Конструктивные решения кровельных систем из битумно-полимерных материалов.

Статья содержит методику формирования конструкций кровельных систем на примере параметрического ряда материалов марки «КТ®». Значения характеристик этой группы материалов занимают практически весь диапазон для битумных, битумно-полимерных и теплоизоляционных материалов, поэтому из них могут комплектоваться различные конструкции кровельного «пирога». Компоновка многослойной конструкции выполняется с учетом условий работы каждого слоя, параметров материалов, нормативных данных. Сформированные таким образом конструктивные решения кровельных систем охватывают широкий диапазон эксплуатационных условий, учитывают потенциальный ресурс и технико-экономические показатели конструкций.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются битумно-полимерные кровельные материалы, многие марки из них имеют качественные показатели в соответствии с лучшими мировыми образцами, и в целом по параметрам отвечают мировому уровню технического совершенства. Потенциальная долговечность материалов прогнозируется порядка до 30 лет, несмотря на это, кровли при эксплуатации в большинстве случаев эквивалентным ресурсом не обладают.

Следует сказать, что в системе технико-экономических показателей кровли основу составляют параметры надежности – долговечность или эксплуатационный ресурс, наработка на отказ, ремонтопригодность и др. Знание этих характеристик позволяет правильно организовать техническую эксплуатацию и обеспечить безотказную работу, обслуживание кровли с минимальными затратами. В процессе совершенствования кровли, в проектировании, строительстве параметры надежности необходимы для сравнительной оценки различных вариантов конструкций. Не менее важны эти данные и для производства кровельных материалов.

В настоящее время так необходимые показатели надежности принимаются ориентировочно на основании данных по аналогичным объектам, а для конструкций из новых материалов вообще отсутствуют. Отсутствие достоверных характеристик кровельных конструкций препятствует процессу их совершенствования. Для сравнительной оценки должны рассматриваться сопоставимые по конструктивному решению варианты кровли, а в этом отношении кровельные системы отличаются большим многообразием, следовательно, сделать оценку надежности и даже сравнение различных конструкций достаточно корректно бывает невозможно.

Такое положение вызывает и другие трудности в строительстве, проектировании и производстве, поэтому еще с конца 70-х годов начались работы по созданию серии стандартов кровельных конструкций. Эффект от унификации, стандартизации общеизвестен, но эти работы прекратились еще в средине 80-х годов, а с появлением новых кровельных материалов проблема еще больше обострилась. Дело в том, что только группа битумных и битумно-полимерных кровельных материалов насчитывает около 360 марок и модификаций, не считая зарубежного производства. Подобная ситуация с теплоизоляционными, и другими технологическими материалами, поэтому работы по унификации и стандартизации кровельных систем остаются актуальными.

Поскольку параметры надежности, например ресурсные показатели, являются вероятностными, полученными на основе статистических данных, то совершенно очевидно, что и относятся они должны к одинаковым конструкциям. На практике при большом многообразии конструктивных решений выполнить такую задачу достаточно корректно весьма сложно. В этой связи имеется следующая неопределенность: чтобы определить параметры надежности следует определить конструкции, но для обоснования конструктивных решений нужны параметры надежности.

Наиболее простым решением в этой ситуации представляется разработка и обоснование определенного набора конструкций, которые при минимальном количестве марок материалов и вариантов конструктивных решений будут отвечать основным эксплуатационным требованиям. При этом из одного набора материалов должны комплектоваться кровельные конструкции с различными технико-экономическими параметрами, а эксплуатационный ресурс систем на первом этапе разработки унифицированного конструктивного ряда принимается на основе опыта первых лет эксплуатации кровли из рассматриваемых материалов.

Для реализации такой цели были определены следующие задачи:

- обоснование параметрического ряда кровельных материалов;

- определение базовой кровельной конструкции для использования ее в информационной системе;

- разработка методики формирования кровельных систем;

- разработка конструкций кровельных систем;

- обеспечение внедрения проектных решений в практику; разработка сопровождения (рекомендаций, компьютерных программ), проработки проектных решений в соответствии со СНиП;

- внедрение конструкций в строительную практику.

Все работы выполнялись с 2001 г. на ведущем по теме предприятии Компания «КровТрейд» (г. Екатеринбург).

Как показала практика, чтобы полнее учесть запросы потребителей, требования строительных норм, необходимо выпускать не один тип материала, как, например, ранее рубероид, а конструктивный ряд с различным набором параметров.

Такая техническая политика и проводится последние годы ведущими предприятиями отрасли. В этом случае учитываются не только эксплуатационные факторы, но и экономические, т.к. от количества содержания дорогостоящих модификаторов, целевых добавок, наполнителей зависит, наряду с параметрами, и стоимость материалов.

Первым шагом в этом направлении было определение из многочисленной номенклатуры параметрического ряда материалов, который охватывает необходимый диапазон характеристик кровельных покрытий.

Для исследования большого количества информации была разработана База Данных «Кровля» по битумным и битумно-полимерным материалам, средствами которой выполняется анализ параметров материалов, а также конъюнктура рынка, возможности производства, требования строительных норм и ориентировочные технико-экономические прогнозы.

В результате были определены первые базовые марки, затем в процессе совершенствования параметры уточнялись, вносились изменения в технические условия, а на сегодняшний день, сформированный таким образом ряд материалов марки «КТ®», которые выпускаются на ведущих предприятиях отрасли, представлен в таблице 1. Ряд марок «КТ®» охватывает практически весь диапазон эксплуатационных характеристик, которые предъявляются к современным кровельным материалам, а учитывая потребительский спрос - любые финансовые возможности.

В существующих нормативных документах предлагаются типы и конструктивные решения кровли.

В компьютерных системах для более рациональной структуры программы, предназначенных для разработки проектных решений, представления результатов работы, использования средств визуализации при проектировании и послойном формировании, требуется универсальная схема, простая, но учитывающая все варианты компоновки. В данном случае определена общая расчетная схема, как показано на рисунке 2.

В параметрическом ряду кровельные материалы отличаются характеристиками, что позволяет комплектовать конструкции с различными эксплуатационными свойствами. Предположение о том, что при проектировании следует рассматривать и вопросы послойного формирования конструктивных решений уже высказывались ранее [1], при этом отмечалось отсутствие методологических работ в этом направлении.

Учитывая запросы практики, нами была разработана такая методика и опубликована в одной из депонированных статей [2]. В этой работе обобщаются требования нормативно-технической документации, практический опыт, некоторые результаты экспериментальных исследований ЦНИИПромзданий, сформулированы рекомендации по общей компоновке конструкций. Принимается во внимание, что каждый элемент кровельной системы несет свое функциональное назначение, при этом действие внешней среды на них проявляется по-разному. Обоснование выбора материалов каждого слоя выполняется с учетом характера воздействий на составные части системы в процессе эксплуатации.

Рассматривались конструктивные решения кровли различных типов с использованием эффективных теплоизоляционных материалов двух марок:

- плиты теплоизоляционные на основе базальтового волокна марки «КТ кровля» и «КТ кровля В» плотностью 175 и 200 кг/м3 соответственно;

- плиты минераловатные теплоизоляционные из природного и искусственного камня марки «КТ-200» и «КТ-175» .

В результате исследований был разработан конструктивный ряд кровельных систем основных типов кровли, которые применяются на практике, в том числе эксплуатируемые и «инверсионные» [3]. Общая компоновка конструкций приведена в таблице 2. Конкретные параметры ограждений рассчитываются для заданных при проектировании условий.

Качественное проектирование конструкций кровли можно выполнить только с помощью специальных компьютерных программ. Однако в настоящее время в конструкторской практике они мало используются по причине отсутствия не достаточно развитого программного и математического обеспечения.

Унификация конструктивных решений позволяет значительно упростить математическую постановку задачи автоматизации процесса проектирования кровли, и сделать программу удобной для пользования.

Такой программный комплекс был разработан нами и апробирован на практике. Основные формы, изображенные на рисунке 3 иллюстрируют работы с программой.

В таблице 3 приведены значения параметров варианта проектных решений кровельных систем по ж.б. основанию для здания производственного типа в климатических условиях г.Екатеринбурга, рассчитанные по разработанной программе. Определены значения толщины, типа пароизоляционного слоя (указаны цифровыми и буквенными обозначениями в маркировке), расчетного R_П, и требуемого _, сопротивления паропроницанию, толщины теплоизоляционного слоя dут , требуемого R0 и фактического Rут значения термического сопротивления, количества конденсата ∑Рзима , и диффузии влаги ∑Рлето , а также материального баланса влаги за годовой период.

Теоретически определенные наиболее рациональные конструктивные решения кровельных систем были внедрены на практике строительным подразделением Компании «КровТрейд». По таким вариантам возводятся кровли на зданиях г. Екатеринбурга.

Подробные описания предлагаемых конструкций кровельных систем, рекомендации по их устройству, проектированию изложены в разработанном нами и изданном в печатном виде Руководстве по применению. Кратко можно привести их общие характеристики.

Приведенные варианты являются базовыми. Для учета многообразия конструктивных особенностей кровли, условий эксплуатации и экономических показателей возможны модификации конструктивных решений. Переназначение типа материала составных элементов системы отражается на ее стоимости и надежности. Модификация в данном случае рассматривается как изменение марки материалов теплоизоляции, слоев водоизоляционного ковра, пароизоляции и назначения стяжки. При этом нужно руководствоваться следующими принципами:

1) Зарубежные марки теплоизоляции из базальтовых пород широко применяются в России. Они обладают высокими физико-механическими параметрами, но соответственно и более высокую стоимость, поэтому экономически целесообразно использовать зарубежные аналоги в системах 1-7б. Теплоизоляцию с более низкими параметрами и стоимостью следует применять в системах 8-10а;

2) Переназначение марки «КТ кровля» на другие типы теплоизоляции приводит к изменению надежности системы. Так надежность систем с теплоизоляцией «КТ-200» (175) прогнозируется ниже, чем с маркой «КТ» из базальтового волокна на 10% - 15 %;

3) При изменении комплектации конструкций, назначение элемента с более высокими параметрами будет увеличивать надежность системы, при этом повышается стоимость и возможен завышенный ресурс отдельного элемента, что будет экономически не рационально;

4) Назначение элемента с более низкими параметрами приводит к снижению стоимости, но возможно снижение надежности системы;

5) Применение стяжки увеличивает трудоемкость и стоимость системы, но надежность кровли повышается;

6) Использование сборных стяжек из плоских асбестоцементных листы является компромиссным вариантом между покрытием по теплоизоляционным плитам или с устройством цементно-песчаной стяжки. Сборные стяжки более ремонтопригодны, менее трудоемки, более технологичны, т.к. отсутствуют «мокрые» операции, но обладают меньшей теплоаккумулирующей способностью и большим сопротивлением паропроницанию.

Паропроницаемость снижается вследствие праймирования обеих поверхностей асбестоцементных листов. При выполнении двухслойной сборной стяжки, как рекомендуется в некоторых документах, четыре слоя праймера могут привести к увеличению расчетной толщины пароизоляционного слоя на 1,5-2 мм;

7) При устройстве цементно-песчаных стяжек укладывается разделительный слой, который также увеличивает сопротивление паропроницанию. В Правилах рекомендуется использовать пергамин или полиэтиленовую пленку, что далеко не равнозначно. Пленка с более низкой паропроницаемостью, чем пергамин будет больше препятствовать диффузии влаги из теплоизоляции, и с этой точки зрения следует применять пергамин;

8) В системах без стяжки по теплоизоляционному слою используются материалы на основах из полиэфирного волокна;

9) Для пароизоляционного слоя из группы битуминозных материалов следует использовать материалы битумно-полимерные.

Вариантами комплектации являются системы 2а, 7а, 8а, 9а и 10а, которые отличаются типом теплоизоляции. Такое назначение изменяет ресурс систем на 10-15% за счет различия в эксплуатационных параметрах.

Для верхнего гидроизоляционного слоя всех систем рекомендуется материал с массой не ниже 5,0 кг/м2. В этом случае для нижнего слоя гидроизоляционного покрытия может быть достаточно материала с массой 3,0 кг/м2. Использование материала с большей массой дает запас ресурса нижнего слоя, для тяжелых условий эксплуатации повышение затрат будет обоснованным.

Пароизоляция механически менее нагруженный слой, из этих соображений возможно назначение для него материала с массой не более 3,0 кг/м2. Окончательно толщина или количество слоев пароизоляции принимается по расчету, и будет зависеть от ряда параметров системы. В первую очередь толщина зависит от климатических условий, например, для условий г. Екатеринбурга и температурно-влажностных режимов производственных зданий требования СНиП 23-02-2003 г. будет обеспечивать расчетная толщина пароизоляции, указанная в таблице 3.

Приведенный ряд является унифицированным, т.к. ограниченный набор материалов охватывает большинство конструктивных решений кровли. Для нестандартного случая возможна модификация базового варианта.

Для более точного обоснования ресурса кровельных систем требуется репрезентативная статистика дефектов кровли. На сегодняшний день данных по выявленным дефектам недостаточно, поэтому получается большой разброс расчетных значений. Приведены показатели минимального ресурса. Особенно это заметно для систем 8а, 9а,10, 10а, реальные значения для которых не менее, чем в 1,5-2 раза выше.

В настоящее время при техническом обслуживании кровель фиксируются дефекты и выявляются причины повреждений. Поэтому в дальнейшем, по мере накопления статистических данных по дефектам при эксплуатации, будут уточняться и параметры надежности конструкций.

В заключении нужно отметить следующие моменты.

1. Несмотря на широкую номенклатуру, выпускаемые кровельные материалы имеют определенное подразделение по основным параметрам, которое достаточно наглядно показано на примере материалов марки «КТ».

2. Такое деление удобно для практического применения материалов и позволяет формировать конструктивные решения кровли с заданными характеристиками. Одним из основных преимуществ такого подхода в том, что можно получить унифицированный ряд конструкций, на основе которого решаются задачи автоматизированного проектирования, оптимизации параметров конструкций, определения параметров надежности и разработки обоснованных режимов ТО.

3. Разработанные конструктивные решения обладают новизной и защищены патентом.

4. Предложенный подход может быть использован при формировании конструктивных решений из других материалов.

5. Разработанный параметрический ряд материалов, унифицированный ряд конструктивных решений, программный комплекс с Базой Данных при дальнейшем развитии может составить основу САПР кровли.

6. Статистические данные дальнейших обследований кровель позволят уточнить показатели надежности, режимы ТО, конструктивные решения и в полной мере реализовать потенциальный ресурс кровельных систем из битумно-полимерных материалов.

1 Кровельные системы. Материалы и технологии. Серия застройщик. – М.: Стройинформ, 2004 г. – 702 с

2 Шуняев С.Н., Побединский В.В. Методика проектирования кровельных систем. –М.: Российское Авторское Общество, св.о рег. № 9395 от 21.12.2005 г. - 35 с.

3 Патент на полезную модель № 57777 от 07.11.2006 г. Многослойное кровельное покрытие.

4 Шуняев С.Н., Побединский В.В., Берстенев А.В. Программный комплекс «Проектирование многослойных строительных конструкций». –М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Реестр программ для ЭВМ, свидетельство о регистрации № 2006610355, от 20.01.2006 г. – 155 с.

5 Шуняев С.Н. и др. Руководство по применению битумно- полимерных материалов марки «КТ® » в кровлях и гидроизоляции. – г. Екатеринбург, Компания «КровТрейд», 2006 г. – 132 с.

По всем возникающим вопросам Вас могут проконсультировать технические специалисты Компании «КровТрейд».