Вентилируемые фасады серии КТС: деформативность алюминиевых и стальных систем. Мифы и реальность.

Компания КТС-Система является пионером на российском рынке навесных вентилируемых фасадов (НВФ). Разработанные ею системы установлены более чем на 1900 крупных объектах, как на территории России, так и за её пределами, и благодаря своему качеству и соответствию современным тенденциям, уже много лет занимают лидирующие позиции в строительстве. На протяжении почти двух десятилетий фасадные системы серии КТС производились единой группой компаний под товарными знаками КТС-Система® и КТС. В настоящий момент ООО «КТС-cистема» консолидировала фасады серии КТС под единым брендом, защищенным патентами на разработанные системы вентилируемых фасадов КТС и товарными знаками на них. «КТС-cистема» вобрала в себя основной состав разработчиков фасадных систем и производственные мощности группы компаний КТС-Система. Сохранив накопленный годами опыт, компания строит далеко идущие планы по выпуску новых систем вентилируемых фасадов и остается стабильным и надежным партнером для сотрудничества.

Классическая схема вентилируемого фасада типа КТС из алюминиевого сплава является широко распространенной конструкцией. Она позволяет создавать надежные и красивые фасады практически из любого облицовочного материала, включая тяжелые типы облицовок, например, из терракоты (пустотной керамики), без каких-либо видимых деформаций каркаса и сдвига облицовки (рис. 1).

В тоже время строительным организациям, монтирующим вентилируемые фасады, хорошо известен тот факт, что системы из оцинкованной или коррозионностойкой стали «проседают» под весом облицовки примерно на 3-10 мм. Это зависит от веса облицовки, относа и типа кронштейнов, в результате чего различные участки с различной длиной направляющих «проседают» по-разному. Так, например, короткие направляющие под окнами могут просесть меньше, чем основной фасад (где вес облицовки больше). Тогда расположенные рядом межплиточные швы в зоне термошва будут отличаться друг от друга, а в ряде случаев вышерасположенные плитки могут давить на нижние. Когда кронштейн немного «проседает» под весом облицовки, то он находится в упругом состоянии (как сжатая пружина), и под действием знакопеременных ветровых и других нагрузок (вибрации от метро, проезжающих машин и т.п.) облицовка начинает колебаться, как на пружине. В итоге швы облицовки могут попросту «разъехаться» в разные стороны (фото 1).


Фото 1.

Различие в ширине швов «всего» в 2-3 мм негативно влияет как на эстетику фасада, когда дорогостоящая облицовка приобретает дешевый и неряшливый вид, так и на общую надежность системы. Такая разница получается на относительно тяжелых типах облицовки – керамограните и пустотной керамике. В то же время «проседание»конструкцийсистем типа КТС из алюминиевых сплавов в аналогичной ситуации составляет всего 0,5-1,0 мм и описанная ситуация исключена. Давайте разберемся, откуда возникает такая разница в деформациях, и действительно ли стальные системы прочнее алюминиевых. В короткой статье невозможно подробно и точно описать все расчетные схемы и привести детальные расчеты, да этого и не требуется: для упрощения восприятия выбраны наиболее простые примеры, которые позволяют понять общие принципы возникновения такой разницы между системами из различных материалов.

Расчеты косвенно подтверждают реальные факты: проседания систем из коррозионностойкой и оцинкованной стали в 5-10 раз больше, чем у систем из алюминиевых сплавов
Таким образом, мнение, что стальные системы более прочные, чем алюминиевые – не более чем миф и рассуждения непрофессионалов.

Как правило, прочность и жесткость элементов конструкции зависят от произведения характеристик материала (предела прочности (текучести)R и модуля упругостиE) и характеристик сечения (момента сопротивления W и момента инерции J), табл.1, 2. Согласно техническим свидетельствам и соответствующим СНиП прочность и устойчивость обеспечивается в упругой стадии несущих элементов каркаса НВФ, соответственно и сравнивать материалы необходимо по пределу текучести, а весь каркас - по характеристикам сечений (моментам сопротивления и моментам инерции)с учетом модуля упругости и предела текучести материалов.

Из формулы [1] видно, что прочностные характеристики прямо пропорциональны квадрату толщины. Каркасы НВС выполняют из тонколистовой стали, и в данном случае толщина является одним из решающих факторов. Толщина оцинкованной/коррозионностойкой стали в конструкциях НФС составляет 1,2/1,0 мм для направляющих и 1,5-2,0/1,2-1,5 мм для кронштейнов, а в алюминиевых системах – 1,8-2,2 и 3,0-4,5 мм соответственно. При этом предел текучести алюминиевых сплавов (AlMg0,7 Si6063 Т66 - 2050 кгс/см2) примерно равен пределу текучести коррозионностойких сталей (12Х18Н10Т, 12Х18Т1, AISI 304, AISI 430 TI - 2150-2550 кгс/см2) и углеродистых сталей (2000-2350 кгс/см2) примерно одинаковый. Сравним квадраты толщин и характеристики применяемых материалов в таблице 1:


Как видно из последней колонки, произведение квадрата толщины на предел текучести материала для сплава AlMg0,7Si 6063 Т66 в несколько раз выше, чем у оцинкованной и коррозионостойкой сталей, особенно для кронштейнов. Это однозначно показывает, что при одинаковых габаритных размерах элементов конструкции из коррозионностойкой стали в 1,2-1,4 менее прочные, чем из оцинкованной стали, и в 2,3-10 раз «менее прочные», чем алюминиевые (в кавычках – потому что такое сравнение относительно). Конечно же, различного рода ребра жесткости увеличивают несущую способность штампованных деталей, но они не ликвидируют проблему полностью по ряду причин – ребро жесткости невозможно довести до оси действия нагрузки, и в том месте все равно остается участок с тонкой плоской стенкой; ребро жесткости работает только в одной плоскости и другие.

Теперь рассмотрим деформации , определяемые по формуле [2]. Деформации обратно пропорциональны третьей (!) степени толщины, соответственно, влияние толщины здесь будет решающим, и стальные конструкции, особенно коррозионностойкие, будут подвержены большим деформациям, чем алюминиевые, даже несмотря на то, что модуль упругости для стальных конструкций (Е = 2,06х105 МПа) почти в 3 раза больше, чем алюминиевых (Е=0,7х10-5МПа). Это подтверждается и фактами на реальных объектах – стальные системы «проседают» на 3-10 мм, алюминиевые с несущим кронштейном высотой более 150 мм – всего на 0,5-1 мм – в 10 раз меньше!


Рассмотрим деформации кронштейнов более подробно. Кронштейн находится в сложном деформированном состоянии, и предлагаемые схемы описывают это состояние приближенно. Наибольшие деформации, определяющие проседание конструкции, возникают на участках 1, 2, 3 (рис. 1).

Рис. 1. Деформации стального и алюминиевого кронштейнов КТС.

Если рассматривать кронштейн как консольно закреплённую балку, перемещение от веса облицовки (например, пустотной керамики) на свободном конце (т.е. направляющей) от прогиба не велики: 1= 0,6-1,2 мм для стали и только 1=0,02-0,06 мм для алюминия (из-за большей строительной высоты алюминиевого кронштейна и большего Jконс), но это не единственные перемещения. Смещение заклёпки под нагрузкой в соединении кронштейн - удлинительная вставка на 2=0,15-0,25 мм (по результатам испытаний заклепочных соединений) даёт смещение направляющей вниз на 1,2-2 мм у стального и только на 0, 2-0,4 мм у алюминиевого кронштейнов (из-за увеличенного расстояния h между заклепками у алюминиевого кронштейна). Кроме того, деформация основания кронштейна в районе верхнего анкера по причине меньшей жёсткости Jоснования стального кронштейна (c у чётом работы шайбы под анкером) на 3= 0,5-2,4 мм для стального и только на 3=0,1-0,2 мм для алюминиевого кронштейна, приводит к повороту всего кронштейна относительно точки О на угол α= 0,3-1,2⁰ у стального и α= 0,05-0,1⁰ у алюминиевого кронштейнов, что вызывает смещение направляющей вниз ещё на 1,0—5,3 мм у стальной и 0,2-0,4 мм у алюминиевой конструкций. Суммарное перемещение направляющей вниз составляет Σ=3,6-8,5 мм у стали и Σ =0,4-0,9 мм у алюминия (табл. 2).


Конструкции систем НВФ из алюминиевых сплавов в 2,3-10 раз «прочнее» систем из коррозионностойкой или оцинкованной стали.
Проведено 16 испытаний на огнестойкостьсистемКТС из алюминиевых сплавовс различной облицовкой – все конструкции подтвердиликласс пожарной опасности К0по ГОСТ 31251.

Расчеты косвенно подтверждают реальные факты: проседания систем из коррозионностойкой и оцинкованной стали в 5-10 раз больше, чем у систем из алюминиевых сплавов (с несущим кронштейном высотой более 150 мм), значит, выбранные расчетные схемы достаточно точно описывают данную ситуацию. Таким образом, мнение, что стальные системы более прочные, чем алюминиевые – не более чем миф и рассуждения непрофессионалов.

Есть еще один миф – стальные системы более огнестойкие, чем алюминиевые. До недавнего времени так и считали, мотивируя тем, что температура плавления алюминия около 640 °C, коррозионостойкой стали – 1800°C, а температура при пожаре 1000°C. Однако по ГОСТ 31251-2008 испытания проходит конструкция вместе с облицовкой как единое целое, и существует множество критериев, согласно которым НФС признается пожаробезопасной, одним из них является целостность облицовки – если она нарушается, система считается не прошедшей испытания. Если целостность сохраняется, то внутри конструкции температура, как видно из графика испытаний системы КТС-1, не превышает 420 °C, при этом температура на поверхности облицовки (например, керамогранита или керамики) составляет около 600 °C, а температура пламени на откосе не превышает 850-900 °C.

Рис. 2. Огневые испытания системы КТС-1 с керамогранитом в ЦНИИСК им. Кучеренко. Температура пламени в «газовой колонке» (т. 1), на поверхности облицовки (т. П2а, П3а) и на направляющих каркаса (т. Н2а, Н3а). График условно показан до 20-й минуты испытаний.

В результате нагрева происходит термическое расширение элементов и облицовки, и каркаса: уже на 12-й минуте испытаний (точки 2Н, 2П, на графике рис. 2) плитка керамогранита размером 600 мм расширяется на: 600 мм*420 °C*(8-11)*10−6/°C=2,0-2,8 мм. Стальная направляющая на той же длине: 600 мм*230 °C *(13-13,5)*10−6/°C=1,8-1,86 мм. Алюминиевая направляющая : 600 мм*230 °C *(23-24)*10−6/°C =3,2-3,3 мм (табл 3):


В результате стальной каркас «сжимает» облицовку, тем самым и в каркасе, и в облицовке возникают значительные напряжения, которые могут привести к разрушению облицовки. Для предотвращения выпадения кусков облицовки часто используют дополнительные кляммеры по периметру каждой плитки в пожароопасной зоне, которые невозможно поставить, не разогнув/согнув лапки кляммера. По результатам многократных натурных огневых испытаний в системе КТС-1 из алюминиевого сплава используется стандартное количество кляммеров вокруг огневого проема и разрушений облицовки не наблюдалось – алюминиевый каркас расширяется немного больше плитки, слегка «высвобождая» ее.

Таким образом, значительное влияние на пожаробезопасность системы оказывает разница в температуре облицовки и направляющих, а так же их термические коэффициенты линейного расширения. Данное сочетание более благоприятно для конструкций из алюминиевых сплавов. В результате целостность облицовки сохраняется, и конструкция с успехом противостоит огневому воздействию. Если же облицовка разрушилась (особенно композитные панели), то уже не важно, из какого материала сделан каркас - на реальном фасаде вряд ли можно будет повторно использовать стальные закопчённые направляющие, которые еще надо демонтировать с фасада.

При этом стоимость конструкций из алюминиевого сплава в 1,4-1,6 раза меньше, чем из коррозионностойкой стали AISI 430 и сопоставима со стоимостью (с учетом стоимости монтажа и расходных материалов) конструкций из оцинкованной стали с качественным лакокрасочным покрытием, или даже ниже (если оцинкованная конструкция в виде перекрестной решетки). В ассортименте систем серии КТС представлены системы как из стали (и коррозионностойкой, и углеродистой), так и из алюминиевого сплава AlMg0,7Si 6063, однако наибольшее распространение получили конструкции именно из алюминиевого сплава.

В заключение осталось добавить, что компания вкладывает значительные финансовые средства в научные разработки, новые прогрессивные технологии, благодаря этому системы серии КТС являются долговечными и неизменно востребованными.


Более подробно с системами серии КТС можно ознакомиться на сайте компании.

Москва, пр. Андропова, 38 корп.3 Тел.:(495)642-8460(многоканальный) www.kts-system.ru Представительства: Санкт-Петербург (812)347-7706 Екатеринбург (343)385-0429 Казань (843)527-7210,527-7211 Саратов (8452)29-1441,53-2551 Томск (3822)72-41-01, 72-3898 Сочи (8622)682-657

Таблица 1. Формулы для проверки прочности и расчета деформаций.

1 Прочность при изгибе балок (напряжения в направляющих каркаса и элементах кронштейнов): M/W ≤Ry; где W – момент сопротивления, для прямоугольного сечения: Wmin=bh2/6, [1],
2 Деформация консольной балки («проседание» кронштейна) от сосредоточенной силы Р на свободном конце: =PL3/3EJ, где J – момент инерции, для прямоугольного сечения: J=bh3/12, [2].

Таблица 2. Сравнительные характеристики материалов каркаса НФС.

Тип сплава Нормативный документ Предел текучести, Ryn, кгс/см2 Расчетное сопротивление R, кгс/см2 Толщина h, мм h2 Ryn*h2
Алюминиевый сплав AlMg0,7Si 6063 T66 ГОСТ 22233-2001 2050 1550 1,8-4,5 3,2-20 6560-41000
Углеродистая сталь 08пс СНиП ΙΙ-23-81* 2350 2230 1,2-1,5 1,4-2,25 3384-5287
Коррозионностойкая сталь AISI 304Т1 ASTM A480 2650 2520 1,0-1,2 1,0-1,44 2650-3816
Коррозионностойкая сталь 08Х18Н10Т ГОСТ 5582-75 2150 2050 1,0-1,2 1,0-1,44 2150-3096

Таблица 3. Усредненные характеристики сечений и деформации кронштейнов из различных материалов.

Обозначение Коррозионностойкая сталь AISI 304 Алюминиевый сплав AlMg0,7Si 6063 T66
Относ от стены до наружной плоскости облицовки Н 250 мм
Вес на один кронштейн Р 45 кгс 70 кгс
Момент инерции консольной части кронштейнаJконсоли Jконсоли 0,9-1,7 см4 80-230 см4
Момент сопротивления консольной части кронштейна Wконсоли 0,4-0,9 см3 11-22 см3
Момент инерции сечения кронштейна в районе верхнего анкера Jоснования 0,003-0,009 см4 0,03-0,05 см4
Момент сопротивления сечения кронштейна в районе анкера Wоснования 0,03-0,05 см3 0,15-0,2 см3
Прогиб конца кронштейна 1 0,6-1,2 мм 0,02-0,06 мм
Деформация основания кронштейна 3 0,5-2,4 мм 0,1-0,2 мм
Суммарное «проседание» направляющей Σ 3,6-8,5 мм 0,4-0,9 мм

Таблица 4. Температурные деформации элементов НФС при огневом воздействии.

α, 10−6/°C L, мм °C Перемещение на длине L,мм
Алюминий 23-24 600 230 3,2-3,3
Сталь 08 13-13,5 600 230 1,8-1,86
Сталь AISI 430 11-12 600 230 1,5-1,66
Керамогранит 8-11 600 420 2,0-2,8