3. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕН РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

Рассмотрим условия применения тех видов металлических стен, которые имеют широкую перспективу использования в практике отечественного строительства. Первое условие их применения вытекает из ограничений расхода металла в строительстве, установленных действующими «Техническими правилами по экономному расходованию основных строительных материалов» (ТП 101-76). Если требования этого нормативного документа соблюдены, то большинство других условий применения конструкций определяются спецификой размещаемого в здании производства. Так, создаваемый технологическими процессами температурно-влажностный режим внутреннего воздуха определяет, в сочетании с соответствующими климатическими параметрами и с учетом действия вентиляции, возможность и условия применения конструкций с точки зрения теплотехнических требований (сопротивление теплопередаче, паропроницаемость и др.). Огнеопасность производства и возможность, по технологическим соображениям, разделения помещений брандмауэрами определяют противопожарные условия применения конструкций. Возможное поступление агрессивных агентов (паров, пыли и т. п.) во внутреннюю и внешнюю воздушную среду зданий обусловливает необходимый уровень долговечности конструкций и характер их антикоррозионной защиты.

Целесообразность устройства Металлических стен, их конструкция и отделка во многом зависят от архитектуры здания и решений его фасадов, которые тоже тесно связаны с характером размещаемого в здании производства. Опыт проектирования свидетельствует о том, что для применения металлических стен обычно не удается рационально приспособить решения фасадов, разработанные для устройства стен из других материалов. В таких случаях требуется коренное перепроектирование фасадов, что не всегда возможно, если не пересматривать проект в целом. При выборе вида металлических стен исходят из совокупности условий эксплуатации и сравнительной технико-экономической оценки различных конструкций применительно к конкретному объекту с учетом условий осуществления строительства — наличия и структуры производственной базы, трудовых ресурсов, транспортных условий.

1. Теплотехнические условия

Теплотехнические условия применения конструкций выражаются установленными минимальными расчетными температурам» наружного воздуха, для которых конструкция с определенным видом и толщиной утеплителя может быть использована при заданной температуре и относительной влажности воздуха в помещениях.

Для металлических стен, конструкции которых одобрены для использования в строительстве одноэтажных производственных зданий, теплотехнические условия приведены в табл. 6.

При пользовании табл. 6 следует иметь в виду, что по условию теплоустойчивости стены с толщиной утеплителя, 50, 60, 80 и 100 мм могут применяться в местностях со среднемесячной температурой самого жаркого месяца не выше соответственно 20, 22, 25 и 28 °С.

Данные табл. 6 не полностью характеризуют возможную область применения приведенных в ней конструкций. Так, для всех зданий, в которых относительная влажность воздуха в помещениях составляет до 50%, дана одна величина расчетной температуры наружного воздуха. Между тем имеется немало зданий с относительной влажностью 35, 40 и 45%, при которой указанные конструкции могут быть применены в условиях более низких температур наружного воздуха. То же относится ко многим зданиям с нормируемой температурой в помещениях ниже +18 °С, а тем более к тем, для которых оба рассматриваемых параметра ниже, чем в таблице. Кроме того, необходимо учитывать, что в конструкциях стен послойной и полистовой сборки толщина утеплителя может быть увеличена. Теплотехнический расчет металлических стен с эффективной теплоизоляцией выполняют по указаниям главы СНиП II-A.7-71 «Строительная теплотехника» и дополнениям к ней. Сопротивление теплопередаче ограждения R₀, м²•ч°С/ккал, должно удовлетворять условию

Температура внутренней поверхности наружных стен t_в.п в местах теплопроводных включений (конструкций стыков, соединений обшивок и креплений их к несущим конструкциям) должна быть не ниже температуры точки росы. Температуру t_в.п определяют из расчета температурного поля. При этом для теплопроводных включений с площадью поперечного сечения не более 1 см² за расчетную температуру наружного воздуха можно принимать температуру наиболее холодной пятидневки (см. табл. 1 главы СНиП II-A.6-72). Для районов со среднемесячной температурой июля 20 °С и выше проверяю теплоустойчивость стен согласно требованиям пп. 3.2-3.5 СНиП II-A.7-71 и при необходимости увеличиваю толщину теплоизоляции.

Некоторые из приведенных условий теплотехнического расчета были установлены после издания чертеже конструкций, одобренных для применения в строительстве. Несмотря на то что эти чертежи не полностью соответствуют измененным нормативным требованиям, было признано возможным дальнейшее использование и без корректировки.

При индивидуальном проектировании стен и использовании для них пенопластов следует учитывать, что со временем теплопроводность таких стен повышается. В ФРГ строительное общество (г. Штутгарт) проводило лабораторные исследования образцов стен и обследование стен трехэтажного здания из панелей, утепленных пенополиуретаном и облицованных с наружной стороны асбестоцементными листами, а с внутренней — гипсовой сухой штукатуркой. Установлено что термическое сопротивление стен снижалось за год на 4—5% и за время испытаний (3 года) не стабилизировалось (рис. 71). Предполагается, что это явление связано с тем, что газ, образовавшийся при изготовлении пенопласта в его порах, диффундирует наружу и замещается воздухом.

Конструкции стен (см. табл. 6), предназначенные дл: зданий, в помещениях которых относительная влажности воздуха не превышает нормальной (60%), не имеют пароизоляционного слоя. В практике индивидуального проектирования металлических стен для некоторых объектов, в частности в конструкциях послойной укрупнительной сборки для здания стана «2000» Череповецкого металлургического завода, предусматривался пароизоляционный слой в виде полимерной пленки (см. рис. 40), хотя влажность в помещениях этого здания был ниже нормальной. В некоторых зарубежных конструциях послойной сборки, в частности в шведских (см рис. 28), такой слой тоже предусматривается независимо от уровня влажности внутреннего воздуха. Однако как показали исследования, при нормальной влажности воздуха в помещениях влагонакопления в утеплителе и происходит благодаря вентиляции через продухи, образуемые профилями металлических листов обшивок стен

Приведенные данные табл. 6 для стен из трехслойных панелей (шифр 773-74) не отражают теплотехнических свойств стыка между ними. Эксплуатационные свойства стыка определяют экспериментально. Причем достовернее оцениваются форма стыка, характеристики уплотняющих и герметизирующих материалов (которые могут быть выявлены в лабораториях), чем его эксплуатационные свойства в целом, на которые большое влияние оказывает качество монтажа. Это особенно относится к таким свойствам, как непроницаемость стыка для ветра и осадков. Степень непроницаемости зависит от плотности прокладки и прилегающих к стыку материалов панели, а также надежности контакта между ними.

Изменение формы и разгерметизация стыка могут происходить вследствие упругой деформации панелей под воздействием пульсирующей ветровой нагрузки, намокания и последующего высыхания материалов заполнения, температурной деформации уплотнителя и панели, потери прочности и упругости уплотнителя и герметика под воздействием солнечного облучения (особенно ультрафиолетового) и температуры.

При проектировании стыка между панелями следует учитывать все влияющие на его эксплуатационные свойства факторы: климатические воздействия снаружи и внутри помещения; изменяющееся напряженное состояние панелей; возможность вибрации их; усадки и т. п. Соответственно этому должны оцениваться важнейшие для надежной службы стыков свойства уплотнителей и герметиков — способность к температурной деформации, усадке (или разбуханию), к сохранению постоянства формы, прочность, пористость. Уплотнительные материалы должны хорошо сохранять в конструкции свою первоначальную форму, обладать высокой, не зависящей от температуры прочностью, быть химически стойкими и инертными по отношению к контактирующим с ними поверхностям.

Для уплотнения стыков в различных странах часто используются упругие профили тех или иных форм, изготовляемые из пластмасс: эластомеров и термопластов.

К эластомерам относятся натуральный каучук, стиролбутадиенкаучук, бутилкаучук, полихлоропрен, этиленпропилен, силикон, а к термопластам — поливинилхлорид, полиэтилен, полиамид и некоторые другие пластмассы.

Свойства некоторых распространенных видов указанных пластмасс приведены в табл. 7 [55], откуда видно, что этиленпропилен и полихлоропрен обладают многими преимуществами перед поливинилхлоридом, благодаря которым они получили широкое применение в строительстве.

Пластмассовые профили для уплотнения стыков производятся в различных странах в широком ассортименте. Наиболее распространены профили в виде круглых и овальных трубок, применяются также прямоугольные многопустотные профили, фасонные накладки, заделываемые в пазы стыкуемых панелей, и различные зажимные прокладки, как, например, в стыках типа «Снаг-Сим» панелей «Элпли» (см. рис. 60).

В отечественной практике для уплотнения стыков в стенах сборных конструкций используются главным образом два вида материалов: пороизоловые и гернитовые жгуты. Пороизоловые жгуты изготовляют по ГОСТ 19177—73. Их получают вулканизацией газонаполненной антисептированной резиновой смеси, изготовленной из каучуксодержащего сырья, мягчителя, наполнителя и антисептика. Пороизоловые жгуты марок А, Б, В выпускают круглого сечения (диаметром 20, 30, 40, 50 и 60 мм), а также прямоугольного или овального сечения (размерами 30x40 и 40x60 мм). Физико-механические свойства пороизоловых жгутов приведены в табл. 8.

Жгуты марки Б выпускаются длиной 3000 и 3200 мм, а марки В — 3000 и 6000 мм. Для марки А длина не нормируется, но установлено, что масса одного жгута не должна быть больше 30 кг. Температурные пределы эксплуатации пороизоловых прокладок от —40 до + 70°С. Перед укладкой в стыках эти прокладки должны быть покрыты тонким слоем резино-битумной мастики, с помощью которой они приклеиваются также к поверхностям стыкуемых элементов. В конструкциях пороизоловые прокладки должны быть защищены от атмосферных воздействий.

Гернит, изготовляемый по ВТУ 32-65 ГИПСМ, представляет собой пористый эластичный жгут со сплошной водонепроницаемой пленкой на поверхности. Он изготовляется из полихлоропренового каучука — наирита, мягчителей и пластификаторов (масла ПН-6, дибутилфталата), наполнителя (мела), вулканизирующих добавок и активаторов (серы, окиси магния, цинковых белил) и противостарителей (неозина Д). Основные свойства гернитовых жгутов следующие: сжатие в рабочем состоянии 30—50%, относительное удлинение 150%, водопоглощение за сутки не более 5%), объемная масса в пределах 300—750 кг/м³. Согласно «Указаниям по герметизации стыков при монтаже строительных конструкций» (СН 420-71), свойства гернита должны сохраняться при температурах от —40 до +70°С, но некоторые предприятия-изготовители, в частности Песковский комбинат стройматериалов Главмособлстройматериалов, указывает интервал от —26 до +50°С. Это предприятие выпускает гернитовые жгуты диаметром 30—40 мм, длиной 2,5 м.

В ряде случаев уплотнительные профили выполняют и функцию герметика. Это в основном относится к пустотелым — круглого и прямоугольного сечения — профилям, укладываемым в горизонтальные швы, в которых они обжаты весом вышележащих панелей. Но и в горизонтальных, а особенно в вертикальных, стыках уплотнительные пластмассовые профили сочетаются часто с герметизирующими мастиками.

Для правильного выбора мастик применительно к конкретным условиям эксплуатации предложен ряд классификаций мастик. Каждая из этих классификаций отражает всю совокупность свойств мастик (химический состав, прочность сцепления с основанием, усадку, относительное удлинение, долговечность и др.), но в качестве классификационного признака выделяет какое-то одно из них. Так, в США в одной из классификаций мастики разделены на семь групп исходя из условий их отверждения: мастики, отверждающиеся в присутствии влаги воздуха (однокомпонентные полиуретановые и силиконовые); мастики, отверждающиеся в присутствии отвердителя (полисульфидные) и др. [72]. Существует в США и другая классификация, подразделяющая мастики на шесть групп, с выделением способа их применения: мастики, вносимые в стык шприцем, наносимые шпателем и т. п.

Представляет интерес одна из классификаций, используемых в ФРГ [72]. Она тоже отражает многие свойства мастик, выделяя их деформативность (рис. 72), выраженную модулем упругости М — величиной напряжения, соответствующего относительному удлинению 100%. Исходя из этого, различаются группы мастик эластичных (М>3 кгс/см²), эластично-пластичных (1,5≤М<3 кгс/см²), пластично-эластичных (0,5≤М<1,5 кгс/см²) и пластичных (0,2≤М<0,5 кгс/см²).

Следует отметить, что график на рис. 72 построен на основании лабораторных данных. В натурных условиях относительное удлинение мастик редко превышает 20%. Кроме того, показанные на диаграмме зависимости характерны в значительной мере для температуры в лаборатории, а при существенно отличающихся температурах они могут выглядеть по-другому. Однако деформативность мастик с учетом температуры, при которой они должны служить, является важным параметром для всех классификаций, так как во многом определяет поведение во времени этих материалов в условиях эксплуатации.

Развитие деформаций пластичных мастик (на основе масел) при периодическом расширении и сужении герметизируемого стыка показано схематически на рис. 73 [51], откуда можно сделать вывод о том, что такие материалы могут применяться при малых ожидаемых колебаниях размера стыка (порядка 3%) и в основном для временной герметизации (на 1,5—3 года). Эластичные мастики на основе полисульфидного и силиконового каучуков, полиуретана, композиций эпоксидной смолы и полисульфидного каучука после снятия с них напряжения восстанавливают первоначальную форму и поэтому разрываются редко. Но при более или менее резком возрастании напряжения в мастике между последней и поверхностями стыкуемых элементов образуются трещины. Поэтому наиболее широко используются мастики эластично-пластичные, требования к которым, состав и свойства определяются соответствующими нормативными документами. В США, например, имеется стандарт на эластично-пластичные мастики на полисульфидной основе, а также технические условия фирмы «Тиокол кемикал», требования которых более жестки.

Герметизирующие мастики, применяемые в отечественном строительстве, разделяются на два основных вида: нетвердеющие и вулканизирующиеся. Представителем первого вида является полиизобутиленовая мастика марки УМС-50 (ГОСТ 14791—69), которая в виде нетвердеющей густовязкой массы изготовляется из высокомолекулярного полиизобутилена, минерального масла и тонкоизмельченного минерального наполнителя (мела). Эта мастика светло-серого цвета, с водопоглощением за сутки не более 0,8% и объемной массой 1100—1500 кг/м³. Относительное удлинение при испытании по указанному стандарту должно быть не менее 10%, что соответствует относительному удлинению при разрыве 200% в случае испытания образцов на разрывной машине. Основные свойства этого материала должны сохраняться в интервале температур от —50 до +70°С. Мастику УМС-50 слоем 2—3 мм наносят с помощью шприца по уплотнителю стыка из пороизола или другого материала в разогретом состоянии до температуры 80—120 °С (в зависимости от температуры воздуха во время производства работ).

К виду вулканизирующихся мастик относятся тиоколовые и бутил каучуковые мастики. Тиоколовая мастика У-3Ом (ГОСТ 13489—68) черного или серого цвета должна соответствовать следующим показателям: относительное удлинение 150—170%, водопоглощение за сутки не более 0,01%, объемная масса 1600—2000 кг/м³, сохранение основных свойств в интервале температур от —40 до + 70°С. Эту мастику приготовляют из нескольких компонентов незадолго (за 1,5—2 ч) до применения и наносят с помощью шприца или шпателя слоем 2—3 мм по подоснове из пороизола, гернита или просмоленного каната.

Тиоколовую мастику марки ГС-1 приготовляют из других компонентов, но по основным свойствам и условиям применения она практически не отличается от мастики У-30м.

Бутилкаучуковая мастика серого цвета, относительное удлинение ее 150—200%, водопоглощение за сутки должно быть не более 0,015%, объемная масса 1200 кг/м³. Основные свойства этой мастики должны сохраняться в интервале температур от —50 до +60°С. Условия ее применения — подоснова и средства нанесения такие же, как у тиоколовых мастик.

Тщательное конструирование стыков, правильный подбор и расположение уплотнителей и герметиков важны как для стен из трехслойных, так и из каркасных панелей. Результаты проведенного ЦНИИпромзданий натурного обследования стен из каркасных панелей конвертерного цеха № 2 Западно-Сибирского металлургического завода показаны на рис. 74, откуда видно, что температура по толще стены распределяется так, что уровень ее на внутренней поверхности (точка 5) вполне достаточен (15,4°С). То же относится и к температуре внутренней поверхности стены в зоне ригеля, которая в точках 7 и 8 равна 16,9 °С. В зоне же стыка (см. рис. 74, б) уровень температур резко снижен (до 3,7 °С в точке 3), что может при колебаниях влажности внутреннего воздуха приводить к образованию конденсата. Если же такой опасности не существует для этого объекта, то принятая теплоизоляция панелей избыточна и конструкция стен в целом неэкономична. Дефект конструкции стыка состоял в том, что для его уплотнения использовали минераловатные прокладки без герметика, которые к тому же не заполняли промежуток между элементами каркаса панели, а располагались у его внешней плоскости.

В стенах послойной сборки (полистовой и укрупни- тельной) сравнительно проще, чем в панельных конструкциях, предотвратить местные ослабления в теплотехническом отношении, поскольку вполне возможно обеспечить непрерывность теплоизоляции.

Но, как показали натурные обследования стен послойной укрупнительной сборки, при недостаточно тщательном конструирование и в таких стенах проявляются ослабленные места.

Распределение температур по толще и внутренней поверхности стены здания Челябинского завода профилированного настила показано на рис. 75. На некоторых участках внутренней поверхности стены (точка 5) была обнаружена обследованием недопустимо низкая темперу тура (8,3 °С). Это связано, с одной стороны, с тем, что горизонтальный разрыв (у протяженного уголка «а» слоя плит утеплителя, прилегающего к внутренней обшивке, невозможно было перекрыть плитами второго слоя в местах расположения уголков-коротышей «б».

С другой стороны, видимо, сказалась переоценка конструкторами теплоизоляционных свойств прокладки между уголками «а» и «б». На всех других участках стен, где ничего не препятствовало перекрытию горизонтальных и вертикальных стыков одного слоя плит плитами второго слоя, никаких отрицательных явлений в распределении температур не обнаружилось.

Обследование стен здания отделения отделки горячекатаных рулонов прокатного цеха № 2 Череповецкого металлургического завода также показало неудовлетворительное распределение температур по внутренним поверхностям конструкции (рис. 76). Как видно из рис. 76,а, температура в зоне крепления ограждающей части стен к ригелю (точки 5 и 6) составила всего лишь 6,8 и 4,9 °С. Совершенно недопустимые уровни температур наблюдались на неправильно сконструированном подоконном участке стены (см. рис. 76, б).

Арон Шаевич Дехтяр
Облегченные конструкции металлических стен промышленных зданий
1979