Автоматизированные методы расчета несущих подконструкций вентилируемых фасадов. Часть 1

Фасад в значительной степени отвечает за долговечность эксплуатации здания в целом, а также является «лицом» здания. Постоянно возрастающие требования к зданиям привели к появлению различных конструктивных решений, внедрению новых методов изготовления и монтажа облицовки фасадов, повышению тепло-, звукоизоляции и огнестойкости зданий, а также к разработке систем защиты фасада и ограждающих конструкций зданий от внешних погодных воздействий. 

На сегодняшний день, одним из самых универсальных конструктивных решений для облицовки зданий и сооружений по праву называют навесные фасадные системы, или другими словами – вентилируемые фасады. Подобные технологии пришли в Россию около 15 лет назад. Фасады большинства жилых и административных зданий во всех городах России не соответствуют требованиям новых СП из-за больших теплопотерь и нуждаются в дополнительном утеплении стен. Так как утеплить существующую стену с наружной стороны достаточно трудоемко, технология вентилируемых фасадов пришлась очень кстати и позволила сделать реконструируемое здание не только теплым, но и архитектурно выразительным. 

Технология вентилируемых фасадов также широко применяется при новом строительстве, помогая архитекторам воплощать в жизнь самые смелые идеи.

Вентилируемый фасад (сокр. НВФ) представляет собой комплексную конструкцию (рис.1.), состоящую из:

- облицовочного материала, который и определяет внешний вид здания, а также является защитным экраном;

- воздушного зазора, организованного между облицовочным и теплоизоляционным материалами;

- слоя теплоизоляции, устанавливаемого поверх наружных стен для улучшения теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий; 

- подконструкции (подсистемы), выступающей в роли несущего каркаса и воспринимающей все горизонтальные ветровые нагрузки, а также вертикальные нагрузки от собственного веса элементов фасада.

В составе НВФ могут применяться не только различные облицовочные материалы, но также перед заказчиком стоит непростой выбор несущей подконструкции, которая должна обеспечить быстроту и качество монтажа, обладать необходимой несущей способностью и пожарной безопасностью, иметь всю необходимую разрешительную документацию и при этом обеспечивать необходимый срок безремонтной эксплуатации вентилируемого фасада.

Подконструкции (подсистемы) могут различаться по многим критериям, таким как:

- конструктивные особенности – однослойные (вертикальные или горизонтальные), см. рис.2 и двуслойные, см. рис.3;

- применение – классическая система (для крепления по всей плоскости стены) или тяжелая (усиленная) система (для крепления в плиты перекрытия, при каркасном строительстве и заполнении стен из материала с малой плотностью);

- материал – алюминиевый сплав, оцинкованная или коррозионностойкая стали. 

Далее мы подробно остановимся на подконструкциях, изготавливаемых из алюминиевых сплавов.

При производстве подобных систем используются алюминиевые сплавы типа AlMg0,7Si 6063 T6 (изготавливаемые из первичного алюминиевого сплава) или их российские аналоги (изготавливаемые из вторично обработанного материала), обладающие схожим химическим составом. Аббревиатура Т6 указывает на то, что данный сплав прошел процесс искусственного старения для увеличения механических свойств материала. 

Благодаря этому подконструкция из алюминиевого сплава обладает высокой несущей способностью, но при этом сохраняется удобство работ с данным материалом, таких как сверление отверстий или резка направляющих, что является неотъемлемой частью монтажных работ НФС.

Также важно отметить, что безремонтный срок эксплуатации вентилируемых фасадов, выполненных с помощью подсистем из алюминиевых сплавов, составляет не менее 50 лет в слабоагрессивных и среднеагрессивных промышленных средах, что достигается высокой коррозионной стойкостью используемых материалов.

На сегодняшний день компания Hilti, которая много лет успешно работает с фасадными организациями, предлагает ряд инновационных решений, которые позволяют ускорить и механизировать процесс монтажа фасадов. Каждый клиент получает выгоду, как в производительности труда, так и в экономии средств своей компании используя данные решения. Ключевыми являются технология DX, DD EC1 и анкера. 

Технология DX включает в себя пистолет DX 460, который комплектуется различными насадками и имеет три применения: X-IE - скорость крепления листа минваты из 5 точек крепления за 1 минуту, пристрелка противопожарной отсечки – 700 точек крепления в час, кровельные работы – крепление кровельного листа к металлическим направляющим, также 700 точек крепления в час. DD EC1 – это инструмент, позволяющий при монтаже светопрозрачных конструкций и вентилируемых фасадов выполнять отверстия для кронштейнов в четко размеченном месте, несмотря на арматуру. 

Инновациями в анкерном креплении являются анкера типа HUS, которые обладают несущей способностью в 2,5 раза больше, чем подобные анкеры, а также не создают внутреннее напряжение в бетоне и устанавливаются с помощью одной операции. Также помимо инновационных продуктов несомненным преимуществом являются отсрочка платежей, а также логистика: наличие складов в различных регионах страны позволяет в кратчайшие сроки произвести доставку даже в самые отдаленные районы. 

Помимо вышеперечисленных продуктов компания Hilti предлагает подконструкции (подсистемы) VFH (Ventilated Façade Hilti) из алюминиевого сплава AlMg0,7Si 6063 T6 с возможностью крепления различных видов облицовочного материала. Тем самым упрощаются вопросы комплектации строительных объектов, когда все необходимые материалы и инструмент можно приобрести в одном месте.

История вентилируемых фасадов Hilti началась около 4х лет назад с приобретения австрийской компании «EuroFOX», базирующейся в пригороде Вены. «EuroFOX» являлся одним из законодателей мод на европейском рынке с 1993 года, постоянно модифицируя свои фасадные системы. 

Опыт коллег из EuroFOX и инженеров компании Hilti помог адаптировать уже имеющиеся фасадные системы для всех европейских рынков (ранее EuroFOX был широко представлен в Австрии и Великобритании). В 2011 году в Hilti Россия было начата разработка, модификация и сертификации фасадных систем для российского рынка, а в 2012 году появились первые здания с облицовкой вентилируемыми фасады с применением подсистемы Hilti. 

Понимая всю важность своевременной доставки материалов на строящиеся объекты, компания Hilti сделала фокус на локальное производство, которое в свою очередь подвергается регулярным проверкам и инспекциям со стороны европейских коллег для поддержания высокого уровня качества самого производства и выпускаемой продукции.

Компания Hilti тесно сотрудничает с ведущими Научно-Исследовательскими Институтами по вопросам проведения натурных испытания, оценки и сертификации подсистем для вентилируемых фасадов. 

Результатом данной работы стали экспертные заключения для фасадных систем с различными видами облицовочного материала (такие как керамогранитные плиты, композитные материалы, фиброцементные плиты, HPL-панели, натуральный камень, терракотовая плитка и т.д.).

При разработке фасадных подсистем, их проектировании на реальных зданиях и сооружениях и выставлении коммерческих предложений своим клиентам компания Hilti ставит на первое место обеспечение несущей способности конструкций вне зависимости от типа применяемой системы.

По типу подсистемы для вентилируемых фасадов делятся на классические (легкие) и тяжелые. Поговорим подробнее о вышеперечисленных подсистемах.

Классические (легкие) фасадные системы, ориентируемые на крепление по всей плоскости строительного основания. Данное конструктивное решение применяется при достаточной плотности материала строительного основания (ρ≥600 кг/м3). Основными элементами легких фасадных систем являются L-образные кронштейны, которые подразделяются на несущие (воспринимают вертикальную нагрузку от собственного веса конструкции и горизонтальную ветровую нагрузку) и опорные (воспринимают только горизонтальную нагрузку), Т- и L-образные направляющие, а также элементы крепления облицовочного материала, которые подбираются, исходя из вида выбранного облицовочного материала и его габаритов. 

Из конструктивных особенностей данных подсистем стоит отметить, что в пределах одной направляющей, максимальная длина которой может быть не более 3,6 м, устанавливается только один несущий кронштейн, а количество и шаг опорных кронштейнов устанавливается, в обязательном порядке, по результатам прочностного расчета. 

Легкие фасадные системы на данный момент являются наиболее распространенными и широко применяются как при реконструкции зданий, так и при новом строительстве.

Тяжелые фасадные системы по большей части применяются при каркасном строительстве с возможностью крепления исключительно в плиты перекрытия. Еще несколько лет назад данное конструктивное решение было экзотикой, но с каждым годом оно становиться все актуальнее. Ввиду ужесточения требований по теплозащите и энергосбережению, а также для экономии средств, все чаще и чаще ограждающие конструкции при каркасном строительстве выполняются из материалов с крайне низкой плотностью (такие как газобетон, пустотелые кирпичные блоки и т.д.), а как следствие с низкой несущей способностью. Это исключает возможность крепления кронштейнов в данный материал. В данных подсистемах шаг кронштейнов обуславливается высотой этажа, так как крепления осуществляются только в межэтажные плиты перекрытия. Соответственно основные элементы тяжелых фасадных систем должны иметь более развитое сечение, так например кронштейны в данных системах имеют уже не L-образную формы, а П-образную с возможностью установки до 4 анкеров на один кронштейн. Также большое внимание уделяется вертикальным направляющим, которые также имеют более развитое сечение коробчатого вида с поперечными ребрами жесткости. Неизменны, по сравнению с классическими фасадными системами, остаются лишь элементы крепления облицовочного материала. 

Пролеты между кронштейнами в данных системах обычно варьироваться от 3 до 4,6 м. При проектировании подобных систем важным моментом для выбора расчётной схемы направляющей является способ стыковки вертикальных направляющих между собой.

 

В одних системах данная стыковка происходит непосредственно на кронштейнах, в связи с чем направляющая рассчитывается как однопролетная балка и на первое место выходит расчет по 2-ой группе предельных состояний (по прогибу), что существенно снижает область применения данного элемента. Вторым вариантом стыковки вертикальных направляющих, применяемом в фасадных системах Hilti, является стыковка с помощью специального элемента –  закладной. В результате для расчета принимается схема многопролетной неразрезной балки, что существенно сокращает прогиб в пролетах между опорами (кронштейнами) и, как следствие, повышает область применения. 

Дополнительное внимание уделяется месту установки данного соединителя профилей – оно должно располагаться в месте, где возникает наименьший изгибающий момент. 

Вышеописанные фасадные системы позволяют применять вентилируемые фасады для облицовки зданий и сооружений вне зависимости от материала ограждающих конструкций.