Системы навесных стен: типы конструкций и испытания

Нормативные документы и сертификация

Главным отличием хорошо спроектированных навесных стен является то, что в течение всего срока службы они остаются водонепроницаемыми. Ниже рассмотрены основные конструкционные подходы, которые обеспечивают навесным стенам навесным фасадам высокую стойкость к проникновению дождевой воды.

Строительные нормы требуют, чтобы фасад здания обеспечивал надежный барьер для проникновения внутрь дождевой воды. Проникновение воды является наиболее серьезной проблемой из тех, которые случаются с окнами и навесными стенами.

Принципы водонепроницаемости стен

Для проникновения воды внутрь здания необходимо выполнение трех условий:

• вода на наружной поверхности стены;
• отверстия и щели в стене;
• движущие силы.

Отсутствие любого из этих трех факторов исключает проникновение воды через стену.

Если дождь падает вертикально, то навесная стена может быть защищена достаточно широким свесом крыши, который работает аналогично зонтику. Однако дождь редко падает вертикально. Обычно он сопровождается ветром, и принцип зонтика уже не работает. Поэтому невозможно спроектировать здания, которые бы полностью были защищены от воздействия дождевой воды. Именно поэтому проводят не только статические, но и динамические испытания водонепроницаемости навесных фасадов.

Как ветер воздействует на стены

При проектировании любого фасада важно понимать, каким образом ветер может воздействовать на здание:

1. Прямое действие ветра. Когда поток воздуха ударяет в здание, на его поверхности возникает зона повышенного давления и поток воздуха изменяется вдоль поверхности фасада. Это дает перепады давления.
2. Ускорение ветра у основания здания. Это явление возникает, когда ветер, который ударяет в здание, имеет около земной поверхности более высокую скорость.
3. Ускорение ветра у основания здания. Это явление возникает, когда ветер, который ударяет в здание, имеет около земной поверхности более высокую скорость.
4. Разделение потоков воздуха. Резкие изменения направления течения воздуха, например, на парапетах и углах, дают зоны отсоса с высоким перепадом давления. То же самое происходит на задней, подветренной, стороне здания.
5. Воздушные воронки. Скорость ветра может возрастать и менять направление, особенно в основании высоких зданий. Туннели и проемы через здания также создают воронкообразные потоки воздуха.

Как намокают стены

Намокание стен на углах здания всегда неизбежно выше, чем в его центральных частях. При резком изменении направления ветра, например, на парапетах и внутренних углах, капли дождя отделяются от потока воздуха, что приводит к концентрации намокания в этих местах. Если дождь продолжается достаточно долго, то эта вода может проходить насквозь всю стену и приводить к сильному ее намоканию, в том числе внутри здания. Фасады из непроницаемых материалов защищают стену от большей части дождевой воды. Тем не менее, и они не способны полностью исключить проникновение воды внутрь здания.

Проникновение воды сквозь стены

Каждый фасад имеет много различных отверстий, щелей и других скрытых проходов для дождевой воды. Они включают вертикальные швы для компенсации температурных расширений и различные примыкания друг к другу различных конструкционных элементов стен с установленными между ними резиновыми уплотнителями.

Вода течет вниз и вдоль поверхности фасада под воздействием ветра, пока не сталкивается с какими-нибудь выступами. Затем она течет по поверхностям углов, там, где находится большинство швов, примыканий и соединений. Соединения или примыкания возникают между различными смежными материалами или отдельными элементами из аналогичных материалов. Такие соединения и примыкания неизбежно возникают при изготовлении и монтаже строительных конструкций. Даже когда эти стыки и примыкания должным образом уплотнены и герметизированы, очень трудно обеспечить их стопроцентную надежность в течение всего длительного срока службы здания.

Силы на поверхности фасада

К силам и явлениям, которые способствуют проникновению воды сквозь стену, относятся:

• Гравитация
• Кинетическая энергия
• Кинетическая энергия
• Явление капиллярности
• Потоки воздуха
• Давление ветра

Типы систем водонепроницаемости для навесных фасадов

Существует три основных метода сопротивления всем этим силам, которые воздействуют на навесной фасад.

Системы с полной наружной герметизацией

Эти системы разработаны такими, чтобы быть полностью непроницаемыми для воздуха и воды. Они основаны на точной установке панелей остекления и очень надежной герметизирующей мастике или уплотнителях, чтобы обеспечить полностью непроницаемую наружную оболочку. Системы с наружной герметизацией имеют очевидные ограничения, так как их эффективность полностью зависит от качества выполнения работ, а также срока службы герметиков и уплотнителей.

По существу, эти системы могут ограничено применяться на малоэтажных зданиях, в относительно защищенных условиях и при возможности заменять фасад каждые 10 лет. Добавим, что известны запатентованные системы, которые применяют как непрерывные герметизирующие уплотнители, так и элементы дренажа, что позволяет повышать их стойкость к проникновению воды.

Системы с дренажом и вентилированием

В основе этих систем лежит признание того факта, что полной герметизации наружной поверхности фасада достичь в принципе невозможно. Поэтому, хотя эти системы и разработаны для того, чтобы защищать стену от погодных и климатических воздействий, они допускают, что вода может проникать внутрь стены. Для сбора этой воды и вывода ее наружу эти системы имеют специальные каналы и отверстия.

Важно, чтобы эти дренажные отверстия были достаточно большими, чтобы преодолевать влияние поверхностного натяжения или зимнего обледенения. Рекомендуемые диаметры дренажных отверстий составляют от 8 до 10 мм, а дренажные прорези – 20х5 мм или 25х5 мм. В настоящее время чаще применяются именно дренажные прорези, а не отверстия. Дренаж может выполняться как в ригелях, так и в стойках [1].

Системы с выравниванием давления

Эти системы включают наружный «дождевой барьер» в виде наружной облицовки, что обеспечивает защиту стены от прямого попадания большого количества дождевой воды. Защищенные отверстия позволяют воздуху проникать в раздельные внутренние полости, которые обеспечивают выравнивание давления. Внутренняя сторона стены должна быть герметичной. Она может выполняться в виде навесной стены, традиционной кирпичной стены или, при реконструкции здания, существующего фасада здания. Принцип выравнивания давления заключается в том, что давление воздуха во внутренних полостях стены изменяется в полном соответствии с изменением давления наружного воздуха. Это исключает возникновение разности давления через наружную герметизацию. Именно эта разность давлений является в обычной стене основной движущей силой для проникновения воды снаружи в ее внутренние полости.

Размеры прорезей в этих системах обычно находятся в пределах от 25х6 мм до 50х8 мм в зависимости от размера внутренней полости-камеры, а также от эффективности герметизации внутренней стороны стены. Правильное разделение внутреннего пространства фасада на полости-камеры является важным условием эффективной работы этой системы, то есть выравнивания давления по поперечному сечению фасада, особенно в таких его местах, где возникают завихрения и ускорения ветра. Для систем навесных стен с дренажом в ригелях такое разделение на отдельные полости-камеры может достигаться просто герметизацией стыков в каждом соединении «стойка-ригель».

Основное отличие систем с выравниванием давления от обычных систем с дренажом и вентилированием заключается в расположении дренажа. В системах с выравниванием давления эти дренажные отверстия являются скрытыми. При этом дренаж производится одним из двух способов. Он может выполняться в каждом ригеле, так, чтобы вода вытекала через прижимную планку в зону декоративной крышки и выводилась наружу. Другой вариант дает дренаж через стойку. В этом случае вода входит в систему через ригель и идет по нему горизонтально, чтобы выйти наружу через дренажные каналы в стойке. Стойки выводят воду наружу на каждом этаже, каждом втором этаже или каждом третьем этаже. Три этажа – это максимум, так как стойки не должны работать водосточными трубами. Воде легче удаляться путем вентилирования через стойки и ригели, чем путем дренажа через стойки. Чрезмерный вертикальный прогиб ригелей будет затруднять или препятствовать проходу воды к стойкам. Подкладки под стеклопакетами также не должны препятствовать дренажным маршрутам воды.

Наружная облицовка как дождевой экран

Наружная облицовка зданий, которая выполняет функцию так называемого «дождевого экрана», применяет тот же принцип выравнивания давления. Наружные облицовочные панели также являются первичной герметизацией, которая служит для того, чтобы защитить стену от подавляющего большинства количества воды. На этих панелях часто применяются специальные буртики, которые служат для защиты пазов между панелями от прямого попадания воды и помогают создавать камеры, в которых выравнивается давление.

Чтобы принцип выравнивания давления действительно работал, задняя стенка должна быть воздухонепроницаемой. Для этого стену-основу штукатурят изнутри или устанавливают воздухонепроницаемую мембрану на ее наружной стороне. Утепление может располагаться на наружной стороне стены-основы, но при этом обязательно устанавливают «дышащую» мембрану, чтобы предотвратить чрезмерное увлажнение утеплителя.

Принципы выравнивания давления

В типичной системе с выравниванием давления должны выполняться следующие принципы:

• Наружные уплотнители должны быть как можно более герметичными, чтобы максимально предотвращать проникновение внутрь стены дождевой воды.
• Внутренние полости должны быть разделены на отсеки, каждая из которых отдельно связана с наружным давлением через защищенные отверстия.
• Внутренние уплотнители должны обеспечивать как можно более полную изоляцию, которая бы максимально препятствовала проникновению воздуха.

Классификация систем навесных стен

Навесные стены лучше всего характеризуются как ненесущие стены, служащие для того, чтобы обеспечивать для здания своего рода фильтрующую оболочку. Их собственный вес и ветровые нагрузки на них передаются на несущие конструкции здания через анкерные точки. Также как и к обычным видам стеновых конструкций, к ним предъявляются требования по:

• воздухопроницаемости;
• водонепроницаемости;
• защите от солнечного излучения;
• сопротивлению теплопередаче и звукоизоляции.

Навесные стены подразделяют по способу их изготовления и монтажа.

Стоечно-ригельные навесные стены

Детали стоечно-ригельных фасадов подготавливаются и механически обрабатываются в заводских условиях и затем поставляются на рабочую площадку для окончательного монтажа. Сначала вертикальные элементы – стойки – закрепляются к несущим конструкциям здания, затем устанавливаются горизонтальные элементы – ригели.

Стеклопакеты, декоративные панели и вентиляционные элементы устанавливают уже после того, как смонтирована фасадная решетка из стоек и ригелей. Они обычно закрепляются к стойкам и ригелям с помощью прижимных планок. Последними устанавливают декоративные элементы – вертикальные и горизонтальные – декоративные крышки-защелки. Эти крышки являются единственными элементами каркаса фасада, которые непосредственно воспринимают все климатические и погодные воздействия. С целью достижения особого декоративного эффекта эти крышки могут иметь различную форму и цвет, а также вид отделки, например, порошковое окрашивание или анодирование.

Все конструкционные элементы фасада – стойки, ригели, прижимные планки и крышки – обычно являются алюминиевыми профилями.

Стоечно-ригельные фасады монтируются и герметизируются непосредственно на рабочей площадке, на стене здания. Поэтому они являются относительно трудоемким, но не смотря на это, очень популярным и экономичным методом возведения наружной оболочки здания. Если такая конструкция навесных стен правильно спроектирована и установлена, то этот фасад здания будет надежно служить многие годы.

Модульные системы навесных стен

Модульные системы навесных стен основаны на больших готовых фасадных модулях высотой в этаж. Эти модули уже включают установленное остекление и монтируются в заводских условиях и поставляются на стройку для укрупненного монтажа. Поскольку габаритные размеры модулей имеют повышенную – заводскую – точность, то крепежные анкеры устанавливают на несущих конструкциях заранее, часто с применением лазерных измерительных инструментов. На строительной площадке эти модули устанавливаются обычно последовательно в виде серии модулей.

Одним из больших преимуществ модульных навесных стен является, то, что они не требуют строительных лесов – модули устанавливаются в проектное место с верхнего этажа с применением простых лебедок или небольшого крана. Затем модули соединяются между собой с применением специальных замковых конструкций алюминиевых профилей. Это обеспечивает как конструкционную прочность, так и герметичность стыков. Монтаж фасада выполняется довольно быстро, так как панели устанавливаются по принципу «этаж за этажом» с удобным расположением стыков вдоль междуэтажных перекрытий.

Модульные системы навесных стен применяют, когда перемещения и/или прогибы несущих элементов здания таковы, что стоечно-ригельная система для него не подходит. Они также применяются, когда есть необходимость максимальной скорости возведения навесного фасада здания. Работы по герметизации на строительной площадке значительно меньше, чем на стоечно-ригельных фасадах, хотя такие работы, конечно, присутствуют. Другим большим преимуществом модульных навесных стен является то, что здание можно закрывать наружной оболочкой очень быстро, где-то в десять раз быстрее, чем при обычных стоечно-ригельных навесных стенах.

Полумодульные системы навесных стен

Полумодульные системы включают методы и приемы как стоечно-ригельных, так и модульных навесных стен (рисунок 3). Глухое остекление и открываемые элементы остекления устанавливаются на одни и те же рамные элементы, что дает фасаду приятный однородный внешний вид. Так называемое «структурное остекление» также применяет методы полумодульных систем навесных стен. В этом случае фасадная «решетка» устанавливается на несущих конструкциях здания, а на нее устанавливаются изготовленные в заводских условиях готовые светопрозрачные панели.

Испытания навесных стен на водонепроницаемость

Вновь спроектированные навесные стены для здания требуют испытаний. Поставщики систем навесных стен обычно предъявляют результаты испытаний своих систем. Однако условия этих испытаний могут отличаться от специфических условий этого конкретного здания. Испытательные камеры обычно представляют собой стальную рамную конструкцию, зашитую фанерой, у которой одна сторона остается открытой (рисунок 4). Испытательный образец навесной стены устанавливают в проем и герметизируют все стыки между ним и испытательной камерой. Когда испытательную камеру делают максимально воздухонепроницаемой, включают вентилятор, чтобы постепенно снизить давление воздуха внутри камеры, создав, таким образом, разность давлений между внутренней и наружной сторонами испытуемой навесной стены.

Первым проводят испытание на воздухопроницаемость с навесной стеной, «упакованной» в полиэтиленовую пленку со скотчем, чтобы измерить воздухопроницаемость самой испытательной камеры. Эта величина вычитается из общего количества воздуха при испытаниях навесной стены после удаления с нее полиэтиленовой пленки. Состав испытаний и их последовательность устанавливается соответствующими нормативными документами.

Европейский стандарт EN 13830 об испытаниях навесных фасадов

Последняя редакция европейского стандарта EN 13830:2015 [4] дает следующий состав и последовательность климатических испытаний:

• воздухопроницаемость – снаружи внутрь;
• воздухопроницаемость – изнутри наружу;
• водонепроницаемость – статическая;
• сопротивление ветру (функциональность);
• воздухопроницаемость (повторно) – снаружи внутрь и изнутри наружу;
• водонепроницаемость (повторно) – статическая;
• водонепроницаемость – динамическая;
• водонепроницаемость – из шланга;
• сопротивление ветру – безопасность;
• сопротивление удару – безопасность;
• демонтаж, осмотр и отчет.