ПРАВИТЕЛЬСТВО МОСКВЫ

РЕКОМЕНДАЦИИ
по проектированию и применению
для строительства и реконструкции
зданий в г. Москве
СИСТЕМЫ С ВЕНТИЛИРУЕМЫМ
ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОФИЛЕЙ
ПРОИЗВОДСТВА ЗАО СОЮЗ «МЕТРОСПЕЦСТРОЙ»

2001

Предисловие

1. Разработаны: Центральным научно-исследовательским и проектным институтом жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища).

Авторский коллектив:

д.т.н. Николаев С.В. - руководитель работы

инж. Ставровский Г.А. - общая редакция

д.т.н., профессор Зырянов В.С. - прочностные расчеты

к.т.н. Беляев В.С. -теплотехнические расчеты

к.т.н. Граник М.Ю. - конструкции, компьютерная графика

к.т.н. Шалыгина Е.Ю. - конструкции, графика

Консультанты:

Заместитель директора

ООО «Метроспецстрой-Девелопер»

Винокуров И.М.                                - технические решения системы наружных ограждений с воздушным зазором

Директор М.Метроспецстрой

Потапкин С.И.                                       ЗАО Союз "Метроспецстрой"

2. Подготовлены к утверждению и изданию Управлением перспективного проектирования и нормативов Москомархитектуры (архитектор Зобнин А.П., архитектор Ревкевич Л.П., инженер Шевяков И.Ю.).

3. Утверждены указанием Москомархитектуры от 03.04.2001 г. № 19.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

1.1. Руководство является методическим и справочным пособием для специалистов, выполняющих разработку проектов наружных ограждений системы с вентилируемым зазором из алюминиевых профилей производства Союз «Метроспецстрой» для строящихся и реконструируемых зданий в г. Москве.

1.2. Данная многослойная система предназначена для утепления и фасадной отделки наружных стен зданий. В системе слой наружной облицовки фасада установлен с воздушным зазором относительно расположенного за ним слоя плит утеплителя. Облицовочный слой выполняется из плит натурального камня, керамогранита, стеклофибробетона или бетона под мрамор, которые крепятся на несущем каркасе из анодированных алюминиевых профилей. Фотографии зданий облицованных этими материалами приведены на рис. 1.1-1.3.

1.3. Разработчиком системы и поставщиком ее основных элементов является ЗАО Союз «Метроспецстрой». На «Систему алюминиевых профилей для крепления облицовочных плит фасадов знаний и сооружений различного назначения» выдано техническое свидетельство Госстроя России № ТС-07-0252-2000 от 19.06.2000г.

1.4. Руководство по проектированию и применению системы носит рекомендательный характер и содержит следующие данные: назначение и область применения системы, конструктивное решение системы, состав исходных данных для проектирования, методику расчетов всех расчетных параметров системы, способы производства работ, правила эксплуатации системы и ее технико-экономические показатели.

2. Назначение и область применения

2.1. Система предназначена для теплоизоляции и облицовки плитами из натурального камня, конгломерата на основе крошки натурального камня, стеклофибробетона или прессованного бетона под мрамор фасадов наружных стен зданий и сооружений, в соответствии с II этапом СНиП II-3-79*.

2.2. Область применения системы: допускается применять систему для строительства и реконструкции зданий в г. Москве с кирпичными и бетонными наружными стенами на высоту не более 8 м от отмостки.

Для применения системы на большей высоте в проекте необходимо предусмотреть меры для защиты людей от падения облицовочных плит, например, предохранительный козырек или сетку на высоте 3-5 м от отмостки.

В отдельных случаях Управления Государственной противопожарной службы ГУВД г. Москвы согласовывает проекты более высоких зданий, как, например, 15-ти этажного жилого дома по Слесарному пер., вл. 3 (письмо УГПС ГУВД г. Москвы № 25/8/7545 от 04.10.2000 г.).

3. Конструктивное решение системы

3.1. Система является многослойной конструкцией, несущей основой которой служит каркас из горизонтальных и вертикальных анодированных алюминиевых профилей, прикрепленных к основанию посредством кронштейнов из анодированного алюминиевого опорного профиля.

Рис. 1.1. Фасад жилого дома на Можайском шоссе, 18 в г. Москве. Облицовка плитами из гранита

Рис. 1.2. Фасад заводоуправления Кандалакшского алюминиевого завода в г. Кандалакше. Облицовка плитами из гранита

Рис. 1.3. Фасад жилого дома на Ленинградском проспекте, 52 в г. Москве Облицовка плитами керамогранита

3.2. Кронштейны (рис. 3.1) крепятся к основанию дюбелями через паронитовую прокладку толщиной 6 мм. Различаются два вида кронштейнов: основные и промежуточные. Основные кронштейны воспринимают как горизонтальные так и вертикальные нагрузки, промежуточные - рассчитаны, в основном, на горизонтальные усилия.

3.3. Вертикальный промежуточный профиль (рис. 3.2) присоединяется к кронштейнам болтами или заклепками. Конструкция узла соединения промежуточного профиля с кронштейном в определенных пределах позволяет изменить расстояние от основания до вертикального профиля, благодаря чему можно применять утеплитель разной толщины и компенсировать отклонения основания от плоскости, кроме того, это расстояние можно регулировать за счет применения кронштейнов и вертикальных профилей с разной высотой сечения.

Как правило, верхняя часть профиля жестко фиксируется на основном кронштейне, а средняя и нижняя части крепятся таким образом, чтобы иметь возможность перемещаться в вертикальном направлении под действием температурных деформаций. Средняя часть профиля (по необходимости) крепится к промежуточному кронштейну, а нижняя - к основному. Стыковка профилей выполняется на основных кронштейнах с учетом зазора для компенсации температурных деформаций.

3.4. Минераловатные плиты утеплителя устанавливают по всей поверхности стены, в том числе в кронштейны и вертикальные профили и крепят к стене (основанию) дюбелями. Оконные и другие проемы по периметру обрамляются полосами шириной 200 мм минераловатного утеплителя плотностью не менее 70 кг/м³.

Если проектом предусмотрена установка гидроветрозащитной паропроницаемой пленки, минераловатные плиты вначале крепят двумя дюбелями, а после установки всех плит раскатывают полотно пленки и крепят вместе с минераловатными плитами еще тремя дюбелями каждую плиту.

3.5. Горизонтальные несущие профили крепятся к вертикальным промежуточным профилям болтами или заклепками. Стыковка несущих профилей производится на вертикальном промежуточном профиле с учетом зазоров для компенсации температурных деформаций.

3.6. Для облицовки фасада применяются плиты из натурального камня, керамогранита, стеклофибробетона, прессованной бетонной смеси с фактурой под мрамор. Для крепления облицовочных плит из натурального камня и из искусственных материалов применяют различные типы горизонтальных несущих профилей (рис. 3.3 и 3.4). Плиты из натурального камня крепятся на фасаде при помощи имеющихся на верхней и нижней грани, сквозных пазов, в которые вставляются выступы горизонтального несущего профиля. Плиты из керамогранита и других искусственных материалов фиксируют кляммерами из нержавеющей стали, которые продевают в горизонтальный профиль и крепят к нему саморезами на углах облицовочных плит с отступом от их края не менее 5 мм.

3.7. Облицовка оконных и дверных откосов, а также углов здания производится при помощи алюминиевых уголков, которые крепятся к горизонтальным несущим профилям болтами или заклепками. В плоскости откоса к уголку крепятся элементы несущего профиля длиной равной ширине откоса, на которые устанавливаются соответствующего размера облицовочные плиты (рис. 3.5, 3.6, 3.7).

Рис. 3.1. Кронштейн основной и промежуточный (опорный профиль).

Рис. 3.2. Профиль вертикальный.

Рис. 3.3. Профиль горизонтальный несущий для плит из натурального камня.

Рис. 3.4. Профиль горизонтальный несущий для плит из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - уголок 100×70×2 мм;

                                               3 - анкер НILТI НСL 6×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - поронитовая прокладка;

                                               9 - ветровлагозащитная мембрана ТYVЕК;

                                               10 - кляммер;

                                               11 - герметик.

Рис. 3.5. Вертикальный разрез по оконному проему с облицовочными плитами из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер НILTI НСL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - дюбель EJOT TID-T;

                                               9 - поронитовая прокладка;

                                               10 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK;

                                               11 - кляммер;

                                               12 - уголок 50×50×2 мм;

                                               13 - уголок 100×70×2 мм;

                                               14 - упругая прокладка.

Рис. 3.6. Горизонтальный разрез по оконному проему с облицовочными плитами из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - дюбель EJOT TID-T;

                                               9 - поронитовая прокладка;

                                               10 - ветровлагозащитная мембрана TYVKE;

                                               11 -кляммер;

                                               12 - уголок 50×50×2 мм.

Рис. 3.7. Горизонтальный разрез угла здания с облицовочными плитами из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из натурального камня;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - поронитовая прокладка;

                                               9 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK;

                                               10-болт М5, гайка М5, шайба.

Рис. 3.8. Вертикальный разрез системы с облицовочными плитами из натурального камня.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из природного камня;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - дюбель EJOT TID-T;

                                               9 - поронитовая прокладка;

                                               10 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK.

Рис. 3.9. Горизонтальный разрез системы с плитами из натурального камня.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - поронитовая прокладка;

                                               9 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK;

                                               10 - кляммер.

Рис. 3.10. Вертикальный разрез системы с облицовочными плитами из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - дюбель EJOT TID-T;

                                               9 - поронитовая прокладка;

                                               10 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK;

                                               11 - кляммер.

Рис. 3.11. Горизонтальный разрез системы с плитами из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из натурального камня;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - поронитовая прокладка;

                                               9 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK;

                                               10 - болт М5, гайка М5, шайба;

                                               11 - уголок 100×70×2 мм;

                                               12 - перфорированная алюминиевая пластина.

Рис. 3.12. Нижняя (стартовая) часть системы с облицовочными плитами из натурального камня.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - поронитовая прокладка;

                                               9 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK;

                                               10 - кляммер;

                                               11 - уголок 100×70×2 мм;

                                               12 - перфорированная алюминиевая пластина.

Рис. 3.13. Нижняя (стартовая) часть системы с облицовочными плитами из керамогранита.

                                               1 - основание;

                                               2 - кронштейн (опорный профиль);

                                               3 - анкер HILTI HCL 12×100;

                                               4 - вертикальный промежуточный профиль;

                                               5 - горизонтальный несущий профиль;

                                               6 - плиты из керамогранита;

                                               7 - теплоизоляция;

                                               8 - поронитовая прокладка;

                                               9 - ветровлагозащитная мембрана TYVEK,

                                               10 - кляммер;

                                               11 - слив из оцинкованной стали.

Рис. 3.14. Парапет здания с облицовочными плитами из керамогранита.

                                                     1 - горизонтальный несущий профиль;

                                                     2 - плита из керамогранита;

                                                     3 -  кляммер.

Рис. 3.15. Крепление облицовочных плит из керамогранита к горизонтальному профилю.

3.8. Кроме того, конструктивное решение системы поясняется на следующих рисунках:

- вертикальный и горизонтальный разрезы системы с облицовочными плитами из натурального камня - рис. 3.8 и 3.9, а с облицовочными плитами из керамогранита - рис. 3.10 и 3.11;

- нижняя (стартовая) часть системы с облицовочными плитами из натурального камня - рис. 3.12, а с облицовочными плитами из керамогранита - рис. 3.13;

- парапет здания с облицовкой из керамогранита - рис. 3.14;

- крепление облицовочных плит из керамогранита к горизонтальному профилю - рис. 3.15.

4. Техническое решение архитектурных элементов фасада

4.1. К архитектурным элементам фасадов могут относиться венчающие карнизы, специальное обрамление окон и дверей, балконы и лоджии. Кроме того, пластика фасада может быть достигнута за счет устройства облицовочного слоя на разном расстоянии от основания, а также с помощью специального каркаса и облицовочных плит непрямоугольной формы с установкой их под углом к плоскости фасада (рис. 4.1).

4.2. Конструкция архитектурных элементов разрабатывается на основании содержащихся в задании на проектирование архитектурных чертежей фасадов здания, кроме случаев, когда архитектурное решение фасадов входит в состав работ по данному заданию.

4.3. В составе рабочей документации системы должен быть специальный раздел, посвященный архитектурным элементам фасада.

5. Применяемые материалы и комплектующие детали

5.1. Несущие конструкции системы состоят из:

- основных и промежуточных кронштейнов (двух типоразмеров -55/90/2,5 мм или 55/125/2,5 мм - в зависимости от толщины плит утеплителя);

- вертикальных промежуточных профилей 60/80/2,0 мм или 100/80/2,0 мм;

- горизонтальных несущих профилей (нижних или рядовых 70/22/2,0 мм - для крепления плит из натурального камня; рядовых 50/20/3,0 мм - для крепления керамогранитных и бетонных плит);

- уголков 50/50/2 мм и 100/70/2 мм (для обрамления оконных и дверных проемов).

Несущие конструкции выполнены из анодированных алюминиевых профилей, изготавливаемых из сплава АД 31Т1, который должен соответствовать требованиям ГОСТ 22233-93, ГОСТ 478-74, ТУ 1811-005-04001597-96.

5.2. Анкерные болты Hilti марки HLC для крепления кронштейнов.

5.3. Анкерные болты EJOT марки TID (или Hilti марки IZ) для крепления плит утеплителя.

5.4. Заклепки фирмы BRALO или оцинкованные болты М6.

5.5. Окрашенные кляммеры из нержавеющей стали.

5.6. Паронитовые прокладки толщиной 6 мм.

                                               1 - основание;

                                               2 - облицовочная плита;

                                               3 - «горизонтальный» несущий алюминиевый профиль;

                                               4 - каркас из стальных уголков и труб;

                                               5 - утеплитель.

Рис. 4.1. Фрагмент фасада в форме арки.

5.7. Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем БЕТОН ЭЛЕМЕНТ БАТТС, ВЕНТИ БАТТС, ЛАЙТ БАТТС, СЭНДВИЧ БАТТС С и СЭНДВИЧ БАТТС К.

5.8. Гидроветрозащитная мембрана TYVEK.

5.9. Плиты из натурального камня размерами от 300×300 до 1000×800 мм при толщине от 20 до 30 мм и массой от 5 до 67 кг.

5.10. Плиты из керамогранита размерами от 400×400 до 600×600 мм толщиной от 8 до 12 мм и массой от 3,2 до 11 кг.

5.11. Плиты из стеклофибробетона.

5.12. Плиты из искусственного облицовочного материала с фактурой под мрамор, изготовленного из бетонной смеси прессованием в пластмассовых матрицах фирмы «Систром». Размеры плит от 200×200 до 400×400 мм при толщине от 7 до 24 мм.

6. Исходные данные для проектирования системы

6.1. Проектно-сметная документация на систему для конкретного объекта разрабатывается на основе задания на проектирование, подготовленного в соответствии с существующим в г. Москве порядком и утвержденного заказчиком. Задание на проектирование обязательно должно содержать требование о соответствии системы II этапу СНиП II-3-79*.

6.2. Задание на проектирование должно включать следующие исходные данные:

- архитектурные чертежи фасадов здания, включающие данные о фактуре и цвете облицовочных плит, размеры архитектурных деталей (карнизов, обрамления проемов и т.п.) и другие необходимые данные;

- строительные чертежи наружных стен от фундаментов до парапетов, включая узлы, поясняющие решение и размеры всех конструкций;

- данные от разработчиков фундаментов о величине допустимой дополнительной нагрузки на стены здания;

- план участка, где расположено здание.

Для реконструируемых зданий задание на проектирование дополнительно должно содержать акт обследования наружных стен здания, где указывается состояние поверхности фасадов, результаты испытаний на усилия, с которым принятые дюбели можно вырвать из стены и геодезическую съемку поверхностей фасадов с данными о величине отклонений их отдельных участков от вертикальной плоскости.

6.3. К заданию на проектирование должно быть приложено Приложение к техническому свидетельству Госстроя России № ТС-07-0252-2000 от 19.06.2000 г. «Система алюминиевых профилей для крепления облицовочных плит фасадов зданий и сооружений различного назначения».

7. Определение основных параметров системы

7.1. К основным параметрам системы следует отнести:

- тип и размер облицовочных плит;

- характеристику принятых плит утеплителя: толщину, высоту, длину, плотность и теплопроводность;

- величину воздушного зазора;

- тип несущих горизонтальных профилей и шаг в вертикальном направлении, с которым они крепятся на вертикальные профили;

- тип и марка кронштейнов и сетка осей (вертикальных и горизонтальных), по которой кронштейны должны крепиться на основании.

- марка вертикальных промежуточных профилей;

- марка дюбелей для крепления кронштейнов несущего каркаса к основанию;

- марка дюбелей для крепления плит утеплителя к основанию.

7.2. Тип и размер облицовочных плит (из натурального камня или керамогранита), их цвет и фактуру поверхности определяет главный архитектор проекта, при этом учитывается масса плит в связи с дополнительной нагрузкой на фундамент.

7.3. Выбор плит утеплителя выполняется на основании расчетов, методика которых приводится ниже. Там же (в разделе «Теплотехнические расчеты») имеются рекомендации по определению величины воздушного зазора.

Рекомендуется принимать достаточно мягкие плиты утеплителя, что позволит обеспечить их плотное прилегание к основанию и друг к другу, упростит установку плит утеплителя в местах, где уже смонтированы вертикальные профили. Важно отметить, что теплотехническая эффективность системы в первую очередь зависит от качества монтажа плит утеплителя. В случае применения плит утеплителя с кашированной поверхностью можно обойтись без гидроветрозащитной мембраны.

7.4. Тип несущих горизонтальных профилей и шаг, с которым они крепятся на вертикальные профили целиком зависит от типа и размеров облицовочных плит. В п. 3.6 говорится, какой тип горизонтальных профилей следует принимать для плит из натурального камня, а какой для плит из искусственных материалов. Шаг, с которым они монтируются на вертикальные профили должен равняться высоте отделочной плиты плюс размер горизонтального шва между плитами.

7.5. Тип и марка кронштейнов определяются исходя из следующих условий. Тип кронштейнов определяется расчетной схемой несущего каркаса, которая должна установить требуются ли промежуточные кронштейны или только основные. Марка кронштейна должна соответствовать расчетной толщине плит утеплителя с воздушным зазором (см. п. 3.3). Сетка осей для крепления кронштейнов на фасаде здания устанавливается прочностными расчетами несущего каркаса системы, при этом, следует учитывать, что длина монтажных элементов вертикальных и горизонтальных профилей ограничена допустимыми температурными деформациями. Существующая практика установила, что оптимальная длина монтажных элементов для вертикального профиля около 2^х м, а для горизонтального - 2,4 м. Кроме того, при расстановке кронштейнов на фасаде следует учитывать расположение оконных и других проемов, а также выступающих из плоскости фасада элементов. При этом, расположение кронштейнов должно обеспечить требуемую жесткость и прочность консольных участков вертикальных и горизонтальных профилей.

7.6. Марки дюбелей для крепления кронштейнов и плит утеплителя определяют прочностными расчетами с учетом рекомендаций фирм-поставщиков дюбелей и результатов испытаний.

8. Прочностные расчеты

8.1. Методичиеские предпосылки

Прочностные расчеты включают проверку прочности и деформаций металлических профилей, несущих нагрузки от массы облицовочных плит и от ветра, стыковых соединений профилей между собой, их креплений к основным несущим конструкциям здания.

Физико-механические характеристики материалов профилей, их соединений и крепежных элементов следует принимать по СНиП [3, 4].

Нагрузки от собственной массы облицовочных плит принимают по паспортным данным предприятий-изготовителей. Временные нагрузки от ветра принимают по СНиП [2], в данном случае для I ветрового района г. Москвы.

Доля влияния нагрузки от собственного веса алюминиевых профилей на величину напряжений в них составляет менее 1%, поэтому в расчетах оно не учитывается.

Усилия: изгибающие и крутящие моменты, поперечные и продольные силы; прогибы, углы поворота определяют с использованием основных положений сопротивления материалов, строительной механики и СНиП [3, 19].

При проверке прочности и деформаций элементов и стыковых соединений коэффициенты надежности по нагрузкам γ_f, а также единый коэффициент надежности по назначению γ_n=0,95 принимают по СНиП [2]. Подробно методика расчета проиллюстрирована в приводимом ниже примере (п. 8.4).

В примере исходные параметры даны для конкретных материалов и конструкций (п. 8.2). В то же время приведенная методика, где все расчетные формулы даются как в буквенном, так и в числовом выражениях со ссылками на нормативные источники, может быть использована и для других вариантов и сочетаний материалов и конструктивных решений.

8.2. Характеристики материалов

Облицовку производят плитами двух типов: из естественного гранита толщиной 20 - 30 мм и из искусственного керамогранита толщиной 8 - 10 мм. Основные размеры облицовочных плит b×h=400 600 мм, плотность естественного гранита 2800 кг/м³ [5], керамогранита 2520 кг/м³ (по данным Метроспецстроя).

Плиты навешивают на стены посредством системы алюминиевых профилей, для которых принят алюминий марки АД31-Т1 с расчетными сопротивлениями (МПа); на растяжение, сжатие и изгиб R=120; на сдвиг R_s,=75; на смятие R_ер=90; модуль упругости Е=7×10⁴; модуль сдвига G=26500.

Профили соединяют стальными болтами; их расчетные сопротивления по СНиП [4]: на растяжение R_bt=170 МПа, на срез R_bs=150 МПа; коэффициент условий работы γ_b=0,8.

8.3. Расчетные схемы

Направления координатных осей приняты: ось Х - горизонтальная в плоскости стены; ось Y - горизонтальная по нормали к стене; ось Z - вертикальная в плоскости стены.

Рис. 8.1. Расчетные схемы горизонтального профиля

                                                         а - на вертикальные нагрузки;

                                                         б - на ветровые нагрузки.

Рис. 8.2. Расчетные схемы вертикального профиля.

                                                           а - на вертикальные нагрузки;

                                                           б - на ветровые нагрузки.

Рис. 8.3. Расчетная схема основного кронштейна.

                                                             а - схема нагрузок; б - момент от вертикальной нагрузки;

                                                             в - поперечная сила (усилие от ветра Q_y, как разгружающее, в расчете не учитывается).

Расчетная схема горизонтальных профилей - двухпролетная балка, неразрезная на средней опоре и шарнирно опертая по концам на вертикальные профили (рис. 8.1). Профили подвергаются в вертикальной плоскости изгибу с кручением от внецентренного действия вертикальной нагрузки - веса облицовочных плит (рис. 8.1 а) и изгибу в горизонтальной плоскости от действия ветрового давления (отсоса) (рис. 8.1,б). Величины эксцентриситетов вертикальной нагрузки: относительно центра тяжести сечения профиля: ℮_у,о= 13,5 мм; относительно высокой полки ℮_у,п= 15 мм; относительно стенки вертикального профиля ℮_у,с= 21 мм. Шаги профилей по высоте здания h_z,o= 608 мм, расчетные пролеты, равные расстоянию между вертикальными профилями, l_х= 1,2 м.

Расчетная схема вертикальных профилей - однопролетная, шарнирно опертая по концам на профили-кронштейны балка, с неподвижным шарниром у верхнего конца и подвижным у нижнего конца; (рис. 8.2). К профилю приложена вертикальная нагрузка, от плит, передаваемая горизонтальными профилями с эксцентриситетом ℮_у=40 мм (рис. 8.2,а) и горизонтальная ветровая нагрузка (рис. 8.2,б). Пролет балки составляет l_z=2 м, что соответствует шагу по высоте здания кронштейнов.

Расчетная схема кронштейна - консольная балка (рис. 8.3), прикрепляемая к стене двумя болтами с дюбелями. Кронштейн воспринимает сосредоточенную нагрузку от вертикального профиля с плечом l_у=80 мм.

Болтовые соединения между профилями, со стеной, анкеровку в стене рассчитывают на действие усилий среза от вертикальных нагрузок, растяжения и вырыва от совместного действия вертикальной и ветровой нагрузок.

8.4. Пример расчета

8.4.1. Исходные данные

В данном примере принят вариант с плитами из естественного гранита толщиной δ=24 мм.

Вертикальная нормативная нагрузка от веса плит q_zⁿ=γ∙δ=2800·0,024·10^-2=672 кН/м²; расчетная q_zⁿ=γ_f q_zⁿ=1,2·672=806 кН/м².

Горизонтальные нагрузки от ветрового давления приняты условно для высоты Н=80 м; нормативное значение ветрового давления для I ветрового района W_o=0,23 кПа; коэффициент «К» для зданий высотой 80 м, тип местности «В» по табл. 6 СНиП [2] К=1,45; аэродинамический коэффициент в средней части фасада здания С_с=0,8 и около углов здания С_с=-2 [2].

Нормативные ветровые нагрузки в середине здания q_y,ⁿ_c=W_cⁿ=0,23·1,45·0,8=0,267 кПа=267 Н/м²; в углах q_y,ⁿ_c=W_eⁿ=0,23·1,45·[2]=0,667 кПа=667 Н/м².

Расчетные нагрузки при коэффициенте надежности по нагрузке γ_f=1,4 [2]: в середине здания q_y,c=q_y,ⁿ_c·γ_f=267·1,4=374 Н/м²; в углах q_у,е=667·1,4=934 Н/м².

8.4.2. Расчет горизонтального профиля

Геометрические характеристики поперечного сечения: А=340,5 мм ; Jy=79010 мм⁴; W_y^min=2248 мм²; J_z=18660 мм²; W_z^min=1306 мм³.

Нагрузки на 1 м длины профиля:

1) вертикальные от веса плит высотой h_z=0,6 м:

нормативная q_zⁿ=q_zⁿ·h_z=672·0,6=403 Н/м.

расчетная q_z=q_z·h_z=806 0,6=484 Н/м.

2) горизонтальные от ветра при шаге профиля по вертикали h_z,o=0,608 м:

нормативные: в середине здания q_y,ⁿ_c=q_y,ⁿ_c·h_z,o=267·0,608=162 Н/м;

в углах здания q_y,ⁿ_e=q_y,ⁿ_e·h_z,o=667·0,608=406 Н/м; расчетные: в середине здания q_y,c=374·0,608=227 Н/м; в углах здания q_y,e=934·0,608=568 Н/м.

Изгибающие моменты:

1) от вертикальной нормативной нагрузки над средней опорой профиля:

М_хⁿ=q_zⁿ·l_x²/8=403·1,2²/8=72 Нм; то же от расчетной нагрузки М_х=q_z·l_x²/8=484·1,2²/8=87 Нм;

2) от горизонтальной нормативной ветровой нагрузки:

в середине здания М_у,ⁿ_с=q_y,ⁿ_c=l_x² /8=162·1,2²/8=29 Нм;

в углах здания M_y,ⁿ_e=q_y,ⁿ_e=l_x²/8=406·1,2²/8=73 Нм;

то же от расчетной нагрузки:

в середине здания М_у,с=q_y,c=l_x²/8=227·1,2²/8=41 Нм;

в углах здания М_у,е=q_y,e=l_x² /8=568·l,2²/8=102 Нм.

Поперечные силы:

от вертикальной расчетной нагрузки:

Q_z=q_z l_x/2 + М_х/l_х=484·1,2/2 + 87/1,2=363 Н;

от горизонтальных расчетных нагрузок:

в середине здания Q_y,c=q_y,c·l_x/2 + М_у,с/l_х=227·1,2/2 + 41/1,2=171 Н;

в углах здания Q_y,e=q_y,e·l_x/2 + М_у,e/l_х=568·1,2/2 + 102/1,2=426 Н.

Крутящие моменты

От нормативной вертикальной нагрузки на 1 м длины профиля М_кⁿ=q_zⁿ·e_y,o=403·0,0135=5,4 Нм; от расчетной вертикальной нагрузки у средней опоры М_к=Q_z·e_у,о=363·0,0135=4,91 Нм.

Проверка прочности горизонтального профиля на растяжение-сжатие при изгибе и кручении

Нормальные напряжения изгиба от вертикальной расчетной нагрузки σ_х=M_x/W_x^min=87·10³/2248=38,7 МПа.

То же, от горизонтальной ветровой нагрузки:

в середине здания σ_y=M_y/W_y^min=41·10³/1306=31,4 МПа; в углах σ_у.е=102·10³/1306=78,1 МПа.

Рис. 8.4. Схема приведения сечения горизонтального профиля к двутавровому.

                             а - действительное сечение; б - приведенное.

Для определения нормальных напряжений от кручения сечения профиля с некоторым приближением и с запасом приводится к симметричному двутавровому (рис. 8.4). По формулам [19]: моменты инерции J_кi и сопротивления W_кi :

вертикальных элементов J_к,в=156 мм⁴; W_k,b=78 мм³;

горизонтального элемента J_к,r=808 мм⁴; W_к,r=140 мм³.

Суммарные: J_к=2J_к,в + J_к,r=2·156 + 808=1120 мм⁴;

W_к=2W_k,в + W_к,r=2·78 + 140=296 мм³.

Главный секториальный момент инерции J_w=d³h²t/24=60³ 19² 2/24=6498000 мм⁶; изгибно-крутильная характеристика

; α·l_x=0,008·1200=9,6;

α·l_x/2=4,8; sh4,8=60,75; ch4,8=60,76; th4,8l

Максимальный изгибно-крутящий бимомент В=q_z·e_y,o/α²=0,49·13,5/0,008²=103363 Н мм²; изгибно-крутящий момент М_w=q_z·e_y,o/α=0,49·13,5/0,008=827 Н мм; момент чистого кручения М_к=q_z·e_у,о·l_x/2=0,49·13,5·1200/2=3969 Н мм; принимается с учетом неразрезности двухпролетной балки М_к=4910 Н мм (см. выше).

Главная секториальная координата ω_max=bh/4=60·19/4=285 мм²; наибольший секториальный статический момент S_w=b²ht/16=60²·19·2/16=8550 мм⁴.

Нормальные секториальные напряжения: σ_w=В·ω/J_w=103363·285/6498000=4,5 МПа.

Суммарные нормальные напряжения от изгиба в двух направлениях и кручения:

в середине здания σ_с=(σ_x+σ_у,с+σ_w)γ_n=(38,7+31,4+4,5)·0,95=70,9 МПа<Rγ_c=170·1=170 МПа; в углах σ_с=(σ_x+σ_у,с+σ_w)γ_n=(38,7+78,1+4,5)·0,95=115,2МПа<R_сγ_c=170 МПа профиля по нормальным сечениям на растяжение-сжатие обеспечивается.

Проверка прочности горизонтального профиля на сдвиг от сип Q_z, Q_y и момента М_к

Касательные напряжения от сил Q_i определяют по формуле τ_i=Q_iS_i/J_it_i. При действии сил Q_i наиболее слабое сечение в наружном вертикальном ребре. Статические моменты отсекаемых частей сечения: S_y=1316 мм³; S_x (1 м ребра)=1000·2/4=500 мм³; моменты инерции J_y=79010 мм⁴; J_x=10002³/12=667 мм⁴; приведенные толщины стенок t_y=3 + 2=5 мм; t_x=1000 мм.

при изгибе в плоскости стены от силы Qz:

МПа; из плоскости стены от сил Q_yi: в середине здания МПа; в углах МПа.

Суммарные от сил Q_z и Q_yi: по формуле : в середине здания МПа; в углах МПа.

При кручении: касательные напряжения от чистого кручения τ_к=M_к/W_к=4910/296=16,59 МПа; секториальными касательными напряжениями согласно [19] можно пренебречь.

Учитывая незначительную разницу касательных напряжений от изгиба в середине и углах здания, принимается лишь наибольшее из них τ_c=1,26 МПа. С учетом этого максимальные суммарные касательные напряжения от усилий Q_z, Q_y и М_к:=15,9 МПа < R_s·γ_с=75 ·1=75 МПа; прочность профиля на сдвиг обеспечивается.

Проверка прочности крепления горизонтального профиля к вертикальному

Крепление производят двумя стальными болтами Æ 5 мм с do=4,4 мм, расчетной площадью сечения А=0,785·4,4²=15,2 мм². Расчетные сопротивления болтов см п. 8.2.

Изгибающий момент от расчетной вертикальной нагрузки M_y=2Q_z·e_у,ст=2·363·0,021=15,2 Нм; плечо внутренней пары Z=40 мм. Растягивающие усилия от ветровой нагрузки: в середине здания N_y,c=2 Q_y,c=2·71=342 Н; в углах N_y,e=2 Q_y,e=2·426=852 Н. Суммарные растягивающие усилия в верхних болтах: в середине здания N_c=M_y/Z + N_y,c=15,2/0,04 + 342==722Н; в углах N_e=15,2/0,04+852=1232 Н.

Усилие среза N_z=2Q_z=2·363=726 Н.

По формуле (75) [2]| на растяжение N_i·Y_n/n·A < R_bt·γ_b: в середине здания 722·0,95 / (2 ·15,2)=22,6 МПа < 170·0,8=136 МПа; в углах 1232· 0,95/(2·15,2)=38,5 МПа < 136 МПа; прочность болтов на растяжение обеспечивается.

По формуле (75) [2] на срез N_zY_n/n·А<R_bsγ_b:726·0,95/(2 ·15,2)=22,7  МПа<50·0,8=120 МПа; прочность болтов на срез обеспечивается.

Проверка прогибов горизонтального профиля

Прогиб в плоскости стены от вертикальной нормативной нагрузки по формуле:

мм;

<; жесткость профиля в вертикальной плоскости от нагрузки q_zⁿ обеспечивается с запасом.

Прогиб из плоскости стены от ветровой нагрузки:

в середине здания ; мм;

в углах здания f_y,eмм;

относительные: <; <; жесткость профиля в горизонтальной плоскости обеспечивается.

Определение угла поворота при кручении

По [19]  от нормативной вертикальной нагрузки , или 1,8°; деформациями и перемещениями кручения и их влиянием на прочность профиля можно пренебречь.

Дополнительная величина прогиба: tg1,8°=0,032; Δf_z=0,032·13,5=0,43 мм; суммарный прогиб от нагрузки q_zⁿ и угла φ:f_z=0,75 + 0,43=1,18 мм;

<; жесткость профиля в вертикальной плоскости обеспечивается.

8.4.3. Расчет вертикального профиля

Геометрические характеристики горизонтального сечения профиля:

А=398,8 мм²; относительно оси х: J_z=211580 мм⁴; W_z^min=7052 мм³.

Вертикальные расчетные нагрузки от веса плит одного яруса P_z,1=q_z·l_х=484·1,2=581 Н; на весь профиль при шаге горизонтальных профилей h_z,o=608 мм и соответствующем количестве ярусов n=2000/608=3,29: P_z=n ·P_z,1=3,29·581=1911H.

Горизонтальные нагрузки от ветра на 1 м профиля: нормативные: в середине здания qⁿ_y,c=qⁿ_y,c·l_х=267·1,2=320 Н/м; в углах qⁿ_y,e=qⁿ_y,e·l_x=667· 1,2=800 Н/м; расчетные: в середине q_y,c=q_y,c ·l_х=374 ·1,2=449 Н/м; в углах q_y,e=q_y,e·l_x=934·1,2=1121 Н/м.

Изгибающие моменты: от вертикальной расчетной нагрузки M_z=P_z,1·e_у,о/2=581·0,04/2=11,62 Нм; от горизонтальной расчетной нагрузки: в середине здания М_у,c=О_у,с·l_z²/8=449·2²/8=225 Нм; в углах М_у,е=q_у,e l_z²/8=1121·2²/8=561 Нм.

Продольное усилие N_z=P_z=1911 Н.

Поперечные силы: в середине здания Q_y,c=q_y,c·l_z/2=449·2/2=449 Н; в углах Q_y,e=q_y,c ·l_z/2=1121·2/2=1121 Н.

Проверка прочности профиля на растяжение и изгиб в двух направлениях

По формуле åd_i·γ_n£R·g_c

Напряжение от силы N_z: σ_р=N_z/A=1911/398,8=4,8 МПа.

Растягивающее напряжение от изгиба в вертикальной плоскости σ_z=M_z/W_x=11,62·10³/7052=1,65 МПа; то же в горизонтальной плоскости: в середине здания σ_у,с=M_y,c/W_x=225·10³/7052=31,9 МПа; в углах σ_у,е= М_у,e/W_x=561·10³/7052=79,6 МПа;

Условие прочности в середине здания ∑σ_c·γ_n=(4,8 + 1,65 + 31,9) 0,95=31,9 МПа < 170·1=170 МПа; в углах ∑σ_cγ_n=(4,8 + 1,65 + 79,6)·0,95=81,7 Мпа < 170 МПа; прочность на растяжение и изгиб обеспечивается.

Проверка профиля на сдвиг в горизонтальной плоскости

По формуле (21) [2] при S_z=15075 мм³; J_z=211580 мм⁴; t_z=2·2=4 мм:

в середине здания

МПа < R_s·γ_n=75·1=75 МПа

в углах

 Мпа < 75 МПа

прочность профиля на сдвиг обеспечивается.

Проверка прочности крепления вертикального профиля к кронштейну

Крепление производят 4-мя стальными болтами Æ5 мм с d_o=4,4 мм, расчетной площадью сечения 1 болта А=15,2 мм². Расчетные сопротивления болтов см. п. 8.2.

Вертикальное усилие сдвига N_z=Р_z=1911 Н.

Горизонтальные растягивающие усилия N_yi=Q_yi:

в середине здания N_yс=449 Н; в углах N_ye=1121 Н.

По формуле (75) [2] на растяжение N_i·γ_n/n·A ≤ R_вt·γв: в середине здания 449·0,95/(4·15,2)=7,0 МПа < 170·0,8=136 МПа; в углах 1121·0,95/(4·5,2)=17,5 МПа < 136 МПа; прочность болтов на растяжение обеспечивается.

По формуле (73) СНиП [2] на срез N_z·γ_n/n·A≤ R_вs γ_в:

1911·0,95/(4·15,2)=29,9 МПа < 150·0,8=120 МПа; прочность болтов на срез обеспечивается.

Проверка прогибов вертикального профиля

Вертикальный профиль под действием ветровой нагрузки прогибается в горизонтальном направлении. Прогиб определяют по формуле:

f_y,i=.

В середине здания

f_y,c=мм <;

в углах

f_y,e=мм ;

жесткость профиля обеспечивается.

8.4.4. Расчет кронштейна.

Геометрические характеристики горизонтального сечения t_z=2·2,5=5 мм; h_y=90 мм; A_z=638,3 мм²; J_z=566310 мм⁴; W_z^min=7052 мм³. Поскольку профиль является консолью (см. рис. 3), в расчете следует учитывать также геометрические характеристики вертикального сечения, параллельного плоскости стены: t_y=2·2,5=5 мм; h_z=300 мм; A_y=1500 мм²; J_y=1125·10⁴ мм⁴; W_y=75000 мм³.

Все нагрузки на кронштейн передаются через шарнирно соединенный с ним вертикальный профиль.

Вертикальное усилие от вертикальной расчетной нагрузки Q_z=P_z=1911Н, с эксцентриситетами: относительно стены e_у,cт=80 мм, относительно расчетного сечения профиля ℮_у,o=76,5 мм.

Горизонтальные расчетные нагрузки от ветра: в середине здания N_y,c=q_y,c·l_z.=449·2=898 Н; в углах N_y,e=q_y,e=1121·2=2242 Н.

Изгибающие моменты от вертикальной нагрузки: относительно расчетного сечения M_z,o=Q_z·℮_у,о=1911· 0,0765=146,2 Нм; относительно стены М_z,ст=Q_z·℮_у,ст=1911·0,08=152,9 Нм; максимальная поперечная сила Q_z=1911 Н; горизонтальные отрывающие усилия: в середине здания N_y,c=898 Н; в углах N_y,c=2242 Н.

Проверка прочности кронштейна на изгиб и растяжение

По формуле :

в середине здания

МПа ≤ 170·1=170 Мпа;

в углах

МПа ≤ 170 Мпа;

прочность кронштейна на изгиб с растяжением обеспечивается.

Проверка прочности кронштейна на сдвиг

Статические моменты сечений относительно нейтральных осей: S_y=t_y·h_z²/8=5·300²/8=56250 мм³; Sz=t_z·h_y²/8=5·90²/8=506,3 мм³.

Касательные напряжения от вертикальной нагрузки

МПа;

от горизонтальной нагрузки:

в середине здания

МПа;

в углах

 МПа.

Результирующие напряжения: в середине здания: МПа < R_sγ_c=75·1=75 МПа в углах МПа < 75 МПа; прочность кронштейна на сдвиг обеспечивается.

Проверка прочности крепления кронштейна к стене

Крепление производят 2-мя стальными болтами Æ12 мм с d_o=9,7 мм, расчетной площадью сечения 1 болта А=73,8 мм² . Расчетные сопротивления болтов см. п. 8.2.

Вертикальное расчетное усилие N_z=Q_z=1911Н. Горизонтальные расчетные усилия на кронштейн: в середине здания N_y,e=898 Н; в углах N_y,e=2242 Н, то же на 1 болт: N_yc(1)=898/2=449 Н; N_ye(1)=2242/2=1121 Н.

Изгибающий момент от вертикальной нагрузки относительно плоскости стены М_у,cт=N_z·℮_у,cт=1911·0,08=146,2 Нм. Растягивающее усилие в верхнем болте от момента N_y^м=N_y,ст/Z=146,2·10³/200=731 Н.

Суммарные растягивающие усилия в верхнем болте по формуле N_max=N_y^м +N_y,i: в середине здания N_c=731 + 449=1180 Н; в углах N_e=731+1121=1852 Н.

По формуле (75) [2] на растяжение N_iγ_n/А ≤ Rγ_в: в середине здания N_cγ_n/A=1180·0,95/73,8=15,2 МПа < 170·0,8=136 МПа; в углах 1852·0,95/73,8=23,8 МПа < 136 МПа; прочность болтов на растяжение обеспечивается.

По формуле (73) СНиП [2] на срез Q_zγ_n/(n·A) < R_sγ_в: 1911·0,95/(2·73,8)=12,3 МПа < 150·0,8=120 МПа; прочность болтов на срез обеспечивается.

Вырывающие усилия, передаваемые на 1 болт: в середине здания 1180 Н, в углах 1852 Н должны обеспечиваться анкеровкой в стене здания; тип, конструкция и допускаемое усилие на 1 болт с дюбелем подбираются по каталогам фирм с учетом материала и состояния стены.

9. Теплотехнические расчеты

9.1. Введение

В настоящем разделе приводится методика теплотехнических расчетов, позволяющая определить параметры теплового и влажностного режима наружных ограждений с вентилируемой воздушной прослойкой между экраном (слоем наружной облицовки здания) и теплоизоляционным слоем из минераловатных плит.

Методика теплотехнических расчетов базируется на требованиях СНиП II-3-79* [5] и МГСН 2.01-99 [10].

Основное отличие приведенной в работе методики от теплотехнических норм [5, 10] в комплексной оценке теплового, воздушного и влажностного режима рассматриваемой системы.

В работе учитывается такая особенность плит-экранов, как наличие стыковых швов.

Наличие зазоров между плитами-экранами с одной стороны позволяет усилить влагоотдачу и вентилирование прослойки, а с другой затрудняет постановку алгоритма решения задачи теплового, воздушного и влажностного режима.

Имеющиеся методики расчета, не имеют решения задачи в такой постановке в связи с многочисленностью неизвестных параметров.

В данной работе делается практическое решение проблемы, которое достигается с помощью ряда допущений, в частности, заданием условных коэффициентов паропроницаемости зазоров между панелями-экранами.

9.2. Краткая характеристика объекта и нормативные требования

Рассчитывается семиэтажное кирпичное здание (пятиэтажное реконструируемое с надстройкой в два этажа). Здание расположено в г. Москве. Высота здания 22 м. Облицовка фасада выполняется плитами из керамогранита толщиной 8 - 10 мм или из натурального камня толщиной 24 - 30 мм.

Толщина горизонтальных швов плит из керамогранита 3 - 10 мм, а из природного камня 6 - 8 мм. Ширина вертикальных швов очень мала и в расчете не учитывается, хотя у керамогранита ее можно при необходимости варьировать до 5 - 8 мм.

Размер плит от 300 до 600 мм.

Паропроницаемость облицовочных плит принимается как у гранита.

В рассматриваемой системе приведенные коэффициенты паропроницаемости рассчитываются с учетом швов.

Система рассматривается в комплекте с утеплителем (минвата на основе базальтового волокна) укрепленном на несущей стене из бетона или кирпичной кладки.

Требования к теплотехническим характеристикам конструкций содержатся в СНиП II-3-79* [5] и МГСН 2.01-99 [10].

Согласно [5] требования по второму этапу нужно принимать для зданий, строительство которых начинается с 1 января 2000 года. Таким образом для рассматриваемого жилого дома требования нужно принимать по второму этапу энергосбережения.

На основе вышесказанного составлена таблица 1 исходных расчетных данных, где представлены требуемые сопротивления теплопередаче совокупности наружных стен (оболочки) жилого дома.

Значения нормативных требований к наружным ограждениям жилых зданий

Таблица 1

9.3. Методика теплотехнического расчета наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой

9.3.1. Общие требования

Расчет наружных стен с экраном и вентилируемой воздушной прослойкой основан на расчете теплотехнических характеристик стен и расчета влажностного режима.

В свою очередь, теплотехнический расчет заключается в подборе толщины утеплителя стен с экраном.

Процесс теплопередачи в свою очередь связан с процессами влагообмена в конструкциях и воздушного режима прослойки.

В основе приведенных в методике формул для расчета тепло и влагопередачи в простенке лежит решение дифференцированных уравнений баланса тепла и влаги. Данные решения известны во многих источниках и являются достаточно практичными.

Методика расчета влажностного режима основана на учете разности значений упругости водяного пара в годовом цикле на границах слоев рассматриваемой конструкции.

Особенностью расчета является учет приведенного коэффициента паропроницаемости зазоров между панелями-экранами.

Вывод формулы для определения скорости движения и расхода воздуха в прослойке основан на балансе гравитационного и ветрового давлений по обе стороны экрана-панели с учетом местных сопротивлений.

В общем виде методика расчета заключается в следующем:

1. Определяется требуемая толщина теплоизоляции наружной стены, исходя из конструктивных и теплотехнических характеристик принятых и рассмотренных в конкретном случае.

2. Из конструктивных соображений назначается толщина воздушной прослойки за экраном.

3. Определяется влажностной режим рассматриваемой конструкции по методике СНиП II-3-79* (98 г.) [5].

4. С учетом результатов расчета по п. 3 при необходимости корректируются материалы и их толщины в конструкции.

5. Определяется влажностный режим рассматриваемой конструкции в годовом цикле с учетом средних месячных температур по методике данной в разделе (9.3.3).

6. С учетом результатов расчета по п. 5 при необходимости корректируются материалы и их толщины в конструкции с целью исключения влагонакопления в годовом цикле.

7. С учетом этажности здания и района строительства определяется скорость движения воздуха в прослойке за экраном и расход воздуха по разделу (9.3.4).

Для выполнения п. 7 определяется термическое сопротивление воздушной прослойки по формуле (9.16).

8. Определяется температура на выходе из воздушной прослойки по формуле (9.15).

9. Определяется действительная упругость водяного пара на выходе из прослойки ℮_у по формуле (9.18) и проверяется условие: ℮_у < Е_н, где Е_н - максимальная упругость водяного пара на выходе из прослойки.

Таким образом, для определения области применения стен с вентилируемой воздушной прослойкой производится два теплотехнических расчета: расчет теплового режима стен и прослойки и влажностного режима стены и прослойки.

9.3.2 Определение толщины теплоизоляционного слоя

Методика теплотехнического расчета разработана в соответствии с рядом документов, подготовленных ЦНИИЭП жилища и НИИСФ как авторами СНиП II-3-79* и полностью удовлетворяет нормативным требованиям [5, 10].

В основу конструктивных решений наружных стен при определении приведенных сопротивлений теплопередаче главных фрагментов принимаются толщины утеплителя, рассчитанные предварительно по формуле:

                                        (9.1)

где: R_o^трпр - требуемое приведенное сопротивление теплопередаче стен, м²·°С/Вт;

r - коэффициент теплотехнической однородности по табл. 9.2; 9.3;

Таблица 9.2.

Значения r кирпичных утепленных снаружи стен

Таблица 9.3.

Значения r бетонных (керамзитобетонных) утепленных снаружи стен

Для проверки правильности принятых толщин утепляющих слоев определяются приведенные сопротивления теплопередаче наружных стен для основных «фрагментов». Каждый рассчитываемый фрагмент делится на отдельные участки, характеризуемые одним или несколькими видами теплопроводных включений.

Средневзвешенное значение приведенного сопротивления теплопередаче слоистых наружных стен определяется на этаж по формуле:

                                                   (9.2)

где:  - сумма площадей фрагментов наружных стен (k - количество i фрагментов стен), м²

F_i, R_oi^пр - соответственно площадь и приведенное сопротивление теплопередаче i-го фрагмента стен, м² ·°С/Вт;

Если R_о^пр.ср ≥ R_o^тр по табл. 16 СНиП II-3-79* [5], конструкция стены удовлетворяет требованиям теплотехнических норм. Если R_о^пр.ср < R_о^тр.пр, то следует либо увеличить толщину утепляющего слоя, либо рассмотреть возможность включения в проект энергосберегающих мероприятий (утепление узлов и т.п.).

Для практических расчетов допускается при определении R_о^пр и его коэффициента теплотехнической однородности наружных стен с вентилируемой прослойкой применять табл. 9.2, 9.3.

Для расчета средневзвешенного значения многослойных наружных стен при наличии в стенах глухих (без проемов) участков может быть также использована формула:

R_о^пр.ср=R_оi^пр·n                                                   (9.3)

где:

n=1,05 - коэффициент, учитывающий наличие глухих участков в наружных стенах.

9.3.3. Определение влажностного режима наружных стен

Влажностный режим наружных стен определяется двумя методами. По СНиП II-3-79* (98 г.) и исходя из баланса влаги в годовом цикле.

Определение влажностного режима наружных стен в годовом цикле производится в следующей последовательности:

1. Определяются исходные данные для расчета;

2. Определяются сопротивления паропроницанию слоев конструкции наружной стены, параметры внутреннего и наружного воздуха;

3. Определяется приток и отток влаги (пара) к рассматриваемому сечению по формулам:

 и                                    (9.4)

где ℮_в , ℮_н - упругость водяного пара внутреннего и наружного воздуха;

℮_τ- то же, в рассматриваемом сечении;

R_{oп.вн.сл} - сопротивление паропроницанию от внутренней поверхности до границы зоны возможной конденсации (с учетом пограничного слоя);

℮_τ - определяется по формуле:

,                                              (9.5)

åR_п - сумма сопротивлений паропроницанию слоев до рассматриваемого сечения.

R_oп - сопротивлений паропроницанию всей стены.

По указанным формулам определяется упругость водяного пара ℮_i в характерных сечениях конструкции в годовом цикле.

Если ℮_i окажется больше максимальной упругости водяного пара Е, то в данном сечении будет конденсат. Если в годовом цикле окажется увеличение накопления влаги в конструкции, то ее надо корректировать, добиваясь исключения влагонакопления в годовом цикле.

9.3.4. Определение параметров воздухообмена в прослойке

Движение воздуха в прослойке осуществляется за счет гравитационного (теплового) и ветрового напора. В случае расположения приточных и вытяжных отверстий на разных стенах скорость движения воздуха в прослойках V_пр может определяться по следующим формулам

,                             (9.6)

где:

к_н, к_з - аэродинамические коэффициенты на разных стенах здания, по СНиП 2.01.07-85;

V_h - скорость движения наружного воздуха;

к - коэффициент учета изменения скорости потока по высоте по СНиП 2.01.07-85;

h - разности высот от входа воздуха в прослойку до ее выхода из нее;

t_cp, t_н - средняя температура воздуха в прослойке и температура наружного воздуха.

åx - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Другим вариантом определения V_пр служит формула:

,                                 (9.7)

g_н, g_пр - плотности наружного воздуха и в прослойке.

Другой вариант определения V_пр по разности давлений воздуха на входе и выходе по формуле:

DР_D=DР_вх-DР_вых

DР_вх и DР_вых=h (g_н - g_пр) + 0,5g_н·V_н²(к_н-к_з)к                          (9.8)

,                                                        (9.9)

При расположении воздушной прослойки на одной стороне здания, можно принять к_н=к_з. В этом случае, если пренебречь изменением скорости ветра по высоте формула (9.6) примет вид:

,                                              (9.10)

Формула (9.7) примет вид:

,                                                (9.11)

В формуле (9.9) DР=h (g_н - g_пр);

g_пр - плотность воздуха в прослойке.

Указанные формулы применены в технической системе. При этом g имеет размерность кг/м³.

В системе СИ в числителе « g » будет отсутствовать, а « g » имеет размерность Н/м³.

Из полученных по указанным формулам скорость движения воздуха выбирается наименьшая, корректируется с учетом потерь давления на трение по известным из курса «Вентиляция» методам.

Расход воздуха в прослойке определяется по формуле:

W=V_пр·3600·d_пр·g_пр                                                    (9.12)

где d_пр - толщина воздушной, прослойки шириной 1 м, или площадь F, ее.

9.3.5. Определение параметров тепловлажностного режима прослойки

Температура входящего в прослойку воздуха t₀ определяется по формуле:

,                                             (9.13)

где t_в, t_н - расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха;

m - коэффициент, равный 0,26 в системе СИ и 0,3 - в технической;

Остальные обозначения в соответствии с рекомендациями по проверке и учету воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций жилых зданий. М., ЦНИИЭП жилища, 1983.

Допускается определять температуру воздуха, входящего в прослойку по формуле

t₀=n·t_н,                                                        (9.14)

где n=0,95.

Температура воздуха по длине прослойки определяется по формуле:

,                (9.15)

где к_в и к_н - коэффициенты теплопередачи внутреннего и наружного частей стены до середины прослойки.

При определении термического сопротивления прослойки R_пр следует пользоваться формулами:

,                                                            (9.16)

где:

a_пр=5,5 + 5,7 V_пр +a_л,                                                    (9.17)

где a_л - коэффициент лучистого теплообмена;

В - переводной коэффициент: в технической системе равен 1, а в СИ В=3,6.

Действительная упругость водяного пара на выходе из прослойки определяется по формуле:

,         (9.18)

Полученная по данной формуле величина упругости водяного пара на выходе из прослойки ℮_у должна быть меньше максимальной упругости водяного пара Е_у. Если ℮_у>Е_у, то необходимо изменить геометрические параметры прослойки стены здания.

В формуле (9.18) М_в и М_н равны соответственно:

; ,                                               (9.19)

где:

R_вп и R_пн - сумма сопротивлений паропроницанию от внутренней поверхности до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружной поверхности;

℮_в и ℮_н - действительная упругость водяного пара с внутренней стороны стены и снаружи;

℮_о- упругость водяного пара воздуха, входящего в прослойку;

,                                                       (9.20)

n - переводной коэффициент,

9.4. Пример теплотехнического расчета наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой

9.4.1. Исходные данные

Для расчета принимается кирпичная стена толщиной 0,51 м, плотностью 1600 кг/м³ из керамических пустотелых кирпичей с g=0,64 Вт/м °С. Снаружи стены утеплены минераловатными плитами типа «Фасад баттс» с g=0,045 Вт/м°С. За воздушной прослойкой расположены плиты-экраны системы «Метроспецстроя» (из природного камня или керамогранита). Характеристики плит-экранов системы как для гранита. Условия монтажа системы - реконструкция пятиэтажных жилых домов в г.Москве.

Между экраном и утеплителем расположена воздушная прослойка. Ее толщина d_пр может в расчете варьироваться. Назначаем ее первоначальную толщину в соответствии с МГСН 2.01-99 d_пр=60 мм [10]. В дальнейшем также рассчитывается вариант с толщиной прослойки 20 мм.

Прослойка за экраном вентилируется на высоту этажа 3 м и на 1 м *⁾. Эти величины затем уточняются. Прослойка закрывается снаружи плитами - экранами высотой 600 мм. В нижней части конструкции приточная щель закрывается сеткой. Причем в чистоте, площадь приточных щелей-отверстий равна 0,5F_щ, где F_щ - площадь прослойки. Площадь выходных щелей-отверстий принимается равной площади входных.

Плиты облицовки в системе применяются в двух вариантах - с природным камнем и керамогранитом. Площадь зазоров между плитами 0,02 - 0,025 м², на 1 м² фасада, причем у облицовки природным камнем плиты по вертикали соприкасаются вплотную.

^*) В дальнейшем рассматривается также вариант с расстоянием от входных до выходных отверстий 6 м.

9.4.2. Расчет толщины теплоизоляции

Толщина теплоизоляции из минваты типа "Фасад баттс" равна **⁾:

где:

3,16 - требуемое сопротивление теплопередаче стен для г. Москвы (см. определение R_o^тр и ГСОП раздел 9.2);

0,692 - коэффициент теплотехнической однородности, см. табл. 9.2;

0,175 - термическое сопротивление воздушной прослойки по СНиП II-3-79* (98 г.) [5].

Сопротивление теплопередаче по глади наружной стены при толщине утеплителя из минваты типа «Фасад баттс»:

,             (4,4)*⁾

где:

0,51; 0,15; 0,03 - толщина кирпичной кладки, утеплителя и экрана;

0,175-термическое сопротивление воздушной прослойки R_пр по СНиП II-3-79* (98 г.), которое уточняется ниже; с учетом воздухообмена в прослойке R_пр=0,1м2·°С/Вт - (см. раздел 9.4.5).

Приведенное сопротивление теплопередаче наружной кирпичной стены с экраном с учетом коэффициента теплотехнической однородности r=0,692 из табл. 9.2 по формуле 11 СНиП II-3-79 [4].

R_o^пр=R_o^усл·r=4,475·0,692=3,096 м² °С/Вт. (3,045)

В соответствии с формулой (9.3) с учетом глухих торцовых стен R_o^пртр равно:

R_o^пртр=R_o^пр·r=3,096·1,05=3,25 м² °С/Вт. (3,2)

**) В запас теплозащиты не приводится штукатурка.

9.4.3 Влажностный режим наружных ограждающих конструкций

Расчет по СНиП II-3-79 (98 г.) [5] ведется с учетом того, что зона возможной конденсации располагается на внешней границе утеплителя и наружного слоя.

В период эксплуатации в зимних условиях температура воздуха t_int=20 °С, а отрицательная влажность j=55 %.

На рис. 9.1 дана расчетная схема наружной стены из керамических камней - кирпича, утепленной минватой на основе базальтовых волокон с вентилируемой воздушной прослойкой и экраном.

При этом коэффициент паропроницаемости экрана принят, как для гранита в связи с отсутствием других данных в СНиП II-3-79* (98 г.) [5].

Расчетное сопротивление паропроницанию наружной стены до зоны возможной конденсации R_п, м²·ч·Па/мг;

(В технической системе R_п=31,75 м²·ч·мм.рт.ст./г)

Расчетное сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции, R_п, м²·ч·Па/мг, расположенной между наружной поверхностью и поверхностью возможной конденсации равно; 3,75 м²·ч· Па/мг.

Требуемое сопротивление паропроницанию R_п1, м²·ч· Па/мг из условия недопустимости накопления влаги за год эксплуатации, формула (34) [5] равно 5,4 м²·ч·Па/мг.

*⁾ В скобках R_пр с учетом воздухообмена в прослойке.

                       1 - раствор;

                       2 - кирпичная кладка;

                       3 - минеральная вата;

                       4 - панель экрана;

                       5 - воздушная прослойка;

                       6 - зона возможной конденсации.

Рис. 9.1. Схема наружной стены для расчета влажностного режима.

Требуемое сопротивление паропроницанию из условия ограничения влаги в наружной стеновой панели за период с отрицательными температурами наружного воздуха R_п2, м²·ч·Па/мг, формула (35) СНиП II-3-79* [5], равно 7,7 м²·ч·Па/мг.

Поскольку условие R_п < R_п1^тр и R_п2^тр рассматриваемая конструкция не удовлетворяет требованиям теплотехнических норм.

Проверяем полученные выше результаты по методу расчета влагонакопления в годовом цикле.

Расчет для большей наглядности проводится как в технической системе, так и в системе СИ, что не влияет на конечный результат. Расчет выполнен по приведенной выше методике (раздел 9.3.3).

Исходные данные для расчета представлены в табл. 9.4 и на 9.1.

Параметры внутреннего воздуха в отопительный период t_в=20°С, j=55 %, в летний и переходный период (t_в > 8°C) (неотопительный) параметры внутреннего воздуха приняты равными параметрам наружного воздуха.

Параметры наружного воздуха приняты по СНиП 2.01.01-82 и СНиП II-А.6-72 (относительная влажность воздуха). Влагосодержание воздуха принято по приложению 3 книги К.Ф. Фокина «Строительная теплотехника ограждающих частей здания», 1973 г.

Рассчитывается стена с воздушной прослойкой с экраном-панелью из природного камня, имеющего большее приведенное (см. ниже) сопротивление паропроницанию.

В табл. 9.5¸9.7 представлены показатели влажностного режима стены по сечениям (см. рис. 9.1), а также показатели влагонакопления в граммах, характеризующие влагозащитные свойства конструкций.

Как видно в табл. 9.5, при отсутствии экрана накопления на внутренней поверхности экрана не будет.

Как видно в табл. 9.6, при наличии сплошного экрана-панели из природного камня с октября по март в прослойке будет конденсат. Это указывает, на опасность наличия глухих экранов-прослоек без швов-зазоров.

В табл. 9.7 даны показатели влагонакопления в конструкции при наличии слоев пароизоляции.

Как видно в табл. 9.7 наличие пароизоляции до 30 раз уменьшает влагонакопление.

Задачей вентилируемой прослойки является выявление возможности замены пароизоляции. Поэтому для иллюстрации этого проводятся нижеследующие расчеты.

В действительности наружный экран имеет не сплошную конструкцию, а швы и стыковые соединения либо по горизонтали, либо по периметру. По методике раздела 9.3.3 определен влажностный режим стен с отделкой в годовом цикле с учетом приведенного коэффициента паропроницаемости плит, на основе исходных данных по таблице 9.4.

В таблице 9.8 представлены значения показателей влажностного режима стены с отделкой плитами из природного камня. При этом показатели приведенного коэффициента паропроницаемости по телу панели и зазору между панелями. Основная трудность заключается в назначении коэффициента паропроницаемости зазоров. Для облицовки природным камнем m=0,025 (0,1875)*⁾.

*) В скобках - в системе СИ.

Исходные данные для расчета влажностного режима стены в годовом цикле

Таблица 9.4.

*) При расположении пароизоляции между кирпичной кладкой и утеплителем нумерация слоев сдвигается в большую сторону.

**) Приведенный коэффициент паропроницаемости с учетом зазоров

Таблица 9.5.

Распределение влажности в кирпичной стене толщиной d=0,51 м, утепленной минватой толщиной d=0,15м без учета экрана

(Вариант 1)

Таблица 9.6.

Распределение влажности по кирпичной стене толщиной d=0,51м с утеплением минватой d=0,15м и защитным экраном, с воздушной прослойкой

(Вариант 3)

Таблица 9.7.

Распределение влажности в кирпичной стене d=0,51м с утеплением минватой d=0,15м и защитным экраном, воздушной прослойкой и пароизоляцией из нескольких слоев полиэтиленовой пленки

(Вариант 5)