Формула надежности. Инновационная фасадная система HILTI

В компании HILTI нашли оригинальное решение для повышения надежности фасадов, в особенности с большими относами облицовки от несущего основания. Пилоны, пилястры и каннелюры теперь можно выполнять без существенного увеличения бюджета, но не в ущерб прочности и надежности
Увлечение современных архитекторов пластическими характеристиками объекта, безусловно, идет на пользу его эстетическим качествам, но часто становится головной болью для инженеров. Выступающие фигурные карнизы и массивные пилоны, глубокие откосы и выносы каменных балконов, вес которых превышает стандартную облицовку, всегда требуют отдельных расчетов, поскольку к нормальным ветровым нагрузкам на такие элементы подключаются еще и боковые. В этих случаях необходимо обеспечивать жесткость фасадной конструкции сразу в двух направлениях, дабы избежать раскачивания фасадных элементов при экстремальных ветрах.
Согласно СП 20 СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» ветровое воздействие принимается в виде равномерно распределенной нагрузки в пределах высоты здания. Причём для навесных фасадных систем необходимо учитывать пиковые положительные w+ и отрицательные w- воздействия ветровой нагрузки, которые зависят в том числе от пиковых значений аэродинамических коэффициентов положительного ветрового давления (+) или отсоса (-).
Значения аэродинамических коэффициентов для отдельно стоящих зданий могут быть определены по СП20. Для остальных случаев их следует определять при помощи методов ветрового моделирования. Однако полученные значения зачастую не учитывают частные архитектурные особенности здания, как например, пилястры, полуколонны или карнизы, выступающие за плоскость основного фасада или расположенные на внешнем углу. Очевидно, что на данные элементы приходится увеличенное ветровое воздействие и при расчёте облицовок и их несущих каркасов следует уделять особое внимание не только величине ветровой нагрузки, в зависимости от расположения рассчитываемого элемента на плоскости фасада (в зоне действия положительного или отрицательного ветрового давления), но и направлению действия ветровой нагрузки на каждую плоскость облицовки фасада в различных сочетаниях.

Внешний вид выступающего элемента навесного фасада и вариант приложения ветровой нагрузки на него приведены на рисунке 1.

На рисунке 1 видно, что величины компонента боковой нагрузки равны пиковым значениям и при значительном выносе облицовки суммарное ветровое воздействие на архитектурный элемент и его несущий каркас может значительно возрасти. К тому же боковая нагрузка меняет направление вектора перемещений облицовочной и подоблицовочной конструкции, что необходимо учитывать при проектировании и расчётах по второй группе предельных состояний.
Наиболее распространенным типом фасадной системы с воздушным зазором является конструкция, состоящая из L-образных кронштейнов из алюминия или стали, к которым при помощи заклепок или саморезов крепятся вертикальные профили, на них фиксируется фасадная облицовка. При этом консоли у кронштейнов на всей ветке вертикального профиля находятся в одной плоскости, и, следовательно, при боковой нагрузке жесткость такой системы в горизонтальном направлении может оказаться недостаточной, особенно при больших вылетах облицовки.

Рис. 2. Внешний вид рядовой (лёгкой) фасадной подсистемы
Зачастую решение задач, связанных с повышением надежности и несущей способности фасадной системы, приводит к увеличению металлоемкости и влечет за собой увеличение стоимости, а также ухудшение теплотехнических характеристик стены, поскольку увеличение количества кронштейнов приводит к повышению теплопотерь. Причем, многие факторы становятся ясными только на начале монтажа, когда основные решения уже приняты. Это в свою очередь приводит к незапланированному увеличению сроков реализации проекта и его стоимости.
Как совместить надежность конструктива со стремлением к энергоэффективной архитектуре и при этом оставаться в рамках ограниченного бюджета? Рассмотрим основные методы увеличения жесткости подсистем навесных фасадов.
1. Укосины, раскосы и их варианты
Зачастую после монтажа натурного образца на проекте заказчик при его осмотре обращает внимание на множество вещей: как выглядит облицовка, какая величина рустов, какое сочетание с выбранной профильной системой СПК и стеклом, подход к организации работ подрядной организации и прочие моменты, и в итоге не получает должного положительного эффекта от предложенного технического решения, так как при визуальном осмотре образец имеет подвижность в плоскости, параллельной плоскости фасада. Быстрым решением для повышения жесткости системы является применение различного типа раскосов и/или укосин (см. рисунок 3).

Как видно из рисунков 3 и 4, раскосы соединяют смежные профили, придавая общую пространственную жесткость конструкции. Однако эти меры приводят к усложнению монтажа каркаса, а также удорожанию подсистемы за счет добавления дополнительного профиля, заклепок и дополнительных кронштейнов, анкеров, термомостов и шайб. Что в свою очередь ухудшает теплотехнические характеристики здания из-за добавления дополнительных элементов, контактирующих с основанием.
2. Применение П-образных кронштейнов и профилей
Одним из популярных решений для повышения жесткости системы является применение усиленной подконструкции. В этом случае применяются П-образные кронштейны и профили с развитым сечением. Данный тип конструктива системы позволяет несколько сократить количество кронштейнов за счет более развитых профилей, однако сами кронштейны обладают большой металлоемкостью, что в свою очередь негативно влияет на энергоэффективность ограждающей конструкции и имеет более высокую стоимость по сравнению с аналогичной рядовой системой на L-образных кронштейнах. Однако консоли кронштейнов такой системы ориентированы в одной плоскости и при вылетах более 200 мм также имеют подвижность в плоскости, параллельной фасаду, и не позволяют достичь достаточной пространственной жесткости, и по-прежнему могут потребовать дополнительных усилений.

Рис. 5. Внешний вид межэтажной (тяжёлой) фасадной подсистемы
3. Новая система HILTI
Специалисты компании HILTI разработали эффективное решение, позволяющее обеспечить необходимую жесткость и несущую способность системы в плоскости, параллельной фасаду, в том числе при действии боковой нагрузки на выступающих частях здания или архитектурных элементах. Основной особенностью нового решения является расположение кронштейнов с консолями во взаимно перпендикулярных плоскостях на одном вертикальном профиле.

Рис.6. Новая фасадная система Hilti (защищено патентом)
Несущий L-образный кронштейн, который воспринимает весовую нагрузку, располагается вертикально и соединяется с профилем при помощи вытяжных заклепок. Ветровые L-кронштейны с уникальной геометрией, воспринимающие ветровую нагрузку, располагаются горизонтально и соединяются с вертикальным профилем при помощи самореза. Именно за счет ветровых кронштейнов достигается необходимая жесткость и несущая способность системы в горизонтальной плоскости.
Схема крепления несущего профиля с горизонтальным кронштейном приведена ниже.

Рис. 7. Порядок крепления вертикального профиля к ветровому кронштейну Hilti
Важной особенностью новой разработки является симметричная конструкция кронштейна, что позволяет существенно снизить нагрузку на пяту кронштейна и на анкер. Например, пята кронштейна является самым нагруженным элементом в случае монтажа на основаниях с высокой несущей способностью, а анкер в свою очередь является слабым местом системы в случае оснований с низкой несущей способностью. Поэтому снижение нагрузки в этих точках является критически важным для повышения надежности всей конструкции фасада.
Благодаря этой особенности при применении новой системы требуется меньшее количество кронштейнов в сравнении с системами, в которых консоли всех кронштейнов ориентированы в одной плоскости. Это положительно влияет на энергоэффективность за счет снижения количества теплопроводных включений и улучшает экономическую эффективность за счет оптимизации металлоемкости системы.

Рис. 8. Таблица расчетов коэффициента теплотехнической однородности
Дополнительным преимуществом новой фасадной системы HILTI является увеличение скорости сборки. Это достигается за счет самосверлящего шурупа из коррозионностойкой стали. Благодаря такому способу соединения профиля с кронштейном исключается влияние человеческого фактора при монтаже в части соблюдения подвижного соединения в опорном кронштейне. Этот способ позволяет заменить две операции – сверление отверстий строго в середине овальных отверстий ветрового вертикально ориентированного кронштейна и установку двух заклепок с динстанционером для компенсации термических расширений – одной: закручиванием шурупа.

В случае применения новой системы HILTI температурные расширения компенсируются изгибом упругой консоли кронштейна, что подтверждают лабораторные испытания.
Подводя итог, стоит подчеркнуть, как важно обращать внимание на все воздействующие факторы на фасад уже на ранних стадиях проектирования здания. Это позволит учесть их влияние на характеристики ограждающей конструкции и более точно спланировать бюджет проекта.