Навесные фасадные системы с утеплением и воздушным зазором.
diat@air.rcnet.ru Авторы: Д.т.н. В.Г.Гагарин, Гл. н. с. НИИСФ
К.т.н. А.В.Грановский, Заведующий сектором ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко
К.т.н. М.О.Павлова, С. н. с. ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко
Навесные фасадные системы с утеплением и воздушным зазором (именуемые в дальнейшем для простоты "навесные вентилируемые фасады") известны в России сравнительно недавно, но в ряде стран (например, в Германии и Финляндии) уже накоплен достаточный опыт их использования в общественных, административных и промышленных зданиях, а также при реконструкции домов.
Едва появившись в России, вентилируемые фасады сразу завоевали популярность, как у архитекторов и строителей, так и среди заказчиков. На это есть свои причины, о которых речь пойдет ниже, но сначала попытаемся дать определение.
Навесные фасадные системы с утеплением и воздушным зазором представляют собой конструкцию, состоящую из облицовки (плит или листовых материалов) и металлической подконструкции, которая крепится к стене таким образом, чтобы между облицовкой и стеной образовалась воздушная прослойка. Для дополнительного утепления ограждающей конструкции между стеной и облицовкой может размещаться теплоизоляционный слой - в этом случае воздушная прослойка выполняется между облицовкой и теплоизоляцией.
Подоблицовочная конструкция может крепиться как на несущую, так и на самонесущую стену, выполненную из различных материалов (бетон, кирпич и т.д.). Использование навесных конструкций позволяет, с одной стороны, "одеть" фасад в современные отделочные материалы, а с другой - улучшить теплоизоляционные показатели ограждающей конструкции и защитить ее от вредных атмосферных воздействий.
Вентилируемые фасады применяют не только в новом строительстве, но и при реконструкции старых зданий.
Общие сведения.
Как уже упоминалось, в вентилируемом фасаде отдельные слои конструкции располагаются следующим образом (от внутренней поверхности к наружной): ограждающая конструкция (стена), теплоизоляция, в некоторых случаях паропропускающая гидроветрозащитная пленка, воздушная прослойка, защитный экран. Такая схема является оптимальной, т.к. слои различных материалов до воздушной прослойки располагаются по мере уменьшения коэффициентов теплопроводности и увеличения коэффициентов паропроницаемости. Наличие вентилируемой воздушной прослойки способно существенно улучшить влажностное состояние слоя теплоизоляции, что является преимуществом рассматриваемой конструкции по сравнению с другими.
Наружное расположение дополнительной теплоизоляции наилучшим образом защищает стену от попеременного замерзания и оттаивания. Выравниваются температурные колебания массива стены, что препятствует возникновению деформаций. Из-за того, что в толще несущей стены практически отсутствуют перепады температур, температурно-деформационные швы работают в минимальной степени и весь конструктив функционирует в оптимальном режиме. Зона конденсации сдвигается в наружный теплоизоляционный слой, который граничит с вентилируемой воздушной прослойкой.
Другим достоинством наружной теплоизоляции является увеличение теплоаккумулирующей способности массива стены. В этом случае при отключении источника теплоснабжения стена будет остывать в несколько раз медленнее, чем при внутреннем расположении слоя теплоизоляции такой же толщины.
Совместное применение навесного вентилируемого фасада и теплоизоляционного слоя существенным образом повышает звукоизоляционные характеристики ограждающей конструкции, поскольку фасадные панели и теплоизоляция обладают звукопоглощающими свойствами в широком диапазоне частот (например, звукоизоляция стены из легкого бетона повышается в 2 раза при устройстве навесного фасада с применением облицовочных панелей).
Наличие воздушной прослойки в вентилируемом фасаде принципиально отличает его от других типов фасадов, т.к. внутренняя влага свободно удаляется в окружающую среду. Вентилируемая воздушная прослойка снижает также и теплопотери в отопительный период, т.к. температура воздуха в ней несколько выше, чем снаружи. В свою очередь, наружный экран из отделочных материалов защищает расположенный за ним слой теплоизоляции, а также саму стену, от атмосферных воздействий. Летом он выполняет функцию солнцезащитного экрана, отражающего значительную часть падающего на него потока лучистой энергии.
Для обеспечения пожарной безопасности в систему навесных фасадов включаются материалы и изделия, относящиеся к категории негорючих (НГ) либо трудногорючих (Г1), препятствующие распространению огня. Кроме того, в соответствии с существующими нормативными документами, системы вентилируемых фасадов должны проходить обязательные пожарные испытания, на которых определяется максимальная высота применения системы и ее пожарная пригодность.
Основные достоинства вентилируемых фасадов:
возможность использования современных фасадных облицовочных материалов;
высокие тепло- и звукоизоляционные характеристики;
вентиляция теплоизоляционного слоя обеспечивает удаление влаги, образующейся в результате диффузии водяного пара изнутри здания;
защита стены и теплоизоляции от атмосферных воздействий;
нивелирование термических деформаций;
возможность проведения фасадных работ в любое время года - исключены "мокрые" процессы;
отсутствие специальных требований к геометрическим параметрам несущей стены (не требуется предварительное выравнивание);
длительный срок безремонтной эксплуатации (25-50 лет в зависимости от применяемого материала).
На основании приведенной информации можно сделать вывод, что вентилируемый фасад является современной прогрессивной системой, которую можно применять как для новых, так и для реконструируемых зданий.
Элементы вентилируемого фасада.
Металлическая подконструкция (фахверк) состоит из кронштейнов, которые крепятся непосредственно к стене, и несущих профилей (направляющих), устанавливаемых на кронштейны, к которым при помощи специальных крепежных элементов прикрепляются плиты (листы) облицовки. Утеплитель фиксируется на наружной поверхности стены при помощи дюбелей, специальных профилей и т.п.
Основное предназначение подконструкции - надежно закрепить плиты облицовки и теплоизоляции к стене таким образом, чтобы между теплоизоляцией и облицовочной панелью осталась воздушная прослойка. При этом исключаются клеевые и другие "мокрые" процессы, а все соединения осуществляются механически.
Подконструкция должна обладать:
высокой коррозионной устойчивостью;
несущей способностью и прочностью, способными противостоять статическим (собственный вес конструкции, включая вес панелей и утеплителя) и динамическим (пульсирующая составляющая ветровой нагрузки, температурные перепады и т.д.) нагрузкам;
возможностью нивелирования кривизны основания (несущих стен);
простотой и высокой скоростью монтажа и т.д.
На российском рынке представлено большое количество различных подконструкций, как западных, так и отечественных производителей. Наиболее широкое распространение получили следующие системы:
Россия - ДИАТ, АЛКОН ТРЕЙД (U-kon), МОСМЕК завод металлоконструкций (КТС), ТЕХНОКОМ, ГРАНИТОГРЕС и др.;
Австрия - SLAVONIA (SPIDI), EUROFOX;
Германия - WAGNER-SYSTEM.
Системы всех перечисленных производителей могут с успехом применяться для вентилируемых фасадов. Они, с достаточной степенью вероятности, удовлетворяют требованиям к подконструкциям, сформулированным выше. При этом в каждой системе есть своя "изюминка" - особая конструкция того или иного элемента, которая позволяет особенно эффективно решать ту или иную задачу:
нивелировать неровности кривизны основания (несущих стен);
минимизировать "мостики холода";
обеспечивать возможность крепления мелкоразмерной облицовки без существенного удорожания подконструкции;
Необходимо также остановиться еще на одном, весьма существенном, моменте. К сожалению, на сегодняшний день уровень качества строительства в России еще не достиг европейских стандартов, поэтому при сооружении вентилируемых фасадов в нашей стране приходится сталкиваться с проблемами, которые незнакомы западным производителям конструкций (например, значительные неровности несущих стен). Это приводит к тому, что импортные системы (даже очень высокого уровня) приходится приспосабливать к российским условиям.
Объективная оценка требований, которым должна удовлетворять подконструкция, позволяет понять, насколько сложной и ответственной частью фасада она является. Именно поэтому каждая система должна проходить очень серьезную проверку.
В процессе расчета подконструкции необходимо учитывать целый ряд данных, например:
местонахождение (открытое пространство, плотная застройка и т.п.);
высота, конфигурация и тип здания;
вид материала несущей стены, толщина и тип утеплителя, тип облицовки и способ ее крепления (видимый, невидимый);
особенности среды (слабо-, средне- или сильноагрессивная) и т.п.
Следует особо подчеркнуть, что расчет конструкций вентилируемого фасада должны выполнять только специалисты.
Анкерные крепления - одни из важнейших элементов конструкции, обеспечивающие механическое крепление кронштейнов подконструкции к стене. К ним предъявляются самые высокие требования: прочность заделки в стенах из различных материалов при действии продольных и поперечных (относительно оси анкера) сил, долговечность, сохранение физических свойств в условиях высоких или очень низких температур и т.д. Диаметры анкеров (дюбелей и шурупов), а также глубину их заделки выбирают исходя из усилий, действующих на кронштейн крепления конструкции к стене в зависимости от величины сил, направленных вдоль (усилие вырыва) и перпендикулярно (срезающее усилие) оси анкера и материала стены, в которую устанавливается данный тип анкера.
Теплоизоляция.
Утеплитель, используемый в конструкциях вентилируемых фасадов, должен обладать следующими свойствами:
являться долговечным, устойчивым к старению материалом;
быть биологически стойким;
иметь разрешение органов пожарного надзора на применение в вентилируемых фасадах;
сохранять стабильную форму в течение всего периода эксплуатации здания;
В качестве теплоизоляции в вентилируемых фасадах используют минераловатные утеплители, изготовленные из влагостойкой и водоотталкивающей каменной (базальтовой) или стеклянной ваты. Эти материалы наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к изоляции, и уже более тридцати лет применяются во всем мире в составе вентилируемых фасадов. Данный факт позволяет уверенно говорить о них как о долговечном, устойчивом к старению строительном материале (по крайней мере, в течение срока службы здания в различных климатических зонах).
Минераловатные утеплители биологически устойчивы - не подвержены воздействию различного вида грибков, влагостойки и, являясь по структуре пористым материалом, прекрасно поглощают шум. С точки зрения пожарной безопасности, они классифицированы как негорючие (НГ) или трудносгораемые (Г1) материалы (в зависимости от конкретной марки материала).
Теплоизоляционные плиты могут быть кашированными и некашированными. Некашированный материал должен иметь достаточно высокую плотность наружного слоя. С нашей точки зрения допустимо применение кашированного материала только с приклеенной (а не просто натянутой) стеклотканью либо нетканым геохолстом (типа Tayvek).
Tayvek, являясь пароизоляционным материалом с односторонней проводимостью влаги из конструкции стены в направлении улицы, защищает таким образом утеплитель от увлажнения, при этом пары из помещения беспрепятственно выходят в вентилируемое пространство.
Каширование (как и слой утеплителя высокой плотности) служит для существенного уменьшения движения воздуха внутри утеплителя и, как следствие, улучшения его теплотехнических свойств. Может также применяться минераловатная плита с двойной плотностью либо комбинированный утеплитель с двумя слоями различной плотности: более плотный слой устанавливается к внешней стороне фасадных конструкций, менее плотный - непосредственно на несущую стену.
Все ведущие производители минеральной ваты, представленные на российском строительном рынке, предлагают изделия для применения в конструкциях вентилируемых фасадов, например:
ЗАО "Минеральная вата" (российское отделение компании Rockwool) - утеплитель из каменной ваты марки "ВЕНТИ БАТТС";
компания Paroc (Финляндия) - серию утеплительных материалов из каменной ваты "WAS 35", "WAS 35t", "WAS 45" и др;
концерн Saint-Gobain (Франция) - утеплители из стекловолокна и каменной ваты марки "ISOVER";
российско-германское предприятие "Флайдерер-Чудово" - плиты из стекловолокна марок "URSA" П-35, П-45, П-60.
Облицовочные изделия. Облицовочные материалы в конструкции вентилируемого фасада выполняют защитно-декоративную функцию. Они защищают утеплитель, подконструкцию и стену здания от повреждений и атмосферных воздействий. В то же время облицовочные панели, являясь внешней оболочкой здания, формируют его эстетический облик. В настоящее время существует большой выбор фасадных панелей для облицовки стен здания. Кроме внешнего вида они отличаются между собой по материалу, размеру, типу крепления (видимое, невидимое), стоимости и т.д.
Список материалов, используемых для изготовления панелей, постоянно пополняется: это металлы, композитные материалы, бетоны, фиброцементы (цементно-волокнистые материалы), керамический гранит, а также стекло со специальным покрытием, ламинат высокой плотности и т.п. Защитно-декоративные изделия могут имитировать традиционные материалы (камень, дерево, кирпич) или подчеркивать современность и необычность за счет применения металла, цвета, фактуры и т.д. Облицовочные панели крепятся к подконструкции при помощи скрытых или видимых элементов крепежа.
Большое разнообразие отделочных материалов для навесных фасадов дает архитектору поистине безграничные возможности для решения эстетических задач.
Проблемы, возникающие при проектировании и строительстве вентилируемых фасадов.
Вентилируемые фасады, как конструкции из штучных материалов, весьма критичны к расстоянию между окнами (по вертикали и горизонтали). Разная ширина простенков более заметна, чем при штукатурной отделке, т.к. видна "пошаговость" облицовки. Кроме того, это обстоятельство приводит к значительному удорожанию работ из-за значительного количества подрезки плитки.
Справка. Керамогранит - материал очень твердый (относительная твердость 8 по шкале Мооса), поэтому ресурса алмазного диска, стоимостью 100 у.е. (например, производства HILTI), хватает, в среднем, на 50 - 70 м пог. реза плитки. Большое количество подрезки может привести к общему удорожанию фасада до 4 у.е./ м²(!).
Огромное значение имеет правильный выбор материала стены. С нашей точки зрения большой ошибкой является использование для закладки стеновых проемов сильнопористых материалов с малой несущей способностью анкерных креплений. Применение таких материалов не оправдано, в первую очередь, по экономическим соображениям, поскольку их тепловая эффективность ниже, чем тепловая эффективность минеральной ваты, используемой в качестве утеплителя.
Рассмотрим пример расчета разницы стоимости объекта с вентилируемым фасадом при применении для заделки стеновых проемов разных материалов - кирпичной кладки из цельного кирпича толщиной 25 см и блоков из ячеистого бетона толщиной 20 см (плотность 600 кг/м³). При расчетах будем пользоваться прил. 3 СНиП II-3-79* для условий "б" (lкирпич = 0,81 Вт/м °C, lяч.бетон = 0,26 Вт/м °C, lминвата = 0,043 Вт/м °C). Несложный расчет показывает, что для получения одинакового приведенного сопротивления теплопередаче стены R, в случае применения цельного керамического кирпича вместо ячеистого бетона толщина минераловатного утеплителя (к примеру, "KL-E" фирмы Изовер) возрастает всего на 2 см (!). Таким образом, это приводит к удорожанию на 0,4 у.е./м². Разница в стоимости материала - еще 0,1 у.е./м². Увеличение несущей способности плиты перекрытия (из-за разницы в объемном весе) - еще максимум 1 у.е. на 1 м² фасада. Вывод: общее удешевление от применения ячеистого бетона составляет 1,5 у.е./м².
Теперь рассмотрим удорожание. Рассчитаем на примере кронштейнов фирмы ДИАТ со средним выносом от стены на 25 см. Собственный вес системы (включая керамогранит (толщина 10 мм, объемный вес 2400 кг/м³) и утеплитель (совмещенный вариант "KL-E" (толщина 100 мм, объемный вес 20 кг/м³)+ Ventiterm Plus (толщина 50 мм, объемный вес 80 кг/м³) итого 150 мм)) составляет, в пересчете на конец кронштейна 25,8 кг. За счет Г-образной формы кронштейна, по соотношению плеч (25/8), получаем вырывающее усилие анкера (при базовом количестве 1,75 кронштейнов на 1 м² стены) - 46,07 кгс/шт. (80,62 кгс/м²). В соответствии с нормативными документами коэффициент запаса изменяется от 3 до 6 в зависимости от материала стен. С учетом коэффициента запаса для анкерных креплений 6 (по материалам фирмы HILTI) получаем 276,42 кгс (483,74 кгс/м²). Таким образом, при несущей способности анкерного крепления в ячеистом или пенобетоне не более 50 кгс, получаем увеличение количества кронштейнов на 4,3 шт./м² относительно базовой (!!!), что приводит к удорожанию на 16 у.е./м².
Применение вместо анкерных креплений сквозных шпилек, а также проведение мероприятий, направленных на исключение промерзания стены, может снизить эту цифру до 5 у.е./м². В итоге убытки по общей стоимости строительства здания составляют 3,5 у.е./м². И это не учитывая того, что использование сквозных шпилек исключает внутреннюю штукатурку стен до окончания фасадных работ или требует применения гипсокартона на относе, что, в свою очередь, уменьшает полезную внутреннюю площадь и увеличивает общую стоимость. А в жилищном строительстве такое решение просто неприемлемо.
Наружная облицовка вентилируемого фасада за счет воздушного зазора и утеплителя является эффективным акустическим экраном. При этом нельзя забывать, что сам зазор является акустической трубой и любые звуки, производимые в нем, будут распространяться практически по всему фасаду (в пределах одной плоскости). В первую очередь это относится к каширующему материалу. Дело в том, что на данный момент существуют два принципиальных решения, оба из которых официально разрешены. Первое - кашированный утеплитель, второе - некашированный. В случае применения кашированного утеплителя также имеется два официально разрешенных варианта: первый - применение утеплителей, кашированных приклеенной мембраной, и второй - когда мембрана натягивается цельными холстами большой площади по некашированному утеплителю при монтаже прямо на стене. Второе решение, с нашей точки зрения, порочно. Дело в том, что натянуть пароизоляционную мембрану так, чтобы можно было гарантировать отсутствие "хлопков", - практически невозможно. Соответственно эти "хлопки" будут слышны на большой площади.
Применение систем крепления из алюминиевых сплавов. При кажущейся привлекательности применения таких систем, они имеют ряд проблем:
Температура плавления алюминия 630-670 °С (в зависимости от сплава). Температура при пожаре на внутренней поверхности плитки (по результатам испытаний Центра противопожарных исследований ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко) достигает 750°C. Это может привести к расплавлению элементов подконструкции и обрушению части фасада (в зоне оконного проема). Для корректного решения этой проблемы необходимы специальные мероприятия: установка защитных экранов, замена части алюминиевых элементов подконструкции на стальные, применение особой конструкции оконных обрамлений и т.п. Это, кроме возможного образования гальванических пар, приводит к удорожанию и "сводит на нет" многие преимущества алюминиевых подсистем.
Несущая способность алюминия и его сплавов может быть разной. Так, например, предел прочности sв (несущая способность) алюминиевого сплава АД-31 - 18 кг/мм², алюминиево-магниевого сплава АМг6 - 31 кг/мм². Для примера, предел прочности стали 3-40 кг/мм², а нержавеющей стали 12х18Н10Т - 55 кг/мм². Кроме того, необходимо учитывать, что из всех алюминиевых сплавов только АД-31 поддается процессу экструзии, а алюминиево-магниевые сплавы практически никогда не бывают экструзионными. Проектировщикам, при выборе и расчете системы, с нашей точки зрения, необходимо учитывать эти показатели для определения толщины металла и количества кронштейнов на 1 м².
Приведенное сопротивление теплопередаче стены. Этот параметр характеризует теплозащитные свойства стены и нормируется СНиП II-3-79*. Он равен условному сопротивлению теплопередаче стены (без учета теплопроводных включений), умноженному на коэффициент теплотехнической однородности (который не может превышать единицу). Коэффициент теплотехнической однородности определяется влиянием теплопроводных включений и показывает эффективность использования теплоизоляции - чем он меньше, тем большая толщина теплоизоляции требуется для обеспечения требуемого сопротивления теплопередаче стены. А ведь толщу утеплителя при навесной конструкции пронизывают неоднородные металлические включения. И чем они массивнее, чем выше коэффициент теплопроводности металла, чем больше их количество и площадь сечения, приходящаяся на 1 м² стены, тем толще (относительно расчетного) должен быть слой утеплителя, необходимый для компенсации их влияния.
Например, усредненный коэффициент теплопроводности (l) нержавеющей стали 12х18Н10Т - 40 Вт/(м °С), а сплава АД-31 - 221 Вт/(м °С). Таким образом, сплав АД-31 является ЗНАЧИТЕЛЬНО лучшим проводником холода внутрь утеплителя. Необходимо также учитывать, что предел прочности алюминия приблизительно в 3 раза меньше, чем у нержавейки, т.е. для достижения той же несущей способности системы необходимо либо применять материал в три раза большей толщины, либо ставить кронштейны в три раза чаще. Если некорректно учесть эти параметры, то можно "свести на нет" все преимущества вентилируемого фасада (т.к. могут появиться промерзания по стенам, выпадение конденсированной влаги и т.д.). Отметим, что ООО "ДИАТ-2000" одним из первых провел исследования своей системы в НИИ Строительной физики и получил (за счет применения кронштейнов из нержавеющей стали) коэффициент теплотехнической однородности 0,92 (!), что лучше, чем у трехслойных железобетонных панелей с металлическими гибкими связями! С нашей точки зрения проектировщикам НЕОБХОДИМО обращать внимание на этот параметр для правильного определения толщины утеплителя.
Применение в качестве материала подконструкций из оцинкованной стали. При, безусловно, лучших противопожарных и теплотехнических свойствах, такие конструкции тоже имеют ряд проблем, главной из которых является недостаточная коррозионная стойкость. Дело в том, что убывание цинкового слоя в среде средней агрессивности (к которой относятся как большие города, так и промышленные районы с неблагоприятной экологией) составляет, по разным источникам, от 3 до 9 мкм в год. Это означает, что долговечность цинкового покрытия, выполненного по 1 классу (до 40 мкм), не превышает, в лучшем случае, 13 - 14 лет, что, безусловно, мало. За рубежом применяют новое покрытие - гальвалюм (40% цинка + 60% алюминия), которое в 5 - 8 раз (по западным источникам) более долговечно, чем цинковое. К сожалению, в нашей стране еще нет промышленного нанесения покрытий такого типа, поэтому у нас решением проблемы является нанесение на оцинкованную поверхность дополнительных защитных лакокрасочных покрытий, получаемых различными методами (в том числе и с использованием порошковой краски). Такое дополнительное защитное покрытие, толщиной не менее 20 мкм, позволяет увеличить срок службы системы до нормативного (не менее 50 лет).
Циркуляция воздуха в воздушной прослойке. При устройстве вентилируемых фасадов необходимо обеспечить беспрепятственный и эффективный воздушный поток по всей внутренней поверхности стены. С нашей точки зрения, особое внимание следует обращать на то, что в некоторых конструкциях, за счет формы направляющей, фасад как бы поделен на вертикальные трубы. При этом образуются зоны (например, между оконными проемами), где вентиляционный зазор перекрыт сверху и снизу, поэтому циркуляции воздуха (а соответственно и вентиляции) практически не происходит. В некоторых западных системах для устранения этого неприятного явления в верхней части оконных обрамлений предусмотрены специальные вентиляционные отверстия, но такое решение вызывает достаточно много вопросов у пожарных, т.к. при пожаре пламя попадает сразу внутрь конструкции.
Применение облицовки из мелких штучных материалов. Мы не будем рассматривать архитектурный аспект этой проблемы, а сконцентрируемся на технической стороне вопроса. Дело в том, что такое решение только на первый взгляд приводит к удешевлению фасада. Действительно, стоимость, например, керамогранита размером 600х600 мм составляет 22-25 у.е., а 300х300 мм - около 12-14 у.е. Но применение форматов, более мелких чем 600х600 мм, ведет к значительному (примерно в 1,7 раза) увеличению количества "железа" на фасаде, что на 80% снижает экономию при закупке облицовки.
Некоторые вентилируемые фасады имеют очень неприятный недостаток: при определенном ветре они свистят или гудят. Особенно часто это происходит в местах завихрений ветровых потоков. Для решения этой проблемы нами привлекались специалисты по аэродинамике (МАИ им. С. Орджоникидзе). Но задача оказалась настолько сложной и многовариантной, что, безусловно, необходимы дополнительные исследования. Единственное, что однозначно отметили все специалисты - применение малых (4 мм) зазоров между плитами облицовки значительно снижает вероятность возникновения этих неприятных явлений.
Вентилируемый фасад - очень ответственная инженерная конструкция. Обычно серьезные производители систем берут на себя техническое проектирование таких фасадов, т.к. проектировщики "общего профиля могут не учесть многих нюансов. Очень важно, чтобы фирма-производитель имела свою проектную группу, а в идеальном варианте - и лицензию на проектирование.
