Причины выхода из строя кровельных конструкций и покрытия кровли

Причины выхода кровли из строя

Взаимодействие кровли и несущей конструкции имеет очень важное значение. Существует мнение, что выход кровли из строя вызван причинами деформативного характера.

Кровля находится на границе между внешней средой и несущей конструкцией. Следовательно, она должна быть многофункциональной, поэтому выполняют ее обычно многослойной. Появление более эффективных материалов и всеобщая тенденция к облегчению конструкций привели к созданию многослойных структур с относительно тонкими слоями, которые испытывают воздействие резких перепадов температур, влажности и других факторов, в результате чего в большинстве случаев происходят объемные изменения отдельных слоев.

Становится возможным объяснить поведение таких структур, и их начинают применять в конструктивных решениях. Теоретический анализ и практический опыт свидетельствуют, что тенденция к объемным изменениям в отдельных слоях является причиной их взаимного воздействия. В слоях возникают нормальные напряжения, а в пограничных зонах между слоями — тангенциальные напряжение.

Некоторые слои должны быть соединены так, чтобы не могли смещаться относительно друг друга (например, пленки и основания). Для уменьшения возникающих при этом напряжений используют специальные конструкторские приемы.

Содержание

· 1. Напряжения в кровле под действием объемных изменений в отдельных слоях.

· 2. Напряжения в кровле, вызываемые деформациями несущей конструкции.

· 3. Напряжения в конструкции здания, возникающие под воздействием деформации покрытия.

· 4. Расстояния между температурными швами.

Рисунок 1. Разность температур на поверхности кровли

С течением времени изменяется и степень воздействия на кровлю отдельных внешних факторов. Кроме упоминавшейся уже разности температур в отдельных слоях структуры, на кровлю воздействуют и деформации несущей конструкции. Жесткость несущей конструкции несущественно отличается от жесткости многослойной структуры покрытия, так что деформации, имеющие место в ней, вызывают напряжение и в кровле.

Большое влияние оказывает качество покрытия на распределение напряжений по всей конструкции здания. Эти напряжения тем значительнее, чем больше жесткость несущей конструкции (например, в большинстве панельных зданий), а, следовательно, они будут чувствительнее к воздействию объемных изменений. В этом случае теплозащита покрытия — один из самых важных параметров, обусловливающих величину напряжений в верхних этажах здания, поскольку он оказывает воздействие на температурные градиенты в отдельных элементах конструктивной системы здания.

1. Напряжения в кровле под действием объемных изменений в отдельных слоях. ↑

Рисунок 1. Варианты слоев односкатной кровли

Уже отмечалось, что если отдельные слои имеют возможность свободно деформироваться в результате изменения температуры и влажности окружающей среды, напряжения в них не возникают. При проектировании кровли стараются достигнуть такого состояния путем введения разделительных слоев свободно уложенной пленки с гладкой поверхностью или из насыпного материала, а кроме того, для этой цели используют смазку, фильтрующий, пароизолирующий и другие слои. Практически же эти слои препятствуют свободной деформации других слоев кровли и, по крайней мере, два или три слоя соединяются между собой без возможности скольжения одного относительно другого.

Как правило, возможны следующие структуры:

· Рулонный материал — жесткое основание;

· рулонный материал — теплоизоляция — жесткое основание;

· основание под относительно свободно уложенный рулонный материал — теплоизолирующий слой — несущая конструкция;

· керамические плитки — слой раствора — жесткое основание и т. п.

Эти типы структур классифицируют как односторонне жестко закрепленную балку, состоящую из двух слоев, соединяемых связующим средством.

В такой двух- или трехслойной структуре возникают нормальные и тангенциальные напряжения из-за неравномерного воздействия объемных расширений материала отдельных слоев.

2. Напряжения в кровле, вызываемые деформациями несущей конструкции. ↑

Прогиб несущей конструкции происходит под действием дополнительного вертикального нагружения (например, снег) или при изменении статической схемы. Например, конструкция из железобетонных панелей, уложенных на несущей конструкции, вначале воспринимает нагрузки от массы покрытия (при бетонировании на строительной площадке) как неразрезная балка, однако под действием снеговой нагрузки произойдет нарушение заделки стыков над несущей конструкцией, и панель над конструкцией будет вести себя как система простых балок.

В этой связи необходимо отметить, что в том случае, когда кровля недостаточно эффективно отделена от несущей конструкции (например, без укладки толя или слоя песка), они будут оказывать друг на друга взаимное воздействие, а кровельная конструкция в этом случае должна рассматриваться как многослойная структура покрытия.

Следовательно, необходимо рассматривать в общем случае кровлю как часть несущей конструкции крыши.

3. Напряжения в конструкции здания, возникающие под воздействием деформации покрытия. ↑

Внешняя среда воздействует на отдельные элементы покрытия построенного здания в различных температурных режимах. Наибольшие разности температур наблюдаются между температурой конструкций над верхним этажом и температурой остальных частей конструкций. В летний период разность температур приходится на область положительных температур, и самые верхние кровельные конструкций имеют тенденцию к тепловому расширению, а в зимний период наблюдается обратная закономерность. Это способствует возникновению напряжений в некоторых элементах и стыках, прежде всего на верхнем этаже.

Вследствие того, что нижние конструкции покрытий связаны с конструкциями верхнего этажа, в покрытиях и кровле возникают температурные напряжений. Взаимные горизонтальные перемещения одной кровельной конструкции относительно другой в определенном месте приводят к деформациям изгиба и сдвига вертикального элемента, соединяющего в этом месте обе кровельные конструкции. Сила F, вызывающая эту деформацию (или стремящуюся вызвать эту деформацию) в вертикальном элементе, воздействует на верхние и нижние кровельные конструкции в противоположных направлениях. Очевидно, что значение силы F, вызывающей деформации изгиба и сдвига, возрастает в зависимости от величины взаимного смещения кровельных конструкций и жесткости (изгиба и сдвига) вертикального элемента в плоскости взаимного смещения.

Из существующих стеновых конструкций (к ним относятся и панельные здания), размеры которых по длине значительно превышают другие размеры, наибольшее сопротивление взаимному смещению кровельных конструкций (воспринимают наибольшие усилия F) оказывают внутренние продольные стены — диафрагмы и продольные фасадные стены. Известно множество случаев образования существенных дефектов, прежде всего в элементах, большая сторона которых расположена в направлении теплового расширения (имеют высокую жесткость, изгиба и сдвига), и на краях здания, где проявляется максимальное взаимное перемещение кровельных конструкций. Дефекты выражаются в виде наклонных трещин в вертикальных стеновых элементах; в первую очередь трещины наблюдаются в горизонтальных стыках между вертикальными стеновыми элементами и кровельными конструкциями.

Для выяснения влияния некоторых факторов на изменение напряженных состояний в отдельных элементах и стыках верхнего этажа можно вновь провести анализирование проблемы. Соединительной частью трехслойной структуры служат вертикальные элементы верхнего этажа, при этом жесткость на изгиб обоих крайних слоев (верхней и предпоследней перекрывающих конструкций) почти идеальная.

Проблема снижения напряженности в элементах и стыках верхнего этажа может быть решена несколькими способами:

1. В нашем случае имеется интересное решение, обусловленное качеством кровли. Речь идет о снижении разности температур между верхней кровельной конструкцией и остальными элементами покрытия. В существующих типах кровельных конструкций, где состав материалов регламентирован в соответствии с требованиями теплозащиты зданий, градиент температур в летний период составляет около 10° С. Если бы состав и размеры кровельных материалов не только соответствовали требованиям теплозащиты, а были увеличены исходя из «запаса прочности» конструкции, то это могло привести к существенному снижению разности температур и соответствующему снижению деформаций элементов конструкции верхнего этажа, а в ряде случаев и к ограничению выше приведенных дефектов.

2. Другой удовлетворительный способ решения проблемы — устройство раздельных покрытий. Здесь вновь выступает требование проектирования крыши с учетом воздействия на всю конструктивную систему и рассмотрение покрытия в качестве элемента цельной несущей конструкции здания.

Выявленные факторы взаимосвязи отдельных элементов и подход к статическому решению воздействия друг на друга кровли и несущей конструкции принимались во внимание при объяснении причин появления дефектов в плоских покрытиях, керамической плитке и других облицовочных материалах, фризах и т.п. При рассмотрении причин возникновения дефектов и их анализе всегда встает вопрос правильного размещения температурных швов. Это очень сложная проблема, поэтому рассмотрим ее более подробно.

4. Расстояния между температурными швами. ↑

Рисунок 5. Устройство рулонной плоской кровли над температурным швом

Известно (и это требование практически всегда выполняется), что на стыке слоистой структуры, подвергающейся температурным деформациям, с другими элементами (фриз, опорные элементы и т. п.) или элементами, проходящими сквозь слоистую структуру (шахта лифта, труба и т. п.), необходимо предусмотреть температурные швы достаточной ширины, чтобы предотвратить воздействие слоистой структуры на эти элементы.

Температурные швы должны быть тщательно защищены гидроизолирующими материалами или каким-либо другим способом. Однако задача правильного расположения температурных швов, разделяющих структуру в плане на меньшие части, не простая и не может быть решена однозначно. Имеется ряд аргументов, свидетельствующих о необходимости увеличивать расстояние между температурными швами или даже полностью исключать: уменьшается число слабых мест, снижаются расходы и трудоемкость, улучшается внешний вид. Другие же аргументы, наоборот, свидетельствуют о необходимости уменьшать расстояния между температурными швами: меньше расстояния между швами (т. е. короче элементы) — меньше абсолютные размеры этих швов, меньше взаимные перемещения слоев, меньше напряжения в слоях и соединяющем их материале, больше вероятность соблюдения проектных требований в производстве.

Исходя из этих рассуждений, можно предположить, что речь идет об обычном противоречии «затраты — качество», которое должно быть решено в данном случае в пользу уменьшения расстояния между температурными швами. Аргумент снижения напряжений (и деформаций) при уменьшении указанных расстояний оказывается несущественным.

В большинстве случаев все эти функции выполняет один материал (перлитобетон, битумоперлит, насыпной перлит и т. п.) или же для этой цели используют два различных материала, причем разуклонку кровли часто осуществляют из насыпных материалов, тогда как для теплоизоляции применяют плиты, блоки или же легкие бетоны.

В общем виде могут быть теплоизоляционные материалы следующих видов:

· Сыпучие,

· легкие бетоны,

· традиционные плиточные материалы,

· материалы из минеральной ваты,

· пенистые материалы.

Варианты расположения изолирующих слоев в покрытии могут быть разными. Иногда в покрытии может быть и два теплоизоляционных слоя. За рубежом покрытия с двумя теплоизолирующими слоями, применение которых заложено уже в проекте, называют «двойной слой». Если же необходимость во втором изолирующем слое вызвана практическими соображениями (в этом случае кровля выполняется как «перевернутая», в которой прессованный полистирол укладывается свободно и покрывается щебенкой или плитами), то такое покрытие называют «плюс-слой».

Билет № 29