Прообразы конструкций вентилируемых фасадов в зданиях древней Руси

Научно-технический и производственный журнал

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

УДК 692.23

Н.П. УМНЯКОВА, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе

НИИСФ РААСН

Прообразы конструкций вентилируемых фасадов

в зданиях Древней Руси

В статье рассмотрены конструкции рубленых наружных стен с деревянной обшивкой из досок и вентилируемой воздушной прослойкой, которые явились прообразами современных систем вентилируемых фасадов, получивших широкое распространение в мире. Благодаря деревянной обшивке бревенчатых стен увеличивалась их долговечность, а также повышался уровень тепловой защиты. Проведенный анализ старинной документации показал, что вопросами обеспечения необходимой тепловой изоляции ограждений в России занимались на протяжении многих веков.

Ключевые слова: наружные рубленые стены, вентилируемая воздушная прослойка, деревянная обшивка, сруб, Урочное положение, припазовка, температурное поле.

Прообразы современных вентилируемых фасадов существовали на Руси еще в XVII веке. Так, о них упоминается при воссоздании сооружений дворца царя Алексея Михайловича на территории Коломенского государственного музея-заповедника. Построенный более трех веков назад, дворец (рис. 1) производил столь сильное впечатление, что современники, посещавшие его, говорили о нем как о восьмом чуде света (первые семь чудес света - пирамида Хеопса, висячие сады Семирамиды, храм Артемиды в Эфесе, статуя Зевса в Олимпии, мавзолей в Галикарнасе, Колос Родосский, Александрийский маяк) [1]. Восстановленный в настоящее время дворец представляет прекрасный пример сочетания уникального ландшафта и русской средневековой дворцовой усадьбы.

Научные сотрудники музея в сохранившейся архивной и проектной документации обнаружили, что у части де-

Рис. 1. Вид дворца царя Алексея Михайловича. Копия с гравюры 1763

ревянных стен снаружи по вертикали расположены бруски, которые были обшиты досками с вентилируемой воздушной прослойкой. Такая конструкция наружной стены способствовала созданию благоприятного температурно-влажностного режима и защищала деревянные элементы сруба от увлажнения осадками и, как следствие, от гниения, а также от воздействия солнечных лучей.

Можно предположить, что такие конструкции применялись и ранее на территории Руси, и особенно при строительстве церквей, дворцов и других значимых зданий.

Аналогичные конструкции наружных стен были обнаружены в Орле в квартале дореволюционной застройки «Дворянское гнездо». В нем наружные стены выполнены из бревен с обшивкой досками по брускам и вентилируемой воздушной прослойкой.

В настоящее время достаточно много таких домов сохранилось в г. Переславле-Залесском (Московская обл.). На рис. 2 - деревянный одноэтажный дом с обшивкой из досок. На рис. 3 - недавно пострадавший от пожара дом, в котором остался целиком обгоревший деревянный сруб и отчетливо видны обгоревшие деревянные вертикальные бруски. До пожара по ним была установлена обшивка на относе из деревянных досок.

Много одноэтажных деревянных зданий с обшивкой на относе из досок и вентилируемой воздушной прослойкой (рис. 4) сохранились в г. Сергиев Посад (Московская обл.).

В двухэтажных домах стены первого этажа, как правило, были выполнены из кирпича, а второй этаж из бревен с обшивкой по брускам деревянными досками и вентилируемой воздушной прослойкой.

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Позднее эти конструкционные решения наружных стен нашли отражение в строительных нормативных документах в конце XIX в. В 1894 г. инженер-архитектор граф Н.И. де-Рошефор издает Урочное положение. Впоследствии оно было одобрено Техническо-строительным комитетом Министерства внутренних дел и Министерством путей сообщения и являлось официальным нормативным документом, который рекомендовался как пособие при составлении и проверке смет, проектировании и исполнении строительных работ, но и «вообще как материал полезней при изучении Строительного Искусства».

В нем в главе «Деревянные части здания» рекомендуется при возведении сруба из деревянных бревен для его сохранения от непогоды с наружной стороны по деревянным вертикальным брускам устраивать из досок обшивку с вентилируемой воздушной прослойкой (далее по тексту автор старался сохранить текст Урочного положения, включая терминологию, название единиц измерения и схемы ограждающих конструкций).

Рекомендовалось обратить особое внимание на то, что при возведении бревенчатых стен давались указания, какую толщину бревен надо использовать для исключения их промерзания. При рубке стен в лапу должна соблюдаться плотность припазовки (ширина паза для пакли) и притеска комлей с прокладкой паклей. Паклю можно было заменять мхом, что делалось достаточно часто. Последний благодаря своим дезинфицирующим свойствам использовался в западных и северных районах. Его называли растительным волокном.

Критическим местом для деревянных стен из бревен является ее припазовка. Чтобы стены не промерза-

Рис. 5. Нормальная припазовка при шестивершковых бревнах

Рис. 6. Обшивка сруба в рустик

ли (рис. 5), припазовка должна быть шириной 3,66 вершка (16 см), а это возможно только при шестивершковых бревнах (27 см). С бревнами от 4,5 до 5 вершков (20 до 22 см) припазовка выходит в 2 вершка (9 см) - такая стена в северной полосе промерзает. При нормальной припазовке на 1 сажень (213,4 см) по высоте стены укладывалось с паклей 9 венцов.

Особое внимание обращалось на осадку стены в первый год постройки. Рекомендовалось, чтобы осадка при сухом лесе составляла 1/80 высоты, при летнем - 1/24 высоты и при водяном (сплавляемом) - 1/20 высоты.

С наружной стороны деревянные бревенчатые стены обшивались стругаными досками: со скошенной кромкой или в обшивку по пробоинам (вертикальным брускам или бревнам) с перевязкой их на части и пристужкой.

При обшивке досок в рустик производились выемка четверти с установкой досок в одну скобу с отборкой кромок (рис. 6).

Для создания вентилируемой воздушной прослойки в бревнах сруба делали разметку и вырубку. Затем бревна в 4-5 вершков (17,7-22,2 см) с разметкой и вырубкой или бруски толщиной 2,5 дюйма (6,35 см) прибивались вертикально гвоздями к срубу. Если стены рубятся в угол, при-боины делают из бревен, в результате образуется вентилируемая воздушная прослойка толщиной 18-20 см (рис. 7, а); когда в лапу, прибоины нарезают из брусков и толщина вентилируемой воздушной прослойки составляет 6 см (рис. 7, б) (в современных конструкциях вентфасадов проектная толщина вентилируемой воздушной прослойки составляет 6 см). Расстояние между прибоинами 1,5 арш. (1,06 м).

Доски для обшивки должны быть стругаными и по возможности узкими, чтобы меньше коробились. Обшивку деревянных стен следует производить не ранее окончательной осадки здания, которая длится от года до двух лет (рис. 8). Преждевременная обшивка, сделанная даже только частично (цоколь, под карнизом), настолько препятствует осадке, что такие дома, несмотря на внутреннюю штукатурку и хорошие печи, бывают холодными. Для большей долговечности стен и сохранения тепла деревянные срубы уже в прошлых веках под обшивкой обшивали берестой. Однако из-за щелей в местах сопряжения между досками воздухопроницаемость обшивки достаточно большая. К.Ф. Фокиным [2] для тесовой обшивки из досок толщиной 20-25 мм получены следующие данные по воздухопроницаемости: для обрезных досок впритык 12,4 кг/(м2чПа); обрезных досок в четверть 8,2 кг/(м2чПа) и шпунтованных досок 0,71 кг/(м2-ч-Па).

Рис. 7. Устройство деревянной обшивки с воздушной прослойкой на стенах сруба: а — по деревян- Рис. 8. Обшивка деревянных ру-ным бревнам; б — по деревянным брускам бленных стен

Таким образом, воздушная прослойка в конструкции сруба с обшивкой досками по деревянным брускам является вентилируемой.

При рубке наружной стены из бревна в чашу (с остатком) выступающий конец в наружном углу должны быть 1,5 диаметра бревна, т. е. для 6 вершин (26,6 см). В этом случае воздушная вентилируемая прослойка имеет толщину 18-20 см.

Рубка в лапу предпочтительна для жилых домов, потому что представляет некоторое сбережение на длине бревна и на толщине косяков и прибоин обшивки. Но наружные углы в этой рубке не так защищены от промерзания, как при рубке в чашу. Такие срубы из пятивершковых бревен (22,2 см) необходимо внутри штукатурить с подбавкой войлоком под наружные углы. С другой стороны, при рубке в лапу углы здания обшиваются снаружи досками в виде пилястр, защищают от действия непогоды, тогда как при рубке с остатком выступающие концы бревен скоро гниют.

При расчете температурных полей ограждающих конструкций вентилируемой воздушной прослойки ее теплотехнические характеристики, а следовательно, и обшивки не учитываются. По исследованиям, проведенным в [3], термическое сопротивление воздушных вентилируемых прослоек может изменяться от 0,09 до 0,2 м2оС/Вт. В связи с этим предлагается при расчете температурных полей стеновых конструкций теплозащиту воздушных вентилируемых прослоек определять по условному коэффициенту теплопроводности воздуха Хусл.возпр по следующей формуле:

> = (2ак.в

,р)б,

где 2ак.в0з.пр + аЛВОз.Пр - коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м-°С). Эти величины определяются по формулам, приведенным в [4]; б - толщина вентилируемой воздушной прослойки, м.

Будем считать, что условный коэффициент теплопроводности воздуха в воздушной вентилируемой прослойке соответствует законам передачи теплоты в твердом теле.

При проверке расчета ак.возпр для воздушных вентилируемых прослоек толщиной 4 и 18 см в конструкциях срубов, выполненных в чашу и в лапу, приняты следующие параметры: температура наружного воздуха tн = -26оС; температура внутреннего воздуха tв = 18оС; кинематическая скорость воздуха и = 11,12 м2/с; скорость ветра Vв = 5,2 м/с; коэффициент теплопроводности воздуха Хвоз = 0,024 Вт/(м-°С).

При расчете ал.возпр для воздушных вентилируемых прослоек, имеющих с течением времени посеревшие поверхности, коэффициент излучения древесины был принят 4,9 Вт/(м2оК4), коэффициент излучения абсолютно черного тела - 5,76 Вт/(м2-°К4).

В результате выполненных расчетов получено: величина условного коэффициента воздуха в воздушной вентилируемой прослойке толщиной 4 см составляет Хвоз = 0,44 Вт/(м-°С); толщиной 18 см - Хвоз = 1,8 Вт/(м-°С).

Разница в значениях объясняется тем, что для воздушной вентилируемой прослойки толщиной 4 см критерий Рейнольдса равен Яе=4974,4, что соответствует переходному режиму движения воздуха, а при Re=22366,8 происходит турбулентный режим.

Конструкция такой бревенчатой стены с обшивкой из досок по брускам приведена на рис. 2.

Расчетные теплофизические величины: коэффициент теплопроводности ели, сосны (у=560 кг/м3) поперек волокон

Доклады IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

в наружных ограждениях 0,15 кКал/(мчоС) (0,167 Вт/(моС) и во внутренних ограждениях из ели или сосны (у=500 кг/м3) - 0,12 кКал/(м ч оС). В существующих нормах коэффициент теплопроводности ели или сосны для условий А составляет 0,17 Вт/(м-°С) и для условий Б - 0,14 Вт/(м-°С); пакли (у=150 кг/м3) - 0,069 Вт/(м-оС); коэффициент теплопроводности растительного мха 0,065 Вт/(моС). Как видно, коэффициент теплопроводности пакли и растительного мха не отличаются друг от друга.

Для расчета температурных полей конструкций были приняты бревенчатые стены толщиной 26 см без обшивки досками, а также бревенчатые стены с обшивкой досками толщиной 2,5 см и вентилируемой воздушной прослойкой. Расчет трехмерных температурных полей проводился в программе ДИвУв. При температуре наружного воздуха -28оС и внутреннего +20оС при отсутствии обшивки температура на внутренней поверхности стены опускается до 14,34оС и колеблется в диапазоне до 15,78оС (рис. 9); при наличии обшивки температура на внутренней поверхности сруба увеличивается до 17,46оС (рис. 10). Как видно, конструкция стены с дощатой обшивкой способствовала не только повышению температуры поверхности более чем на 3оС, но позволяла снизить тепловые потери через стену и уменьшить расход дров, идущих на отопление здания. Кроме того, дощатая обшивка защищала бревна от воздействий солнца, осадков и способствовала увеличению срока службы стен.

Таким образом, проведенная работа показала, что принципы теплотехнического нормирования наружных ограждений, в том числе стен, в России существовали уже в XIX в. Для увеличения теплоизоляционных качеств и защиты от продувания уже в XVII в. наружные стены с внешней стороны обшивались деревянными досками на относе. Предложенные русскими зодчими конструктивные решения наружных стен с деревянной обшивкой явились прообразами современных конструкций навесных вентилируемых фасадов, получивших широкое распространение в настоящее время во всем мире.

Список литературы

1. Суздалев В.Е. Русское чудо. Царский дворец в Коломенском - шедевр русского деревянного зодчества второй половины XVII - первой четверти XVIII в. М.: Пенаты, 2005. С. 160.

2. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / Под ред. Ю.А. Табунщикова и В.Г. Гагарина. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.

3. Умнякова Н.П. Элементы навесных вентилируемых фасадов, определяющие их теплозащитные свойства. АСАОЕМНЛ. Архитектура и строительство. № 5. 2009. С. 372-380.

Министерство архитектуры и строительного комплекса РС(Я) Министерство транспорта и дорожного хозяйства РС(Я) Государственный комитет по инновационной политике и науке РС(Я) ОАО «ЯкутПНИИС» НП СРО «Северный проектировщик», НП СРО «Союз строителей Якутии»

Международная конференция

«Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства

в условиях Крайнего Севера»

7-10 августа 2012 г. Якутск

ТЕМАТИКА КОНФЕРЕНЦИИ:

• Техническое регулирование в строительстве на региональном уровне • Новые технологии фундаментостроения в условиях меняющегося климата • Бетон для строительства в суровых климатических условиях • Эффективные материалы, конструкции и технологии для малоэтажного строительства • Энергоэффективность зданий и сооружений: современные системы, материалы, конструкции и технологии • Транспортное строительство: материалы, конструкции, технологии

• Современные технологии изысканий, проектирования • Технический надзор за строительством и строительный контроль

япниис

Адрес оргкомитета:

677000, г. Якутск, ул. Дзержинского, 20, ОАО «ЯкутПНИИС» Тел./факс (4112) 45-22-95, (4112) 45-22-02, (4112) 45-21 -25 E-mail: Yapniis@mail.ru ; Потапова Лидия Петровна - polapovalp@mail.ru Цеева Анастасия Николаевна - antseyeva@hotmail.com