О проектировании мягкой кровли

Проектирование мягкой кровли заключается в выборе рациональных кровельных и теплоизоляционных материалов применительно к конкретным условиям (районам) строительства и эксплуатации (нагрузкам). Показатели, которыми может воспользоваться проектировщик (табл. 1), изложены в стандарте (ГОСТ) или технических условиях (ТУ).

Из приведенных показателей только коэффициенты теплопроводности и паропроницаемости материалов используются для расчета пароизоляции и теплоизоляции покрытия (крыши), поскольку известны методы этих расчетов [1]. Остальные показатели проектировщиками не рассматриваются, так как неизвестно, как и возможно ли вообще применить их для конкретных условий эксплуатации материалов в ограждающей части покрытия. Эти показатели, по-нашему мнению, пригодны только для сравнительной характеристики однотипных материалов либо для ОТК завода при переводе изделия с технологической линии на склад. Что происходит с материалом после склада, зависит от расторопности менеджера по продажам и опыта заказчика: если они договорятся, то проектировщик предусмотрит этот материал в проекте, не зная зачастую о последствиях, которые могут произойти.

1. Теплоизоляционные плиты в покрытии должны обладать прочностью для восприятия нагрузок от снега, ветра, от оборудования и машин на эксплуатируемых кровлях.

Предусмотренный стандартами и ТУ показатель прочности теплоизоляции на сжатие при 10%-ной линейной деформации не может быть принят в расчетах, так как при такой деформации широко применяемые легкие теплоизоляционные материалы (минераловатные, стекловолокнистые, полистирольные) могут находиться в стадии разрушения. На рис. 1 показана зависимость относительной деформации минераловатных и пенополистирольных марки ПСБ-С плит разной плотности от нагрузки: графики на начальном участке прямолинейны, характерны для упругих деформаций материалов, и затем они плавно переходят в кривые, свидетельствующие о развитии пластических деформаций; при этом предел упругих деформаций при сжатии у них значительно (в 4-5 раз у пенопластов и 2-2,5 раза у минераловатных плит) ниже 10%-ной линейной деформации, предел прочности также ниже в среднем в 1,5 раза.

Проектировщики, не имея данных об упругих характеристиках легких плит, поступают по-разному: одни из них нагрузки от оборудования (трубопроводов, холодильников и т.п.), располагаемого на покрытии, переносят непосредственно на несущие конструкции здания через стойки, проходящие через водо- и теплоизоляционные слои, что приводит к большим теплопотерям; другие, используя показатели, например, минераловатных плит при 10%-ной линейной деформации, определяют по ним опорные площадки под стойки оборудования, однако значительные просадки теплоизоляции приводят к разрушению водоизоляционного ковра и протечкам (рис. 3).

2. Кровельные материалы при проектировании водоизоляционного ковра предусматриваются во всех климатических районах независимо от их свойств. Проектировщики для кровли зданий в Норильске и Краснодаре, которые отличаются различными климатическими условиями эксплуатации, применяют один и тот же кровельный материал, не обращая внимания на то, как он поведет себя в конкретных климатических условиях. А делают они это потому, что не имеют метода определения области применения конкретного кровельного материала.

Считается, что достаточно качественно наклеить рулонные материалы, и они будут одинаково работать при любых атмосферных воздействиях, но это не так. Испытания показали, что при понижении температуры в кровельном ковре из-за разных по величине коэффициентов линейного изменения ( , град-1) ковра и основания под кровлю возникают растягивающие напряжения, которые могут вызывать появление трещин в приклеивающих (подплавляемых) слоях (рис. 4).

Опыт применения в кровлях «Фольгоизола» показал, что фольга отслаивается от неармированного битумного слоя (рис. 5) также из-за значительного отличия коэффициентов битумного слоя ( б = 250х10-6 град-1) и алюминиевой фольги ( б = 23х10-6 град-1).

При понижении температуры битумный слой сокращается быстрее фольги, и при определенной температуре сдвигающее усилие в битумном слое превышает адгезионную прочность и происходит срез на границе двух слоев.

Похожие процессы протекают в кровельных материалах, армированных стекловолокном (рис. 6): извлеченное из битумно-полимерного состава стекловолокно, как правило, полностью покрыто этим составом в отличие от волокна битумно- минерального рулонного материала.

Слабая адгезия битуминозного состава к армирующему стекловолокну приводит к проскальзыванию мастики по поверхности волокна при понижении температуры и резкому снижению прочности материала (рис. 7).

Таким образом, кровельные рулонные материалы разной структуры неодинаково ведут себя при понижении температуры. Предлагается [3] устанавливать область применения материалов по показателю гибкости материала при понижении температуры. Такое районирование кровельных материалов привязано в основном к технологии выполнения кровельного ковра: так, битумно- полимерный рулонный материал, обладающий гибкостью при –30 °С, согласно указанному источнику рекомендуется применять в районах с температурой не ниже –30 °С. Но такой материал может быть применен (раскатан и приклеен) при положительной температуре, а при –20 °С в его приклеивающем слое могут появиться трещины (см. рис. 1). Следовательно, напрашивается вывод: область применения кровельного материала следует устанавливать по трещиностойки его приклеивающего состава (мастики), которую можно определить методом растяжения мастики при раскрытии вплотную сдвинутых, например, асбестоцементных (цементно-песчаных) пластин с нанесенным на них с обеих сторон слоем состава толщиной 1,5–2 мм (рис. 8а).

По результатам испытаний строят график изменения трещиностойки приклеивающего состава при понижении температуры (рис. 8б); этот график является своего рода «паспортом» приклеивающего состава, характеризующим трещиностойкость рулонного материала в эксплуатационных условиях. На этот график накладывают график температурных деформаций армированных слоев из испытанного приклеивающего состава рулонного материала, началом которого служит температура Тп, при которой состав проявляет упругопластические свойства, и по точке (4) пересечения графиков определяют температуру (–25 °С), означающую возможность применения кровельного ковра (с показателем гибкости –15 °С) в районах с зимними температурами до –25 °С, а при наличии на кровле снега (в снежных районах) – и при более низких температурах.

По кровельным материалам необходимо иметь показатели свойств и при повышенных температурах, которые особенно актуальны при расчете кровельного ковра на ветровые нагрузки.

При выборе кровельного материала заказчика нередко привлекает более низкая стоимость материала, что не всегда оправдано, так как стоимость кровли и ее долговечность имеют, как правило, прямую зависимость. Поэтому на первом этапе при выборе кровельного материала необходимо знать его долговечность (потенциальный срок службы – межремонтный срок) при эксплуатации в кровельном ковре для определения приведенных затрат на выполнение кровли.

На основании вышеизложенного можно предложить следующие показатели теплоизоляционных и кровельных материалов (табл. 2 и 3), необходимые для проектирования ограждающей части покрытия и при разработке ТУ на эти материалы.

Для получения предложенных расчетных показателей, необходимых при проектировании мягких кровель, безусловно, потребуются временные и материальные затраты, но наличие этих показателей позволит повысить надежность кровель и, следовательно, безопасность зданий и сооружений.

Величины этих показателей должны, по нашему мнению, декларироваться в технических условиях на конкретный материал, исходя из возможностей производителя, а в стандарте (в ГОСТе) должен быть приведен только перечень обязательных для проектирования расчетных показателей кровельных материалов, так как конкретные величины показателей «абстрактных», например, эластомерных пленок (см. ГОСТ 30547-97 «Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Общие технические условия») приводят к появлению многих вопросов, в частности: почему у всех вулканизованных эластомерных пленок должно быть относительное удлинение не менее 250%? Выходит, пленка с показателем 200% не имеет «права на существование», в то время как битумно-полимерный рулонный материал имеет «такое право» даже с показателем относительного удлинения 50% (по результатам испытаний в отделе кровель ОАО «ЦНИИПромзданий»), которое указанным ГОСТом не нормируется.

Несколько слов об уклоне мягкой кровли, который является элементом проектирования и зависит от несущих конструкций здания или сооружения, а также от функционального назначения кровли: использование ее в качестве площадки для отдыха, посадки растений, для автостоянок, размещения производственного оборудования и т.п.

Мягкие кровли могут применяться на всех уклонах с учетом соответствия теплостойкости применяемого кровельного материала принятому в проекте уклону.

Плоские кровли с нулевым уклоном имеют ряд существенных недостатков: осуществить такой уклон на всей площади кровли больших размеров практически не удается. Из-за неизбежных неточностей при производстве работ, неравномерной осадки несущих конструкций, из-за прогиба большепролетных конструкций трудно создать плоский рельеф кровли. Поэтому при выборе уклона кровли необходимо учитывать прогиб несущей конструкции для определения места расположения воронок внутреннего водостока. Если в качестве несущей конструкции применена, например, металлическая или железобетонная ферма с параллельными поясами, то ясно, что в середине пролета фермы будет наибольший прогиб, и, следовательно, воронки необходимо располагать в этом месте, а не у колонн, на которые опирается ферма и у которых нередко располагают водосточные воронки со стояками. Если металлическая ферма пролетом 24 м имеет верхний пояс с уклоном 1,5% (превышение на коньке составит 18 см), то уклон кровли может снизиться за счет прогиба (предельный прогиб 1/250 от пролета – это около 10 см, см. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», табл. 19) до 0,8%, и в этом случае воронки можно расположить у колонн.

А.М. Воронин, руководитель отдела кровель ОАО «ЦНИИПромзданий», канд. техн. наук, почетный строитель России

Литература

1. СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий».

2. Иванов В.В., Кудряшкова А.И. Изучение влияния отдельных составляющих наплавляемого кровельного материала на его физико-механические и эксплуатационные свойства // Сб. трудов ЦНИИПромзданий. – М., 1987, с. 66–74.

3. Ковалев С.С. Совершенствование технологии устройства и ремонта утепленных покрытий с применением полимерных рулонных материалов // Автореф. канд. дисс. – Челябинск, 2004. С. 19.

Татьяна Смирнова, ведущий технический специалист ROCKWOOL 

Очень важным показателем теплоизоляционных плит, применяемых на плоских мягких кровлях, служит сопротивление точечной нагрузке. Точечные нагрузки являются основными при монтаже теплоизоляции, они возникают при хождении рабочих по материалу, а также при эксплуатации кровли. Сопротивление точечной нагрузке замеряется на площади 50 см2 (круг диаметром 79,8 мм) и составляет то усилие, при котором плита теплоизоляции достигает деформации в 5 мм. Например, для кровельных плит РУФ БАТТС ЭКСТРА этот показатель равен 500 Н.

А. Лычиц, специалист Службы технической поддержки Корпорации «ТехноНИКОЛЬ»

Действительно, часто приходится сталкиваться с преждевременным разрушением кровли, связанным с образованием трещин в битумном слое. Это характерно и для достаточно дорогих материалов с хорошими показателями гибкости (некоторые производители декларируют от –25 до –30 °С на брусе радиусом 25 мм). И здесь очень важную роль играет технология модификации битума, которая обеспечивает требуемые технические показатели и качество материала. Если производить модификацию с применением различных индустриальных масел, которые довольно быстро улетучиваются из битума, то декларируемую долговечность на практике они обеспечить не способны. Если плохо перемешать битум с полимером, то также будет происходить быстрая потеря свойств материалом. Материалы «ТехноНИКОЛЬ», такие как «Унифлекс» и «Техноэласт», модифицируются исключительно СБС-полимером. Высокого качества битумно-полимерной смеси мы добиваемся, используя специальное устройство – гомогенезатор, а оценивается качество по 5-балльной шкале при помощи люминисцентных микроскопов. Качество смеси не может быть меньше 4 баллов. Благодаря этому гибкость и трещиностойкость наших материалов сохраняются в течение более длительного времени.

 А. Лычиц, специалист Службы технической поддержки Корпорации «Технониколь»

Внедрение методик испытаний кровельных материалов, описанных в статье, становится необходимостью для российского рынка. Детальный анализ показывает, насколько более надежными являются материалы с хорошо пропитываемой основой и с высокоэластичным вяжущим. Единственный их недостаток в сравнении с традиционными (на окисленном битуме) – более высокая стоимость. К любым нестандартным материалам (с механической фиксацией к основанию, с частичной приклейкой, для устройства однослойных кровель и т.д.) необходимо предъявлять особые требования. Пока в нормативной документации не прописаны эти требования, вся ответственность за предоставление информации об испытаниях ложится на производителя, который может испытывать, а может и не испытывать материалы на специальные свойства (кстати, методик на специальные испытания в России пока не существует). Корпорация «ТехноНИКОЛЬ» осваивает передовой европейский опыт. В настоящее время мы занимаемся гармонизацией европейского опыта с российскими стандартами на производство материалов. Уже сейчас в наших Технических условиях прописываются методы по проведению специальных испытаний материалов, призванных решить индивидуальную задачу каждого из наших клиентов.

Владимир Калитин, начальник отдела научно-технического развития компании «КНАУФ ПЕНОПЛАСТ»

В настоящее время существует значительное количество отечественных и зарубежных производителей как теплоизоляционных, так и кровельных материалов. У большинства из них есть Альбомы технических решений, большинство из которых разработано ЦНИИПромзданий в течение последних 10 лет. Но единого документа, который мог бы объединить все современные требования к кровлям, показать результаты развития кровельной отрасли за последнее десятилетие, – не разработано. Было бы неплохо в рамках перехода строительной отрасли к новым нормативам разработать и современные документы, необходимость которых уже давно созрела.

Николай Еремин, руководитель направления «Плоские кровли и техническая изоляция» компании ISOVER

Безусловно, проблема расчета напряженно-деформированного состояния материалов плоских покрытий весьма актуальна. При установке оборудования непосредственно на гидроизоляционный слой мягкой кровли необходим прочностной расчет подкровельного основания. Однако в подавляющем большинстве случаев подобные расчеты не проводятся! Большие деформации подкровельного основания в местах установки оборудования связаны с высоким уровнем давления, которое создают его опоры. В результате локальные деформации превышают 10%. Но проблема разрушения гидроизоляции в местах больших локальных деформаций не связана с прочностью основания (теплоизоляции). Предел прочности минераловатной кровельной теплоизоляции значительно превышает ее прочность при 10%-ной деформации. Более того, при снятии нагрузки, вызывающей 10%-ную деформацию, минераловатное подкровельное основание практически полностью восстанавливает свои первоначальные размеры (остаточная пластическая деформация – незначительна). Основная причина разрушения гидроизоляции, связанная с упруго- пластическими деформациями подкровельного основания, – несоответствие прочностных характеристик основания реальным эксплуатационным нагрузкам. Как правило, это происходит из-за отсутствия прочностных расчетов кровель и, как следствие, использования теплоизоляционных материалов только на основе их ТУ или ТС. В этих документах указана лишь принципиальная возможность применения данных материалов в качестве подкровельных оснований и не содержится указаний о допустимых эксплуатационных нагрузках покрытий.

Александр Касянюк, начальник технического отдела «ICOPAL Россия»

Совершенно согласен с автором, что зачастую проектировщики подходят шаблонно к выбору конструкции кровли только по теплотехническим характеристикам типа утеплителя. Этого не всегда бывает достаточно. Кровельный материал должен выдерживать возможные максимальные нагрузки, при этом важным фактором для битумного материала является тип основы и модификатора. От этих составляющих материала зависят разрывная нагрузка при растяжении (Н/5 см), условная прочность при растяжении (МПа) и относительное удлинение (%).

Наилучшие характеристики имеют битумные СБС-модифицированные материалы с основой из полиэстера различной плотности. В разделе «Кровельные материалы» автор сделал анализ поведения битумных и битумно-полимерных материалов при низких температурах. Приведенные доводы, подтвержденные графиками испытаний, не вызывают сомнения, при этом анализ проведен для материалов с низким количеством содержания СБС и со стекловолокнистой основой. Например, автор описывает материал «Фольгоизол», у которого отслаивается фольга от битумного слоя.

Компания ICOPAL имеет в своей линейке группу материалов с металлизированным покрытием из алюминия, меди и стали (PARADIAL S, VERCUIVRE, VERINOX). В этих материалах решена проблема отслоения фольги за счет технологии профилирования верхней поверхности и применения специального состава между битумом и фольгой, удерживающего фольгу на битуме при линейных расширениях. Что касается трещин на материале.

В 1994 г. Shell Chemicals Europe поручила компании BDA Dakadvies B.V. провести исследование состояния крыш с верхним слоем из СБС-модифицированного битуминозного рулонного материала с минеральной посыпкой или без нее со сроком эксплуатации, как минимум, 10 лет. Было проверено 18 кровель в разных странах мира, в том числе с максимальным сроком эксплуатации 20 лет.

При обследовании изучались следующие аспекты:

1. Общее состояние и внешний вид верхнего слоя.

2. Конструкция и реакция на внешнее воздействие элементов крыши.

3. Анализ состава образцов, при этом основное внимание уделялось:

• толщине верхнего слоя кровельного полотна;

• глубине тонких трещин;

• определению прочности на отслаивание недавно уложенных кровельных мембран, усиленных полиэфирной основой и изготовленных с применением СБС-модифицированного битума.

Все кровли оказались в хорошем состоянии и выполняли свою функцию. Отдельные кровли требовали ремонта в ближайшем будущем. Хуже всех выглядели кровли с минимальным уклоном (это к вопросу о важности уклона). На поверхности материала были обнаружены незначительные трещины, однако глубина проникновения трещин была не более 0,1 мм и фактически никогда не достигала основы.

Из вышесказанного можно сделать вывод о важности качества битумного слоя над основой и сохранения его характеристик после наплавления. Последние разработки компании ICOPAL по технологии «Защитный профиль» и SYNTAN практически исключают перегрев битумной массы на верхнем слое структуры материалов.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Высокотехнологичные СБС-модифицированные материалы способны долгие годы сохранять свои гидроизоляционные свойства. Одним из показателей качества материала является его поведение при низких температурах, которое напрямую связано с качеством сырья (особенно количества и качества модификатора) и технологией производства.

2. Проектировщик должен иметь максимальную информацию по характеристикам материалов для выбора оптимального решения.

3. Заказчик должен понимать, за что он платит.