Некоторые особенности применения НВФ в различных климатических и сейсм - Облицовочные материалы

Зачастую многих обманывает видимая простота конструкций навесных фасадных систем (НФС)
Но существует множество нюансов их применения, которые нельзя игнорировать. Каждый случай требует определенных расчетов, так как даже на двух абсолютно одинаковых зданиях зачастую необходимо использовать различные схемы подконструкции из-за отличающихся характеристик облицовки, или других толщин утеплителя, или из-за того, что объекты находятся в разных ветровых районах и т.д.
Сегодня мы рассмотрим некоторые особенности в подходе к проектированию НФС применительно для различных климатических и ветровых зон, сейсмических районов.

Ветровые и весовые нагрузки
Основными нагрузками, воздействие которых постоянно испытывают конструкции НФС, являются вес облицовки и давление ветра. Весовые нагрузки могут существенно различаться от 7-10 кг/м2 для металлических линеарных панелей, до 100 кг/м2 для натурального камня толщиной 40 мм и более.
Ветровые нагрузки существенно зависят от высоты здания, типа местности и ветрового района и рассчитываются в соответствии со СНиП «Нагрузки и воздействия». На определенных высотах усилия от действия ветра могут значительно превышать весовую составляющую нагрузок на конструкции НФС.
Нагрузки, воздействующие на облицовку и передаваемые на конструкции НФС, существенно возрастают с высотой здания и многократно увеличиваются в зависимости от ветрового района. Так давление ветра на высоте 25 м и 100 м различаются более чем в 1,5 раза, а в VII-м ветровой районе оно в 3,5 раза больше чем в I м.
Кроме того в расчетах необходимо учитывать и тип местности. Так в СНиПе «Нагрузки и воздействия» приводятся коэффициенты, учитывающие изменение ветрового давления от высоты, существенно различные для 3-х типов местности:
А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, сельские местности, в том числе с постройками высотой менее 10 м, пустыни, степи, лесостепи, тундра;
В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
С - городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м.
Игнорирование требований СНиПа приводит в результате к плачевным результатам. Яркий пример этого – последние обрушения фасадов во Владивостоке. В спешке при устройстве множества фасадов не были проведены необходимые прочностные расчеты и нарушена технология монтажа. В результате каждый серьезный порыв ветра приводит к новым обрушениям.
Кроме расчета элементов подконструкции на основное сочетание нагрузок, необходим также расчет на особое сочетание, который учитывает кратковременные – гололедные и особые – сейсмические нагрузки.

Гололедня нагрузка
Гололедная нагрузка на элементы облицовки в значительной мере зависит от типа и расположения местности (горные районы, районы у водоемов с высокой влажностью), температурно-влажностных параметров воздушной среды, наличия ветра. В связи с этим, нагрузку от обледенения следует принимать либо по фактическим данным, либо считать в соответствии со СНиП «Нагрузки и воздействия». Многие в расчетах пренебрегают этим видом нагрузок, хотя в определенных случаях толщина стенки гололеда может составлять десятки миллиметров, а ее вес значительно превышать собственный вес облицовки.
Методика определения сейсмических нагрузок на каркас фасадных систем не может рассматриваться как вполне самостоятельная. Фасадные системы, опираясь на стены здания, которые выполняют для каркаса системы роль основания, непосредственно с ними не взаимодействуют, сейсмические нагрузки, действующие на них, вторичны. Ввиду малости жесткости каркаса и масс фасадных систем влияние их на сейсмостойкость самого здания невелико. Включать фасадные системы в алгоритм расчета здания бесполезно, хотя с другой стороны результаты сейсмического расчета несущих конструкций здания для фасадных систем являются определяющими. Инерционные сейсмические нагрузки, действующие на каркасы фасадных систем, определяются колебаниями здания, на котором они установлены.

Методики сейсмического расчета зданий и сооружений
В настоящее время сейсмический расчет зданий и сооружений проводится в соответствии со СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах». В нем говорится, что расчеты зданий и сооружений на особые сочетания с учетом сейсмических воздействий можно выполнять по двум методикам. Во-первых, на нагрузки, определяемые в соответствии с линейно-спектральной методикой (ЛСТ), основанной на разложении движения здания или сооружения по собственным формам колебаний. Другой расчетный метод – с использованием инструментальных записей ускорения основания, наиболее опасных для данного здания или сооружения, а также синтезированных акселерограмм (динамический анализ).
Расчет по первой методике следует выполнять для всех зданий и сооружений. Другую методику следует использовать при проектировании особо ответственных сооружений.
Обе методики должны отражать одни и те же явления в конструкции и давать примерно одинаковые результаты, но на практике результаты расчета по линейно-спектральному методу и на акселерограмму отличаются. Объясняется это, прежде всего тем, что нормативный расчет по ЛСТ содержит большее количество допущений и условностей, расчет на акселерограмму является более точным, но и более трудоемким, поэтому применяется довольно редко. Поэтому большая часть зданий в России была спроектирована и проверена на сейсмостойкость в соответствии с линейно-спектральной методикой.
В результате расчета с использованием обобщенных или при наличии данных микросейсморайонирования уточненных спектров отклика на грунте на отметках здания получаем максимальные ускорения отметок для всех участвующих в расчете собственных частот здания.
Расчет здания или сооружения производится независимо по каждой из компонент сейсмического воздействия, определяемых весом рассчитываемых элементов (то есть подконструкции с облицовкой), высотой здания и сейсмическим районом. По результатам расчета максимальная расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка сравнивается с расчетной ветровой нагрузкой. Если сейсмическая нагрузка превышает ветровую, то дополнительно к расчету на основное сочетание, проводится проверка конструкции каркаса и на особое сочетание нагрузок.
При проведении испытаний на сейсмические нагрузки, компании – производители подсистем получают заключения, которые характеризуют конкретную схему закрепления конкретных элементов, примененную на испытательном стенде. Но каждый объект является уникальным, как и схема крепления подконструкции применяемая на нем. Поэтому, чтобы делать выводы о возможности применения определенного решения на фасаде необходимо для каждого конкретного случая проводить отдельный расчет на особое сочетание нагрузок.
Прочностные расчеты, проводимые при проектировании НФС должны подтверждать не только несущую способность конструкции подсистемы, но и крепежа. Для каждого объекта необходимо производить расчет с учетом предельных усилий на вырыв анкера, полученных в результате испытаний на конкретном объекте. При таких расчетах используются весьма значительные коэффициента запаса во избежание риска обрушения всей конструкции фасада.

Воздействие атмосферной среды на НФС
Кроме механических воздействий на фасад также необходимо учитывать и другие факторы. Огромное влияние на долговечность и надежность конструкций НФС оказывают агрессивные воздействия окружающей среды. Так для одного и того же материала срок эксплуатации в слабоагрессивной среде и в условиях приморской атмосферы могут различаться в 2,5 раза.
Районы расположения зданий, на которых устанавливают вентилируемые фасады, могут существенно отличаться по агрессивности воздействия атмосферной среды. Устройство фасадов производственных зданий с агрессивной средой и зданий особого назначения, расположенных в прибрежных районах больших соленых водоемов и т.п. должно осуществляться по специальному проекту с учетом особенности окружающей среды для каждого конкретного случая.
Сегодня мы можем использовать экспериментальные данные коррозионного износа металлов для двух случаев: под навесом или под открытым небом. Скорость коррозии металлов при испытании под навесом, т.е. защищенных от прямого воздействия атмосферных осадков, в среднем на 30 % меньше, чем под открытым небом, а при испытаниях в контакте с пористыми строительными материалами - на 30 - 50 % выше. Условия эксплуатации НВС являются промежуточными между открытым воздействием в атмосфере и под навесом, но из соображений безопасности целесообразно ориентироваться на данные, характерные для поведения металлов при отсутствии защиты.
В конструкциях НФС используются три материала: нержавеющая сталь, оцинкованная сталь и алюминиевые сплавы. Алюминий и оцинкованная сталь, как менее коррозионностойкие, требуют дополнительной защиты. Так сплавы алюминия подвергаются анодированию, а оцинкованная сталь, не смотря на слой цинка, дополнительно защищается полимерным покрытием. Но любая поверхностная защита может быть повреждена в процессе монтажа.
Элементы подсистемы постоянно взаимодействуют с атмосферной средой, контактируют с плитами утеплителя, стеной основания, облицовкой и между собой. Поэтому, при проектировании НФС необходимо выбирать материалы, которые обеспечат безремонтную эксплуатацию на протяжении всего срока службы. При прямом контакте разнородных металлов, например, коррозионностойкой стали с алюминиевым сплавом, в условиях увлажнения возможно образование пар контактной коррозии, в результате чего резко ускоряется локальный коррозионный износ металла, имеющий более отрицательный электрохимический потенциал, в данном случае, алюминиевого сплава. Особенно этот момент надо учитывать при эксплуатации металлоконструкций в среднеагрессивной атмосфере – городской влажной промышленной и приморской средах. Так в приморской атмосфере анодированный на толщину 10-12 мкм алюминиевый сплав 6063 в контакте с оцинкованной стальной заклепкой подвергся расслаивающей коррозии за 6 лет эксплуатации (см.рис). Изделия из не анодированного алюминиевого сплава обладают значительно меньшей стойкостью к коррозии и, следовательно, более короткий срок эксплуатации.
Наиболее частым следствием применения разнородных материалов в одной конструкции является возникновение контактной и щелевой коррозии. Гораздо менее очевидной, но более опасной для надежности конструкции является возможность развития в зоне контакта «локальной» коррозии, которая может привести в итоге к «выкрашиванию» крепежа.
Кляммеры, используемые для крепления облицовочных фасадных плит, являются ответственными конструктивными элементами, которые необходимо изготавливать из коррозионностойких сталей. Поэтому, в случае применения направляющих из алюминия постоянно возникает проблема контакта разнородных материалов. Во избежание контактной коррозии необходимо изолировать места контакта, например, путем применения полимерных непроводящих шайб или прокладок из твердого долговечного материала. Однако подобные мероприятия существенно усложняют процесс монтажа и на практике, к сожалению, практически не применяются.

Подытоживая все вышесказанное, необходимо отметить, что НФС являются ответственными конструкциями и требуют к себе соответствующего профессионального отношения. Выбор типа и схемы крепления НФС должен опираться не на соображения о сиюминутной выгоде, а на основательный анализ условий конкретного объекта. Существует множество нюансов, которые необходимо учитывать при проектировании и монтаже НФС, и климатические и сейсмические особенности района строительства предъявляют свои требования к конструкциям НФС, игнорирование которых может стать фатальным.

Компания «ОЛМА»
123060, г. Москва, ул. Берзарина, д.36. стр.2
тел. +7(495) 276-10-10
www.ol-ma.ru