Автор: Владимир Шалимов — ведущий технический специалист Корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ, к.т.н.
Крыша мирового стандарта
В России сохраняется стабильный спрос на коттеджи. По данным опроса ВЦИОМ, две трети (66%) россиян предпочли бы жить в частных домах. При этом и предложений на рынке хватает. Применение прогрессивных строительных технологий может выгодно выделить застройщика среди конкурентов. Быть «впереди планеты всей» позволяет в том числе посещение крупных международных выставок. Последние экспозиции французской BATIMAT, немецкой BAU, американской International Roofing Expo и др. демонстрируют новый тренд в области устройства скатных кровель. На Западе уходят от классического межстропильного утепления в пользу мансардных систем с теплоизоляцией поверх стропил.
Рис 1 – Изображения популярной системы скатной крыши, представленные на международных выставках
Несущая стропильная система в таком конструктиве находится в благоприятных температурно-влажностных условиях. Стропильные конструкции можно закрыть привычным потолочным подшивом, а можно оставить открытыми – тогда они станут изюминкой интерьера (рис. 2).
Рис 2 – Пример интерьера дома с открытой стропильной системой
Все большая востребованность такого рода систем скатной кровли на Западе обусловлена, в том числе, курсом на энергосбережение. Решение задачи отсечения «мостиков холода» путем возведения поверх несущих стропил замкнутого теплоизоляционного контура с минимизацией теплотехнических неоднородностей и теплопроводных включений позволяет минимизировать потери тепла через кровлю. В странах Евросоюза, как известно, уже с 2020 года возведение «пассивных» домов планируют сделать нормой. Соответственно, спрос на такие кровельные конструкции будет расти.
Космические технологии
Такие преимущества мансарды нового типа, как модный интерьер с открытыми деревянными конструкциями, повышенный комфорт и сокращение эксплуатационных расходов на отопление коттеджа, становятся доступными для россиян вместе с появлением в широком доступе инновационного теплоизоляционного материала — жесткого вспененного полиуретана (PIR).
Этот относительно новый материал является ближайшим «родственником» известного с начала XX века полиуретана (PUR). Но за счет сложной компонентной модификации он имеет существенно более стабильную молекулярную структуру. Так, разрушение его изоциануратных связей начинается при гораздо более высоких температурах (выше 220°С) по сравнению с полиуретаном (менее 100°С). В отличие от других пористых пластиков PIR с наименьшей для полимеров группой горючести Г1 не поддерживает горение, не распространяет пламя и самостоятельно затухает при отсутствии источника огня. Физические свойства также являются весьма примечательными. Более чем на 96% он состоит из герметично замкнутых пор, заполненных инертным газом с чрезвычайно низким коэффициентом теплопроводности (менее 0,015 Вт/(м0К).
Рис. 3 – Производственная линия PIR
Изначально устойчивый к химическим и термическим нагрузкам материал применялся в области космических технологий. Он защищал топливные баки знаменитых космических кораблей «Спейс Шаттл» (США) и «Энергия – Буран» (СССР). Жесткий вспененный полиуретан позволял сохранять необходимый температурный режим для газов, находящихся внутри в жидком состоянии в жесточайших условиях механических перегрузок и динамического нагрева. Сейчас PIR стал одним из самых востребованных в США и Европе строительных теплоизоляционных материалов. В частности, легкие и прочные огнестойкие плиты PIR идеально подходят для устройства мансарды с утеплением по стропилам.
Системное решение задачи
Сегодня российские застройщики могут смело предлагать заказчику мансарду с утеплением по стропилам. Для устройства такой системы в нашей стране компанией ТЕХНОНИКОЛЬ выпускаются специальные теплоизоляционные плиты LOGICPIR размера 2400х1200 мм с отформованными торцами в виде L-кромки или паз-шипа. Это позволяет укладывать плиты весьма внушительного размера без зазоров и воздушных «мостиков холода» в швах непосредственно на верхнюю плоскость сразу нескольких стропильных ног. Скорость и простота монтажа обусловлена, в первую очередь, отсутствием какой-либо подгонки утеплителя под шаг стропильных ног.
Проектирование и монтаж конструкции существенно упрощается при использовании готового системного решения, в котором все компоненты подобраны квалифицированными инженерами с учетом мировой практики и российской специфики. Такой подход позволяет получить гарантированно надежное решение, уложиться в действующие строительные нормативы, избежать лишних переплат. Система, представленная на рисунке 5, рекомендуется для устройства эксплуатируемой мансарды по деревянным несущим стропилам при новом строительстве скатных крыш c уклоном 180-600, а также их реконструкции с целью восстановления теплового контура в снеговых районах строительства II-V, ветровых районах I-IV и любых типах местности.
Стропильная система, состоящая, как правило, из деревянных антисептированных стропильных ног, связанных в силовой каркас крыши.
Деревянный строганый настил. Данный слой выполняет исключительно декоративную функцию, т.к. служит финишным потолочным слоем. При внутреннем потолочном подшиве данный слой из состава системы исключается, а жесткий утеплитель укладывается на пароизоляционную пленку поверх стропильных ног.
Пароизоляционная пленка.
Жесткие теплоизоляционные плиты на основе пенополиизоцианурата PIR, облицованные алюминиевой фольгой с верхней и нижней сторон.
Лента алюминиевая самоклеящаяся, необходимая для герметизации верхнего алюминиевого слоя. Она позволяет создать гидро-ветронепроницаемый барьер и отказаться от применения специальной супердиффузионной пленки.
Контрбрус для создания вентканалов;
Разреженная обрешетка.
Сплошной деревянный настил (ОСП-3; ФСФ), служащий в качестве сплошного основания под гибкую черепицу.
Подкладочный ковер, необходимый по правилам монтажа кровельного покрытия из гибкой черепицы.
Финишный защитно-декоративный гидроизоляционный слой, например, гибкая битумная многослойная черепица.
Механический крепеж.
Выверенная надежность
Для России адаптация системы мансарды с утеплением по стропилам стала возможной после решения ключевых задач, связанных с обеспечением надежности и безопасности такого решения. На кровлю действует целый набор нагрузок. Прежде всего, это активное нагружение, в том числе ветровая нагрузка (активное давление), определяемая по [2]. Такие нагрузки компенсируются крепежом, устанавливаемым нормально (ортогонально верхней плоскости стропил). Также действуют скатные составляющие — снеговая нагрузка и собственный вес пирога крыши выше обрешетки. Для их компенсации используется крепеж, устанавливаемый наклонно (под углом 670 к верхней плоскости стропил).
Рис. 6 — Виды крепежа для системы скатной крыши с жестким утеплителем PIR
Найти в открытом доступе информацию о том, какое количество и тип крепежа позволяют при всех действующих нагрузках удержать кровлю в проектном положении, практически нереально. Кроме того, эти вопросы для уникальных российских условий, в принципе ранее не прорабатывались. С учетом действующих в России норм [1], [2], [3] наша компания совместно с Управлением экспертных работ (УЭР) Центра экспертизы зданий и сооружений «Промбезопасность» ФГБОУ ВО ННГАСУ провела исследовательскую работу [4].
В ней раскрыты следующие аспекты:
Выбор и расчет механического крепежа на нагрузки и усилия, при которых кровля может оторваться от стропильной системы.
Выбор и расчет механического крепежа на нагрузки и усилия, при которых могут возникнуть скатные составляющие, т.е. весь «пирог» может съехать с крыши как с «горки» вниз.
Размещение шурупов по длине стропил для крепления крыши и определение количества шурупов при заданной длине стропильных ног.
Выработанная на основании теоретического расчета универсальная схема представлена на рис. 7.
Рис. 7 – Схема расстановки анкеров
Согласно действующим нормам [2], по степени воздействия нагрузок на крыше выделяются периферийные (торцевой и карнизный) и центральный участки. Чтобы избежать путаницы с количеством и шагом крепежа в данной кровельной системе, для всех зон крыши и всех условий строительства было принято одинаковое количество крепежа — максимальное при наиболее невыгодном варианте сочетания всех исходных нагрузок.
Так, например, согласно разработанным рекомендациям, при максимально неблагоприятном сочетании нагрузок на крышу с расстоянием между стропильными ногами 600 мм, максимальный шаг шурупов по длине стропильной ноги следующий:
нормально устанавливаемые (ортогонально верхней плоскости стропил — под 900) крепежи для компенсации активных нагрузок — 900 мм.
крепеж, устанавливаемый наклонно (под углом 670 к верхней плоскости стропил) – 600 мм
Аналогичным образом устанавливаются крепежи для крыш с другими шагами стропильных ног. Установлено, что количество крепежа увеличивается прямо пропорционально увеличению шага стропильных ног, по сравнению с наиболее распространенным 600 мм.
Тип крепежа
Для надежной фиксации брусков контробрешетки через утеплитель к несущим деревянным конструкциям был выбран оптимальный крепеж. Это винтовой анкер с диаметром распорного элемента 5,5 мм. Он выполнен из легированной стали с антикоррозионным покрытием, стойким к воздействию среднеагрессивной среды в течение не менее 50 лет (рис. 8)
Рис. 8 — Самонарезающий винт по дереву для фиксации кровельных слоев.
С целью сохранения прочностного запаса расчет был выполнен для теоретического значения усилия на вырыв крепежа, равного 750 Н и минимальной глубины анкеровки 50 мм. Практические же данные показывают среднее фактическое усилие на вырыв равное 1900 Н при минимальной глубине анкеровки уже в 25 мм. При этом нет необходимости в использовании в несколько раз более дорогого специфического крепежа с двойной резьбой для удержания контробрешетки в проектном положении без смещения. Экспериментальные данные показывают, что прочность утеплителя PIR, превышающая 120 кПа, обеспечивает схему его работы в зоне опирания и нагружения в виде жесткого диска, исключая деформации утеплителя и крепежа. Это обеспечивает безопасность монтажной схемы теплоизоляционного слоя непосредственно по поверхности стропильных ног.
Рис. 9 — Винт по дереву с двойной резьбой
Список использованных источников
[1] Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности задний и сооружений».
[2] СП 20.13330 2011. Нагрузки и воздействия / Госстрой России.- М.: ГУП ЦПП, 1999.-44 с. (с изменениями 2003 г.).
[3] СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции/ М.: Минрегион России, 2011.
[4] Отчет по работе «Выбор и расчет механического крепежа в строительной системе, предназначенной для устройства скатных кровель с применением материала марки LOGICPIR Скатная крыша», Центр экспертизы зданий и сооружений «Промбезопасность» ФГБОУ ВО ННГАСУ, Н. Новгород, 2017.