В статье рассмотрена наиболее часто встречающаяся конструкция утепления плоских покрытий зданий и сооружений с использованием минераловатных материалов. Показаны недостатки данной конструкции: высокое водопоглощение, низкая прочность на сжатие, потеря заданных размеров с течением времени. Предложена современная, эксплуатационно качественная конструкция утепления плоских покрытий с применением неавтоклавного полимерцементного пенобетона, имеющая преимущества перед минераловатной теплоизоляцией. Произведен расчет конструкции теплоизоляции из легких стальных тонкостенных конструкций плоского покрытия зданий и сооружений. Приведено обоснование долговечности конструкционных элементов из оцинкованного профиля в неблагоприятных условиях эксплуатации.
УДК 69.01
А.С. СОЛОМАХИН, канд. техн. наук, Ю.А. КАМЕНЕВ, адъюнкт, ВКА им. А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург
Ключевые слова: неавтоклавный полимерцементный пенобетон, легкие стальные тонкостенные конструкции, конструкция теплоизоляции, плоская кровля, снеговая нагрузка, коррозия оцинкованного листа, минеральная вата
Keywords: polymer-cement non-autoclave foamed concrete, light steel thin-walled structures, design of insulation, the flat roof, snow load, corrosion of the galvanized sheet, mineral wool
С начала действия СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», ужесточающего требования к теплопроводности ограждающих конструкций, появилась актуальная проблема разработки и применения теплоизоляционных конструкций и материалов, отвечающих современным нормативным требованиям по прочности и теплопроводности.
На современных строящихся зданиях теплоизоляция покрытий устраивается в основном из минераловатных материалов и, как правило, в два слоя. Нижний слой при малой прочности на сжатие (менее 3,5 кПа) имеет максимальное термическое сопротивление 0,039 Вт/(м·К) и толщину 100-200 мм. Верхний слой толщиной 20-60 мм, напротив, имеет высокую теплопроводность 0,046 Вт/(м·К) и высокую прочность на сжатие – не менее 125 кПа, за счет чего равномерно распределяет нагрузки на нижние слои теплоизоляции.
В процессе монтажа, несмотря на относительно прочный верхний слой теплоизоляции, трудно избежать деформаций, которые вскоре дадут о себе знать. К примеру, при нанесении на неровную поверхность гидроизоляции будут образовываться линзы, в которых будет скапливаться вода. В холодное время года это может очень пагубно влиять на целостность гидроизоляции и нормальную эксплуатацию покрытия. Устройство цементно-песчаной стяжки может решить эту проблему. Но в таком случае нагрузка на покрытие существенно увеличивается, а вес самой стяжки негативно влияет на свойства утеплителя. С течением времени, находясь под непрерывным воздействием нагрузки цементной стяжки, минеральная вата постепенно меняет свою структуру. В связи со сжатием межволоконного пространства увеличивается плотность утеплителя, теряется его низкая теплопроводность, и он уже не выполняет свои теплоизоляционные функции.
В случае повреждения пароизоляции начинается процесс диффузии испаряемой зданием влаги в межволоконном пространстве теплоизоляции. От насыщения влагой происходит деформация утеплителя и как результат – последующее разрушение гидроизоляции, вследствие чего минеральная вата окончательно насыщается влагой и теряет низкую теплопроводность. Из-за волокнистой структуры материала и отсутствия между блоками данного утеплителя какого-либо изолирующего слоя влага беспрепятственно распространяется по всей площади покрытия. Ремонт в таком случае требует полной замены теплоизоляции.
В последние десять лет широкое распространение получила технология строительства из легких стальных тонкостенных конструкций открытого профиля. Преимуществами данной технологии являются ее простота, точность проектирования и сборки, высокая скорость строительства, экономичность, долговечность и экологичность.
Использование неавтоклавного полимерцементного пенобетона (далее НПЦПБ) в качестве утеплителя совместно с поддерживающим каркасом из ЛСТК открывает новые возможности в устройстве плоских покрытий.
Представленное покрытие представляет собой слой НПЦПБ толщиной 300 мм (по расчету), в который помещены стойки поддерживающего каркаса (сталь С235) из гнутого профиля ПС 66х37х0,5 мм. По ним сверху уложены поперечные и продольные балки (сталь С235), также выполненные из гнутого профиля ПН 66х30х0,5 мм (рис. 1). Поверх образованной пространственной конструкции уложен несущий слой из двух листов АЦЛ (асбестоцементный лист) суммарной толщиной 16 мм, по этой стяжке уложена гидроизоляция из двух слоев наплавляемого материала.
Воздушный зазор между утеплителем и поддерживающим каркасом, при использовании кровельных аэраторов, позволяет поддерживать пенобетон в равновесном влажностном состоянии (сорбционная влажность не более 8%) (рис. 2).
Расчет конструкции покрытия производился с помощью программного комплекса «ЛИРА – Windows 9.6» (далее ПК «ЛИРА») (рис. 3, 4, 5, 6). Геометрические характеристики стоек и поперечных балок определены с помощью ПК «ЛИРА». Данные для расчета листов асбоцемента взяты из ГОСТ 18124-95 «Листы асбоцементные плоские» и ГОСТ 8747-88 «Изделия АЦЛ. Методы испытаний». Также приняты следующие нагрузки для расчетов:
— собственный вес (учитывается программным комплексом);
— снеговая нагрузка (расчет произведен для г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области).
Кроме постоянной нагрузки на кровлю действует временная снеговая нагрузка. Для данной местности по СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» значение нормативной снеговой нагрузки S0=1,27 кПа. Расчетное значение снеговой нагрузки Sp=1,4·S0=1,78 кПа.
В зонах перепада высот кровли, появления парапетов и других выступов следует учитывать появление снеговых мешков (Sp=7,12 кПа).
При отсутствии снега поддерживающий каркас рассчитывался на сосредоточенное воздействие от веса человека F=1,20 кН.
Применение НПЦПБ в качестве утеплителя с поддерживающим каркасом из ЛСТК в III и IV снеговых районах (г. Санкт-Петербург и Ленинградская область) возможно как вдали от предполагаемых мест образования снеговых мешков, так и в зоне их образования. Несущая способность элементов покрытия при этом обеспечена.
При использовании НПЦПБ в качестве теплоизолирующего слоя в конструкциях покрытий (плоских кровель), где в качестве несущих элементов используются стержни из оцинкованного профиля, долговечность конструкционных элементов не понижается, так как на поверхности цинка в присутствии кислорода образуется тонкая, довольно прочная пленка оксидов, предохраняющая элемент от разрушения. Цинковое покрытие у ЛСТК (класс покрытия 275) составляет 20 мкм (ГОСТ Р 52246-2004). НПЦПБ и элементы ЛСТК, которые выполнены из металлического оцинкованного листа по способу горячего цинкования, обладают шероховатостью и хорошей адгезией, что препятствует проникновению влаги непосредственно к стали. При средней величине коррозии цинка около 0,25 мкн/год, находящегося в самых неблагоприятных условиях (кислотная среда, доступ влаги и т.д.), минимальный срок службы составляет не менее 80 лет, что соотносимо со сроком службы жилых и общественных зданий по ГОСТ 54257-2010 г.
Таблица 1. Результаты расчетов в процентах использования несущей способности элементами конструкции
| Элемент | По прочности | По изгибной форме потери устойчивости | По изгибно-крутильной форме потери устойчивости |
| Стойка без снегового мешка | 10,7% | 3,8% | 21,6% |
| Стойка с учетом снегового мешка | 44,15% | 14,9% | 86,2% |
| Ригель без снегового мешка | 2,4% | — | — |
| Ригель с учетом снегового мешка | 8,8% | — | — |
| Лист АЦЛ от веса человека | 67% | — | — |
Далее приводятся дополнительные пояснения к решению проблемы коррозии оцинкованного листа.
Основа оцинкованного профиля – железо, поверхность – цинк. Цинк в данной гальванической паре является анодом в присутствии среды, проводящей ток:
анод: Zn -2e=Zn2-: катод: 2Н + 2е=Н2 ↑
Zn2+ +2ОН =Zn (OH)2 ↓
В сильнощелочной среде НПЦПБ (Ph>9-12) процесс окисления цинка невозможен. Пассивированный при реакции с гидроксидом кальция (Са(ОН)2), цинк уже через 15 дней имеет более низкий электрохимический потенциал в сравнении с чистым цинком, а значит, и более высокую устойчивость к ионам хлора.
Так как цемент содержит в большом количестве соли жесткости, то присутствие в пенобетоне до 8% равновесной влаги приводит к увеличению в воде солей жесткости, что также дополнительно препятствует коррозии цинка.
Из этого следует, что возможная коррозия стальной части ЛСТК не может служить источником серьезного повреждения конструкций.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что использование легких стальных тонкостенных конструкций совместно с НПЦПБ не снижает их долговечности и улучшает работу стальных элементов конструкции.
Конструкция кровли с поддерживающим каркасом из ЛСТК с применением НПЦПБ отвечает требованиям по несущей способности и теплопроводности. При этом такой вид покрытия свободно выдерживает снеговую нагрузку в рассматриваемом климатическом районе (г. Санкт-Петербург и Ленинградская область) и обеспечивает теплоизоляцию, отвечающую всем нормативным требованиям. Кроме того, покрытие из пенобетона не только не теряет свои прочностные характеристики, но с течением времени повышает их, что является несомненным преимуществом над минераловатными теплоизоляционными материалами.
Библиографический список
1. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.
2. ГОСТ 18124-95 Листы асбоцементные плоские.
3. ГОСТ 8747-88 Изделия АЦЛ. Методы испытаний.
4. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия.
5. ГОСТ Р 52246-2004 Прокат листовой горячеоцинкованный. Технические условия.
6. ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования.
7. Портик А.А. Все о пенобетоне, – СПб., 2003, – 224 с.
