Легкие фасадные системы, состоящие из стальных балок с прорезями, как пример конструкций для полносборного строительства



1. Фасадные системы, состоящие из стальных балок с прорезями.

Использование легких строительных систем взяло свое начало в Соединенных Штатах Америки и Северной Европе. В этих странах требовалось обеспечить быстрые темпы строительства в связи с продолжительным холодным периодом. Из-за их минимального негативного воздействия на окружающую среду (на примере быстрого полносборного строительства), легкие металлические конструкции очень быстро прогрессируют в настоящее время во всем мире.

Несущий каркас из облегченных строительных систем выполняется из дерева или стали (Рис.1). В качестве заполнителя между колоннами и балками выступает изоляционный материал, слои которого укладываются как на внешнюю, так и на внутреннюю сторону конструкции [1]. Эти системы используются в качестве несущих стен одно- или двухэтажных жилых зданий или в качестве фасадных элементов навесных или вентилируемых фасадов железобетонных каркасных зданий.

Рис. 1. Полносборные фасадные элементы в процессе строительства

Помимо конструктивных аспектов, физические свойства легких строительных систем обладают рядом преимуществ. Разумеется, следует обратить внимание на качество изготовления и точность расчетов и измерений.

Специальная стальная балка с прорезями несёт нагрузку всей легкой фасадной системы. При разработке фасадной системы, с самого начала важно учесть проектные решения по энергосберегающим мероприятиям. [2]. Каркасные несущие стальные колонны с прорезями (обычно C-профили) и балки (обычно U-профили) замедляют нагрев, поскольку тепло должно проходить вокруг прорезей, поэтому потребуется больше времени для передачи тепла от одной стороны к другой.

2. Особенности конструкции.

2.1. Конструкция фасадных панелей.

Легкая фасадная система, содержащая стальные балки с прорезями, может использоваться двумя разными способами: в качестве фасадного конструктива здания из железобетонного каркаса и в качестве наружного или внутреннего каркаса стены.

На Рисунке 2 видна внутренняя стеновая панель с заполнителем (только стальные конструкции с прорезями и железобетон, без дополнительных слоев). Преимущество этой схемы состоит в том, что конструкция является полносборной (обеспечивает быстрое строительство), но занимает полезную площадь помещения.

Рис. 2. Стальной каркас в качестве внутренней стеновой панели

Другая схема на Рисунке 3 имеет преимущество, т. к. она не занимает полезную площадь помещения, но является менее прочной частично полносборной конструкцией. Поперечное сечение фасада видно на Рисунке 4.

Рис. 3. Стальной каркас в качестве наружной фасадной системы

Рис. 4. Деталь поперечного сечения фасада

2.2. Типы фасадных систем с различными облицовками.

Основные составляющие фасадных конструкций: несущий каркас — представлен стальными элементами с прорезями, заполнитель в виде изоляционного материала между колоннами и балками, гипсовые плиты.

На основе этих составляющих размещаются другие слои: с внешней стороны дополнительная изоляция и различные облицовки (штукатурка, кирпич, стеновая кассета), на внутренний стороне пароизоляционный слой, балки Z-образного сечения и гипсокартон (они образуют зазор для креплений). На Рисунке 5 представлены конструктивные разрезы для трех разных типов облицовки:

Рис. 5: а) Фасад с облицовкой штукатуркой, b) Фасад с облицовкой кирпичом, c) Фасад с облицовкой стеновой кассетой

3. Параметры строительной физики.

В современном мире одним из важнейших свойств зданий являются их физические свойства, поэтому предпочтительно, чтобы эта фасадная система удовлетворяла параметрам строительной физики. Важнейшими свойствами строительной физики являются: теплопроводность, паропроницаемость, акустика и противопожарная защита, они должны быть рассчитаны, смоделированы и/или измерены.

Рис. 6. Схема теплопередачи сквозь стальную балку с прорезями

Как упоминалось ранее, хорошая теплопроводность стальных балок связана с прорезями в их полотне. Эти прорези располагаются перпендикулярно пути прохождения тепла, поэтому потребуется больше времени, чтобы тепло прошло сквозь стальные балки (Рисунок 6). Коэффициент теплопередачи (коэффициент U) для стальных балок без прорезей может быть на треть меньше от исходного значения коэффициента теплопередачи балок с прорезями [3].

3.1. Расчет теплопроводности фасада.

Расчет был выполнен с использованием программы HEAT3.

Были рассчитаны три типа фасадных систем с различной облицовкой в сравнении друг с другом, а также в соответствии со строительными нормами.

Исходными условиями являются:

‒ Геометрия стальных балок с прорезями, используемые в расчетах: толщина 1–1,2–1,5 мм, полотно 100–120–150–200 мм;

‒ Коэффициенты теплопроводности: сталь λ= 60 Вт/мК, изоляционный слой λ = 0,035 Вт/мК, гипсокартонный лист λ = 0,22 Вт/мК, штукатурка λ = 0,1 Вт/мК, кирпич λ = 0,7 Вт/мК, воздушный зазор λ = 1,0 Вт/мК, стеновая кассета λ = 58 Вт/мК;

‒ Коэффициент теплоотдачи поверхности равен h_e = 24, h_i = 6;

‒ Начальные температуры: T_i = + 20ºC, T_e = -13ºC, [4].

Возникает вопрос: как тепловые мостики, образующиеся за счет прорезей в балках, влияют на значения коэффициента теплопроводности фасадов. На Рисунке 7 более темным цветом показан тепловой мостик.

Рис. 7. Теплопроводность через фасад с облицовкой штукатуркой

Среднее значение коэффициента теплопроводности для разных фасадов, которые определяются из расчета, представлены на Рисунках 8 и 9. Результаты должны были быть ниже 0,45 Вт /м²К, что является верхним пределом нормируемого значения.

Пунктирные линии на Рисунке 8 показывают коэффициенты теплопроводности для следующих комбинаций слоев: гипсокартон — балки с жестким полотном (без прорезей) + изоляция — гипсокартон. Видно, что эта комбинация (менее 150 мм высотой) превышает требуемый уровень. Такая же комбинация слоев, но с балкой с прорезями находится на значении U = 0,45 Вт / ²K.

На Рисунке 9, помимо предыдущих результатов, три самые низкие кривые показывают полную информацию о фасадах (с оштукатуренной облицовкой, кирпичной облицовкой и облицовкой настенными кассетами, содержащими все необходимые слои). Были также рассчитаны фасады из балок с прорезями толщиной 1,2 мм. Видно, что коэффициент теплопроводности низкий, так как оштукатуренные и облицованные кирпичом фасады имеют дополнительный изоляционный слой по сравнению с фасадом, облицованным стеновой кассетой [4].

После этих расчетов внутренние и внешние температуры поверхности фасадов измерялись с помощью тепловизора для проверки, дают ли расчеты реальные результаты.

Рис. 8. Результаты расчетов — 1

Рис. 9. Результаты расчетов — 2

3.2. Тепловизионная съемка нового фасада.

Снимки с тепловизора были взяты с внешней и внутренней стороны фасада. Обследовались стены с оштукатуренным фасадом и облицовкой стеновой кассетой. На Рисунке 10 изображена тепловизионная съемка внутренней стены фасада с облицовкой штукатуркой. Тепловые мостики, появляющиеся из-за прорезей стальных балок показаны вертикальными линиями.

Балки вызывают разность температур в 1ºC (см. Рис. 11). Первое, наибольшее снижение температуры связано не с прорезями балок, а с крепежным элементом, который делает наибольший тепловой мостик. Этот результат указывает на то, что особое внимание следует уделять встроенным дополнительным крепежным элементам, т. к. они могут вызвать проблемы теплопроводности материала [5].

Рис. 10. Тепловизионная съемка внутренней стены фасада с облицовкой штукатуркой

Рис. 11. Температура поверхности на линии 1 (Li1)

Во время проведения тепловизионной съемки внутренняя температура составляла T_i=+20°C, внешняя температура T_e=+3,5 °C. Самая низкая температура на балках была T_θ =+19,0°С. Нормализованное значение температуры на тепловых мостиках, появившихся в местах прорезей балок было:

Q = ,

что является оптимальным значением и доказывает, что риск теплопроводности или паропроницаемости равен нулю.

4. Заключение.

В данной статье была рассмотрена легкая фасадная система с различными видами облицовок, включая конструктивные решения и разрезы. Проводилось исследование изменения теплопроводности трех видов легких фасадных систем (штукатурная облицовка, кирпичная облицовка, облицовка стеновой кассетой), состоящие из стальных балок с прорезями. Вычисленные значения коэффициентов теплопроводности для всех трех типов комбинаций слоев находятся на уровне нормируемого значения. Измеренные значения температуры также показали оптимальные значения, но исходя из показателей тепловизионной съемки, повышенное внимание должно уделяться дополнительным конструкциям (например, крепежным элементам), поскольку они могут оказывать отрицательное влияние на теплопроводность фасада.

Литература:

1. Csermely G. Lightweight buildings, technologies, TERC LTD, 2017.
2. Molnar T. Energy-conscious architecture, — a student’s scientific work, Pollack Periodica Vol. 3 No. 3, 2015, pp.31–44.
3. Varadi J. Development of lightweight facade, Diploma Work, Budapest University of technology and Economics, 2015.
4. Varadi J. Development of a facade system containing steel girders, PhD Symposium on Researches on the Faculty of Civil Engineering at Budapest University of Technology and Economics, 17th November 2016, Budapest, pp. 123–130.
5. Elek Toth. Development of lightweight facade systems containing slotted steel girders, Budapest University of Technology and Economics, December 2017.