Глава 6. Витражные системы остекления. Теоретические основы проектирования

В предыдущем разделе были рассмотрены возможности современных оконных систем, применительно к простейшему случаю - заполнению оконных проемов. В этом случае остекление выполняет чисто ограждающую функцию, а несущая способ­ность профильной системы и заполнения (стеклопакета, стекла, светопрозрачного пла­стика) практически не принимается к рассмотрению. Гораздо более сложной выглядит ситуация, связанная с необходимостью остекления больших поверхностей, как строго вертикальных, так и наклонных, т.е. в том случае, когда доля светопрозрачных ограж­дений в общей площади ограждающих конструкций помещения приближается к 100%, а оконные профили частично выполняют несущую функцию. Необходимость решения задач такого уровня сложности, как правило, связывается с устройством остекленных фасадов, зимних садов, торговых павильонов и т.п., для которых фирмами-производителями выпускаются специальные системы профилей. В дальнейшем такие профили будем называть системными.

В витражных системах применяются прочные, высоко технологичные профили, требующие минимального ухода и стойкие к атмосферным воздействиям. Сложившее­ся соотношение цен определяет два класса системных профилей по сложности. К пер­вому классу относятся зимние сады, небольшие торговые павильоны, сплошное ос­текление лестничных клеток, небольших участков стен, балконов, веранд и т.п. В этих случаях профиль не воспринимает больших статических нагрузок, но вместе с тем должен быть технологичным и удобным в монтаже. Предъявляемым требованиям на этом этапе вполне соответствуют ПВХ-профили, а более дорогой алюминий использу­ется реже. Ко второму классу относятся остекленные фасады многоэтажных админист­ративных зданий, купола и своды, а также фонари верхнего света большой площади. В таких конструкциях однозначно используются алюминиевые профили, разнообразие которых предоставляет широкий набор возможностей для архитектора.

Совершенно очевидно, что в рамках данного пособия не представляется возможным проанализировать и оценить все многообразие системных профилей и витражных кон­струкций, подход к разработке и проектированию которых значительно отличается у различных производителей.

В отдельную группу могут быть вынесены светопрозрачные межкомнатные перего­родки, не являющиеся наружными ограждениями, но, вместе с тем, относящиеся к группе витражных конструкций по своей конструктивной схеме и характеру воспри­нимаемых статических и динамических нагрузок.

Приведем краткое описание основных групп витражных конструкций, обозначив принципиальные подходы к проектированию, характерные для каждой из них. По­скольку основное внимание в книге уделено оконным системам из поливинилхлорида, имеет смысл в процессе изложения более подробно остановится на специфике приме­нения профильных ПВХ -систем в данной конкретной области.

ФАСАДНЫЕ СИСТЕМЫ

Под фасадными системами будем понимать системы оконных профилей, специ­ально разработанные для создания сплошного остекления как на отдельных участках фасада здания, так и по всей его плоскости. При этом все фасадные системы включа­ют в себя группу специальных профилей для светопрозрачной кровли, выполняемой из стекла или прозрачного пластика.

Фасадные системы воспринимают значительные по величине ветровые нагрузки; на профили воздействуют собственный вес стекла и температурные напряжения. В местах стыковки образующих элементов (профильной системы и заполнения) остекленные фасады могут промокать под сильным дождем.

Профильные системы из поливинилхлорида, обладающие значительным коэффици­ентом температурного расширения (см. главу 1) и малой жесткостью рамных элемен­тов, определяемой технологией их изготовления (см. раздел 5.1), имеют очень ограни­ченные возможности при применении их в фасадных системах. ПВХ в этой области уступает алюминию почти по всем показателям, за исключением более высоких тепло­защитных качеств. В любом случае, остекленная стена на основе профильной системы из ПВХ, будет иметь более высокое приведенное термическое сопротивление по срав­нению со своим аналогом, выполненным на основе алюминия.

Следует отметить, что у всех наиболее крупных производителей ПВХ-профилей существуют интересные и привлекательные разработки в области фасадных систем, которые будут рассмотрены ниже в настоящем разделе.

По своему конструктивному решению, технологии возведения и способу создания архитектурной композиции фасадные системы делятся на стандартные, структурные и полу структурные.

Стандартные фасады (рис. 6.1) характеризуются наличием выраженного поэле­ментного членения. Наружная плоскость навесных ригелей и стоек выходит за плос­кость остекления, а цвет и форма завершающих планок является важным элементом архитектурной композиции. Крепление остекления осуществляется механическим спо­собом при помощи штапиков и специальных планок.

Заполнение ячеек между несущими конструкциями может осуществляться глухим остеклением, открывающимися окнами или непрозрачными сэндвич-панелями, пред­ставляющими собой жесткий экструдированный пенополистирол, облицованный пла­стиком.

На рис. 6.1 показано конструктивное решение стандартного фасада, выполненного из алюминиевых профилей. Несущая стоечно-ригельная система образована стойками (поз.1) и поперечинами (поз.2), соединяемыми при помощи специального элемента. Нагрузка от собственного веса остекления воспринимается опорным элементом, через который передается на ригель. Крепежные болты, устанавливаемые с шагом 300 мм по горизонтали и вертикали, вкручиваются в нарезанную в профилях стоек и ригелей резьбу, проходя через несколько рядов теплоизолирующих полиамидных элементов. Количество рядов изолирующих перемычек при этом определяется толщиной остекле­ния.

Структурные фасады (рис. 6.2) представляют сложные конструктивные системы, основной идеей которых является создание сплошной гладкой поверхности остекления с минимально выраженным членением. Остекление прикрепляется к несущим элемен­там при помощи специального клея, а элементы навесной стоечно-ригельной системы полностью находятся за плоскостью остекления.

Рис. 6.1. Стандартная фасадная система алюминиевых профилей (Yawal FA 60). Вертикальный разрез 1 - ригель, 2 - стойка, 4 - наборные полиамидные элементы, 5 - опорный элемент для стеклопакета, б - уплотнители, 7 - за­вершающий профиль, 8 - монтажная накладка

 

Большинство систем структурного остекления характеризуются наличием дополни­тельной рамной конструкции, на которую навешиваются фасадные стеклоблоки, обра­зуемые стеклопакетом с приклеенным к нему крепежным алюминиевым профилем. На рис. 6.2 показано вертикальное сечение элементов структурного фасада Elegance 52 Vek бельгийской фирмы RC (Remi Claeys Aluminium). В нижней части клееные стеклоблоки устанавливаются на опорный кронштейн (поз.З), а в верхней, через про­межуточную раму (поз.8), фиксируются крепежным элементом (поз. 12). Нагрузка от веса остекления, таким образом, сводится на центральный крепежный болт, вкручи­ваемый в профиль несущего ригеля (поз. 13) с нарезанной резьбой. Внизу створка до­полнительно фиксируется рычагом (поз.11).

Полуструктурные фасады (рис. 6.3) занимают соответственно промежуточную позицию и сочетают в себе как архитектурные, так и конструктивные черты стандарт­ных и структурных фасадов. Полуструктурный фасад отличается наличием видимых алюминиевых кромок, обеспечивающих защиту краевых участков стеклопакета.

Наряду со сложностью конструкции, системы структурного и полуструктурного ос­текления обладают и рядом несомненных достоинств по сравнению со стандартными. Они более красивы и выразительны с архитектурной точки зрения, при этом, в отличие от стандартных фасадов, не имеют выраженных «мостиков холода», так как металл практически не соприкасается с наружным воздухом. В системах структурного остек­ления все участки стеклопакета, включая его краевые зоны, находятся в одинаковых условиях работы по отношению к температурным деформациям, что значительно сни­жает вероятность их разрушения в процессе эксплуатации. По сравнению со стандарт­ными системами в структурных обеспечивается более эффективная защита от атмо­сферных воздействий, включая систему водоотвода. Важным преимуществом струк­турных фасадов является возможность монтажа остекления «изнутри», гораздо более дешевого по сравнению с единственно возможным «наружным» монтажом фасадов стандартных (рис. 6.4). В силу возможности монтажа «изнутри» остекление такого ти­па имеет более широкие возможности по применению в зданиях повышенной этажно­сти.

Таким образом, основу любой фасадной системы (как стандартной, так и структур­ной) составляют стальные стойки, как правило коробчатого сечения, закрепляемые на несущих элементах здания - стенах, перекрытиях, колоннах. На стойки от плоскости фасада передается ветровая нагрузка, а также нагрузка от собственного веса остекле­ния, воспринимаемая горизонтальными ригелями профильной системы. При этом кон­струкция остекления в целом может быть рассмотрена как единая оболочка, навеши­ваемая на несущие конструкции здания. В силу такого построения, характерного для всех фасадных систем, их называют еще навесными фасадами.

Как уже было отмечено, серьезным препятствием для применения ПВХ в фасадных конструкциях является подверженность профильной системы значительным темпера­турным деформациям. Ограничения по размерам элементов, накладываемые произво­дителями профилей, не позволяют делить фасад на остекленные ячейки большой площади, что, в свою очередь, ограничивает и творческие возможности архитектора.

Интересной идеей в области, разработки фасадных систем из ПВХ представляется разработка концерна "Veka" - система Veka Artline (рис. 6.6). В этой системе про­филь створки (наиболее чувствительный к температурным воздействиям), полностью закрыт со стороны улицы профилем рамы или импоста. Таким образом, на наружной поверхности створочного профиля в зимнее время создаются положительные темпера­туры. При этом отсутствие резких перепадов температур на внутренней и наружной поверхностях профиля исключает его значительные температурные деформации.

Рис. 6.2. Система структурного остекления Elegance 52 Vek (RC). Вертикальный разрез. 1 - стеклопакет, 3 - упорный страховочный кронштейн, 4 - уплотнители для ос­текления, 5 - эластичная бутиловая лента, 6 - крепежные алюминиевые профи­ли, склеиваемые со стеклопакетом, 7 - структурный силиконовый клей, 8 - рамно-створочные алюминиевые профили, 9 - центральное уплотнение, 10 - внутреннее уплотнение, 11 - рычаг с затворной пластиной, 12 - элемент для крепления створки, 13 - несущий горизонтальный алюминиевый ригель, 14 - камера для крепления фурнитуры

Структурные и полуструктурные фасады выполняются из алюминиевых профилей, а в стандартных могут использоваться как алюминиевые, так и комбинированные (ПВХ + алюминий) профили. Примером такой системы может служить фасадная сис­тема Rehau S 701, элементы которой показаны на рис. 6.5. Из рисунка нетрудно заме­тить, что эта система имеет тот же принцип построения, что и стандартные алюминие­вые фасады (см. рис.6.1).

В системе Veka Artline устраняется и другая серьезная проблема, характерная для всех без исключения стандартных фасадов (как из ПВХ, так и из алюминия). При при­мыкании глухого участка к открывающемуся создается асимметричная композиция, которая не всегда может быть удачно вписана в единый архитектурный облик. В сис­теме Veka Artline глухие и открывающиеся участки снаружи выглядят одинаково, что создает возможность произвольно размещать открывающееся остекление, не нарушая общего ритма фасада.

Статический расчет фасадных систем производится по специальным компьютер­ным программам, разрабатываемым фирмами-производителями профилей. При этом следует отметить, что на сегодняшний день в России не существует единой методики, позволяющей рассчитывать параметры микроклимата помещений, находящихся за стеклянной стеной (с точки зрения теплотехники, инсоляции и акустического режима).

Уже сейчас отдельными производителями системных алюминиевых профилей раз­работаны специальные конструктивные решения, направленные на повышение тепло­защитных качеств профильных систем, их огнестойкости, а также различные меро­приятия по использованию остекленных фасадов как аккумуляторов солнечной энер­гии в энергосберегающих технологиях.

Рис. 6.5. Фасадная система Rehau S 701. Сопряжение открывающегося окна с глухим участком остекления (горизонтальный разрез): 1 - стойка из оцинкованной стали, 2, 2' - профили декоративной облицовки стойки, 3 - Т-образный свя­зующий профиль (лизеновый профиль), 4 - сквозной соединительный болт, 5, 5' - алюминиевые накладки (штульпы), б - рама окна, 7 - створка, 8, 8' -штапики, 9 - уплотнители, 10 - стеклопакеты, 11 - прокладка для распреде­ления напряжений

Рис. 6.6. Профильная система Veka Artline. Вертикальный разрез. 1 - вертикальный импост; 2 - профиль створки

ЗИМНИЕ САДЫ

Под современным понятием «зимний сад» будем понимать помещение, образован­ное легкими светопрозрачными конструкциями стен и кровли, пристроенное к зданию, занимающее площадь на его верхних этажах или отдельно стоящее. Помещение зимне­го сада (рис. 6.7) может использоваться непосредственно как оранжерея для круглого­дичного произрастания теплолюбивых растений, а также для любых других функций, предусмотренных в жилом или административном здании (помещение для бассейна, тренажерного зала, отдыха, кафе, комната переговоров и др.). При этом, независимо от функционального назначения, в таких помещениях обеспечивается особое, специфиче­ское чувство зрительного контакта с окружающей средой, а городская застройка или прилегающий парк становятся своеобразным элементом интерьера.

В зависимости от объемов помещения, его расположения и функционального на­значения, а также от пожеланий заказчика, зимние сады могут выполняться как в алю­минии, так и в ПВХ. При этом, независимо от варианта исполнения стен, в конструк­ции светопрозрачной кровли ПВХ используется в комбинации с мощными стальными элементами (в основном коробчатого сечения), выполняющими роль несущих стро­пильных конструкций.

В настоящее время у различных производителей профильных систем из ПВХ мож­но проследить два принципиальных подхода к проектированию зимних садов. Первый базируется на их сборке из элементов простой оконной системы, дополненной набором различных усилительных, соединительных, поворотных и удлинительных профилей, а также стропильными конструкциями кровли. Второй, более дорогой вариант. Преду­сматривает применение фасадной системы.

В отличие от навесных фасадов, для зимнего сада, представляющего собой сплош­ную светопрозрачную тонкостенную оболочку, характерно отсутствие мощных несу­щих элементов здания (стен, перекрытий, колонн), на которые может быть перераспре­делена ветровая нагрузка.

Наиболее сложный случай представляет вариант отдельно стоящего, либо пристро­енного к зданию зимнего сада. В этом случае, помимо нагрузок от ветра, снега и собст­венного веса остекления следует принимать во внимание и усилия, воздействующие со стороны грунта.

В любом случае, выбор той или иной системы профилей, применяемой для остекле­ния больших поверхностей, должен исходить из необходимости обеспечения про­странственной работы всего сооружения в целом.

Следует отметить, что позиция производителей ПВХ-профилей по отношению к зимним садам носит сложный и неоднозначный характер. Многие крупные производи­тели (в частности концерн "VEKA") считают, что применение ПВХ в конструкции светопрозрачной кровли является неоправданным, и уступают эту сферу производите­лям алюминиевых систем. Концерны "Rehau" и "Thyssen" имеют специально разрабо­танные системы зимних садов (ПВХ +алюминий) с проработанными конструктивными элементами кровли, описанными ниже.

С точки зрения потребностей рынка, вторая позиция несомненно заслуживает большего понимания. С точки зрения строительного проектирования, нам следует бо­лее внимательно присмотреться к первой.

Из всех наружных ограждающих конструкций здания конструкция кровли является наиболее подверженной воздействию избыточной солнечной радиации летом и обле­денения зимой. При малых уклонах на кровле скапливается снег, водоотвод с нее ста­новится затрудненным.

Как уже отмечалось в предыдущих главах, светопрозрачные конструкции обладают гораздо более низким термическим сопротивлением по сравнению с глухими участка­ми наружных стен и покрытий. Поэтому теплопотери через светопрозрачную кровлю будут ощутимыми по величине. В связи с этим можно говорить о том, что в суровом российском климате обледенения кровли зимнего сада можно избежать лишь при ус­ловии сдувания с нее снега, т.е. при значительных уклонах и максимально гладкой по­верхности заполнения, имеющей малую адгезионную способность (стеклопакеты с флоат-стеклом).

В настоящее время в России применяются светопрозрачные кровли из стекла или поликарбоната.

• Поликарбонаты - твердые, бесцветные вещества - синтетические полимеры, продукты взаи­модействия двухатомных фенолов и производных угольной кислоты. Наиболее распростра-. нен поликарбонат, получаемый из дифенилолпропана и фосгена -[С ₆ Н ₄ С(СН₃) ₂ С₆ Н ₄ OСО-]n. Поликарбонаты прочны, оптически прозрачны, морозостойки, являются хорошими диэлектриками.

В светопрозрачных конструкциях используются поликарбонаты, как сплошные, так и имеющие ячеистую структуру.

Таблица 6.1

Физические характеристики сплошных листовых поликарбонатов

Объемный вес, кг /м3
Теплопроводность, Вт/(м К)	0.2 - 0.22
Коэффициент температурного расширения, 1/°С	60 х 10 -6
Модуль упругости, Н/м2	2,4 -100 х 10 9
Предел прочности при растяжении, Н/м2	57 - 80 х 10 6
Предел прочности при сжатии, Н/м2	80 -85 х 10 6
Предел прочности при изгибе, Н/м2	90 - 110 х 10 6
Коэффициент светопропускания	0.80 -0.85

 

При заполнении ячеек между несущими элементами профильной системы стекло-пакетами, разница коэффициентов температурного расширения ПВХ и стекла (см. гла­ву 1), за счет накопления остаточных деформаций в профиле, находящемся под нагруз­кой, неизбежно приведет к разуплотнению стыков между элементами остекления и профильной системы и появлению протечек.

Время наступления подобной ситуации будет определяться такими факторами, как:

- уклон кровли;

- качество монтажа (строгое соблюдение проектных размеров и геометрии, а также монтажных допусков в стыках между элементами);

- качество используемых монтажных материалов (уплотнительных лент, герметиков и т.п.);

- химический состав ПВХ, используемого в профильной системе;

- пространственная работа сооружения, схема закрепления узловых точек (жесткая или шарнирная) элементов и их свободная длина.

При использовании в качестве заполнения панелей из поликарбоната, в конструк­ции кровли оказываются два материала, близких друг к другу по коэффициенту темпе­ратурного расширения (80 х 10 ^-6 1/°С у ПВХ и 60х 10 ^-6 1/°С у поликарбоната). Поэтому необходимо стремиться к максимально малым ячейкам между профилями, что в конст­рукции кровли удается реализовать крайне редко. Как правило, при уклоне кровли свыше 30 ° применяются листы поликарбоната, длиной более 4 м. Лист, укладываемый по скату кровли, должен иметь возможность свободной подвижки при нагревании-охлаждении во всех четырех направлениях. При этом можно заметить очевидное про­тиворечие, заложенное непосредственно в конструкции профильной системы.

Уплотнители в любой системе (см. главу 1 рис.1) предназначены для того, чтобы обеспечить максимально плотную фиксацию стеклопакета в профиле для предотвра­щения проникновения атмосферной влаги в окно. Лист поликарбоната, зажатый между двумя контурами уплотнения, не может иметь свободные подвижки за счет возникаю­щего трения. В результате при резких суточных колебаниях температур в жаркие лет­ние дни, поликарбонат, уложенный на крыше зимнего сада, получает периодические выгибы из плоскости, и, при накоплении остаточных напряжений, коробится.

В зимнее время температура на внутренней поверхности кровли из поликарбоната, имеющего ячеистую структуру (термическое сопротивление порядка R=0.4-0.5м ^{2 0}С/Вт) будет близка к температуре воздуха внутри помещения (+16 - +18 °С), температура на наружной поверхности будет составлять - 24 °С - (-26) °С. Зная коэффициент темпера­турного расширения поликарбоната, можно рассчитать прогиб кровли, возникающий под воздействием зимнего перепада температур. На рис. 6.9 показана схема, иллюстри­рующая пример расчета прогиба панелей из поликарбоната (в одной плоскости) при следующих исходных данных:

ширина листа - 1225 мм, толщина - 16 мм;

температурный перепад между внутренней и наружной поверхностями - 40 °С (на­ружная температура - (-24 °С), внутренняя - (+16 °С);

коэффициент температурного расширения (КТР) - 6.5 х 10 ^-5 [1/°С]

Согласно нормам DIN, прогиб панелей светопрозрачной кровли не должен превы­шать 8 мм. Из рис. 6.9 видно, что расчетный прогиб, составивший в данном примере 31.5 мм, превышает допустимый почти в четыре раза. Дополнительно отметим, что эта величина получена без учета нагрузки от снега.

Приведенные выше рассуждения говорят о том, что применение полимерных мате­риалов в конструкции светопрозрачной кровли прежде всего связано с проблемами долговечности. При этом может быть поставлена под сомнение сама вероятность ис­пользования поликарбоната как конструктивного материала для сооружений, долго­вечность которых должна быть максимально приближена к сроку службы основного здания (многоквартирного жилого дома, коттеджа, офиса и т.д.).

Коробление и прогибы, вызванные температурными деформациями и снеговой на­грузкой, могут набрать критические значения уже в первый год эксплуатации кровли, что соответственно, приведет к разуплотнению стыков с профильной системой, нерав­номерному отводу воды и протечкам.

Следует отметить, что существуют специальные системы на основе алюминиевых профилей и уплотнений, позволяющих свободные температурные подвижки поликар­боната, предназначенные для устройства навесов над бензоколонками, торговыми ря­дами и т.п. При этом, как правило, предполагается арочная форма покрытия, в которой гибкий лист поликарбоната будет работать наиболее эффективно.

Таким образом, наибольшее число проблем, возникающих при проектировании зимних садов, связано с устройством светопрозрачной кровли, как с точки зрения профильной системы, так и заполнения. Кроме того, на сегодняшний день остаются практически нерешенными вопросы температурно-влажностного режима и вентиля­ции. Не могут быть перенесены из технической документации немецких производите­лей значения снеговых нагрузок в силу существенной разницы климатических условий России и Германии. Поэтому, несмотря на реально высокий спрос, существующий на зимние сады, и уже определенно набранный опыт (в основном отрицательный) по их установке, трудно говорить об окончательной, полностью сформированной методике проектирования, позволяющей безошибочно реализовать весь путь от приема заказа до монтажа. Можно выделить лишь некоторые минимально необходимые основные эта­пы.

При разработке общего архитектурно-конструктивного решения зимнего сада, при­нимаемого на основании расчетов на действие статических нагрузок (ветер, собствен­ный вес остекления, снег), необходимо проработать следующие основные элементы:

- план расстановки стоек, образуемых несущими профилями оконной системы;

- схему фасадов с расстановкой элементов их горизонтального членения (поперечи­ны, внутренние и наружные накладки в стеклопакетах и др.), а также с указанием типа открывания окон и расположения непрозрачных участков (сэндвич-панели и ДР.)*;

* Согласно рекомендациям концерна "Rehau" зимний сад должен иметь 40% открывающихся окон для обеспечения нормального режима вентиляции.

- спецификацию применяемых стеклопакетов с указанием типа стекол, толщин распорных рамок, типа применяемых мастик и технологии их нанесения *,

* В стеклопакетах, применяемых в наклонной кровле, недопустимо использование технологии хот-мелт, поскольку возможно сползание верхних стекол.

- теплотехнических, светотехнических и звукоизоляционных характеристик.

- план кровли с раскладкой стропильных профилей, а также с указанием открывающихся мансардных окон;

- характерные разрезы;

- конструктивные детали сопряжения элементов оконной системы, в которые (при необходимости) могут быть включены элементы других оконных систем, а также нестандартные детали, индивидуально разрабатываемые проектировщиком;

- общестроительные конструктивные элементы и детали (примыкание светопрозрачных конструкций к стенам и кровле существующего здания, конструкция фундаментов и т.п.).

Пример разработки общего архитектурно-конструктивного решения зимнего сада приведен на рис. 6.10.

Рис. 6.10,а. Разработки общего архитектурно-конструктивного решения зимнего сада. Фасад