Вопросы обеспечения эксплуатационной надежности навесных фасадных конструкций с переменной толщиной облицовочного слоя

Современные здания жилой застройки и административных комплексов отличаются архитектурной выразительностью, достигаемой индивидуальным подходом к проектированию несущих и ограждающих конструкций инженерами, конструкторами и архитекторами.

Декоративная отделка фасадов зданий является основополагающей при визуальном восприятии фасадов зданий жилой квартальной застройки.

К современным тенденциям относится устройство фасадных конструкций с применением навесных фасадных систем (систем крепления) с облицовкой из кирпича, камня и штучных керамических изделий различных габаритов, выполненных в сочетании различных цветовых решений, форм и вариантах исполнения. Функции защиты и декора типовой отделки зданий объединены в единую конструкцию, выход из работоспособного состояния, т. е. отказ которой может привести к значительным негативным социально-экономическим последствиям.

Модным трендом в настоящее время является внедрение в практику строительства различных типов раскладок кирпича в конструкции облицовочного слоя.

К основным типам необходимо отнести (рис. 1):

• поверхности в виде «пикселей» (3D-эффект визуализации);
• устройство ступеней и выпуклостей фрагментов облицовки, создающих зрительный объем;
• расположение штучных элементов таким образом, что создается эффект «скалы» на облицовываемой поверхности;
• кладка с «перфорациями» (спустотами) в виде шахматной доски;
• поверхность облицовки в виде волны и т.п.

Специалистами лаборатории надежности фасадов и теплоизоляционных фасадных систем ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (далее – ЛНФ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко) в 2020–2021 гг. проведен комплекс испытаний, направленных на исследование совместной работы кирпичной облицовки и металлических несущих подконструкций навесных фасадных систем. Работы по исследованной тематике начаты в 2009 г. Первые экспериментальные (лабораторные) исследования проведены в 2015 г.

Благодаря слаженной работе коллектива специалистов лаборатории, технического заказчика и подрядчика в лабораторном корпусе института смонтирован и запущен стенд для испытаний крупноформатных образцов фасадных конструкций (рис. 2).

Стенд запроектирован сотрудниками ЛНФ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. Разработка выполнена с учетом перспективы развития рынка, современных тенденций к методам испытаний крупногабаритных фасадных, ограждающих и светопрозрачных конструкций.

Конструкция стоек и ригелей позволяет обеспечивать подачу нагрузки в трех плоскостях, применять поворотные платформы, производить монтаж экспериментальных образцов высотой «на этаж» до 4,5 м, имеет необходимый конструктивный запас для модернизации. Стенд позволяет визуализировать деформации при испытаниях фасадных конструкций.

Необходимость проведения механических испытаний в лабораторных условиях обусловлена отсутствием в настоящее время правил проектирования конструкций облицовки из штучных кладочных элементов [1–6, 8], принятых в проекте устройства наружных стен на жилом комплексе в Москве.

Отличительной особенностью испытаний является возможность установки в лабораторных условиях дополнительных элементов, оснастки и измерительных приборов. Указанное актуально при современном многообразии и вариативности фасадных конструкций, применяемых на объекте, который запроектирован в составе восьми корпусов различной этажности (от 16 до 100 м), и сложном сочетании секций зданий различной конфигурации в плане.

Проектом предусмотрено использование двадцати двух типов облицовки из кирпича при устройстве наружных защитно-декоративных конструкций и более пятидесяти вариаций архитектурного расположения штучных элементов на фасадах, в конструкциях наружных стен жилого комплекса.

При постановке задачи для экспериментальных исследований специалистами лаборатории была выполнена унификация и типизация основных конструкций устройства облицовки из кирпича. Отобраны основные типы конструкций, с различным расположением кирпича в конструкциях, требующие проведения лабораторных испытаний.

Отобранные восемь типов фрагментов с различным расположением кирпича на фасадах, переменной толщиной и разным типом кирпича были изготовлены в лабораторных условиях:

• тип 1-й– ложковый, с раскладкой кирпича на постель и цепной перевязкой вертикальных растворных швов, с уступами и без уступов (рис. 3, а, б);
• тип 2-й– тычковый, с раскладкой кирпича на ложок, без перевязки вертикальных кладочных швов, с уступами и без уступов (рис. 3, в, г);
• тип 3-й– тычковый, с раскладкой кирпича на постель, без перевязки вертикальных кладочных швов, с уступами и без уступов (рис. 3, д, е);
• тип 4-й– ложковый, с раскладкой кирпича на тычок, без перевязки вертикальных кладочных швов, без уступов (рис. 3, ж);
• тип 5-й– ложковый, с раскладкой кирпича на постель и цепной перевязкой вертикальных кладочных швов («перфорированная») (рис. 3, з).

Толщина лицевого слоя в зависимости от типа раскладки находилась в пределах от 70 до 250 мм. Вид кирпича – клинкерный, пустотелый и полнотелый. Марка раствора по прочности на сжатие устанавливалась по результатам испытаний растворных кубов и соответствовала М150, марка кирпича – М400.

Работы выполнялись поэтапно, монтаж образцов высотой 3,3 м осуществлялся по проекту разработчика при контроле заказчика в лабораторном корпусе института. В процессе монтажа образцов решены вопросы, связанные с технологией ведения кладки, установлена предельная высота ярусов, обеспечивающая максимально эффективное ведение работ. Даны рекомендации по доработке технологической карты.

Широкая номенклатура кирпича, раствора, раскладок и металлических подконструкций, а также выявленные проблемы технологии свидетельствуют о необходимости разработки дополнительных требований при подборе и разработке проектов экспериментальных образцов, ведении кладочных работ на объекте.

При выборе типов защитно-декоративных конструкций для проведения испытаний учитывалась возможность обоснования безопасности конструкции согласно требованиям, действующих стандартов, сводов правил и № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Однако в действующей нормативной документации отсутствуют указанные требования соответствия проектных значений и характеристик здания требованиям безопасности. Согласно главе 3, статье 15 п. 6 № 384-ФЗ «…проектируемые мероприятия по обеспечению его безопасности должны быть обоснованы одним или несколькими способами из следующих способов:

1) результаты исследований;

2) расчеты и (или) испытания, выполненные по сертифицированным или апробированным иным способом методикам…»

Программой лабораторных испытаний предусматривалось исследование работы конструкции экспериментального образца при изгибе из плоскости стены, т. е. из плоскости облицовочного слоя. Примеры схем экспериментальных образцов приведены на рис. 4.

Целью проведения испытаний являлся анализ совместной работы конструкции навесной фасадной системы с облицовочным слоем с определением:

• особенности работы конструкции под нагрузкой, характера разрушения образцов;
• нагрузки, соответствующей появлению трещин в кладке защитно-декоративной конструкции;
• нагрузки, соответствующей потери целостности металлической конструкции или узлов;
• характера влияния металлической несущей подконструкции системы крепления, т. е. эффективной области применения;
• влияния схемы расположения растворных швов при раскладке кладочных элементов облицовочного слоя;
• влияния толщины защитно-декоративной конструкции и величины опорной зоны.

Общий вид экспериментального образца перед испытаниями приведен на рис. 5. Особенности экспериментального образца: высота – двадцать шесть рядов кладки, т. е. 3,3 м, ширина – 1,3 м, толщина конструкции лицевого слоя – переменная (от 70 до 240 мм).

Испытания проводились по специально разработанной в ЛНФ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко методике [7], которая апробирована, успешно себя зарекомендовала при проведении исследований на образцах меньшей высоты (до 2 м).

По результатам испытаний определен коэффициент эффективности применения опорной металлической подконструкции фасадной системы при различной толщине облицовочного слоя и переменной величине опорной зоны.

В процессе испытаний подача нагрузки на образец осуществлялась в пяти точках по высоте образца (рис. 6). Для замеров деформаций выполнялась установка двадцати двух датчиков, индикаторов часового типа для фиксации перемещений конструкции. Индикаторы устанавливались по высоте экспериментального образца симметрично относительно вертикальной оси конструкции (по одиннадцать индикаторов справа и слева образца).

Замеры деформаций выполнялись пошагово, определялись перемещения конструкции облицовочного слоя, металлических подконструкций несущих элементов системы НФС и опорных уголков в уровне опорной зоны защитно-декоративной конструкции.

На первом начальном этапе испытаний после предварительного нагружения образца до величины 0,5 % от предполагаемой разрушающей нагрузки для исключения погрешности при снятии показаний на приборах выполнялась корректировка расстановки приборов.

На втором этапе нагружение испытуемой конструкции осуществлялось пошагово до нагрузки N_max, при достижении которой фиксировалась потеря несущей способности конструкции.

Шаг нагружения составлял 2–5 % от предполагаемой максимальной нагрузки. В процессе испытаний контроль целостности металлической подконструкции выполнялся визуально. На рис. 7 приведен общий вид экспериментального образца на металлических подконструциях после проведения испытаний.

За разрушающую нагрузку N_max принята величина усилия на шток прибора, при котором выполняется одно из условий: раскрытие шва кладки – N_cr; разрушение связи, соединения связи в замке направляющей, узла заделки в растворном шве – N_s.

Разрушения образцов сопровождались ростом деформаций – падением давления в гидравлической системе, контролируемым по показаниям манометра, и скачком перемещений на индикаторах (рис. 8).

На рис. 9 приведены графики, построенные по теоретическим расчетам (кривая 1) и по результатам испытаний (кривая 2) оценки эффективности применения металлического каркаса исследуемой системы крепления при толщине облицовочного слоя от 50 до 250 мм.

Установлено, что коэффициент эффективности (k_э) снижается при увеличении толщины защитно-декоративной конструкции (кладки). Для исследуемой конструкции k_э находится в интервале от 2,4 до 1. Изменение коэффициента обусловлено конструктивными особенностями систем крепления и величиной опорной зоны облицовочного слоя. Эффект применения металлической опорной конструкции наблюдается при расположении центра тяжести лицевого слоя в пределах опорной зоны, что для исследуемой конструкции составляет 180 мм.

При увеличении толщины облицовочного слоя эффективность применения металлической конструкции в составе фасадной системы снижается и, как следствие, металлический каркас не участвует в работе фасадной конструкции. Полученная зависимость основана на результатах испытаний, получена впервые и будет доработана после завершения эксперимента.

В настоящее время в лаборатории продолжается комплекс исследований, в рамках НИОКР проводится работа по исследованию серии образцов с оценкой влияния прочности раствора на несущую способность конструкций облицовки.

Необходимо отметить, что испытания крупноформатных экспериментальных образцов фасадных конструкций являются наиболее эффективным методом оценки работы конструкции под нагрузкой.

Заключение

1. Проведенные в рамках научно-технического сопровождения испытания позволили определить эффективную область применения проектной системы крепления на натурных образцах и подтвердить возможность применения различных типов раскладок защитно-декоративной конструкции на объекте строительства. Исследования позволили оценить характер работы, определить предел прочности конструкции, соответствующие имперемещения при изгибе из плоскости. Результаты исследований подтверждают необходимость ограничения прогибов вертикальных направляющих.
2. В связи с отсутствием нормативной базы на новые типы защитно-декоративных конструкций из штучных кладочных изделий на металлическом каркасе, широким разнообразием систем креплений, внедрение в практику строительства должно базироваться на результатах исследований крупноформатных экспериментальных образцов в лабораторных условиях и результатах расчетов до получения достаточного опыта и данных для включения в нормативно-техническую документацию.
3. Механические испытания новых типов фасадных конструкций должны проводиться в обязательном порядке с целью обоснования проектных технических решений и быть направлены на оценку характера работы конструкций под нагрузкой для последующего анализа накопленного опыта, разработки методов расчета, конструктивных требований.
4. Проведенные исследования подтвердили эффективность применения систем крепления при устройстве тонких защитно-декоративных конструкций из кирпича, позволяющих реализовывать архитектурные замыслы разработчиков проектов, в том числе сложных архитектурных форм.
5. Применение различных типов раскладки кирпича в составе навесных фасадных систем позволит расширить область применения кирпича, штучных кладочных изделий российских и зарубежных производителей на отечественном строительном рынке.
6. В настоящее время в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко проводятся комплексные исследования прочности сцепления кирпича и раствора, различных видов защитно-декоративных конструкций с учетом величин опорных зон, типа закрепления, ширины кирпича и типа раскладки (различного положения кирпича в «теле» конструкции).
7. Исследования позволят установить необходимые зависимости для последующей разработки предложений в развитие действующей нормативно-технической документации.