Выбор стеклопакетов для зданий повышенной этажности

При определении архитектурного решения для возведения зданий в условиях современного крупного города все чаще концептуально выбирается многоэтажная конструкция с большим количеством остекления.

Однако для большинства заказчиков, да и (не будем греха таить) архитекторов словосочетание «здание повышенной этажности» имеет очень расплывчатый смысл. Мы постараемся определить основные категории, коим должны соответствовать здания, которые можно или иногда даже необходимо отнести к вышеуказанному термину.

На территории стран бывшего СССР (как, собственно, и в СССР) высотными считаются здания более 25-ти этажей, или высотой более 75 м. В других странах тер- мину «высотное» обычно соответствует здание от 35 до 100 м высотой, а здания свыше 100 м (в США и Европе — свыше 150 м) считаются небоскребами. Сегодня не существует четкого определения понятия «высотное здание», хотя в общих случаях таковыми можно считать здания от 14 этажей высотой более 50 м.

Высотные здания могут иметь разное назначение: это гостиницы, офисы, жилые дома, учебные заведения. Чаще всего высотные здания выполнены многофункциональными: помимо помещений основного назначения в них размещаются автостоянки, магазины, офисы, кинотеатры и т. д., что, в свою очередь, накладывает определенные требования к проектированию и возведению зданий, попадающих в эту категорию (особенно относительно светопрозрачных ограждающих конструкций).

Начнем с требований, которые заказчик предъявляет архитекторам, проектировщикам и строителям.

Требования к ограждающим светопрозрачным конструкциям
1. Соответствие фасадов здания архитектурно- композиционным решениям.
2. Соответствие требуемым параметрам микроклимата помещений и энергоэффективности всего здания.
3. Обеспечение безопасности от воздействий комплекса нагрузок и окружающей среды.
4. Учет специальных требований к оконным конструкциям (защита от взлома; пожаробезопасность, взрывобезопасность и др.), определяемые функциональным назначением помещения.

Компромисс между архитектурными и интерьерными решениями, с одной стороны, и соответствием фасадных систем требованиям безопасности и теплоэффективности, с другой, – лежит в плоскости использования современных крупноформатных стеклопакетов с высокими прочностными и теплофизическими свойствами.

Основными инструментами, позволяющими максимально приблизить реальную конструкцию к архитектурным требованиям, являются:
- использование закаленных стекол,
- применение специальных видов архитектурного стекла, тонированного в массе, и (или) с нанесением специальных напылений с зеркальным или тонирующим эффектом,
- использование строительных триплексов на основе незакаленных или закаленных стекол для обеспечения максимальной безопасности, особенно при наклонных и горизонтальных конструкциях, а также для создания подвесных светопрозрачных систем (типа «Спайдер»),
- снижение объемов видимых несущих элементов (ригели, стойки, ребра, ванты) за счет использования стеклопакетов повышенной прочности (стеклоблоков).

Очень важным фактором при проектировании зда-ний повышенной этажности является обеспечение требуемых нормативными документами теплофизических свойств ограждающих конструкций с учетом изменения климатических факторов при увеличении этажности. При проектировании теплозащиты высотных зданий используют уточненные расчетные температуры наружного воздуха и скорости ветра применительно к высотным зданиям. Понижение расчетной температуры наружного воздуха с высотой на единицу расстояния по вертикали, по данным измерений, составляет в среднем 0,65 °C /100 м. Исходя из этого градиента, рас- считываются температуры наружного воздуха на соответствующих высотах. Учет изменения скорости ветра особенно важен при проектировании воздухообмена высотных зданий.



Как видно из таблицы, при высотах здания выше 50 м (17–18 этажное здание) усиление ветровой нагрузки составляет 1,5–2,5 раза при средних (до 5м/с) скоростях ветра, что, в свою очередь, при проектировании должно сопровождаться уточненным тепловым и прочностным расчетом, в соответствии с нижеприведенной таблицей:



Учитывая, что основные теплопотери в высотных зданиях происходят через световые проемы, большое значение имеет повышение теплозащиты окон, а также их безопасности. Следует проектировать окна с наружным и внутренним закаленным стеклом или типа «триплекс» с рамами и переплетами из алюминия с терморазрывами, дерево-алюминия, стеклопластика, клееной древесины.

На высоте более 75 м, как правило, должны применяться окна с глухими (не открывающимися) створками. Допускается применение открывающихся окон при установке светопрозрачных защитных экранов (с вентилируемыми отверстиями) или окон, выдвигаемых на безопасное расстояние. Притворы окон должны иметь уплотнения, обеспечивающие нормируемое ДБН В.2.6- 31:2006 «Теплова ізоляція будівель» сопротивление воздухопроницанию.

Существует реальная возможность значительно улучшить нормируемые значения в случае применения сте- кол с теплоотражающим покрытием.

Наружные ограждающие конструкции высотных зданий должны сохранять свои свойства не менее 50-ти лет, и их долговечность должна обеспечиваться применением материалов, имеющих надлежащую стойкость. Ограждающие конструкции должны быть ремонтопригодным (с установленными в проекте сроками между ремонтами). Допускается использование в наружных ограждающих конструкциях материалов, имеющих срок службы менее чем 100, но не меньше 30-ти лет, при условии обеспечения минимальных расходов на их замену.

В фасадных системах крепежные детали должны обеспечивать срок безремонтной эксплуатации не менее 50-ти лет. Межремонтный срок должен быть указан в задании на проектирование.

Как видно из термограмм, теплофизические свойства ограждающих конструкций значительно лучше у металлопластиковых систем, но ограниченные прочностные свойства профильных систем не позволяют использовать металлопластиковые конструкции для крупноформатных стеклопакетов.

Однако при использовании стеклопакетов повышенной жесткости за счет применения прочных дистанционных рамок, образующих высокопрочное и долговечное соединение, превращающее стеклопакет в стеклоблок, возможно использование профильных систем пониженной прочности в связи с переносом основной прочностной нагрузки непосредственно на стеклопакет-стеклоблок. Как видно из представленного ниже рисунка, запас прочности ограждающих конструкций увеличивается как минимум в 2 раза, а деформационные перемещения, соответственно, уменьшаются (у стеклоблока максимальный прогиб – 34 мм, а у моностекла – 64 мм). Это позволяет либо использовать более тонкие стекла, либо уменьшить сечение несущих элементов, либо изменить матери-ал несущих элементов на более энергоэффективный (металл на пластик).



Для примера рассмотрим фасадную систему следующего вида:



Как правило, для данного фасадного остекления в качестве заполнения используются стеклопакеты из двух закаленных стекол толщиной по 6 мм каждое. Ниже представлены результаты прочностного анализа (перемещения, напряжения) обычных стеклопакетов под воздействием ветровой нагрузки 40 кг/м2: перемещения 20,1 мм, напряжения 3,45х107 Н/м2 – соотношение по прогибам 1/298, запас прочности 3,48.



Если же вместо обычного стеклопакета использовать стеклоблок 6ESG-16-4ESG, у которого дистанция имеет модуль упругости 1,5х109 Н/м2, то результаты прочностного анализа (перемещения, напряжения) данных стеклоблоков под воздействием ветровой нагрузки 120 кг/м2 будут следующими: перемещения 20,8 мм, напряжения 2,84х107 Н/м2 – соотношение по прогибам 1/288, запас прочности 4,2 (закаленное стекло). Вывод: стеклоблок 6ESG-16-4ESG выдерживает нагрузку в 3 раза большую, чем стеклопакет 6ESG-16-6ESG, поэтому данный стеклоблок можно устанавливать на высоте свыше 150 м (использовать в высотном строительстве).



Если же вместо обычного стеклопакета использовать стеклоблок 5ESG-16-4ESG, у которого дистанция имеет модуль упругости 1,5х109 Н/м2, то результаты прочностного анализа (перемещения, напряжения) данных стеклоблоков под воздействием ветровой нагрузки 80 кг/ м2 будут следующими: перемещения 23,1 мм, напряжения 2,72х107 Н/м2 – соотношение по прогибам 1/260, запас прочности 4,4. Вывод: стеклоблок 5ESG-16-4ESG выдерживает нагрузку в 2 раза большую, чем стеклопакет 6ESG-16-6ESG. Следовательно, данный стеклоблок можно устанавливать на высоте до 100 м (использовать в высотном строительстве).



Соответственно, взамен обычно применяемых стеклопакетов с формулой 6ESG-16-6ESG или даже 8ESG-16-6ESG для высотных зданий можно без опасения применять стеклопакеты с повышенными прочностными свойствами на основе полимерной дистанционной рамки с формулой 5ESG-16-4ESG. Это приводит не только к снижению цены на ограждающие конструкции, но и к уменьшению общей нагрузки на каркас здания в размере 25%, что очень важно для современных зданий, имеющих сложные архитектурные формы и большое количество этажей. К примеру, здание, имеющее 5000 м2 ограждающих конструкций общим весом 150 тонн, может быть облегчено на 37,5 тонны, что является более чем значимым фактором.

Стеклопакеты с повышенными прочностными свойства- ми открывают дорогу современным архитектурным решениям и к повышению энергоэффективности систем. Один из примеров такой системы – ригельная (бесстоечная) система, позволяющая получить непрерывный ряд стеклопакетов, визуально образующих единый остекленный проем высотой до 4,0 м (до отметки 20 м) и высотой до 3,0 м (до отметки 100 м). При этом выдерживаются нормативные требования по сопротивлению теплопередаче на уровне не ниже 0,6 м2°C/Вт.

Л. Лазебников, кандидат техн. Наук, И. Щедрин, инженер ООО «Проекты-Инжиниринг-Консалтинг Групп»