Теплоизоляция стен с устройством вентилируемых фасадов

Жилые дома с вентилируемым фасадом начали возводиться в конце XIX века в России. Было обнаружено, что если создать относительно наружной поверхности стен воздушную прослойку с защитной системой из дощатой сплошной обрешетки с утеплением войлоком и последующим штукатурным покрытием, то теплотехнические характеристики таких домов резко возрастают, а несущая конструкция стен из бревен сохраняет длительное время физико-механические характеристики, исключаются процессы гниения и другие повреждения.

Подтверждением тому явилась оценка состояния срубов после эксплуатации более 100 лет, когда в результате разборки установлено отсутствие каких-либо видимых повреждений древесины. Причиной тому явилось постоянное проветривание наружной поверхности стен, что исключало замачивание и обеспечивало воздухообмен между внутренней и внешней поверхностями жилых домов.

Начиная с конца 80-х годов XX века эта идея была распространена на современные здания путем строительства вентилируемых фасадов. Впервые такие фасады появились в Германии, это было связано со стремлением снизить энергозатраты на их отопление и обеспечить более высокую долговечность ограждающих конструкций.

Принципиальная схема зданий с вентилируемым фасадом иллюстрируется рис. 8.6.

Рис. 8.6. Схема создания вентилируемых фасадов для жилых домов из дерева (а)и композиционных материалов (б)
1 - наружные стены; 2 -воздушная прослойка; 3 -сплошная обрешетка; 4 -утеплитель из войлока; 5 - штукатурное покрытие; 6 - плитный утеплитель; 7 - защитный элемент фасадной поверхности

Учитывая, что воздушная прослойка является хорошим теплоизолятором, ее создание обеспечивает снижение теплопотерь, а движение воздуха создает условия воздухообмена между внутренней и внешней средой. Эффект вентиляции позволяет удалить избыток влаги при атмосферных осадках с поверхности стен, что обеспечивает повышение долговечности как несущих конструкций, так и защитного слоя в виде штукатурного покрытия или слоя теплоизоляции.

Современные конструкции вентилируемых фасадов состоят из каркаса в виде кронштейнов, прикрепляемых к теплоизолируемой поверхности с помощью распорных анкеров, и направляющих с вертикальным или смешанным размещением. На элементы каркаса навешиваются мелкоштучные изделия или крепятся с помощью заклепок, кляммер или специальных приспособлений облицовочные плиты.

В отдельных случаях в качестве направляющих могут использоваться деревянные брусья. Расчетная схема кронштейнов представляет собой консоль с опорной площадкой, которая крепится дюбелем к наружной поверхности стен (рис. 10.8).

Вертикальный профиль, который крепится к кронштейну, рассчитывается на вертикальные нагрузки от массы облицовочных панелей (а)и горизонтальные - ветровые нагрузки (б). Расчетная схема горизонтального профиля при толщине утеплителя более 100 мм может представляться неразрезной многопролетной балкой.

Горизонтальный профиль кроме объединения каркаса выполняет функции регулирования сечения вентиляционного канала и, соответственно, скоростного потока воздуха.

В зависимости от материала облицовки параметры системы «шаг размещения вертикальных и горизонтальных направляющих» может меняться. Большое значение оказывает толщина утепляемого слоя, которая в целом определяет размер кронштейна и создает соответствующие моменты от нагрузок.

Исследования взаимодействия элементов анкера для крепления кронштейнов с материалом стены позволили выявить ряд весьма важных параметров, к которым относятся: наружный диаметр анкера; глубина заложения в стену; угол наклона распорной пробки и др. Как следует из полученных зависимостей, перечисленные конструктивные параметры распорных анкеров зависят прежде всего от материала стен и их физико-механических характеристик (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Взаимодействие распорных анкеров с материалом стен
а -расчетная схема; б - взаимодействие сил при разрушении материала; в - зависимость параметров анкера от несущей способности для: 1 - бетона классов В12- В20; 2 - кирпича; 3 - керамзитобетона

При испытаниях системы «кронштейн-нагрузка» установлено, что анкеры обладают определенной величиной податливости. В этой связи проведены экспериментальные исследования, которые показали, что при нагрузках на кронштейн соединение работает как сдвиго-устойчивое.

Площадь сечения болтовой части анкера можно определить по зависимости

где N - нагрузка, действующая на кронштейн; R_a - расчетное сопротивление болтовой части растяжению; т_н = 1,7 - коэффициент надежности; т_y.p = 0,8 - коэффициент условия работы соединения; а - расстояние от стены до точки приложения нагрузки; l - расстояние от анкера до нижнего края пяты кронштейна.

На основании проведенных исследований установлены параметры анкеров для установки в стенах из тяжелого и легких бетонов и кирпича.

Очевидно, увеличение прочностных характеристик материала стен приводит к уменьшению диаметра анкеров и глубины заложения. В то же время была установлена взаимосвязь глубины заложения анкера с его диаметром. Это соотношение находится в пределах 4-6. На расклинивающий эффект определенное влияние оказывает угол наклона стенок расклинивающей пробки. Для высокопрочных материалов стен из бетона и железобетона угол наклона составляет 6-8°, в то время как для менее прочных (кирпичная кладка, ячеистые бетоны, керамзитобетон) этот параметр возрастает до значений 11-12°.

В результате проведения экспериментальных исследований и их статистической обработки получены зависимости, позволяющие произвести выбор или конструирование распорного анкера для определенного вида материала стен с учетом их физико-механических характеристик, определяемых методом прямых испытаний.

При этом учет погрешностей испытаний, колебания прочностных характеристик стен и отклонения в технологии производства работ требуют дополнительного запаса прочности, в 2-3 раза превышающего расчетные значения.

В практике теплоизоляционных работ используются различные конструктивные системы, обеспечивающие получение эффекта вентилируемых фасадов.

Рис. 8.8. Системы вентилируемых фасадов «Словения» (а) и «Марморок» Швеция (б)
1 - стена; 2 - дюбель для крепления бруса (3)или кронштейна (3); 4 -воздушный зазор; 5 - утеплитель; 6 - направляющие; 7 - облицовочная плитка; 8 - крепление вертикальных направляющих к кронштейну; в - профиль и размеры облицовочных плит

На рис. 8.8, а приведены варианты, когда в качестве несущих конструктивных элементов используется деревянная обрешетка, промежуток между которой заполняется минераловатным утеплителем. В продольном направлении крепятся вертикальные направляющие из профильного листового металла с выступающими кронштейнами. На них навешиваются цементно-песчаные мелкоразмерные плиты, профиль которых повторяет профиль направляющих. Цементно-песчаные плиты изготавливаются по экструзионной технологии, что обеспечивает стабильную постоянность поперечного сечения. Конструкция плит такова, что вышележащий ряд частично перекрывает нижележащий. Такое решение исключает прямое попадание атмосферных осадков и в меньшей степени влияет на процесс увлажнения утеплителя.

Развитием данной технологии явилась система «Марморок» (Швеция), которая основана на использовании горизонтальных направляющих, выполняющих роль кронштейнов, вертикальных направляющих в виде специального профиля из оцинкованной стали (рис. 8.8, б)и облицовочных плиток двух типоразмеров.

Процесс создания вентилируемого фасада состоит в установке горизонтальных и вертикальных профилей, заполнении теплоизоляцией с креплением дюбелями и навеске облицовочных плит.

Основными преимуществами данной системы являются малый расход металла, ограниченное число типоразмеров плитки и их самофиксация. Используя различную цветовую гамму, возможно достичь необходимой архитектурной выразительности фасадов зданий. По данным разработчиков, долговечность системы превышает 50 лет.

Система «Этернит» (Германия) базируется на использовании алюминиевого каркаса на кронштейнах с вертикальными и горизонтальными направляющими. Это обстоятельство позволяет осуществлять облицовку фасадов с применением цементно-волокнистых плит. Их крепление к полкам каркаса осуществляется с использованием заклепочных соединений.

Для создания вентилируемого фасада крупнопанельных зданий с наружными стенами из 3-слойных панелей используются специальные анкеры, соединяющие наружную и внутреннюю несущие железобетонные части. Затем к этому анкеру крепятся кронштейны с последующей установкой вертикальных и горизонтальных направляющих (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Утепление фасадов крупнопанельных зданий с облицовкой панелями из этернита (Германия)
а - дефекты фасадных поверхностей; б - схема утепления с облицовкой; в - рабочий момент производства работ; г - общий вид фасада; в - конструктивная схема вентилируемого фасада; 1 - 3-слойная стеновая панель; 2 - анкер; 3 - утеплитель; 4 - кронштейн; 5 -направляющие; 6 - этернитовая панель; 7 -заклепки; 8 -продольная направляющая; 9 - подмости

Конструктивное решение кронштейна позволяет регулировать вертикальность облицовки в случае неровности стен. Применение взаимно пересекающихся горизонтальных и вертикальных направляющих обеспечивает гидроизоляцию вентилируемого пространства. В то же время такое решение требует расхода металла на 1 м² поверхности до 5 кг. Использованием различных разрезки фасадов и цветовой гаммы достигается обновление архитектурной выразительности зданий.

Системы вентилируемых фасадов с применением только вертикальных направляющих Т-образной формы и облицовки плитами из стекла или керамогранита представлены фирмами Aliva(Италия) и BWM (Германия). Принципиальные технические решения представлены на рис. 8.10. Для крепления фасадных панелей используются кляммеры или заклепочные соединения.

Рис. 8.10. Конструктивные технологические схемы утепления фасадов с облицовкой листами из керамогранита и стекла Aliva Италия (а)и BWM Германия (б)
1,9 -облицовочные панели; 2 - направляющие Т-образной формы; 3 -кронштейны; 4 - распорные анкеры для крепления кронштейнов; 5 - минераловатный утеплитель; 6 - ограничитель оконного проема; 7 - заклепки; 8 -кляммеры

Отличительной особенностью данных систем является наличие горизонтальной щели между плитами, что создает дополнительный вентиляционный эффект. В зависимости от скорости внешнего воздушного потока, перепадов атмосферного давления и других факторов существенно снижается скорость потока в вентилируемой зоне, что исключает применение горизонтальных разделительных диафрагм. Высокие физико-механические характеристики облицовочных плит позволяют использовать шаг вертикальных направляющих от 600 до 1200 мм.

Использование только вертикальных направляющих способствует снижению расхода металла до 2,0-2,5 кг/м² вентилируемого фасада.

Широкому распространению данной технологии препятствует высокая стоимость облицовочных плит (от 30 до 80 $ США).

Технически подобные решения разработаны в РФ фирмами «Пластоун, РФ» - система «Броня», ПКФ «Профис»-«Красколор», «Фаест», которые используют цементно-волокнистые плиты «Ферпост» с декоративным покрытием из минеральной крошки, плиты «Красколор» - окрашенные цементно-волокнистые, асбоцементные, фиброцементные, цементно-стружечные плиты и другие, стоимость которых по известным причинам существенно ниже.

Большой практический интерес представляет технология утепления и облицовки фасадов из дисперсно-армированных бетонных плит, разработанная в МГСУ. Данная технология основана на использовании только вертикальных направляющих, которые крепятся традиционным способом, но имеют специальные прорези для навески плит (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Конструктивные технологические схемы утепления и облицовки фасадов армоцементными плитами
1 - стеновая панель; 2 - распорный анкер; 3 - кронштейн; 4 - вентилируемый зазор; 5 - утеплитель; 6 -направляющая; 7 - облицовочная панель; 8 - объемный элемент оконного обрамления

Отличительной особенностью облицовочных плит кроме цветовой гаммы является возможность создания рельефной поверхности. Это обстоятельство позволяет разнообразить архитектурные решения фасадов при достаточно низкой себестоимости работ.

Рис. 8.12. Схема дождевальной установки (а)и испытываемые стыки (б)

Для практической оценки водонепроницаемости различных типов стыков облицовочных панелей (рис. 8.12) аспирантом П. Монастыревым использована специальная методика исследования с использованием дождевальной установки. Она позволяла изменять угол дождевого потока, интенсивность, диаметр панели, а также менять расстояние между утеплителем и облицовочной панелью. Обработка экспериментальных данных позволила оптимизировать конструктивные и теплотехнические решения теплозащиты. Испытания проводились для горизонтальных и вертикальных стыков. В экспериментах регистрировалось отношение объемов влаги, попадающей в пространство между облицовочными панелями, к объему влаги, оставшейся снаружи, в зависимости от ширины зазора между панелями, размера фаски на торцевых гранях облицовочных плит, направлении ветродождевого потока.

Построена регрессионная модель следующего вида:

у = 43,11 - 4,75х₁ + 14,64х₂ + 1,22х₃ + 2,2х₄ + 8,07х₁²-6,31х₂²-1,56х₃²-14,7х₄².

Анализ уравнения регрессии показал, что наибольшее влияние оказывает фактор х₂ - ширина зазора между облицовочными панелями. Доля проникающей влаги составляет от 22 до 51 % при изменении ширины зазора от 3 до 9 мм.

На втором месте по влиянию оказался фактор х₁ - размер фаски на торцевых гранях облицовочных плит. Водопроницаемость с увеличением размера фаски от 0 до 5 мм снижается с 56 до 43 %.

Установлено, что диаметр панели х₃ практически не влияет на водопроницаемость стыка.

Максимальное значение проникающей влаги имеет место при перпендикулярном направлении ветродождевого потока (фактор х₄). Водопроницаемость стыков редко снижается при уменьшении (х₄ = 45°) или увеличении угла падения потока (х₄ = 135°).

По результатам исследований математической модели построены области факторного пространства и графики зависимости у=f(х₁, х₂)(рис. 8.13).

Рис. 8.13. Доля влаги (%), проникающей в стык (сплошная линия) и попадающей на утеплитель (пунктирная линия), при направлении ветродождевого потока перпендикулярно стене и среднем диаметре капель, в зависимости от ширины стыка (мм)
а - размера фаски; б - угла наклона торцевой грани

Установлено, что величина стыка между гранями панелей должна быть не более 6 мм, а угол наклона верхней и нижней граней к горизонту должен находиться в интервале от 20 до 30°.

Полученные зависимости позволили оптимизировать размеры облицовочных плит при их приготовлении. Установлены технологические режимы формования плит из дисперсно-армированных тяжелого и легкого бетонов, обеспечивающие высокие физико-механические характеристики (табл. 8.1) и низкую поверхностную пористость. Использование матриц различного рельефа и цветовой гаммы бетонной смеси позволило получать облицовочные плиты широкого спектра.

Таблица 8.1