Проектирование светопрозрачной кровли из алюминиевых профилей

Светопрозрачная кровля, составные элементы

Под светопрозрачной кровлей понимается тонкостенная оболочка остекления при отсутствии массивных несущих элементов здания (стен, перекрытий, колонн), на которые может быть перераспределена ветровая и снеговая нагрузки. К конструкциям светопрозрачной кровли можно отнести наклонные витражи, купола, галереи, зенитные фонари – см. рис. 1.

Рис. 1. Зенитный фонарь арочного типа

В зависимости от архитектуры здания, условий эксплуатации и функционального назначения конструкции кровли различают по пространственной конфигурации (пирамиды, купола, галереи), по геометрии в плане (прямолинейные, сегментные, радиусные), по несущей способности (самонесущие и по несущему стальному каркасу).

Светопрозрачная кровля состоит из следующих элементов:

• несущего алюминиевого каркаса (стропилы, прогоны и др.);
• заполнения (стекло, стеклопакеты, сэндвич-панели);
• элементов открывания (люки, мансардные окна);
• примыканий по парапету (отливы, нащельники).

Исходные данные для проектирования

Светопрозрачные конструкции, в частности, кровельные в значительной степени индивидуальны и изготавливаются по специальным проектам. Исходной информацией для проектирования является документация стадии АР и требования Заказчика. Кроме того, конструкция должна отвечать требованиям нормативных документов, а характеристики должны быть подтверждены расчетами.

При разработке проектной документации (КМ, КМД) учитывают следующие параметры:

• кратность шага несущих балок,
• кратность шага несущих перекрытий (фахверков)
• максимальную площадь стеклопакета не более 2,5 м2 [ 5 ]
• угол наклона плоскости остекления к горизонту не менее 12 градусов [ 5 ]
• допустимые размеры открываемых элементов
• максимальную несущую способность профиля стропил и прогонов
• оптимальный раскрой стекла
• устройство эксплуатации кровли.

Выбор системы профилей

Основное требование к архитектурной системе – наличие дренажного канала в профилях стойки и ригеля. Детали конструкции представлены на рис. 2.

Рис. 2. 1-стойка наклонная (стропила), 2 – ригель (прогон), 3 – прижимная планка, 4 – декоративная крышка стойки, 5 – декоративная крышка ригеля, 6 – термоизолятор стойки, 7 – термоизолятор ригеля, 8 - вставной профиль (сухарь стойки), 9 – Т-соединитель ригеля, 10 – стеклопакет, 11 – рихтовочная подкладка, 12 – наружный уплотнитель стойки, 13 – внутренний уплотнитель стойки, 14 – внутренний уплотнитель ригеля, 15 – саморез крепления прижимной планки, 16 – наружный уплотнитель ригеля, 17 – бутиловая лента.

Готовая конструкция должна быть полностью герметичной снаружи, при этом система дренажных каналов должна обеспечивать отвод конденсата и внутреннее вентилирование соединений и узлов.

Узловая сборка стоек и ригелей осуществляется при помощи системных саморезов и сухарей. Помимо применения штатной заглушки в соединении стойка/ ригель, все стыки обрабатываются герметиком. То же самое касается и продольного соединения стойка/ стойка, используя компенсатор стыка, соединение дополнительно герметизируется. В помещениях с повышенной влажностью (бассейны, оранжереи и т.д.) в кровельной конструкции для отвода внутреннего конденсата рекомендуется использовать уплотнитель ригеля с дренажным лотком - см. рис. 3.

Рис. 3. 1-стойка наклонная (стропила), 2 – уплотнитель стойки, 3 - ригель (прогон), 4 – уплотнитель ригеля, 5 – уплотнитель ригеля с лотком, 6 – отвод конденсата, 7 – клеевой стык уплотнителей стойки и ригеля

Для снижения препятствия движению воды и снега на прогонах используют прижимные планки со скосом. Для обеспечения герметичности конструкции на наружный стык смежных стеклопакетов наклеивается бутиловая лента на основе алюминиевой фольги. Для герметизации всех стыков рекомендуется использовать полиуретановый («незастывающий») герметик.

Обеспечение функциональности конструкции

Для обеспечения доступа дневного света вне зависимости от погодных условий (например, в зимнее время) применяют стеклопакеты с электроподогревом. Помимо теплового воздействия направленного на таяние снега на наружной поверхности, их можно использовать для предотвращения образования конденсата на внутренней поверхности стекла в помещениях с повышенной влажностью. Для этой же цели можно воспользоваться и более консервативным способом – установить отопительные приборы по контуру основания светопрозрачной конструкции – см. рис. 6.

Требования к заполнению светового проема

Выбор заполнения осуществляется по теплотехническим параметрам и условиям безопасной эксплуатации.

Требуемое сопротивление теплопередаче в зависимости от величины градусо-суток отопительного периода (ГСОП) определяется в соответствии с приложением [ 4 ].

По результатам расчета величина фактического сопротивления теплопередаче должна быть не менее требуемой величины для данной конструкции. Rофакт > Rотр

Например, для общественного здания в г. Ростов-на-Дону ГСОП = 3523 °C сут. В соответствии с таблицей 4 приложения [ 4 ] методом интерполяции получаем требуемое значение сопротивления теплопередаче конструкции

Rтро = 0,376 м2 °С/ Вт.

По приложению [ 1 ] подбираем стеклопакет с необходимым сопротивлением теплопередаче, чтобы при совместном использовании с фасадной серией конструкция удовлетворяла условиям теплотехники.

По требованиям безопасности для наружного контура в стеклопакете используют закаленное стекло, для внутреннего контура - ламинированное стекло (триплекс). При возможном повреждении наружного контура от удара, ламинированное стекло внутреннего контура предотвратит попадание осколков разбитого стекла в помещение.

Обычно, светопрозрачная кровля имеет наклонную поверхность, вследствие чего в летнее время подвергается тепловому воздействию солнечных лучей, поэтому, для предотвращения перегрева пространства укрытого кровлей используют стеклопакеты с тонированным стеклом.

При чем, используют закаленное тонированное стекло, т.к. обычное стекло выдерживает температуру нагрева поверхности до 80 ºС, а для закаленного стекла допускается температура нагрева поверхности до 200 ºС. Расчет толщины наружного стекла заполнения подробно описан в приложении [ 5 ].

Проектирование открываемых элементов.

Для поддержания необходимого воздухообмена и температурно-влажностного режима в помещении необходима система вентиляции.

Наиболее оптимальное расположение открываемых элементов для естественной вентиляции следующее: для притока воздуха створки устанавливают в вертикальных стенах, а для удаления - створки на кровле [ 6 ].

Створки на наклонных поверхностях принято называть мансардными окнами (или люками).

Рекомендуемые размеры створки указаны в системном каталоге и зависят:

• от грузоподъемности механизма открывания;
• от нагрузочной способности петлевой группы.

Открывание створки производится вручную, при помощи передаточной штанги либо с помощью электропривода с дистанционным управлением.

При строительстве атриумов в офисных зданиях и торговых центрах проектом обязательно предусматривается система противопожарного дымоудаления, куда входят люки дымоудаления, датчики дыма и система автоматики.

Конструкции мансардных окон встраиваются в световой проем стропил и прогонов по аналогии с установкой стеклопакета – см. рис. 4. Стеклопакет в створке изготавливаю по той же формуле, что и в основной плоскости кровли.

Рис. 4. 1-ригель, 2 – рама мансардного окна, 3 –створка мансардного окна, 4 – штапик, 5 – петля, 6 – электропривод

Статический расчет конструкции

Выполнение статического расчёта алюминиевых конструкций ставит своей целью:

• определение внутренних усилий и перемещений в элементах;
• определение требуемых геометрических характеристик сечений стропилы и прогона с дальнейшим подбором профилей по каталогу.

Критерий расчёта – обеспечение фактического прогиба конструкции меньше допустимого.

Внешнее воздействие - нормативное значение средней составляющей ветровой и снеговой нагрузок по приложению [ 3 ], а также нагрузка от собственного веса.

Схемы воздействия нагрузок указаны на рис. 5.

Рис. 5.

Статический расчет выполняется на основе исходных данных:

• месторасположение объекта (город, тип местности, на которой находится объект в соответствии с приложением [ 3 ];
• отметки уровней высот;
• шаг опорных конструкций ;
• длина наклонной стойки (стропилы);
• угол наклона стропил к горизонту;
• тип остекления (толщина и формула стеклопакета).

Для проверки надежности коньковых и переходных соединений производится статический расчет методом конечных элементов в специализированных программах.

Разработка узлов крепления и примыкания

В виду того, что кровельная конструкция подвергается постоянному атмосферному воздействию (ветер, осадки), она должна быть надежно закреплена к основанию. Материал основания – монолит, стальной фахверк. Более подробно – см. приложения [ 4 ], [ 5 ].

Пример узла крепления и примыкания наклонной стойки представлен на рис. 6.

Рис. 6. 1-парапет, 2 – анкер , 3 – анкерная пластина, 4 – наклонная стойка, 5 – вставной профиль (сухарь), 6 – ригель, 7 – отлив, 8 – лоток дренажный, 9 – мягкий утеплитель, 10 – наружная отделка парапета, 11 – жесткий утеплитель, 12 – двойная изоляция парапета, 13 – внутренняя отделка, 14 – труба водяного отопления.

Помимо крепления на рис. 6 показаны составные элементы монтажного шва – узла примыкания кровли к стеновому проему или парапету. Данный узел представляет собой комбинацию из 4-х функциональных слоев [ 2 ]:

• наружный – дождевой экран (отлив и наружная отделка);
• наружный – гидроизоляционный, паропроницаемый;
• центральный – теплоизоляционный;
• внутренний пароизоляционный – (нащельники и элементы внутренней отделкой) с обработкой герметиком.

Для удаления конденсата из наклонной стойки предусматривают дренажный лоток.

Крепление конструкции к стальному каркасу

Несущий каркас под светопрозрачные конструкции применяют в следующих случаях:

• при недостаточной несущей способности алюминиевого профиля;
• при недостаточной длине алюминиевого профиля;
• при сложной пространственной конструкции кровли.

При проектировании несущего каркаса обязательно проводится статический расчет самого каркаса с учетом веса алюминиевых профилей и остекления.

Крепление алюминиевых профилей к каркасу производят с помощью стальных кронштейнов или с помощью монтажных скоб.

При использовании варианта с кронштейнами, их устанавливают на стальной каркас с помощью сварки или механического крепления с шагом, достаточным для несущей способности профиля. Обязательно соблюдается принцип подвижного (с пазом) и неподвижного (с отверстием) кронштейнов для возможности термического расширения алюминиевого профиля – см. рис. 7.

Рис. 7. 1-стальная балка, 2 – кронштейн с пазом, 3 – кронштейн с отверстием, 4 – наклонная стойка, 5 – компенсатор стойки, 6 – паронитовая прокладка, 7 – болтовое крепление, 8 – распорная втулка.

Данный способ наиболее распространен, т.к. допускает погрешности в сборке балок и прогонов, а также позволяет использовать стандартные профили фасадной серии.

Для крепления к несущему каркасу с помощью монтажных скоб используются специальные алюминиевые профили с открытым пазом. Монтажные скобы крепятся к несущему каркасу с помощью винтов с шагом 250-300 мм. Скоба своими зацепами входит в паз профиля, тем самым позволяет профилю термически расширяться.

В данном варианте стальной каркас требует полного повторения «сетки» алюминиевых профилей. Исполнение каркаса требует высокой точности сборки, потому как неплоскостность стыка балка-прогон, отклонения размеров шага балок впоследствии приведут к разрушению стеклопакетов, протечкам и т.д.

Особенности эксплуатации

Поверхность остекления светпрозрачной кровли должна очищаться от загрязнения в зависимости от назначения помещения и условий работы не реже одного-двух раз в год.

Алюминиевую часть конструкции допускается обрабатывать с помощью слабого мыльного раствора, либо с помощью специальных моющих средств, не содержащих растворителей.

В качестве инструмента для очистки могут использоваться аппараты высокого давления с нагревом воды, щетки, скребки с резиновыми насадками и т.д. В зимнее время снег с поверхности стеклопакетов должен удаляться деревянными скребками.

Для облегчения доступа к плоскости остекления устанавливают специальные конструкции облуживания снаружи и изнутри - см. рис. 8.

Рис. 8. 1-конструкция кровли, 2 – парапет, 3 – арочный портал обслуживания, 4 – опорная каретка портала, 5 – горизонтальный портал обслуживания, 6 – узел крепления, 7 – тура для обслуживания.

Данные конструкции также необходимы для регулярных осмотров покрытия и поддержания его эксплуатационных характеристик в течение всего срока службы.

Нормативная документация и литература

ГОСТ 24866-99 «Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия» [ 1 ]

ГГОСТ 30971-2012 Швы монтажные узлов примыканий оконных блоков к стеновым проемам. Общие технические условия. [ 2 ]

СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия [ 3 ]

СНиП 23.02-2003 «Тепловая защита зданий». [ 4 ]

Рекомендации по проектированию и устройству фонарей для естественного освещения помещений. МДС 31-8.2002. ЦНИИпромзданий. 2002 [ 5 ]

«Проектирование современных оконных систем гражданских зданий» Издательство Ассоциации строительных вузов, Москва, 2003 [ 6 ]

«Типовые ошибки при устройстве зенитных фонарей», статья WIKIPRO, 2017 [ 7 ]

Вклад участника

Бирюков И.А.