are discussed in the article.
A standard curtain wall system represents a structure composed of one layer of thermal insulation made of mineral cotton attached to the bearing wall by dish-shaped dowels, a bearing frame (a subsystem) attached to the wall by anchors, and outer lining materials (panels, boards or sheets) that are mounted in such a manner so that the spacing between the outer lining and the layer of thermal insulation is 0.4 to 0.8 m.
Evidently, strength analysis of structural and fixture elements (anchors) must be completed in the course of the building design (new project) or as a supplementary pre-repair stage in the event of extensive repairs, to assure reliable and safe operation of curtain wall systems. Any analysis is to be based on the most complete information about the materials and elements of the curtain wall system, its structural peculiarities, and the whole variety of loads and impacts that the building may be exposed to, including dynamic loads associated with its height. The quality of the analysis depends upon proper identification of the forces that the structure of the wall system is exposed to, and proper selection of design models of elements (namely, with the account for the kinematic analysis) of the structure of the curtain wall system being designed.
Evidently, many factors of strength of structural details, elements and joints must be substantiated by tests that may be specified as procedures of identification of structural reliability of a curtain wall system. Besides, the analysis-related section of the design project must be based on a set of tests (of separate elements and joints) performed in the environment close to the natural conditions of the curtain wall maintenance (field tests).
The results of laboratory tests (given the adjustments for permissible tolerances) may be regarded as the principal criteria in the assessment of applicability of a curtain wall system in the course of a major building repair project or a new construction to assure the required reliability and durability.
Key words: curtain wall systems, thermal insulation system, system design, anchor, testing method.
References
1. STO FCS - 44416204-010—2010. Krepleniya ankernye. Metod opredeleniya nesuschey spo-sobnostipo rezul'tatam naturnyh ispytaniy [Standard of Organization (FGU FCS- 44416204-010-2010). Anchors. Method of Testing for Determination of the Bearing Capacity as a Result of Field Tests], Moscow, 2010.
2. MDS 20-1.2006. Vremennye rekomendacii ponaznacheniyu nagruzok i vozdeystviy, deystvu-juschih na mnogofunkcional'nye vysotnye zdaniya i kompleksy v Moskve. [Local Moscow Construction Code.Temporary Recommendation for Fixing of Loads and Influences on Multifunctional High-Rise buildings in Moscow], Moscow, 2006.
About the author: Golunov Sergej Anatol'evich — Deputy Director, Scientific and Research Institute of Construction Materials and Technologies, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoeshosse, Moscow, 129337, Russia; golunoff@gmail.com; 8 (495) 789-16-49.
For citation: Golunov S.A. Nekotorye osobennosti proektirovaniya teploizolyatsionnykh navesnykh fasadnykh sistem [Peculiarities of Design of Curtain Wall Systems to Assure Thermal Insulation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 51—56.
