§ 8.7. Оценка эксплуатационной надежности и долговечности утепленных фасадных поверхностей

Эксплуатационная надежность утепленных фасадных поверхностей может быть оценена путем учета различных факторов конструктивного и технологического характера.

К конструктивным факторам следует отнести систему крепления утеплителя, сетки, технологию нанесения защитных штукатурных покрытий, устройство температурных швов и другие факторы.

Для систем со штукатурным покрытием их долговечность определяется периодом эксплуатации до появления и раскрытия трещин, когда наблюдаются активная миграция влаги и увлажнение утепляющего слоя. По данным исследований, начальный период оценивается промежутком времени от 2,0 до 5 лет эксплуатации и зависит от соблюдения технологических регламентов нанесения штукатурного покрытия: минимально допустимой температуры и влажности окружающей среды.

Нарушение контролируемых параметров приводит к снижению надежности системы.

Увлажнение штукатурного покрытия и, соответственно, теплоизоляционного слоя приводит к возникновению дополнительных температурных деформаций, превышающих расчетные сопротивления и способствующих более интенсивному трещинообразованию. Эти процессы ускоряются при значительных колебаниях температуры окружающей среды.

Увлажнение теплоизоляционного слоя приводит к снижению коэффициента теплопроводности, а периодическое замерзание и оттаивание - к снижению сцепления защитного покрытия и нарушению связей в утепляющем слое.

Общая математическая и физическая модели эксплуатационной надежности системы «стена-утеплитель-защитное покрытие» могут быть представлены в виде графа переходов в различное состояние за счет влияния внешних факторов среды.

Существенное влияние на эксплуатационную надежность системы оказывает создание температурных швов, компенсирующих относительные деформации. Они рассчитываются исходя из максимальных температур в летний период времени и минимальных - в зимнее время.

Наиболее рациональным является поэтажное устройство горизонтальных и вертикальных швов.

Существенное повышение долговечности штукатурных покрытий достигается при использовании дисперсно-армированных растворов.

В современных условиях используется щелочестойкое стеклопластиковое армирование, представляющее собой отрезки нитей длиной 20-30 мм с толщиной 0,1-0,2 мм.

Нанесение защитного штукатурного покрытия осуществляется как вручную, так и с применением пневмонагнетателей. Механизация процессов обеспечивает многократное повышение производительности труда.

При создании вентилируемых фасадов факторами, определяющими эксплуатационную надежность и долговечность, являются: способы устройства каркаса, обеспечивающие восприятие механических и динамических воздействий от ветровых нагрузок и массы панелей; управление скоростным потоком вентилируемого пространства путем устройства разделительных перегородок и отсечек; использование ветрозащитных покрытий утеплителя, предотвращающих разрушение поверхностных слоев; создание ремонтопригодной системы вентилируемых фасадов с возможностью замены утеплителя.

Анализ факторов свидетельствует о случайном характере воздействий ветровых нагрузок, скоростного потока в вентилируемом пространстве вследствие колебаний атмосферного давления, влажности и направления ветрового потока. При определенной форме здания и скорости обтекания ветрового потока возможны условия создания зон разряжения, когда вентиляционный эффект меняет знак на противоположный.

Исследование процессов старения теплоизоляционных материалов показало, что изменение теплотехнических параметров носит экспоненциальный характер и зависит от физико-механических характеристик, степени защиты от внешних воздействий, деформативных свойств при наличии градиента температурных деформаций и возникающих при этом напряжений в многослойных ограждающих системах.

Для оценки долговечности системы теплоизоляции наружных стен возводимых и реконструируемых зданий наиболее приемлемой является математическая модель, основанная на асимптотических методах оценки надежности сложных систем. При этом в рассматриваемую систему входят: непосредственно теплоизоляция и способы ее крепления к поверхности стен; многослойное защитное штукатурное покрытие; устройство каркаса с последующим креплением облицовочных плит на относе от поверхности утеплителя и т.п.

В силу разнодолговечности применяемых материалов возможен отказ системы, который проявляется в нарушении защитных слоев штукатурного покрытия, снижении или потере теплоизоляционных свойств утеплителя, разрушении или нарушении функций защитных панелей, деформации каркаса, коррозии и разрушении кляммер для крепления облицовочных плит.

Интерпретация системы теплоизоляции может быть представлена в виде графа переходов (рис. 8.17), учитывающего три состояния системы: 1 - отсутствуют физико-механические изменения в системе «стена-теплоизоляция-защитное покрытие»; 2 - имеет место изменение защитного покрытия, но нарушение теплоизоляции отсутствует; 3 - потеря теплоизоляционных свойств в результате снижения функций утепляющего слоя или защитного покрытия (критическое состояние).

Рис. 8.17. Граф переходов для оценки состояния системы утепления фасадных поверхностей

Функция надежности системы может быть записана в следующем виде: и среднее время эксплуатации до возникновения отказа может быть рассчитано по зависимостигде смысл параметров α₁, α₂, β₁, состоит в следующем: - среднее время до возникновения нарушений физико-механических и теплоизоляционных свойств; (α₁ + β₁)^-1 = Θ - среднее время до начала восстановительных работ;  - вероятность того, что восстановительные работы начнутся раньше, чем теплоизоляционное покрытие утратит свои функции.

Тогда функция надежности для оценки системы принимает следующий вид:  

На рис. 8.18 приведены расчетные зависимости изменения функции надежности теплоизоляционной системы в зависимости от времени эксплуатации. Экспоненциальный характер изменения функции свидетельствует о различной интенсивности снижения уровня надежности для систем утепления со штукатурным покрытием и облицовкой из бетонных плит.

Рис. 8. 18. Изменение уровня эксплуатационной надежности теплоизолированного стенового ограждения 1, 2 - теплоизоляция со штукатурным покрытием; 3, 4 - системы с вентилируемым фасадом; 5 - предельно допустимое снижение теплотехнических и эксплуатационных характеристик

При одинаковом утепляющем материале более долговечной является система, обеспечивающая эффект вентилируемого фасада. В то же время применение различных систем крепления оказывает существенное влияние на эксплуатационную надежность и долговечность защитных покрытий. Так, долговечность каркаса из дерева, при равных параметрах других элементов системы, является определяющим фактором эксплуатационной надежности.

Поэтому при выборе теплоизоляции необходимо руководствоваться математической моделью, учитывающей неоднородные характеристики элементов системы, критическое состояние которой наступает при отказе одной из составляющих.

Экономическая и технологическая оценки эффективности создания вентилируемых фасадов показали, что для реконструируемых зданий наиболее рациональным является создание комбинированных систем, когда первые два этажа облицовываются железобетонными дисперсно-армированными плитами по вертикальным направляющим, а на остальных этажах устраиваются дисперсно-армированное штукатурное покрытие или вентилируемый фасад с применением плоских облицовочных плит. Такое решение позволяет разнообразить архитектурную выразительность зданий, повысить долговечность и эксплуатационную надежность, а также снизить стоимость работ.