Вентфасады серии КТС: деформативность алюминиевых и стальных систем. Мифы и реальность. Часть 1

Вентфасады серии КТС: деформативность алюминиевых и стальных систем. Мифы и реальность. Часть 1

Компания "КапТехноСтрой" является пионером на российском рынке навесных вентилируемых фасадов (НВФ)

Разработанные ею системы установлены более чем на 1900 крупных объектах, как на территории России, так и за её пределами, и благодаря своему качеству и соответствию современным тенденциям, уже много лет занимают лидирующие позиции в строительстве. На протяжении почти двух десятилетий фасадные системы серии КТС производились единой группой компаний под  товарными знаками КапТехноСтрой® и КТС. В настоящий момент ООО «КТС-cистема» консолидировала фасады серии КТС под единым брендом, защищенным патентами на разработанные системы вентилируемых фасадов КТС и товарными знаками на них. «КТС-cистема» вобрала в себя основной состав разработчиков фасадных систем и производственные мощности группы компаний КапТехноСтрой. Сохранив накопленный годами опыт, компания строит далеко идущие планы по выпуску новых систем вентилируемых фасадов и остается стабильным и надежным партнером для сотрудничества.

Классическая схема вентилируемого фасада типа КТС из алюминиевого сплава является широко распространенной  конструкцией. Она позволяет создавать надежные и красивые фасады практически из любого облицовочного материала, включая тяжелые типы облицовок, например, из терракоты (пустотной керамики), без каких-либо видимых деформаций каркаса и сдвига облицовки (рис. 1). 

В тоже время строительным организациям, монтирующим вентилируемые фасады, хорошо известен тот факт, что системы из оцинкованной или коррозионностойкой стали «проседают» под весом облицовки примерно на 3-10 мм. Это зависит от веса облицовки, относа и типа кронштейнов, в результате чего различные участки с различной длиной направляющих  «проседают» по-разному. Так, например, короткие направляющие под окнами  могут просесть меньше, чем основной фасад (где вес облицовки больше). Тогда расположенные рядом межплиточные швы в зоне термошва будут отличаться друг от друга, а в ряде случаев вышерасположенные плитки могут давить на нижние. Когда кронштейн немного «проседает» под весом облицовки, то он находится в упругом состоянии (как сжатая пружина), и под действием знакопеременных ветровых и других нагрузок (вибрации от метро, проезжающих машин и т.п.) облицовка начинает колебаться, как на пружине. В итоге швы облицовки могут попросту «разъехаться» в разные стороны (фото 1). 

Различие в ширине швов «всего» в 2-3 мм негативно влияет как на эстетику фасада, когда дорогостоящая облицовка приобретает дешевый и неряшливый вид, так и на общую надежность системы. Такая разница получается на относительно тяжелых типах облицовки – керамограните и пустотной керамике. В то же время «проседание» конструкций систем типа КТС из алюминиевых сплавов в аналогичной ситуации составляет всего 0,5-1,0 мм и описанная ситуация исключена. 

Давайте разберемся, откуда возникает такая разница в деформациях, и действительно ли стальные системы прочнее алюминиевых. 
В короткой статье невозможно подробно и точно описать все расчетные схемы и привести детальные расчеты, да этого и не требуется: для упрощения восприятия выбраны наиболее простые примеры, которые позволяют понять общие принципы возникновения такой разницы между системами из различных материалов.

Как правило, прочность и жесткость элементов конструкции зависят от произведения характеристик материала (предела прочности (текучести) R и модуля упругости E) и характеристик сечения (момента сопротивления W и момента инерции J), табл.1, 2. 
Согласно техническим свидетельствам и соответствующим СНиП прочность и устойчивость обеспечивается в упругой стадии несущих элементов каркаса НВФ, соответственно и сравнивать материалы необходимо по пределу текучести, а весь каркас - по характеристикам сечений (моментам сопротивления и моментам инерции) с учетом модуля упругости и предела текучести материалов.

Таблица 1. Формулы для проверки прочности и расчета деформаций.

1

Прочность при изгибе балок  (напряжения в направляющих  каркаса и элементах кронштейнов):

                   M/W ≤Ry;

где W – момент сопротивления, для прямоугольного сечения:

                   Wmin=bh2/6,          [1],

2

Деформация консольной балки  («проседание» кронштейна)  от сосредоточенной силы Р на свободном конце:

                  Δ =PL3/3EJ,

где J – момент инерции, для прямоугольного сечения:

                   J=bh3/12,             [2].


Из формулы [1] видно, что прочностные характеристики прямо пропорциональны квадрату толщины. Каркасы НВФ выполняют из тонколистовой стали и профилей, и в данном случае толщина материала является одним из решающих факторов. 
Толщина оцинкованной/коррозионностойкой стали в конструкциях НВФ составляет 1,2/1,0 мм для направляющих и 1,5-2,0/1,2-1,5 мм для кронштейнов, а в алюминиевых системах – 1,8-2,2 и 3,0-4,5 мм соответственно. При этом предел текучести алюминиевого сплава AlMg0,7 Si6063 Т66  (2050 кгс/см2) примерно равен пределу текучести коррозионностойких сталей 12Х18Н10Т, 12Х18Т1, AISI 304, AISI 430 TI (2150-2550 кгс/см2) и углеродистых сталей (2000-2350 кгс/см2) (табл. 2).

Таблица 2. Сравнительные характеристики материалов каркаса НФС.

Тип сплава

Нормативный документ

Предел текучести, Ryn,, кгс/см2

Расчетное сопротивление R, кгс/см2

Толщина    h, мм

h2

Ryn*h2

Алюминиевый сплав AlMg0,7Si 6063 T66

ГОСТ 22233-2001

2050

1550

1,8-4,5

3,2-20

6560-41000

Углеродистая сталь 08пс

СНиП ΙΙ-23-81*

2350

2230

1,2-1,5

1,4-2,25

3384-5287

Коррозионностойкая сталь AISI 304Т1

ASTM A480

2650

2520

1,0-1,2

1,0-1,44

2650-3816

Коррозионностойкая сталь 08Х18Н10Т

ГОСТ 5582-75

2150

2050

1,0-1,2

1,0-1,44

2150-3096


Из последнего столбца таблицы видно, что произведение квадрата толщины на предел текучести материала для сплава AlMg0,7Si 6063 Т66 в несколько раз выше, чем у оцинкованной и коррозионостойкой сталей, особенно для кронштейнов. Это однозначно показывает, что при одинаковых габаритных размерах элементов конструкции из коррозионностойкой стали в 1,2-1,4 менее прочные, чем из оцинкованной стали, и в 2,3-10 раз «менее прочные», чем алюминиевые (в кавычках – потому что такое сравнение относительно). Конечно же, различного рода ребра жесткости увеличивают несущую способность штампованных деталей, но они не ликвидируют проблему полностью по ряду причин – ребро жесткости невозможно довести до оси действия нагрузки, и в том месте все равно остается участок с тонкой плоской стенкой; ребро жесткости работает только в одной плоскости и другие.

Теперь рассмотрим деформации, определяемые по формуле [2]. Деформации обратно пропорциональны третьей (!) степени  толщины стенки, соответственно, влияние толщины здесь будет  решающим, и стальные конструкции, особенно коррозионностойкие, будут подвержены бо́льшим деформациям, чем алюминиевые, даже несмотря на то, что модуль упругости для стальных конструкций (Е = 2,06х10⁻⁵ МПа) почти в 3 раза больше, чем алюминиевых (Е=0,7х10⁻⁵МПа). Это подтверждается и наблюдениями на реальных объектах – стальные системы «проседают» на 3-10 мм, алюминиевые с несущим кронштейном высотой более 150 мм – всего на 0,5-1 мм – то есть в 10 раз меньше!

Рассмотрим деформации кронштейнов более подробно. 
Кронштейн находится в сложном деформированном состоянии, и предлагаемые схемы описывают это состояние приближенно. Наибольшие деформации, определяющие проседание конструкции, возникают на участках Δ1, Δ2, Δ3  (рис. 2). 

Если рассматривать кронштейн как консольно закреплённую балку, перемещение от веса облицовки (например, пустотной керамики) на свободном конце (т.е. направляющей) от прогиба не велики:
Δ 1= 0,6-1,2 мм для стали и только  Δ 1=0,02-0,06 мм для алюминия (из-за большей строительной высоты алюминиевого кронштейна и, как следствие, большего Jконс), но это не единственные перемещения. Смещение заклёпки под нагрузкой в соединении кронштейн - удлинительная вставка на Δ 2=0,15-0,25 мм (по результатам испытаний заклепочных соединений) даёт смещение направляющей вниз на 1,2-2 мм у стального и только на 0, 2-0,4 мм у алюминиевого кронштейнов (из-за увеличенного расстояния h между заклепками у алюминиевого кронштейна). Кроме того, деформация основания кронштейна в районе верхнего анкера по причине меньшей жёсткости Jоснования стального кронштейна (c у чётом работы шайбы под анкером) на Δ 3= 0,5-2,4 мм для стального и только на 0,1-0,2 мм для алюминиевого кронштейна, приводит к повороту всего кронштейна относительно точки О на угол α= 0,3-1,2⁰ у стального и α= 0,05-0,1⁰ у алюминиевого кронштейнов, что вызывает смещение направляющей вниз ещё на 1,0—5,3 мм у стальной и 0,2-0,4 мм у алюминиевой конструкций. Суммарное перемещение направляющей вниз составляет  ΔΣ=3,6-8,5 мм у стали и всего лишь 0,4-0,9 мм у алюминия (табл. 3).

Таблица 3. Усредненные характеристики сечений и деформации кронштейнов из различных материалов.

Обозначение

Коррозионностойкая сталь AISI 304

Алюминиевый сплав
AlMg0,7Si 6063 T66

Относ от стены до наружной плоскости облицовки

Н

250 мм

Вес на один кронштейн

Р

45 кгс

70 кгс

Момент инерции консольной части кронштейна

Jконсоли

0,9-1,7 см4

80-230 см4

Момент сопротивления консольной части кронштейна

Wконсоли

0,4-1.2 см3

11-22 см3

Момент инерции сечения кронштейна в районе верхнего анкера

Jоснования

0,003-0,01 см4

0,03-0,05 см4

Момент сопротивления сечения кронштейна  в районе анкера

Wоснования

0,03-0,06 см3

0,15-0,2 см3

Прогиб конца кронштейна

Δ1

0,6-1,2 мм

0,02-0,06 мм

Деформация основания кронштейна

Δ2

0,5-2,4 мм

0,1-0,2 мм

Суммарное «проседание» направляющей

Δ3

3,6-8,5 мм

0,4-0,9 мм


Расчеты косвенно подтверждают реальные факты: проседания систем из коррозионностойкой и оцинкованной стали в 5-10 раз больше, чем систем из алюминиевых сплавов (с несущим кронштейном высотой более 150 мм), значит, выбранные расчетные схемы достаточно точно описывают данную ситуацию. Таким образом, мнение, что стальные системы более прочные, чем алюминиевые – не более чем миф и не соответствует действительности. 

Есть еще один миф – стальные системы более огнестойкие, чем алюминиевые...

Продолжение в части 2

Компания "КапТехноСтрой"
Москва, пр. Андропова, 38 корп.3
Тел.:(495)642-8460(многоканальный)

www.kts-system.ru

Представительства:
Санкт-Петербург (812)347-7706
Екатеринбург (343)385-0429
Казань (843)527-7210,527-7211
Саратов (8452)29-1441,53-2551
Томск (3822)72-41-01, 72-3898
Сочи (8622)682-657


Фотогалерея

технологии

Grasshopper для алгоритмического проектирования фасадных 3D конструкций
Grasshopper, созданный в 2007 году, представляет собой инструмент алгоритмического моделирования, который работает внутри программного обеспечения Rhinoceros CAD
3D печать фасадов набирает обороты по всему миру
Представляем 3 магазина известных брендов, где использована 3D печать фасадов
Вентилируемый фасад из кирпича системы  ZIAS КУК 2
Компания ZIAS разработала инновационный вариант системы для крепления фасадов из кирпича под названием КУК 2.

новые материалы