Эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций зданий

Введение

Рациональная тепловая защита зданий является мощным социальным и  экономическим фактором. Социальным - потому что обеспечивает комфортные условия в помещениях зданий, соответствующие  санитарно-гигиеническим нормативам, а экономическим

потому что регулирует баланс между разовыми затратами  при строительстве здания (квартиры, дома и т.д.) и эксплуатационными  затратами на отопление, содержание и ремонт в течение всего жизненного цикла здания.

Проблема стала весьма актуальной в современных экономических  условиях, когда стоимость теплоносителей резко возросла (и продолжает расти) по сравнению с советскими временами.

Строительная наука и  практика отреагировали на изменившиеся обстоятельства путем переиздания  нормативных документов, по которым  сопротивление теплопередаче ограждающих  конструкций возрастает в несколько  раз.

Введение новых теплотехнических требований и норм послужило толчком  к развитию производства и широкому использованию теплоизоляционных  материалов. Стали разрабатываться  и внедряться различные конструктивные решения многослойных наружных стен повышенного уровня теплозащиты. Появились  первые успехи, первые ошибки и первые неудачи. Все это сопровождается широкой дискуссией в массовой печати и в специальных изданиях о  лоббировании введения новых норм повышенной теплозащиты зданий со стороны производителей теплоизоляционных материалов. Раздаются  призывы снизить нормы теплозащиты, вернуться к однослойным стенам из эффективных материалов взамен многослойных.

Положение усугубилось принятием  Федерального закона «О техническом  регулировании», с введением которого СНиПы и СП стали носить рекомендательный характер, а различные организации  и региональные структуры получили право разрабатывать и утверждать собственные нормативные документы. Хорошо, если эти документы разработаны на высокой научной базе, но встречаются очень слабые нормативные документы, не обоснованные ни с научной, ни с практической точек зрения.

Эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций зданий.

Ограждающие конструкции  являются важнейшей частью здания, от которой зависит создание требуемого санитарно-гигиенического режима и  комфортных условий в помещениях.

В отличие от несущих конструкций, для которых первичной является оценка их статической работы под  нагрузками, для ограждающих первичными являются воздействия не силового характера: потоков влаги и тепла, распространение звуковых волн и т. п. Конструктивные признаки и виды наружных стен

В зависимости от конструктивной схемы здания, наружные стены подразделяются на три типа:

1. Несущие стены - воспринимают нагрузку от всего здания, имеют

мощный фундамент заданной несущей способности.

2. Самонесущие стены - являются самостоятельным элементом здания,

конструктивно соединены  с несущими конструкциями здания, воспринимают нагрузку только от собственного веса, под эту нагрузку проектируется  фундамент.

3. Навесные стены - это элементы фасада здания, закрепляемые к

несущим конструкциям в пределах одного или нескольких этажей, могут  выполняться из мелкоштучных изделий  или в панельных вариантах.

В несущих стенах прочность  и теплозащита обеспечиваются, как  правило, одним и тем же материалом. Причем толщина такой стены часто  определяется не требованием прочности, а обеспечением теплозащиты. Толщина  классических несущих стен из керамического  или силикатного кирпича в 64см (до перехода на повышенную теплозащиту) определялась необходимой теплозащитой. Такие стены имели большой  запас прочности.

В навесных стенах прочность  обеспечивается в пределах одного этажа и она менее выражена, чем в несущих стенах, то есть могут использоваться менее прочные материалы. Основное внимание в этом типе стен уделяется обеспечению теплозащиты и декоративной отделке фасадов. В навесных стенах появляется возможность значительно сократить толщину ограждения за счет использования высокоэффективных теплоизоляционных материалов.

Самонесущие стены занимают с этой точки зрения промежуточное  положение.

Краткий анализ трех типов  стен показал, что наружное ограждение должно обеспечивать несколько функций одновременно: прочность, теплозащиту и декоративные качества фасадов. В связи с этим, более детально рассмотрим функциональные слои наружных стен.

Функциональные слои наружных стен

В наружных стенах основными  являются четыре функциональных

слоя:

A. Конструкционный слой. Основное назначение слоя - обеспечить прочность стены. Выполняется из плотных, прочных материалов, имеющих, как правило, высокую теплопроводность и низкую паропроницаемость. Конструкционный слой выполняется из таких материалов, как кирпич, различные виды бетонов, железобетон, природные и искусственные камни, металл.

Б. Теплоизоляционный слой. Основное назначение слоя - обеспечить теплозащитные характеристики стены. Выполняется из высокопористых материалов, которые имеют низкую прочность, низкую теплопроводность и высокую  паропроницаемость. Теплоизоляционные слои выполняются из минераловолокнистых матов или плит, пенопластов, ячеистых бетонов и других аналогичных материалов.

B. Паро-, ветро- , влагоизоляционные слои. Это листовые или обмазочные материалы с избирательными характеристиками по проницаемости к водяному пару, ветру и влаге.

Г. Облицовочные слои. Основное назначение слоя - декоративное завершение фасада. Выполняется из лицевого кирпича, плит из природного камня, керамических материалов, асбестоцементных изделий, из листов стекла, металла, полимеров, из декоративных штукатурок.

В зависимости от конструкции  ограждения, различные слои или материалы  могут выполнять несколько функций. Например, кирпич является конструктивно-теплоизоляционным  материалом.

На Российском строительном рынке используется огромное количество различных конструкций наружных стен и фасадных систем. Анализ этих конструкций и опыта их применения позволил систематизировать наружные стены и выделить их основные виды, сходные между собой в теплотехническом отношении. Выделенные виды сходны между собой теплофизическими процессами, которые проходят в ограждениях в условиях эксплуатации:

- однослойные (сплошные) стены;

- двухслойные стены с наружным утеплением;

- трехслойные стены с внутренним теплоизоляционным слоем;

- стены с невентилируемой воздушной прослойкой;

- стены с вентилируемой воздушной прослойкой.  Каждый из видов наружных стен имеет свои особенности, достоинства и недостатки, имеет области наиболее эффективного использования. Задача проектировщика состоит в том, чтобы, исходя из требований к проекту, выбрать наиболее оптимальную конструкцию наружных стен.

Однослойные, или сплошные, стены выполняются из конструкционно-теплоизоляционных  материалов, таких как кирпич, керамические пустотелые блоки, легкобетонные блоки  и другие подобные материалы . Они могут иметь штукатурные слои с одной или двух сторон или наружный слой из лицевого кирпича, которые составляют сплошное сечение со стеной .

Двухслойные стены состоят из конструкционного слоя, который выполняется из кирпича, бетонных блоков, монолитного бетона или железобетона, а также других аналогичных материалов. Теплоизоляционный слой закрепляется на наружной стороне конструкционного слоя посредством клея или дюбелей. По теплоизоляционному слою по сетке устраивается лицевой штукатурный слой. В качестве теплоизоляционного слоя используются плиты из минеральных или стеклянных волокон, пенопласты или теплоизоляционные бетоны.

Трехслойные стены аналогичны двухслойным, но в качестве лицевого слоя используется не штукатурка, а кирпич, природные или искусственные камни. В качестве теплоизоляционного слоя используются аналогичные материалы, но их номенклатура и свойства будут отличаться.

Стены с воздушной прослойкой (вентилируемой и невентилируемой), состоят из конструкционного слоя, теплоизоляционного слоя и ветро-влагонепроницаемой пленки типа Тайвек, которая, в то же время, свободно выпускает водяные пары. Далее с зазором 50-150 мм по металлическому каркасу устанавливается лицевой слой из плит. Облицовочные плиты могут выполняться из природного камня, керамогранита, стекла, стали, полимеров и т.д.

Отличие фасада с вентилируемой  прослойкой состоит в том, что  у цоколя здания и у карниза  воздушная прослойка сообщается с атмосферным воздухом, за счет чего в прослойке создается движение воздуха, побуждаемое гравитационными  силами (тепловым напором). Движение воздуха  в прослойке усиливает удаление водяных паров из теплоизоляционного материала.

Наружные стены. Факторы, воздействующие на них в самом  общем случае, (в частных случаях  к ним могут быть добавлены: химическая агрессия как с внешней, так и с внутренней стороны, особый тепловлажностный режим помещений и т. п.). В этих условиях стена должна прежде всего удовлетворять требованиям теплотехники.

Теплозащитные свойства стен зависят от способности строительного  материала передавать теплоту, что  характеризуется коэффициентом  теплопроводности. Чем меньше плотность, тем меньше величина коэффициента его  теплопроводности, тем лучше теплозащитные  свойства стен. Рациональная тепловая защита зданий является мощным социальным и экономическим фактором. Социальным - потому что обеспечивает комфортные условия в помещениях зданий, соответствующие санитарно-гигиеническим нормативам, а экономическим

Около 50 лет назад была утверждена глава СНиП II - В.4 -58 «Нормы проектирования ограждающих конструкций», которая в 1963 году была заменена главой СНиП II - В.6 - 62 «Ограждающие конструкции. Нормы проектирования» [51].

В этих главах СНиП приведен перечень ограждающих конструкций  и сформулированы требования к ним  с точки зрения экономики, индустриализации строительства, технологии их изготовления и монтажа.

В СНиПах сформулированы эксплуатационные требования к ограждающим конструкциям и записано, что ограждающие конструкции  зданий должны обладать необходимой  прочностью, жесткостью, долговечностью и огнестойкостью, удовлетворять  общим архитектурно - художественным требованиям. Ограждающие конструкции  должны соответствовать санитарно-гигиеническим, теплотехническим,

светотехническим, звукоизоляционным  и другим эксплуатационным требованиям.

Эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций должны соответствовать как климатическим  характеристикам места строительства, так и параметрам микроклимата помещений.

Особо выделен пункт, касающийся ненакопления влаги в ограждающих конструкциях (п.1.5): «Взаимное расположение отдельных слоев ограждающих конструкций должно способствовать высыханию конструкций и исключать возможность накопления влаги в ограждении в процессе эксплуатации...... В главе СНиП II- В.6-62 сформулированы

требования к ограждающим  конструкциям по теплозащите, воздухопроницанию, звукоизоляции.

Таким образом, эта глава  давала цельное представление о  роли и месте ограждающих конструкций  в зданиях.

В дальнейшем СНиП II - В.6-62 был  отменен, а многие разделы этой главы  были вынесены в самостоятельные  главы СНиП по строительной теплотехнике, защите от шума и т.д. Создание специализированных глав СНиП, безусловно, способствовало более глубокой проработке вопросов при проектировании отдельных аспектов ограждающих конструкций, но, вместе с этим, утрачено цельное представление  об ограждающих конструкциях, где  все эксплуатационные характеристики должны быть взаимосвязаны.

Каждый вид ограждающих  конструкций требует детального рассмотрения, что невозможно выполнить  в одной работе из-за ограничения  объема. В связи с этим, основное внимание в учебном пособии будет  уделено наружным стенам зданий, которые  составляют около четверти затрат от стоимости всего здания.

Теплоустойчивость—тепловая  инерция — характеризует способность  стены сохранять неизменным тепловое состояние своих внутренних слоев. Это состояние может быть нарушено тепловыми волнами, распространяющимися в теле стены и вызванными периодическими суточными погодными изменениями температуры наружных поверхностей. Если эти тепловые волны угасают в теле стены настолько, что амплитуда колебаний температуры внутренних поверхностей незначительна, значит, стена обладает хорошей тепловой инерцией. Обычно такими бывают массивные стены из достаточно плотных материалов (камня, кирпича и т, п.). Стены из материалов малой массы не обладают такой инерцией.

Воздухопроницание характеризует интенсивность фильтрации воздуха через поры материала и неплотности конструкций (инфильтрация) при разности давлений на наружных и внутренних поверхностях, вызванных гравитацией, ветровым напором и т, д. Инфильтрация в ограниченных пределах полезна ограждающей конструкции, так как способствует просушке стен, уменьшает влажность помещений, интенсифицируя их воздухообмен.

Необходимость обеспечения  этих теплофизических свойств дает представление о желательной  структуре материала стен: с позиций  теплопроводности предпочтительнее пористые структуры и, наоборот, более плотные  — с позиций теплоустойчивости  и воздухопроницания.

Одновременно стена должна обладать еще и таким сопротивлением паропроницанию, при котором недопустимо или ограничено накопление в ней влаги за холодный период года, поскольку увлажнение стен приводит к снижению морозе-, био- и влагостойкости материалов. Но самое важное — это ухудшение теплозащитных свойств стены. Основная причина проникновения влаги в стену — диффузия паров 2  из помещений, в которых парциальное давление этих паров влаги всегда больше, чем снаружи. Крайне нежелательно увлажнение материала стен при выпадении конденсата. Конденсат выпадает обычно в холодное время года, когда температура в теле стены имеет отрицательные значения. Диффузирующие пары влаги, перенасыщаясь при остывании, могут конденсироваться в зоне 6.