Трефф - Долговечные конструкции плоских крыш

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая вниманию читателя книга западногерманского  специалиста Э. Треффа посвящена проблеме, актуальность которой  бесспорна, так как современные железобетонные крыши гражданских зданий были и остаются сложной многофункциональной  конструкции, надежность работы которой не всегда удается обеспечить.

В данной книге многосторонняя проблема крыш рассмотрена  комплексно, чему способствовал высокий уровень профессиональной  подготовки ее автора. Об этом свидетельствует уже тот комплекс  вопросов, который рассматривается в книге, включающий: внешние  воздействия, строительную физику, конструктивные решения, технологию, деформативность и огнестойкость. Такой объем информации в  сравнительно небольшой книге обеспечивается компактной структурой текста и выразительными, содержательными иллюстрациями. Этому способствует также авторский отбор конструктивных решений, в основном прошедших эксплуатационную проверку и нашедших  применение в зарубежном строительстве. Основная ценность книги состоит в квалифицированном, обстоятельном и всестороннем рассмотрении вопросов, определяющих правильное проектирование и качественное выполнение долговечных конструкций железобетонных крыш.

Конечно, не все технические решения, рассматриваемые в книге, совпадают с решениями, применяемыми в практике отечественного, в частности жилищного, строительства. Поэтому следует исходить не столько из рассмотрения конкретных конструкций, сколько из  понимания подхода к решению возникающих технических задач. 

Видимо, в инженерном мышлении специалистов существует исходное единство физических и конструктивных основ решения отдельной функциональной задачи.

Большое место отводится рассмотрению бесчердачных крыш с рулонными кровлями, которые в СССР применяются в  незначительных объемах. Наиболее перспективными считаются безрулонные крыши с теплым чердаком, в том числе с плитами покрытия без  поверхностной гидроизоляции. Тем не менее читатель найдет в книге много интересных и полезных сведений. Так, вникая вместе с автором в суть работы кондиционируемой крыши с непроветриваемой  внутренней полостью и двумя слоями теплоизоляции, специалисты  убедятся, что теплотехническая схема этой крыши практически  аналогична принципу работы применяемой на практике крыши с теплым чердаком, который служит закрытой вентиляционной камерой. Безрулонные крыши полносборной конструкции широко используются в нашем жилищном строительстве, поэтому для проектировщиков будет интересен и полезен раздел книги, посвященный крышам с железобетонной плитой, выполняющей функции гидроизоляции.

Здесь интересны вопросы деформативности сборных и монолитных плит покрытия, их трещиностойкости при изготовлении и в  эксплуатации, решения мест примыканий и соединений, участков водостока, а также технические мероприятия по обеспечению  водонепроницаемости конструкции.

Определенную ценность представляет раздел, посвященный  террасным (эксплуатируемым) крышам, которые у нас в стране  незаслуженно чабыты и по которым практически отсутствует техническая литература. Сейчас в связи с новым этапом повышения качества и архитектуры жилища проблема террасных крыш, в том числе с  озеленением, становится актуальной. И мы благодарны автору за указания на те трудности решений террасных крыш, которые нам предстоит преодолеть. Как это не парадоксально, но положительной стороной книги можно считать минимум приводимых в ней расчетных данных и примеров. Ведь все расчеты конструкций советские специалисты выполняют по принятым у нас нормам и рекомендациям, уровень требовательности которых, как правило, выше зарубежных норм.

Это создает уверенность, что, сочетая зарубежный опыт  проектирования и строительства с достижениями отечественной инженерной и научной мысли, можно существенно улучшить технические решения железобетонных крыш прежде всего жилых зданий.

Канд. техн. наук А. Н. Мазалов

ВВЕДЕНИЕ

Жилище начиналось с крыши. На территории ФРГ первыми  жилищами были шатры. Они служили людям для защиты от  атмосферных явлений. Наружные стены и крыши составляли единое целое. Конструкция и последовательность слоев в крышах отвечали таким же требованиям, которые предъявлялись к наружным стенам: их главное назначение состояло в обеспечении защиты от дождя и ветра, а также в сохранении тепла и отводе влаги, которая накапливается в воздухе помещения. При устройстве плоских крыш возникают  определенные трудности. В частности, вода не стекает по ним, как по вертикальной поверхности стен, или стекает очень медленно,  удерживаемая силами адгезии. Поверхность крыши постоянно подвергается воздействию солнечных лучей, на нее оказывают механическое  воздействие снег и образовавшийся слой льда. Различное тепловое воздействие на стены и покрытия приводит к различным удлинениям этих конструкций и соответственно к различным напряжениям в точках их соединения. Особые нагрузки возникают вследствие  изменений температуры и влажности внутреннего воздуха во время  отопительного периода. Давление водяных паров теплого воздуха ведет к накоплению влаги в слоях покрытия.

В давние времена в качестве жилища человеку служили пещеры и деревья. Выбор места для жилья часто определялся местными условиями, а также психологическими причинами. Крутая скатная крыша являлась олицетворением хороших защитных качеств и  надежности. Плоская крыша допускает свободное формообразование, что создает для жителей ощущение неограниченной свободы.

Определим требования к крыше как к конструкции, ограждающей помещение от внешних воздействий и призванной создавать и  сохранять внутри помещения здоровый микроклимат и комфортные  условия. Сопротивление прониканию воды, воздействию ветра и холода не исчерпывает всех требований к крышам. Важно также защитить внутренние помещения от перегрева, сохранить влажность воздуха в определенных границах и обеспечить необходимый воздухообмен.

В климатическом поясе с умеренно континентальным климатом, где расположена ФРГ, большая часть жизни человека протекает в помещениях, поэтому очень важно, чтобы оболочка здания обладала способностью поглощать из воздуха помещения избыточную влагу, исключив тем самым образование на поверхности конструкций  конденсата или ограничив проникание и накопление влаги в толще  конструкций. Увлажнение ограждения ведет к ухудшению его  теплозащитных свойств.

От качества крыши и свойств примененных строительных  материалов зависят условия проживания людей в тех или иных  климатических условиях. В качестве примера можно привести иглу из снежных блоков, скатную крышу из камыша, крышу с кровлей из деревянной дранки, плоскую крышу с кровлей из глины с битумным покрытием и многие другие конструкции крыш, которые известны уже сотни лет и  доказали свою надежность в тех или иных условиях.

У иглу, зимнего жилища эскимосов, стены и крыша состоят из снежных блоков (рис. 1). Куполообразная форма такого жилища делает его погодоустойчивым. Снежний блок с относительно пористой структурой является аналогом нашего газобетонного блока и  теплоизоляционных материалов, которые образуются путем вспенивания.

Паропроницанию оказывается очень небольшое сопротивление, и благодаря этому создается микроклимат, благоприятный для  самочувствия людей, которые вынуждены находиться в маленьком  помещении.

Камышовая крыша как конструкция ограждения здания, распространенная ранее от севера до южных климатических зон, сохранилась до настоящего времени, особенно в северных умеренных климатических зонах (рис. 2). Крыши из злаковых растений  (тростника и др.) с трубчатыми стеблями применяются во многих  местностях. За счет силикатизации стенок стеблей они приобретают со временем высокую -жесткость и долговечность. Связанные стебли  укладываются под углом и благодаря этому хорошо отводят воду.  Чешуеобразное кровельное покрытие толщиной 30—40 см выполняет,  однако, не только функции водоотвода. В пустотах стеблей сохраняется воздух, и это снижает передачу тепла. Толщина кровельного слоя настолько велика, что крыша длительное время сохраняет тепло.

Это позволяет летом иметь прохладное пространство под крышей, а зимой способствует сохранению стабильности теплового режима помещений.

Такие покрытия почти не препятствуют прониканию через них водяных паров и обладают также высокой способностью к  поглощению водяного пара. Это делает их пригодными также для  устройства покрытий над коровниками и другими помещениями, предназначенными для содержания домашних животных. Устройство и  содержание такой крыши не требует больших затрат и при наличии некоторой сноровки может быть выполнено собственными силами.

Поэтому такой вид кровельного покрытия и сегодня применяется в местностях, где произрастает камыш. Как и у жилищ, сооружаемых из снежных блоков, в дополнение к водоотводной функции важными свойствами этой конструкции крыши являются теплоизоляция, аккумулирование тепла и паропроницаемость.

В качестве примера конструкции, которая создается из  материалов, имеющихся в непосредственной близости от жилья, можно привести еще одну конструкцию крыши, распространенную в местностях, богатых лесом и со снежными зимами. Типичным примером, такой конструкции является малоуклонная крыша из древесного гонта (рис. 3). Здесь также форма крыши в большой мере формирует облик здания в целом. Такие здания строят как на плоскогорьях средней высоты, так и в снежных высокогорьях. Покрытия из  древесного гонта способны отводить воду и пропускать водяной пар. 

Недостаточная теплоаккумулирующая способность компенсируется с  помощью каменной засыпки. Кроме того, укладываемый в покрытие слой камней выполняет функцию гравийного слоя в качестве защиты от ветрового отсоса, препятствует тепловому излучению и  способствует выравниванию температур. Зимой, после выпадения снега, который ложится на поверхность крыши, создается возможность для выполнения крышей всех ее защитных функций. Недостаточная до тех пор теплозащитная способность выполняется теперь слоем снега.

Таким образом и этой крыше свойственны теплозащита,  аккумулирование тепла и паропроницаемость. Недостаточные или очень кратковременные осадки и при этом высокие дневные температуры в жарких районах вынуждают строить здания с массивными плоскими крышами из глины, армированной камышом, осокой или другими волокнистыми  материалами. Задачей таких крыш является прежде всего защита от сильного теплового облучения. Такие дома в виде глиняной коробки, у которой и стены выполняются из глины, еще сегодня строятся во многих местностях Центральной и Южной Америки, Восточной Азии и Африки (рис. 4). Верхняя поверхность плоских глиняных крыш толщиной 30—40 см повреждается лишь очень немного при кратковременном воздействии воды. Они аккумулируют в течение дня  тепловую энергию и отдают ее в холодные часы внутрь помещений, способствуя стабилизации теплового режима. Проникание водяных паров происходит в обоих направлениях, так что водяной пар, который конденсировался внутри глиняного слоя, при благоприятных условиях может диффундировать наружу. В тропиках, где относительная влажность воздуха свыше 80%, достаточно снижении температуры на несколько градусов, чтобы началось образование конденсационной влаги в покрытии. Поэтому такие плоские крыши должны одновременно обладать достаточной теплоизолирующей  способностью, способностью к аккумулированию тепла и быть паропроницаемыми.

Плоские крыши с битумным покрытием нуждаются еще в широкой проверке. Предполагают, что одно из семи чудес света — висячие сады Семирамиды — имели гидроизоляцию, выполненную из  битумных материалов. В странах, расположенных вокруг Средиземного  моря, и на Ближнем Востоке уже сотни лет эксплуатируются плоские крыши с изоляцией из битумных материалов, не имея при этом каких-либо значительных повреждений. Эта битумная гидроизоляция  представляет собой смесь из битума и каменного заполнителя. Смесь  укладывалась слоем такой толщины, как это сейчас делается обычно при устройстве дорожных покрытий. Подобная битумная смесь  называется сейчас асфальтобетоном. Собственно асфальт, известный также под названием природного битума или гудрона, добывается на  Ближнем Востоке или изготовляется искусственно в виде смеси из битума и минеральных материалов.

Как для Севера не представляет проблемы защита иглу от  дождевой воды, так же не играет большой роли теплоизоляция в  средиземноморских странах. Не стоит здесь и вопрос о паропроницаемости ограждений. Поверхности крыш, обращенные вниз, постоянно  находятся под действием воздушного потока, так как для отвода тепла здания день и ночь вентилируются. Кроме того, большую часть года тепловой ноток направляется с улицы внутрь помещения. Наружный слой битумной гидроизоляции снижает паропроницание. Гравийная посыпка на верхней стороне или толстые несущие плиты выполняют роль аккумулятора тепла при сильном солнечном облучении.  Интересно сравнить условия паронроницания через асфальтобетон и через современные кровельные рулонные материалы, чтобы показать  ошибки развития. При минимальной толщине асфальтобетона s=20 мм и его коэффициенте сопротивления диффузии ц=2000 сопротивление диффузии этого слоя составит sd— us=40 м. Сопротивление диффузии кровельного ковра при и =100 000... 150 000 и s=8 мм составляет примерно 1000 м, т. е. в 25 раз больше.

Влияние шума, пыли, газа на конструкцию плоской крыши требует такого же изучения, как возможное воздействие каких-либо  излучений. Поэтому проблему устройства плоских крыш нельзя решить только эмпирическим путем. Правильное выполнение еще не  обеспечивает ее работоспособности. Заданная последовательность слоев, материалы и размеры должны быть определены инженером и  архитектором. Конструирование деталей примыканий не может быть возложено только на исполнителей на строительной площадке, так как это также является задачей проектировщиков. Последовательность слоев в конструкции и применяемые материалы следует задавать с учетом условий строительной площадки и местных климатических условий. Только анализ местных условий может показать, когда можно пренебречь паропроницанием и теплоизоляцией.

При дальнейшем совершенствовании конструкций крыш с  покрытием из керамических плиток, шифера и жести или с гидроизоляцией битуминизированными или полимерными рулонными материалами накопленными сведениями пренебрегать не следует. Такие суждения при оценке плоских крыш, как, например, «плоские крыши в принципе не представляют собой никакой технической проблемы» или что «плоские крыши с физической точки зрения не создают больше никаких проблем»— преждевременны.

Архитектор и инженер несут ответственность как перед  заказчиком, так и перед обществом в целом. Их долгом является освоение всех теоретических знаний в области строительной физики, которые позволят им в дальнейшем принимать правильные решения.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

О ПЛОСКИХ КРЫШАХ

1.1. Классификация плоских крыш

Плоскими называют крыши с уклоном менее 22°. Различают следующие типы плоских крыш (рис. 5): однослойные1 невентилируемые теплые крыши с тяжелыми или легкими нижними конструкциями; перевернутые крыши в виде теплой крыши с обратной  последовательностью слоев и массивной конструкцией плиты покрытия, так называемые крыши типа DUO; двухслойные вентилируемые холодные крыши с тяжелыми или легкими конструкциями и двухслойные кондиционируемые крыши; монолитные плоские крыши из водонепроницаемого бетона без пароизоляции; трапециевидные плоские крыши; складчатые крыши и крыши-оболочки.