В статье приведен перечень особенностей и классификация скатных кровель, а также изложены основные требования к скатным крышам; проведен анализ свойств теплоизоляционных материалов, используемых на скатных крышах. Обоснована целесообразность применения изделий на основе несшитого пенополиэтилена в конструкциях скатных крыш с деревянной стропильной системой.

Ключевые слова: кровля, скатная крыша, теплоизоляция, несшитый полиэтилен, энергосбережение, комфорт
Keywords: roof, pitched roof, heat insulation, non-crosslinked polyethylene, energy saving, comfort

УДК 691

А.Д. ЖУКОВ, канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительные материалы и материаловедение» (СМиМ), ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ); К.А. ТЕР-ЗАКАРЯН, управляющий директор ООО «ТЕПОФОЛ»; А.В. ЗАЯФАРОВ, студент магистратуры, Е.С. ПЕТРОВСКИЙ, студент бакалавриата, Д.У. ТУЧАЕВ, студент бакалавриата, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)

Скатные крыши применяются для всех типов зданий: с мансардным этажом, теплым чердаком, неэксплуатируемым чердачным помещением. Система скатной крыши включает подсистемы каркаса (в основном это специальным образом обработанная древесина или легкие металлические конструкции – ЛМК или ЛСТК), вентиляции и изоляции. Вентиляция организуется для всего чердачного пространства, и отдельно формируется подкровельная вентиляция (рис. 1). Изоляционные слои включают пароизоляцию, теплоизоляцию, ветрозащиту и водоизоляционное покрытие (рулонная мембранная гидроизоляция и финишное покрытие).

Рис. 1. Кровля сложной конфигурации (виден коньковый аэратор)

В зависимости от финишного покрытия кровли подразделяют на металлические, минеральные, мягкие. Металлические кровли (фальцевые или из металлочерепицы) предполагают использование определенным образом скрепляемых металлических листов. В минеральных кровлях используют керамическую или цементно-песчаную черепицу, керамогранит, хризотилцементный лист, натуральный шифер. В мягких кровлях применяют гибкую черепицу и ее аналоги, а также рулонные материалы. При этом рулонные материалы используют дополнительно и для ветрозащиты, для формирования гидро- и пароизоляционных слоев [1, 2].

Задачами кровельных систем являются защита конструкции кровли и крыши от проникновения влаги и иных атмосферных воздействий, от перегрева конструкций и помещений в жаркий период, то есть минимизация теплопотерь, а следовательно, и расходов на обогрев в холодные периоды года. Конструкционные решения скатной кровли связаны в том числе и с типом кровельного покрытия. Для металлической или минеральной кровли допускается как разрозненная, так и сплошная обрешетка (рис. 2); для мягкой кровли – только сплошная обрешетка (рис. 3).

Рис. 2. Кровельная система по разреженной обрешетке: 1 – жесткое кровельное покрытие (металлочерепица); 2 – обрешетка; 3 – контробрешетка; 4 – подкровельная мембрана; 5 – теплоизоляция; 6 – стропила; 7 – пароизоляция

Рис. 3. Кровельная система по сплошной обрешетке: 1 – мягкое кровельное покрытие (гибкая черепица); 2 – подкладочный ковер; 3 – сплошная обрешетка (ориентировано-стружечная плита); 4 – гидроизоляционная пленка; 5 – теплоизоляция; 6 – пароизоляция; 7 – стропила

Реализация систем защиты изоляционной оболочки здания направлена на создание комфортных условий в помещении; на снижение энергетических, а также материальных затрат при эксплуатации зданий; на сохранение свойств строительных элементов и повышение долговечности кровельных конструкций. Эти условия выполняются в результате решения следующих строительных задач: минимизация потерь тепла через утепляемый периметр здания; исключение проникновения влаги в строительные конструкции и в помещение, а также обеспечение удаления излишков влаги естественным путем [3, 4].

Целью применения теплоизоляции является формирование теплоизолирующего барьера, отделяющего внутренние помещения от наружной среды. Специфика формирования этого барьера связана с типом используемых материалов, способом их укладки и защиты от механических воздействий и от влажностного фактора.

Рис. 4. Нагрузки на теплоизоляционный слой: 1 – воздушный поток в вентилируемом зазоре; 2 – нагрузки на отрыв верхнего слоя; 3 – движение паровоздушной смеси в материале; 4 – эксфильтрация воздуха на стыках плит; 5 – эксфильтрация воздуха из внешних слоев; 6 – стык между плитами теплоизоляции

В зависимости от типа кровли в качестве теплоизоляции применяют теплоизоляционные изделия на основе минеральных волокон. Возможно применение напыляемого пенополиуретана или штучных изделий (плит, матов, рулонов) на основе вспененных пластмасс [5, 6].

Нагрузки, действующие на теплоизоляцию (рис. 4), необходимо учитывать как при выборе теплоизоляционного материала, так и при проектировании изоляционной системы. В скатной кровле, как в любой системе с вентилируемым зазором, возникают ветровые потоки. Эти потоки так или иначе влияют на эксплуатационные характеристики теплоизоляционного слоя и на условия тепло- и влагообмена в подкровельном пространстве.

В случае применения мягких минераловатных плит или матов возникает вероятность эмиссии волокон утеплителя (их выноса) и деструкции связующего компонента, что может привести к ослаблению теплоизоляционного слоя и нарушению его сплошности. Исследования, направленные на выявление степени влияния ветрового потока скоростью 0,5-0,9 м/с на термическое сопротивление утепленной конструкции, выявили снижение показателя термического сопротивления на 15% [7, 8]. Чтобы минимизировать механическую эмиссию, теплоизоляцию укрывают специальными ветрозащитными покрытиями: мембранами, стеклохолстом, стеклотканью [9, 10].

При монтаже плитного утеплителя неизбежны стыки, по которым может уходить тепло, то есть фактически они могут стать мостиками холода. Укладка теплоизоляционных плит осуществляется таким образом, чтобы минимизировать передачу тепла через неплотности в стыковке плит или же в областях контакта теплоизоляции и несущих конструкций (например, со стропилами или с материалом основания). Как правило, теплоизоляционные плиты укладывают либо вразбежку (на плоской кровле) – со сдвигом по двум координатам; либо со сдвигом по длине (на скатной кровле). Кроме того, практикуется укладка плит враспор для исключения сползания утеплителя при увлажнении или вследствие выветривания (эмиссии).

Наличие влаги в толще утеплителя очень серьезно повышает его теплопроводность. Так, 5%-ное увлажнение, а это показатель так называемой эксплуатационной влажности, повышает теплопроводность на 25-35%, что существенно отражается на снижении коэффициента термического сопротивления слоя теплоизоляции. Повышенная влажность вместе с механическими воздействиями в кровельных системах приводит не только к изменению теплопроводности теплоизоляции, а соответственно, к ухудшению общих теплофизических характеристик системы, но и к деградации свойств материала, то есть его старению вплоть до разрушения.

Сохранение стабильных свойств минераловатного теплоизоляционного слоя и системы в целом достигается реализацией трех конструктивных приемов: вентиляцией теплоизоляционного слоя, его гидроизоляцией (снаружи) и в комбинации с пароизоляцией (изнутри), а также использованием ветрозащитных материалов в вентилируемых системах.

Использование водонепроницаемых теплоизоляционных материалов, а также материалов, имеющих низкую паро- и воздухопроницаемость, позволяет оптимизировать конструкцию изоляционного пирога и повысить долговечность системы в целом. Подобными свойствами обладают некоторые виды вспененных пластмасс, применение которых на скатной кровле допускается при использовании стропильных конструкций и обрешетки из горючих материалов. В частности, применение рулонов из несшитого вспененного полиэтилена (рис. 5) позволяет получить изоляционную оболочку скатной кровли без применения дополнительной ветрозащиты и пароизоляции.

Рис. 5. Принципиальная схема устройства притока наружного воздуха через карниз: 1 – несущая стена; 2 – мауэрлат; 3 – стропильная нога; 4 – контробрешетка; 5 – разреженная обрешетка; 6 – сплошное основание (ОСП-3, ФСФ); 7 – подкладочный ковер; 8 – гибкая черепица; 9 – планка карнизная; 10 — водосточная система; 11 – теплоизоляция (рулон НПЭ); 12 – подшивка сайдингом; 13 – отверстия для притока воздуха; 14 – два слоя гипсокартона; 15 – утеплитель; 16 – фиксирующая утеплитель доска; 17 – теплоизоляционный вкладыш

Особенностью некоторых видов теплоизоляторов НПЭ, которая выделяет их в ряду сходных материалов, является предусмотренная производителем замковая система. Она служит для формирования цельной теплоизоляционной оболочки подкровельного (мансардного) пространства, которая получается вследствие тепловой обработки замковых соединений обычным строительным феном. При этом для надежной бесшовной сварки мест стыков обрешеточную доску следует располагать непосредственно под замковой системой утеплителя.

По всей поверхности кровли с внутренней стороны укладывают рулонный фольгированный пенополиэтилен, который закрепляется саморезами с шайбами и затем сваривается горячим воздухом по линиям стыка (рис. 6). Таким образом, формируется сплошная изоляционная оболочка, не имеющая мостиков холода по глади поверхностей. Далее на саморезах монтируется внутренняя обрешетка, к которой крепятся листы внутренней отделки.

Теплоизоляция мансарды – монтаж рулонов НПЭ — а

Теплоизоляция мансарды – формирование стыков и углов — б
Рис. 6. Теплоизоляция мансарды: а – монтаж рулонов НПЭ; б – формирование стыков и углов

Теплоизоляция мансарды рулонами НПЭ позволяет исключить применение дополнительных материалов, поскольку один слой теплоизоляционного материала НПЭ заменяет традиционный многослойный кровельный пирог. В частности, обустраивать отдельную гидро- и пароизоляцию в этом случае уже не требуется.

Применение рулонного фольгированного пенополиэтилена НПЭ и создание технологии сварки отдельных листов горячим воздухом (технология ТЕПОФОЛ) дает возможность получать практически бесшовную изоляционную оболочку, что позволяет снизить потери тепла по кровельной поверхности, защищать элементы несущей конструкции от воздействия холода и влаги, а также формировать комфортный микроклимат помещений.

Библиографический список

1. Овчаренко Е.Г. Тенденции в развитии производства утеплителей в России // Уралстройинфо. – М., 2002. Режим доступа: www.uralstroyinfo.ru. Дата обращения: 31.08.14.

2. Wang Y., Huang Z., Heng L. Cost-effectiveness assessment of insulated exterior wall of residential buildings in cold climate // International Journal of Project Management, №25(2), 2007, pp. 143-149.

3. Head P.R. Construction materials and technology: A Look at the future. Proceedings of the ICE // Civil Engineering, №144(3), 2001, pp. 113-118.

4. Rumiantcev B.M., Zhukov A.D., Bobrova E.Yu., Romanova I.P., Zelenshikov D.B., Smirnova T.V. The systems of insulation and a methodology for assessing the durability / MATEC Web of Conferences. Vol. 86 (2016). DOI: http://dx.doi.org/10.1051/ matecconf/ 20168604036.

5. Gnip I.J., Kerulis V.J., Vaitkus S.J. Analytical description of the creep of expanded polystyrene under compressive loading // Mechanics of Composite materials. 2005; 41(4): 357-364.

6. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Энергетическая эффективность и методология создания теплоизоляционных материалов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. №4(35), 2014, с. 3.

7. Allen E., Iano J. Fundamentals of building construction: Materials and methods / J. Wiley & Sons, 2004. – 28 p.

8. Жуков А.Д., Наумова Н.В., Мустафаев Р.М., Майорова Н.А. Моделирование свойств высокопористых материалов комбинированной структуры // Промышленное и гражданское строительство, №7, 2014, с. 48-51.

9. Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Базальтовое волокно и тканые материалы на его основе // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. Ивановский государственный политехнический университет, №3, 2017, с. 114-116.

10. Rumiantcev B.M., Zhukov A.D., Zelenshikov D.B., Chkunin A.S., Ivanov K.K., Sazonova Yu.V. Insulation systems of the building construtions / MATEC Web of Conferences. Vol. 86 (2016). DOI: http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/ 20168604027.