До недавнего времени тепловая изоляция наружных стен рассматривалась как технологическая операция, выполняемая в соответствии с эмпирическим (в основном зарубежным) опытом таких работ.
Нормативным документом [1] система утепления переведена в разряд конструктивных элементов здания и поэтому должна соответственно проектироваться и рассчитываться. Однако до настоящего времени нормативные методики прочностного расчета элементов систем утепления, за исключением анкерных устройств, отсутствовали. Следовательно, отсутствовали и необходимые для выполнения таких расчетов сведения о деформационных свойствах теплоизоляционных материалов, клеев и полимерминеральных композиций.
Результаты проведенных в лабораториях УП “Институт НИПТИС” и БНТУ исследований прочностных и деформационных свойств материалов, применяемых в системах утепления, позволили разработать порядок прочностного расчета тепловой изоляции с применением метода конечных элементов и соответствующих компьютерных программ.
Армированный и декоративно-защитные слои легких штукатурных систем утепления рассчитываются на прочность и образование трещин при растяжении, изгибе и отрыве от теплоизоляционного материала. При этом учитываются усилия, возникающие от воздействия усадки, ветровых, температурных нагрузок и собственного веса.
Расчет выполняется методом конечных элементов с учетом податливости связей армированного слоя с теплоизоляционным материалом, а также податливости анкерных устройств. Конструкция может моделироваться стержневыми, плоскими или объемными конечными элементами. Их линейные размеры рекомендуется принимать не более 100 мм.
Величина податливости связей PD, Н/м, в методе конечных элементов принимается равной:
в направлении вдоль поверхности плит по формуле
PDY = G·l,
в направлении, перпендикулярном поверхности плит, по формуле
PDX = E·t,
где G – модуль сдвига теплоизоляционного материала вдоль поверхности плиты, кПа;
E – модуль упругости теплоизоляционного материала в направлении, перпендикулярном поверхности, кПа;
l – длина конечного элемента, м;
t – толщина теплоизоляционного материала, м.
Проверка прочности армированного и декоративно-защитного слоев исчисляется по величинам напряжений, полученным в результате расчета.
При использовании стержневых конечных элементов проверка прочности выполняется по формуле определения напряжений при действии осевой силы и изгибающего момента:
где Nk – продольная сила, кН;
Mk – изгибающий момент, кН·м;
Ak – площадь конечного элемента, м2;
Wk – момент сопротивления конечного элемента, м3;
Rp – кратковременный предел прочности при растяжении армированного и декоративно-защитного слоев, кПа;
Ru – кратковременный предел прочности армированного и декоративно-защитного слоев на изгиб, кПа.
Проверка прочности сцепления армированного слоя с утеплителем выполняется по формуле, определяющей величины напряжения при растяжении:
где Fk – реакция в податливой связи метода конечных элементов, кН;
Ak – грузовая площадь податливой связи метода конечных элементов, м2 ;
Ra – расчетный предел прочности сцепления клея и утеплителя или расчетный предел прочности утеплителя на растяжение в направлении, перпендикулярном поверхности, кПа.
Проверка прочности теплоизоляционного слоя легких штукатурных систем утепления выполняется по известным формулам, определяющим напряжения при растяжении или сдвиге:
на прочность при растяжении
на прочность при сдвиге
где qx и qy – составляющие расчетной нагрузки, направленные соответственно перпендикулярно и параллельно поверхности плиты, кПа;
Atp – площадь приклеивания плиты, м2;
Rр и Rсd – расчетные пределы прочности теплоизоляционного материала на растяжение в направлении, перпендикулярном поверхности плиты, и сдвиг в направлении, параллельном поверхности плиты, с учетом длительного времени воздействия нагрузки, кПа.
В случае, если прочность теплоизоляционного материала не обеспечена, необходимо устанавливать анкерные устройства. Их количество и жесткость назначаются исходя из результатов расчета.
В местах установки анкерных устройств податливость связей на изгиб принимается равной податливости анкерного устройства по формуле
PDa=Eu·la ,
где Eu — модуль упругости анкерного устройства при изгибе, кПа;
lа – расчетная длина анкерного устройства, м.
Анкерное устройство назначается из условия предельного прогиба свободного конца, которое не должно превышать 2 мм. При этом необходимо обеспечить прочность армированного и декоративно-защитного слоев при перераспределении и концентрации напряжений в местах установки анкерных устройств.
Апробация предложенного метода расчета выполнялась при разработке проектной документации и проведения работ по мониторингу системы “Фасад-Мастер” [2, 3]. По ее результатам предлагаемая методика расчета включена в проект нормативного документа [4], который прошел процедуру согласования в ведущих проектных институтах Республики Беларусь.
Использование данного метода расчета позволяет определить: требуемую прочность утеплителей и клеев; необходимость установки анкерных устройств, их количество и технические характеристики; необходимость устройства температурно-усадочных швов и т. д. В целом предлагаемая методика позволяет в ряде случаев оптимизировать конструктивные решения систем утепления, решить отдельные узлы и может быть полезна не только при разработке новых систем утепления, но и при проектировании тепловой модернизации стен конкретных зданий.
Литература
1. Пособие П3-2000 к СНиП 3.03.01-87 “Проектирование и устройство тепловой изоляции ограждающих конструкций жилых зданий”.
2. Проектирование и устройство систем теплоизоляции наружных стен зданий и сооружений “Фасад-Мастер”.
3. Отчет НИР “Натурные исследования конструкций системы утепления “Фасад-Мастер” на объекте по пр. Скорины, д. 123, к. 2 и к. 3. Стендовые, лабораторные исследования конструкций системы утепления “Фасад-Мастер”, испытания материалов и компонентов, применяемых для системы утепления”. УП “Институт НИПТИС”. Мн., 2005.
4. Проект ТКП “Проектирование и устройство тепловой изоляции наружных ограждающих конструкций зданий”.