Термические нагрузки (швы)
|
Главная задача изоляции покрытия - не только защита нижележащих помещений от излишнего нагрева или охлаждения, но также защита самой конструкции покрытия от недопустимых температурных нагрузок. Кроме того, изоляция покрытия служит для предотвращения образования конденсата. Конструкция покрытия может быть защищена от температурных нагрузок только в том случае, когда теплоизоляция уложена сверху. Летом плоские покрытия под действием солнечных лучей могут нагреваться до 80°С, а зимой остывать на несколько градусов ниже температуры воздуха, так что температурная нагрузка поверхности покрытия в течение года соответствует разности температур до 100°C. При этом возникают заметные различия в продольных удлинениях плит покрытий. Частые подвижки плит из-за температурных колебаний могут вызвать значительную нагрузку на всей площади покрытия. Например, при длине покрытия 100 м и температурном перепаде 100°C в течение года линейное удлинение составляет от 6,5 до 12 см. Однако в стенах здания возникает только около половины указанных удлинений, а их направление почти никогда не совпадает с направлением удлинений в конструкциях покрытия. Такие нежелательные перемещения и большие усилия, часто возникающие при этом, могут быть значительно снижены с помощью устройства соответствующей изоляции. Если несмотря на указания в специальной литературе, требующие устройства швов в бетоне и железобетоне, массивные плоские покрытия изготовляют без деформационных швов, то это служит основной причиной несоответствия фактической работы конструкции предпосылкам. принятым при расчете. Практика показала, что архитекторы и строители, ответственные за проектирование и изготовление конструкций. должны уделять этому вопросу особое внимание. Общие положения. В принципе швы нужно устраивать в первую очередь там, где, как известно из опытных данных, при отсутствии швов могут возникнуть трещины в конструкциях зданий или их элементах. Эти швы имеют различное назначение и в соответствии с указаниями ГИС (Гидроизоляция инженерных сооружений) подразделяются на рабочие, конструктивные, температурные и деформационные. Рабочие швы возникают, как известно, при укладке бетона несколькими слоями, особенно в крупных строительных конструкциях. Конструктивные швы устраивают между имеющейся и новой деталью здания, в крупных зданиях при неоднородном основании, а также между элементами зданий, которые вследствие их различного назначения и статических нагрузок приводят к различным давлениям на грунт. Такие швы обычно выполняют в виде сжатых конструкций. Деформационные швы необходимы гам. где возникают повторяющиеся упругие перемещения строительных конструкций, например, пол действием временных нагрузок. Если шов должен одновременно быть конструктивным и температурным или температурным и деформационным, то его конструкция может выполняться в виде температурного или деформационного шва. Ряд требований к швам установлен соответствующими нормами -ДИН 1045 (старые и новые нормы), "Указаниями немецких федеральных железных дорог", ГИС (новое издание). Эти указания относятся к бетонным и железобетонным конструкциям всех типов. Температурные швы устраивают в протяженных конструкциях для создания возможности усадки, удлинения и укорочения тела здания вследствие температурных деформаций. Поэтому температурные швы. о которых идет речь ниже, предусматривают тогда, когда размеры здания превышают определенный предел; при этом необходимо принимать во внимание местные атмосферные условия - солнце, погоду, ветер. Кроме того, следует учитывать значительную дневную разность температур. Конструкции покрытий, которые обычно являются перекрытием верхнего этажа. в большей степени, чем другие конструкции, подвержены воздействию температуры, что приводит к продольным деформациям покрытия. Неблагоприятное влияние этого фактора усугубляется в сплошных покрытиях, плиты которых в соответствии с §22 ДИН 1045 могут иметь относительно небольшую толщину (до 3 см), так как часто на покрытие действуют только ветровые и снеговые нагрузки; в известных тонкостенных конструкциях усадочные трещины более заметны из-за быстрого высыхания. Поэтому, чтобы предотвратить произвольное образование трещин в покрытии и кладке из-за недопустимо больших изгибающих и особенно сдвигающих нагрузок в несущих элементах, на соответствующем расстоянии нужно устраивать гак называемые температурные швы определенного размера и конструкции. Расстояние между швами в общем случае зависит прежде всего от величины и направления температурных воздействий на рассматриваемую поверхность, от толщины строительных конструкций и их теплоизоляции, а также от ожидаемых продольных удлинении и от большей или меньшей степени упругости материала наружных и внутренних стен. Причины трещин в каменной кладке. Возникновение трещин в каменных стенах, на которые опираются плоские железобетонные покрытия, всегда вызвано удлинением незащищенных или недостаточно изолированных железобетонных плит покрытий при возрастании температуры, тепловых воздействиях и особенно при сильном солнечном облучении. Во всех случаях повреждений, вызванных названными выше причинами, появляются заметные трещины одинаковой формы и направления, так называемые трещины сдвига; они возникают по всем четырем углам продольных стен и частично также у внутренних и наружных поперечных стен под покрытием. При неправильной конструкции швов, например швов сжатия, предназначенных для предотвращения возникновения неравномерного давления, теряется их целевое назначение. Недостаточный слой теплоизоляции дает только незначительный эффект и поэтому не оказывает заметного влияния. Однако эти недостатки можно легко ликвидировать с незначительными затратами труда и средств. Величина возникающих усилий и их влияние. При расчете возникающих усилий принимают, что длина крыши или конструкции покрытия равна 1 (м). Летом в зависимости от климатических условий поверхность покрытия нагревается до температуры tо. При этом в жилых помещениях, находящихся под покрытием, устанавливается температура tu. Средняя наивысшая температура при таком максимальном нагреве tмакс = 1/2 (to + tu). Зимой необходимо считаться со средней наружной температурой ta, что с учетом температуры ti в изолированном чердаке и в неотапливаемых помещениях дает среднюю наименьшую температуру tмин = 1/2 ( ta + ti). Таким образом, абсолютный перепад температур в конструкции tабс равен интервалу от tмакс до tмин. Так как коэффициенты теплового расширения бетона (0,000014) и стали (0,000011) отличаются примерно на 27%, в рассматриваемом случае в качестве коэффициента теплового расширения и коэффициента линейного расширения α1 для бетона и стальной арматуры вместо 0,000010, по ДИН 1045, §16/2, принимается 0,000014, если в особых случаях не предусмотрено другого значения; это означает, что при повышении температуры на 1°C единица длины бетою возрастет на 0,000014 своей величины. Поэтому удлинение Δt = l αt tабс = 1*0,000014*tабс. Это и есть первое уравнение (правда, без учета каких-либо дополнительных обстоятельств) для определения размера швов (их ширины), а также расстояния между ними (число швов). В рассматриваемом случае установка сквозного анкера из круглой стали для снижения общего продольного удлинения вызывает усилие (без учета трения)  Подставляя в это уравнение соответствующие числовые значения, получаем величины, которые показывают, что практически свободная анкеровка этих сил невозможна или достигается с большим трудом. Следовательно, нельзя рекомендовать применение таких анкеров. Вместо этого можно уменьшить вдвое расстояние между нижней гранью конструкции покрытия и верхом внутренней стороны окна и устроить там горизонтальный шов со скользящим слоем пленки для предотвращения сцепления, т.е. осуществить полный отрыв несущей конструкции покрытия от стен верхнего этажа (так называемый отодвинутый или вертикально поделенный кольцевой анкер). Членение, а также возможность скольжения обеспечиваются толевыми прокладками. Сами поверхности скольжения должны быть чистыми и ровными (недостаток: чувствительность к трещинам и сдвигу!). Расчет анкера производят на возникающие силы трения R = μN. Здесь N означает половину веса конструкции покрытия, a μ - коэффициент трения бетона по асфальту, который может быть принят равным около 0,5. Нельзя установить единой ширины швов для всех случаев: в зависимости от обстоятельств она равна от 0,5 до 2,0 см. В обычных условиях расстояние между швами принимают равным 10 м. При значительном перепаде температур, а также в неармированных или слабоармированных бетонных массивах часто требуется еще более частое деление швами. (Для назначения шага швов в таких случаях исходят из практического опыта.) Кроме того, шов должен иметь достаточный зазор, чтобы сохранялась возможность беспрепятственных перемещений без преждевременного замыкания шва даже в экстремальных условиях, например при пожаре. В инструкции, выпущенной немецким комитетом по железобетону, указано, что зазоры в швах здании, где технология работ или работающее оборудование могут послужить причиной пожаров, должны составлять не менее 1/1200 расстояния между швами: расстояние между швами не должно превышать 30 м. Такие швы должны пересекать все здание насквозь, включая штукатурку. Зазор шва должен оставаться свободным без заполнения легкими плитами или аналогичными материалами.  Другими словами, деформационные швы следует выполнять в виде швов с воздушной прослойкой (1-й принцип). Влияние температурных перепадов на деформации бетона может быть в значительной степени уменьшено при нанесении достаточно толстого слоя теплоизоляции. При этом деформации от нагрева и соответственно удлинения могут быть снижены до 50%. Сопротивление теплопотерям D = 1/λ (сопротивление, которое стена или покрытие оказывают прохождению тепла) для армированной бетонной плиты толщиной d (м) равно D = d/λ = d/1,3 (м2*ч*град/ ккал); для защитного слоя газобетона или пористого бетона толщиной d1 (м) сопротивление теплопотерям D1 (м2*ч*град/ккал) равно: D1 = d1/λ1 = d1/0,3. Здесь λ и λ1 представляют собой коэффициенты теплопроводности применяемых строительных материалов и соответствуют такому количеству тепла, которое проходит в 1 ч через кубик со стороной, равной 1,0 м. при разности температур с двух сторон стенки 1°C.  Пo рис. 5.17 и 5.18 можно без учета сопротивления теплопередаче получить максимальную среднюю температуру в бетонной плите с защитным слоем и без него  Отсюда следует вывод, что все железобетонные плиты покрытий должны иметь теплоизоляцию (2-й принцип). При этом тепловое воздействие на плиты почти не возрастает, а продольные удлинения плит значительно снижаются и, как и раньше, главной задачей остается расчет возможных трещин, наиболее легко возникающих в стеновом материале, а также размещение необходимых швов в соответствующих местах. Другими словами, нельзя решать отдельно вопросы изоляции, устройства швов и выбора стенового материала (3-й принцип). Мероприятия, защищающие от возникновения трещин. Как видно из изложенного выше, можно с помощью укладки теплоизоляционного слоя соответствующей толщины (пористый бетон, пробка, торфяные плиты, минераловатные или стекловолокнистые маты) снизить температурные деформации и соответственно продольные удлинения до необходимых пределов. Далее на основе расчета можно разместить конструктивные швы в соответствующих местах. Такие швы должны конструироваться в виде швов с воздушной прослойкой в соответствии с рис.5.16 и проходить через все здание насквозь, т.е. через конструкцию покрытия вместе с карнизом и стену, насколько это возможно осуществить с учетом необходимого уплотнения.  По опытным данным, имеющимся к настоящему времени, рекомендуется каждый шов пропускать через всю толщину штукатурного слоя (внутреннего и наружного). Исходя из архитектурных соображений, деформационные швы, открытые снаружи, при необходимости могут быть скрыты с помощью установки водосточных труб, нахлесткой или так называемыми накладками для деформационных швов (рис. 5.19). Последний способ позволяет решить эту проблему самым простым и целесообразным для строителей образом. Накладки имеют вырезь (отверстия) для пропуска штукатурки и изготовляются из тонких стальных листов, подвергнутых горячей оцинковке. Уплотнения деформационных швов в массивных покрытиях с профилями из пластмассы (упругие и надежные под нагрузкой) показаны на рис. 5.20 и 5.21. Кроме того, в швах покрытий важную роль играют уплотнения, обеспечивающие водонепроницаемость. Дешевая и простая конструкция показана на рис. 5.16. Для снижения трещинообразования при расчете арматуры в плитах покрытий не следует ограничивать количество распределительной арматуры, позволяющей лучше и надежнее воспринимать температурные и усадочные напряжения.  Общие практические правила устройства швов. 1. Массивные плоские покрытия (конструкции покрытий или кровель), имеющие значительную протяженность (более 20 м), должны расчленяться непрерывными деформационными швами, причем несущая часть конструкции покрытия полностью отделяется от верхнего этажа. 2. Необходимо обеспечить подвижность этих швов и соответственно поверхностей скольжения. Кроме того, подвижность швов не должна снижаться на отдельных этажах. 3. Расположение швов в покрытии не зависит от размещения остальных швов. Осадочные швы фундаментов должны проходить через все здание насквозь, т.е. через наружные и внутренние стены, включая штукатурку (наружный и внутренний слой), а также покрытие. 4. Конструкцию покрытия необходимо защищать от слишком сильного теплового действия с помощью слоя пористого бетона толщиной 12-14 см или другой равноценной теплоизоляцией. 5. Для предотвращения образования трещин от температурных и усадочных напряжений следует армировать швы. 6. Нельзя рассматривать изоляцию, швы и стеновой материал отдельно друг от друга.   На рис. 5.22 показана безупречная конструкция плоского покрытия. Конструкция швов, относящаяся к этому случаю, приведена на рис. 5.16. Дефекты могут возникать в тех случаях, когда не учтены следующие важнейшие факторы. 1. Примыкания и окончания, жесткие и подвижные примыкания, конструкция края покрытия (водосточный желоб) и деформационных швов. Конструкция деформационных швов определяется технологическими и расчетными требованиями; она предусматривается проектом. 2. Конструкции, проходящие сквозь кровлю. К ним относятся камины, вытяжки, антенны, стойки или анкеры перил, осветительные колпаки и водостоки (воронки с водосточными трубами, отапливаемые, теплоизолированные). Во всех случаях водонепроницаемая обшивка приклеивается к кровельному ковру, она выполняется в соответствии с требованиями по производству работ и отдельными пунктами "Указании". Качество изоляции покрытия определяется качеством выполнения мест примыканий.   При этом необходимо принимать во внимание, что при соединении воронок с кровлей жесткое крепление ведет к образованию трещин (тонкие трещины) в сильно нагруженных местах примыканий из-за дилатационных перемещений конструкций покрытии и тела воронки. В зоне отверстая необходимо в качестве компенсатора напряжений применять соединительные пленки, обладающие длительной упругостью. Для предотвращения проникания влаги в конструкцию при подпоре воды в водосточной трубе необходимо устанавливать резиновые кольца (уплотнение из валиковых и губчатых колец) в узле соединения воронки с трубой. Водоотвод с террасных покрытий с растительным грунтом и без него осуществляется в общем случае в двух плоскостях: в плоскости изоляции и в плоскости покрытая. С помощью незначительных дополнительных деталей воронка покрытия может быть превращена в воронку террасы (рис. 5.24-5.26). Зона, подверженная действию талой воды, при внутреннем водоотводе распространяется вниз от воронки на несколько м по длине водосточной трубы. Здесь в неутепленных или недостаточно утепленныx трубах выделяется конденсат, что с течением времени приводит к промоканию стены.   При установке воронок важно, чтобы в теплоизоляцию не поступала диффундирующая влага (для водосточных труб применяют штуцера длиной около 1 м с двойными стенкам и заполнением пеностиролом). 3. Прочие воздействия — наружная и внутренняя температура, влажностный режим (относительная влажность), назначение помещения под покрытием, свойства материалов и характеристики теплоизоляции. Кроме того, на появление дефектов оказывают влияние следующие факторы: - давление водяных паров; - географическое положение; - годовой баланс влаги (количество влаги, проникшее в конструкцию вследствие диффузии паров к концу неблагоприятного времени года, должно быть меньше или в крайнем случае равно тому количеству влаги, которое выделяется летом, рис. 5.27); - содержание влаги в теплоизоляционном материале (количество допускаемой диффузионной влаги равно общей влажности за вычетом собственной влажности); - образование конденсата; не допускается никакого выделения влаги. При уклоне до 5% (3°) необходимо учитывать стоячую воду (во вторую очередь - снег и лед); - диффузия пара (при дефектной пароизоляции); влияние водяного пара сказывается в образовании пузырей и складок (рис. 5.28), вскрытии швов, возникновении трещин, перемещении поверхностной воды и хрупкости кровельного ковра (от ультрафиолетового излучения); - достаточная теплоизоляция; проверяется наличие влаги и сырости на внутренней поверхности покрытия, устанавливается возможность непосредственного доступа влаги снаружи и степень повреждения пароизоляции; - химико-физические процессы; наряду с естественным износом при проникают поверхностной влаги, талой воды, конденсата возникает коррозия, приводящая к образованию отверстий; - температурные воздействия снаружи и изнутри; температурные перепады очень велики: от 20°С до +80°C на поверхности покрытия в течение года (на черных кровлях до +90°С и более, температурный перепад в течение дня достигает 70°С). Если под кровлей находится низкотеплопроводный теплоизоляционный слой, препятствующий отводу тепла, то это может привести к возникновению теплового подпора и дальнейшему повышению температуры. Температурные напряжения необходимо учитывать, так как в противном случае происходит удлинение или укорочение покрытия, что при жестких покрытиях часто служит причиной серьезных повреждений: выпучивания наружных стен, образования трещин в штукатурке (с наружной и внутренней стороны), переноса напряжений в кровельный ковер и возникновения из-за этого трещин в кровле (влажностные разрывы), см. рис. 5.51 и 5.52.  Нагрев и охлаждение газообразных тел (воздух) ведет к изменению их объема и соответственно давления (при снижении давления - отсос). которое служит причиной неконтролируемого подъема кровли (образование пузырей) и может привести к значительным повреждениям. С учетом абсорбции и рефлексии предлагаются рефлектирующие покрытия или материалы (меньший нагрев кровли и конструкции). Водоотвод. Возможно прекращение водоотвода из-за образования ледяных сосулек, пробок и т.д. Очень важна конструкция примыканий (проемы) воронок к водосточным трубам, вытяжкам и т.д. В местах примыканий могут возникать трещины; у тепловых мостиков выделяется талая вода (конденсат). Эта влага может привести к промоканию конструкции покрытия и образованию пятен на потолке. Наиболее важной деталью покрытия является теплоизоляция со слоем пароизоляции. Самая лучшая теплоизоляция эффективна тогда, когда диффундирующий водяной пар лишь постепенно увлажняет изоляционный материал.  Выводы. Задачами покрытия являются: - предотвращение проникания водяных паров из нижележащего помещения в слой теплоизоляции путем укладки так называемой пароизоляции; - обеспечение благоприятной температуры в помещении, предотвращение проникания конденсата в конструкцию, снижение термических нагрузок в бетонных плитах покрытия с помощью устройства достаточной теплоизоляции; - удержание влаги путем устройства водостойкого кровельного ковра; - выравнивание давления для обеспечения возможности собственных перемещений кровли путем укладки слоя, компенсирующего давление паров (выравнивающий компенсационный слой). Для общей оценки покрытия всегда важна характеристика слоев, входящих в его состав. Пример 5.3. Речь идет о покрытии конторского и складского здания, которое одновременно служит автостоянкой общей площадью 3600 м2 (рис. 5.29 и 5.30). Теплое покрытие состоит из следующих слоев (рис. 5.31): - битумная грунтовка (холодный битум), нанесенная на гладко затертую наклонную поверхность покрытия (железобетонные плиты); - слой уплотняющей алюминиевой ленты толщиной 0.1 мм, покрытой горячим битумом (пароизоляция); - слой пробки толщиной 4,5 см (вспученная пробка, пропитанная горячим битумом, вместо предусмотренных проектом стекловолокнистых плит "Foam" толщиной 5 см. имеющих такую же теплоизоляционную способность); - слой упругой коррозионно-стойкой уплотняющей пленки из вилкопластa (мягкая поливинилхлоридная пленка), наклеенной на пробку (вместо медной рифленой ленты)с заваркой на стыках; - слой картона весом 500 г/м2, пропитанный в горячем битуме; - накрывочный слой из горячего битума; - бетонный выравнивающий слой (обычно толщиной 6 см) с ложными швами 4,0x4,0 м и деформационными швами шириной от 10 до 20 мм; специальная посыпка щебнем, смоченным в битуме (6 см), без заполнения деформационных швов и слой мелкозернистого асфальтобетона толщиной 3 см также без заполнения деформационных швов; деформационные швы заполняются специальной массой для заливки швов.  Ниже рассмотрены дефекты и повреждения, обнаруженные в покрытии (рис.5.32). Многочисленные трещины, распространяющиеся по всей ширине автостоянки, в двухслойном битумно-щебеночном покрытии вдоль южных (рабочих) и деформационных швов в защитном слое бетона имеют ширину 2-3 мм. Битумно-щебеночное покрытие укладывают поверх него без устройства швов. Во многих местах вдоль трещин виден белый осадок известкового молока, выступивший из защитного слоя бетона, частично или полностью пропитанного влагой. При изготовлении швов были допущены следующие отклонения от инструкции. Конструкция швов выполнена неправильно. Ложные и деформационные швы отсутствуют в слоях, расположенных над бетонной выравнивающей прослойкой (защитный слой бетона); использована недоброкачественная заливочная масса. На этих участках покрытое имеет двойные трещины.   Изоляция в швах уложена неравномерно. Фактическая толщина литого асфальта, а также битумно-щебеночного слоя отличается от предусмотренной указаниями по изготовлению почти на 50%, т.е. на 3-6 см. Покрытие автостоянки примыкает к конторскому зданию (восточная сторона). Узел примыкания недостаточно уплотнен, через разделительный шов вола проникает в нижележащие конторские помещения. Для проведения дальнейших исследований кровля была вскрыта в десяти точках (площадки размером 50x50 см), расположенных как можно ближе к воронкам; вначале кровлю вскрыли до уплотнительного слоя (кровля, толь, вилкопласт), а затем на участках размером 8x8 см удалили все оставшиеся слои покрытия до образования сквозного отверстия. При лом было установлено следующее.  В точке №1 (низкая точка возле дренажной шахты, рис. 5.33) после вскрытия измеренный уровень воды на пленке составлял 5-6 см; пробковый слой находился под давлением воды. В точке №2 наблюдалось то же. что и в точке №1; вода находилась внизу (рис. 5.34). В точке №3 в день вскрытия верхушка была сухая; раньше, вероятно, вода проникала сверху вниз (рис. 5.35) В точке №4 наблюдалось то же, что и в точке №3. В точке №5 после вскрытия пробки толщиной 2,5 см установлено, что влага проникла на глубину 2-3 см (рис. 5.36). В точке №6. так же как и в точке №3, имеется поверхностная вода; после вскрытия пробки проникания влаги не наблюдается. В точке №7 поверхность оказалась сухой. В точке №8 вначале было сухо, после вскрытия пробки наблюдался подъем воды до такого же уровня, как в точке №5 (рис. 5.37). В точке №9 деформационные швы (разделительный шов на краю перекрытия подвала) были не залиты и не доведены до поверхности проезда. В точке №10, как и в точке №9, было обнаружено дефектное исполнение ложных швов в слоях над выравнивающим бетоном (защитный слон бетона); в швы запрессована асфальтовая смесь. (После осмотра все отверстия были снова заполнены уплотняющей битумно-стекловолокнистой массой.)   В рассматриваемом случае имеющиеся трещины находились в зоне двухслойного битумно-щебеночного покрытия толщиной 3+6 = 9 см. Такие трещины, с одной стороны, вызваны дефектами при изготовлении, а с другой - имеют физическую основу, связанную с возможностью возникновения значительного перепада температур между наружной поверхностью покрытия (например, -20°С зимой) и ее внутренней поверхностью (+20°С), а также с напряжениями в самом бетоне. В данном примере трещины образовались из-за неправильного размещения и исполнения рабочих швов и частично из-за снижения эффективности деформационных швов. Трещины в битумно-щебеночном слое облегчают проникание поверхностной влаги в конструкцию и поэтому зимой возникает опасность промерзания нижележащего слоя бетона; при этом отклеивается и поднимается кровли и кроме того, создаются благоприятные условия для достижения точки таяния. Как видно из рис. 5.31, пробковый слой, препятствующий диффузии, расположен между вилкопластом и алюминиевой пленкой (т.е. уплотнен сверху и снизу). Вентилирование покрытия предусмотрено сбоку (вытяжка в парапете). Пробковый слой является важнейшим элементом покрытия. Применяемая для этой цели "экспандированиая пробка" импрегнирована и может нормально функционировать только при влажности, не превышающей 67с, правда, с некоторым снижением изолирующего эффекта. При влажности, равной 10%, теплоизолирующая способность снижается по 60%. Кроме того, пробка имеет определенную прочность на сжатие, что позволяет ей снижаться примерно на 5%. Однако при разрушении ячеистой структуры, например из-за слишком большой нагрузки при уплотнении бетона или укатке покрытия, пружинящая способность пробки исчезает. Испытания в десяти точках покрытия, описанные выше, показали, что экспандированная пробка толщиной 4,5 см пропитана влагой и частично находится под слоем воды. Здесь могут быть две причины: в отдельных точках порвана гидроизоляция, например из-за плохого склеивания, и имеются другие повреждения, возникшие при ее укладке, или повреждена теплоизоляция при установке воронок, которая всегда вызывает трудности и связана с риском повреждения прилегающих слоев. В этих точках поверхностные воды проникают в слой пробки. Так как проведенные исследования (при вскрытии слоев покрытия) не выявили никаких трещин или повреждений в кровле и пленках, то в рассматриваемом случае проникание значительного количества воды в пробковый слой, по-видимому, вызвано второй причиной. В соответствии с описанным выше состоянием пробки изолирующая способность пробкового слоя здесь равна нулю и поэтому очевидно, что покрытие автостоянки не обладает требуемой теплоизоляцией. В соответствии с ДИН 4108 но II температурном районе (в котором расположено здание) термическое сопротивление принимается равным 1,25 м2*ч*град/ккал. Проводя расчет (см.рис. 5.31) при коэффициенте теплопроводности, равном для литого асфальта 0,6, битумного щебня 0,6, выравнивающего слоя бетона 1,3, пробки 0,03 и железобетона 1,75 ккал/(м2*ч*град), получаем:  Приведенные в ДИН величины представляют собой минимальные значения, поэтому имеющаяся теплоизоляция может считаться достаточной при нормальных условиях. Однако в ДИН не учитывается величина теплопередачи при экстремальных условиях (сильный ветер или значительная влажность воздуха). Поэтому практически должна применяться более эффективная теплоизоляция. Конструкция, приведенная на рис. 5.31, предполагает, по пробковый слой под вилкопластовой пленкой может вентилироваться, т.е. пленка должна свободно укладываться на пробку без наклейки. Достижение точки росы зависит от относительной влажности воздуха под покрытием. По рис.5.38 ка диаграмме i-х Моллера при температуре воздуха +20°С и относительной влажности 80% точка росы, т.е. 100%-ная влажность, будет достигнута при 16,5°С. Таким образом, высокая влажность воздуха, близкая к точке росы, часто приводит к значительным трудностям при устройстве теплоизоляции; тогда остается другой путь - устройство холодной кровли (рассматриваемая конструкция относится к типу теплых кровель). Здесь ожидать конденсации на нижней поверхности можно только при максимальной разности температyp (например, -30/+20°С) или при высокой влажности воздуха (90% влаги). При неповрежденной алюминиевой пленке пробка должна остаться сухой. Обнаруженная влага не могла поступить снизу, так как условием проникания талой воды является значительный подпор. Кроме того, в данном случае поврежденное массивное покрытие должно было бы иметь влажные участки, заметные снизу. Поскольку таких участков не наблюдалось, можно сделать вывод, что алюминиевая плойка, препятствующая диффундированию влаги, не повреждена.  При прокалывании вилкопластовой пленки во время испытаний наблюдался подъем воды, что свидетельствует о наличии давления (даже очень незначительного), которое отсутствует при увлажнении конденсатом. Это позволяет сделать вывод, что после устройства изоляции пробивались проемы (воронки) или недостаточно герметизировались стыки при пересечении воронками вилкопластовой пленки. Под вилкопластовую пленку ни в коем случае не должны попадать капли воды. Из сказанного можно сделать следующие выводы. Если экспандированные плиты из прессованной пробки увлажнены ка большой площади, то не рекомендуется производить ремонт покрытия исключительно в зоне воронок путем вырезания и замены гидроизоляционного слоя и участков экспандированных плит. При этом следует удалить все слои покрытия по частям, оголить поверхность бетона, имеющую уклон, и уложитить новую тепло- и гидроизоляцию, например из твердых пенополиуретановых плит толщиной 40 мм со сваркой полос (покрытие конструкции Гартенмана, официально разрешенное к применению). В этом случае полная толщина покрытия составляет 13-14 см.  Если экспандированные плиты из прессованной пробки остались сухими, то все швы до гидроизоляции должны быть надрезаны и промазаны упругопластичным клеем на битумной основе. Зазоры в местах установки воронок в каждом случае должны повторно герметизироваться. После вскрытия битумно-щебеночного слоя в местах, нуждающихся в ремонте, нельзя производить его сплошную заделку, а необходимо устраивать швы там, где указано выше. Пример 5.4. В рассматриваемом случае речь идет об одноэтажном каркасном здании, смонтированном из сборных предварительно напряженных железобетонных элементов (балки и внутренние прогоны) и конструкций из монолитного бетона (крайние прогоны и стойки). Несущий каркас здания представляет собой предварительно напряженные железобетонные балки, опертые на четыре ряда стоек. Покрытием служат газобетонные плиты толщиной 10 см (плиты изготовлялись с паропрогревом), на которые наклеено два слоя толя. Размеры покрытия 37x104 м. Здание трехпролетное (13,75-9,00-13,75 м). При необходимости поперечные балки могут консольно выступать в направлении среднего пролета. Расстояние между балками в продольном направлении составляет 6,25 м (рис. 5.39). При обследовании были установлены следующие дефекты: недостаточная теплоизоляция покрытия: временами в помещении наблюдалась недопустимо высокая температура, достигавшая 38°С (летом); - значительные продольные удлинения вследствие температурных воздействий (термическая нагрузка), которые приводят к образованию многочисленных трещин и заметных разрушений (особенно в местах опирания прогонов); - образовать пузырей в кровле (см.рис. 5.40). Образование воздушных пузырей под слоем толя (около 10—20% площади поверхности) можно объяснить следующими физическими процессами: влажный воздух (здесь температура воздуха равна 20°С, а влажность - 65%) легче сухого воздуха; он поднимается вверх, диффундирует через незащищенные газобетонные плиты толщиной 10 см, попадает на слой кровли (толь) и образует пузыри, если вентиляция недостаточна. Дальнейшее развитие процесса показано на рис. 5.28.  Внешний осмотр и многодневные наблюдения полностью подтвердили наличие указанных недостатков (рис.5.41-5.44). В дни наблюдений температура в помещении достигала 30°С (при максимальной измеренной наружной температуре воздуха 27-28°С). Такая температура объясняется тем, что в дни наблюдений солнечное облучение было ослаблено более или менее сильной облачностью. Нагрев газобетонных плит, как известно, только в незначительной степени связан с температурой окружающего воздуха и, напротив, полностью зависит от интенсивности солнечного облучения. Поэтому температура поверхности плоских покрытий может достигать 70°С.   Очевидно, что высокая температура ухудшает самочувствие и снижает трудоспособность людей. Известно, что при температуре 28-30°С у людей начинает выступать пот, так как теплоотдача тела через излучение и проводимость недостаточна. Во избежание неприятных последствий необходимо выполнять теплоизоляцию соответствующей толщины. Минимальные значения приведены в ДИН 4108, табл.4. Испытания конструкций покрытия дали следующие результаты. Теплоизоляция из газобетона В 35 толщиной 10 см с двумя слоями толя недостаточна (рис. 5.45); необходимая теплоизоляция достигается при применении слоя вспученной прессованной пробки толщиной 2 см. На рис.5.46 приведены расчетные данные.   Различаются покрытия весом до 300 кгс/м2 и более. В данном случае речь идет о конструкции весом менее 300 кгс/м2, для которой действительны значения ДИН 4108. Решающее значение имеет величина термического сопротивления теплоизоляции (II зона).  Таким образом, достаточен слой теплоизоляции из пробки толщиной 3 см. Требования норм выполняются и при слое пробки толщиной 2 см с термическим сопротивлением 1/А = 1,259 м2*ч*град/ккал. На рис. 5.48-49 представлены кривые для определения теплоизолирующей способности пробковых матов.  Рассчитанная выше теплоизоляция не защищает конструкцию покрытая от линейных деформаций, вызванных температурными воздействиями. В каждом случае необходимо заранее обеспечить возможность достаточных перемещений (способность скольжения) путем устройства швов или снизить температурные перемещения путем усиления теплоизоляции. Оценка возникающих продольных деформаций: в период возведения (см. рис.5.45) требуемое продольное удлинение Δtсм = 0,000014*45*3700 = 2,331 см, а фактическое удлинение Δtvort = 1,0 см. Первое предложение по улучшению качества теплоизоляции (укладка слоя пробки толщиной 2 см), см. рис. 5.46:  Рекомендуется теплоизоляция, превосходящая указанную (т.е. более толстый слой пробки), с соответственно большей эффективностью защиты от солнечного облучения и нагрева помещения, например слой пробки толщиной 3 см. Здесь необходимо еще учесть следующее: образование конденсата в конструкциях можно надежно предотвратить только тогда, когда относительная влажность воздуха в помещениях находится в интервале от 50 до 60%. Более высокая влажность (здесь относительная влажность воздуха, по Фогру, равна 65%) требует более толстой теплоизоляции.   Второе предложение по улучшению качества теплоизоляции (укладка слоя пробки толщиной 3 см) (см. рис. 5.47):  Более массивный (например, толщиной 6 см) слой пробки не нужен, так как это превышает технологические требования. Микроклимат в помещении, при котором температура воздуха равна 20°С, а относительная влажность составляет 65%, может быть обеспечен при постоянной и надежной работе кондиционеров. Деформационные швы в протяженных зданиях, таких, как в рассматриваемом случае, устраивают прежде всего для обеспечения возможности ползучести (предварительно напряженный бетон!), а также удлинения и сжатия тела здания вследствие температурных перепадов. В принципе все швы без исключения должны быть выполнены с воздушными зазорами и пересекать все здание насквозь. Необходимо обеспечить подвижность этих швов и плоскостей скольжения. Подвижность шва не должна снижаться отдельными конструктивными элементами. Пространство между швами должно оставаться открытым, т.е. свободным от любых препятствий (облегченных плит, штукатурки, раствора и т.п.). Поверхности скольжения должны быть чистыми и выровненными (особая чувствительность к трещинам и сдвигу). Ширина швов зависит от расстояния между швами и от конструкции покрытия (т.е. от имеющейся в наличии изоляции). Как показал внешний осмотр, при изготовлении швов были нарушены все общие принципы. Ширина швов принята равной только 10 мм. Однако для to = +70°С и tu = +20°С и расстояния между швами примерно 37,0 м по расчету необходимая ширина шва составляет 2,33 см. Кроме того, влияние швов во внутреннем пролете снижено фонарем. Швы, выемки и пазы заполнены раствором при выравнивании поверхности прогонов и заливке раствора сверху в швы между плитами покрытия; все швы заштукатурены снизу, так что невозможны перемещения без образования трещин. С такими же отступлениями выполнены шарнирные швы в монолитных крайних прогонах, имеющие гераклитовые вкладыши размером 2,5 см и являющиеся швами давления. При одностороннем бетонировании цементное молоко беспрепятственно попадает в "голую" гераклитовую плиту; плита затвердевает и при давлении около 3 кгс/см2 теряет упругость (этого можно избежать путем прокладки толя). Стыки швов шарнирной конструкции могут скользить благодаря использованию стальных плит; при бетонировании в швы между плитами попадает бетон, так что подвижность этих швов очень ограничена и не может считаться эффективной. Действие сил трения (нормальные силы -растягивающие и поперечные) по остальным незащищенным поверхностям скольжения приводит к возникновению касательных трещин непосредственно на опорах (консолях). При значительной ширине покрытия (около 40 м) необходимо одновременно учитывать поперечные деформации. Образование трещин на жестких концевых элементах (в диагональном направлении) подтверждает существование таких поперечных перемещений. Отрыв покрытия над монолитными крайними прогонами приводит к срезу растворных швов из-за скольжения вследствие общего продольного удлинения при нагреве. Это явление наиболее наглядно проявляется на южной стороне. Изложенное выше объясняет причины установленных повреждений и дефектов. Можно дополнительно отметить, что в зданиях такой конструкции возникают значительные перемещения из-за ползучести предварительно напряженного железобетона; влияние укорочений компенсируется продольными и поперечными удлинениями от действия температуры. Кроме того, необходимо отметить, что угловые детали в рассматриваемом случае сделаны слишком жесткими и не могут воспринимать возникающих перемещений без повреждений; это подтверждается возникновением трещин над углами. Возникшие повреждения еще раз показали, что нецелесообразно в конструкциях одного здания одновременно применять предварительно напряженный и монолитный бетон. Другим недостатком является образование в некоторых местах кровли так называемых воздушных пузырей. Это явление имеет две причины. С одной стороны, водяной пар может диффундировать из здания наружу, проникая через покрытие; при этом он конденсируется под кровельным ковром из-за охлаждения в ночное или зимнее время. Под действием солнечного облучения из конденсата, находящегося непосредственно под кровлей, снова выделяется водяной пар, который не может быстро улетучиться и поэтому вызывает подъем кровли, как показано на рис. 5.28 и 5.40 (складки, пузыри, трещины). С другой стороны, вода может проникать в плиты покрытия снаружи в тех случаях, когда перед наклейкой толя прошли дожди. После укладки толевого ковра влага, скопившаяся в газобетонных плитах, не может испариться и концентрируется под кровельным ковром. Пары целесообразно удалять путем разрезки кровли в местах образования пузырен. Таким образом, проведенные исследования выявили следующие недостатки: - толщина теплоизоляции недостаточна, минимальные требования ДИН 4108 не выполнены, т.е. дефект был заранее заложен в проекте; - при строительстве швы выполнены неправильно, подвижность швов не обеспечена (ответственность за продольные удлинения системы вследствие температурных перепадов несет расчетчик); - дефекты изготовления при недостаточном строительном надзоре ведут к образованию пузырей в кровле; за это отвечают непосредственно руководители строительства. Подводя итоги, можно сказать, что причинами разрушений служат недостаточная теплоизоляция покрытия, ограничение подвижности швов и соответственно способности скольжения (по поверхностям скольжения) из-за дефектов проектирования, неправильного возведения, а также слабого технического руководства.  Для принятия решений по ремонту теплоизоляции здания важно установить, как выполняется конструкция теплоизоляции на аналогичных строительных объектах, какие технические возможности имеются в наличии и в какой степени проведение намеченных мероприятий скажется на стоимости строительства. Только после выяснения этих обстоятельств может быть дан ответ на вопрос, имеют ли место дефекты проектирования и нужны ли дополнительные консультации. Повышенные требования по надзору за ходом строительства предъявляются к архитекторам, которые часто передают эти функции строителям. Во избежание появления дефектов архитекторы не должны ослаблять контроль, полагаясь на хорошую репутацию фирм, выполняющих изоляционные работы. Для устранения повреждений, точнее, для предотвращения возникновения трещин предлагается следующее. 1. Все замкнутые деформационные швы в поврежденных строительных элементах рассекаются и реконструируются в виде пространственной конструкции. Особое внимание необходимо уделять тому, чтобы после удаления раствора и штукатурки воздушный зазор в шве оставался свободным при возможных в дальнейшем загрязнениях. Зазор заполняется металлической пленкой, стекловатой или аналогичными материалами (они должны быть чистыми и укладываются в скомканном виде), чтобы предотвратить попадание твердых частиц, гальки и т.д. Скомканная пленка не оказывает никакого сопротивления уменьшению зазора вследствие повышения температуры. Кроме того, при укладке тонких стальных листов по поверхностям скольжения снижается сопротивление трению. 2. Консоли, имеющие трещины, укрепляются стальными накладками с двух сторон, опоры прогонов усиливаются V-образными стальными подпорками (рис. 5.50, стойка). 3. Как показано выше, при фактической ширине деформационных швов, равной 10 мм, и пролете покрытия, равном 37,0 м, исходя из теоретических соображений требуется уложить по поверхности покрытия слой теплоизоляции толщиной 6-8 см. При разбивке пролета покрытия пополам дополнительными деформационными швами шириной 10 мм нормативные требования выполняются при толщине теплоизоляции, равной 3 см. Такая теплоизоляция совместно с кондиционерами обеспечивает необходимую температуру воздуха в помещении, равную максимум 23°С. Пример 5.5. В дальнейшем рассматриваются случаи разрушения гак называемых "распространенных построек". Речь идет о построенных в 1952 г. девяти трехэтажных корпусах длиной 62,4 м с поперечными несущими стенами и продольным опиранием массивного покрытия. Несущие стены (наружные и важнейшие внутренние стены) выполнены из неармированных (изготовленных с паропрогревом) газобетонных панелей высотой на этаж: толщина панелей равна 15 см, а объемный вес -780 кг/м3. По контуру панелей проходит шов. Железобетонное плоское покрытие, одновременно служащее перекрытием верхнего этажа, представляет собой ребристую конструкцию с заполнением древесноволокнистой массой толщиной 14 см и накрывочным слоем бетона толщиной 3 см (общая высота 14 + 3 = 17 см) и состоит из следующих слоев (снизу вверх): - газобстонные плиты толщиной 3.75 см (объемный вес полностью высушенных плит 517 кг/м2) уложены по выравнивающему слою раствора толщиной около 2 см; - частичное двухслойное покрытие толщиной 15,0 мм: верхний изнашивающийся слой со стекловолокном, предотвращающим стекание мастики при высокой температуре, в нижний слой на промасленной бумаге: - слой алюминиевой краски, обеспечивающий частичное отражение солнечных лучей. Конструкция покрытия иногда укладывается горизонтально, а в большинстве случаев с уклоном, необходимым для устройства кровельного ковра.  Карниз, выступающий на 50 см. выполнен из армированных железобетонных плит толщиной 7 см и частично, как и выше, защищен газобетонными блоками, а частично - термозитовым слоем. В каждом корпусе предусмотрены швы. расположенные друг от друга на расстоянии трети длины, т.е. на расстоянии 62,40:3 = 20,80 м. Их конструкция покрытия представляет собой пространственные швы с гераклитовыми вкладышами, а в каменных стенах - швы с зазорами. Местный осмотр позволяет установить следующее. 1. Швы в конструкции покрытия выполнены в виде сквозной конструкции. Вкладыши в зоне покрытия представляют собой гераклитовые плиты толщиной 5 см при толщине покрытия, равной примерно 25 см; в зоне карниза швы на 1,0 см уже. Здесь вкладыш выполнен из картона. Из-за неправильной конструкции швов, показанной ниже, деформационный шов превратился в шов сжатия. Швы в каменной кладке выполнены в виде швов с зазором шириной 2 см, начинающимся частично с первого, а частично со второго этажа. В перекрытиях швов нет. 2. Мастичное покрытие имеет толщину только 10 мм и во многих точках, в особенности вдаль швов (см. рис. 5.51 и 5.52), видны трещины, a ближе к краям - складки и пузыри. Алюминиевая окраска совершенно закопчена и запылена. 3. Заметные трещины, существовавшие ранее и появившиеся вновь, возникают в каменной кладке второго этажа, в виде касательных трещин в наружных стенах вблизи фронтонов, а также в местах швов (рис. 5.53 и 5.54).  Кроме того, заметен явный подъем покрытия над внутренней продольной стеной (срез при скольжении), а также поперечные перемещения, вызвавшие образование трещин в нескольких точках (рис. 5.55 и 5.56). О результатах применения такой конструкции можно сказать следующее: при неправильном исполнении деформационных швов, например при установке гераклитовых плит без защитных прокладок, цементное молоко проникает в тело плиты, вызывая ее сильное затвердевание. Поэтому плиты практически теряют упругость при давлении 2-3 кгс/см2, и их поперечное сечение может воспринять усилие не менее 50 тс (2*1000*25 = 50000 кгс) без включения швов в работу. Вследствие образования связей, воспринимающих сжимающие силы (исключая швы), фактическая длина массивных железобетонных конструкций покрытий становится равной 62,4 м (вместо предполагаемой длины 20,8 м). Если теперь включить в расчет tщ = +70°С (черные кровли) и tu = + 30°С, то tмакс = (70 + 30)1/2 = 50°С, а при to = -20°С и tu = -5°C tмин = -25/2 = - 13°С.   Поэтому абсолютный перепад температур для конструкции покрытия и кровли составляет 63°С (от +50 до -13°С). В рассматриваемом случае без учета коэффициента теплопередачи, охлаждения ветром, потерь тепла и т.д. получаем l = 6240 0,000014*63 = 5,4 см. Так как конструкция покрытия удлиняется от середины в обе стороны, то на краю получаем минимум 5,4/2 = 2,7 см = 27 мм. При использовании газобетонтых плит толщиной 3,75 см с λ = 0,20 (благоприятный расчет), как указывалось, снижается температура деформации и. следовательно, уменьшаются продольные удлинения; как показывает приведенный ниже расчет, это уменьшение не превышает 11%. Если теплоизоляционная способность кровли (конструкции покрытия) припишется при расчете равной D=Σd/λ=0,4 м2*ч*град/ккал, то в соответствии с рис.5.57 средняя температура в конструкции покрытия под теплоизоляционными газобетонными плитами будет равна в летнее время: 30 + 1/2 * (70-30) * 0,4/0,4+0,2 = 43°С. Поэтому максимально возможная разность между средними температурами в плите покрытия по ориентировочному расчету равна приблизительно 43 + 13 = 56°С. Таким образом, снижение температуры составляет только 1/9, или примерно 11%, и продольные удлинения равны 4,8 и 2,4 см, что приближенно совпадает с максимальной шириной трещин (25 мм), измеренной в момент наибольшего нагрева. Эти швы постоянно включаются в работу; в рассматриваемом случае ширина раскрытия швов в течение летнего дня достигает 25 мм. После захода солнца швы снова закрываются. При более эффективной конструкции (швы с зазором) Δt = 1/3*6240*0,000014*56 = 1,6 см, и соответственно раскрытие швов у краев покрытия составляет примерно 8 мм. В приведенном выше расчете для упрощения не учитывались коэффициент теплопередачи и влияние мастичного покрытия (дает только незначительный теплоизолирующий эффект) и алюминиевой окраски. Отражающая способность алюминиевой окраски может быть учтена в расчете только на 80% при условии се полной чистоты и абсолютной горизонтальности поверхности. Любое отложение пыли, грязи и особенно копоти, что характерно для рассматриваемого случая, значительно снижает отражательную способность окраски, если не предусмотрена возможность се очистки (очистка алюминиевой окраски представляет сложную проблему). Кроме того, при негоризонтальности слоя краски необходимо принимать во внимание диффузию, эмиссию, концентрацию тепла и возможное окисление алюминия. Как показали измерения перемещений швов (табл. 5.5 и рис. 5.58), в рассматриваемом слyчас отражательная способность покрытия стала равной нулю. Эл1 же испытания позволили твердо установить, что уже небольшое изменение температуры, например всего лишь на 7°С (значение взято произвольно), служит причиной изменения ширины шва на -2,1; 2,23; 2,06; 2,03 мм, что хорошо согласуется как с рассчитанным значением Δt = 0,000014*7*2080 = 2,04 мм, так и с возможной деформационной способностью стенового материала (образование новых трещин после устройства свободных швов), равной около 2,4 мм. |
