Расчет надежности и долговечности кровель

строительные материалы и конструкции

Расчет надежности и долговечности кровель

С.Д. Сокова

Причиной часто возникающих отказов кровли является отсутствие расчетов по оптимальному выбору ее конструкции. Выбор осуществляется на основе многолетнего практического опыта применения материалов и его характеристик.

Динамичное развитие рынка кровельных и гидроизоляционных материалов в России диктует все более высокие стандарты технологий изоляционных работ, что приводит к более надежной и долговечной работе конструкций зданий во время эксплуатации. Острым и актуальным вопросом остается вопрос о том, как осознанно управлять качеством эксплуатации, в частности эксплуатацией кровель, как наиболее часто заменяемым конструктивным элементом здания.

Интенсивное поступление на строительный рынок современных материалов и технологий для мягких кровель привело к тому, что изучение их эксплуатационных свойств не проводилось, а новые методики по прогнозированию долговечности кровель не составлены. Ни один из документов не отразил эксплуатационную надежность кровли, как конструктивного элемента здания. Многие исследователи прогнозируют долговечность материала, называя ее долговечностью кровли.

Кровля — представляет собой сумму элементов различной надежности. Для моделирования крыши, как предлагалось директором ООО «Спецхимза-щита» ее разбивают на отдельные элементы: воронки, ендовы, примыкания и участки рядового покрытия между ними. Существенны три отличия предлагаемой модели от остальных: площади элементов не равны друг другу; все участки не могут находиться в одинаковых условиях; дефекты различных участков приводят к различным последствиям. Каждый элемент граничит с соседними, что предполагает в дальнейшем возможность учета и их взаимодействия. Условность границ, тем не менее, создает сетку с неравномерными ячейками, каждую из которых можно идентифицировать с конкретным элементом: элементом рядового покрытия, воронкой, световым фонарем, ендовой, деформационным швом или его частью и т.д. Отдельная ячейка — самостоятельный расчетный элемент со своими эксплуатационными возможностями; все такие участки находятся в разных эксплуатационных условиях и, естественно, что дефект каждого участка к различным последствиям. Такова модель для расчета надежности кровель.

Элементы крыши неодинаково сопротивляются природным воздействиям. Одни отказывают раньше, другие — позже, создавая в совокупности высокую поэлементную неопределенность. Неопределенность по времени, когда не ясен момент очередного отказа, неопределенность по составу и технологии ремонта, когда трудно предвидеть, что же придется ремонтировать. Особо опасны малонадежные элементы: примыкания к парапетам, трубам и т.д. Поэтому нужен принципиально иной подход к ремонту кровель. Задачами исследований являются — нахождение и оценка всех особо предрасположенных к созданию аварийных ситуаций зон и критических точек, характерных мест, узлов и стыков, которые дают наибольшую вероятность отказов, в том числе и таких, как теплопотери, продувания, протечки, увлажнения и промерзания. Однако, некоторые исследователи предлагают вероятность надежности кровли принимать в зависимости от производителей материалов и от выданных ими сроках службы материалов, вводя коэффициенты менее 1. Но это допущение вносит заведомо неверную информацию, так как эти испытания идут в камерах искусственного климата и не отражают реального состояния кровли.

В международном стандарте ИСО 8402 указывается, что качество — это совокупность свойств (характеристик) товара, относящихся к его способности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности. Свойства (характеристики), выражающие качество строительства, в отечественной практике принято называть показателями качества. К показателям качества можно отнести только те свойства и характеристики, которые можно измерить, оценить, проверить. Тогда их можно прогнозировать, выбирать, планировать, нормировать, контролировать, а следовательно, воздействовать на них, ими управлять, а значит, и обеспечивать.

Многие организации, занимающиеся вопросами прогнозирования эксплуатационных свойств битумно-полимерных и полимерных материалов, в качестве главного эксплуатационного показателя принимают различные свойства материалов. Для битумных материалов нельзя прочность и деформа-тивность принимать в качестве главных показателей, так как стеклоткань, картон, полиэфировое волокно, расположенные в середине слоев, спо-

строительные материалы и конструкции

собствуют сохранению прочностных показателей. В работах ЦНИИПромзданий главными эксплуатационными показателями, определяющими долговечность наплавляемых битумных и битумно-полимерных материалов, приняты показатель гибкости на брусе и теплостойкость материала. Гибкость на брусе радиусом 10 мм принят как основной эксплуатационный показатель для битумных и битумно-полимерных материалов. Потеря работоспособности происходит при значении главного эксплуатационного показателя — гибкости на брусе радиусом 10 мм при температуре +10°С и +15°С. При гибкости на брусе —4^—6°С — срок службы материала 10 лет; при гибкости —7^—15°С — срок службы 10—20 лет; при гибкости —6^—25°С — срок службы 10—35 лет. Для эластомерного материала «ЦНИИПромзданий» предлагает изменение величины его относительного удлинения, полученное при лабораторных испытаниях, и его предельную деформацию, полученную расчетным путем, считать предпосылками для установления потенциального срока службы кровли.

Потенциальный срок службы материала определяется по данным ЦНИИПромзданий:

П = ['пред. гибк -

где /пред гибк — предельное значение показателя гибкости при температуре 10-15°С; А/ — изменение показателя гибкости материала после кратковременного воздействия пламени от газовой горелки (примерно 3°С); /гибк — исходная гибкость материала,°С; V — скорость снижения показателя гибкости, °С/ год.

Для битумно-полимерных материалов, модифицированных атактическим полипропиленом-АРР:

1 / V = 0,9;

для материалов, модифицированных стирол-бутади-ен-стиролом (БББ):

1 / V = 0,7.

В формуле, предложенной ЦНИИПромзданий, при применении инфракрасного нагрева А/ будет равно 0, так как при этом способе отсутствует пережег материала. В формуле, предложенной ЦНИИПромзданий, скорость снижения показателя гибкости на брусе не учитывает месторасположение материала в конструкции кровли. Скорость снижения показателя гибкости зависит от места в конструкции кровли по сторонам света: на северной стороне или южной стороне находится конструкция, открытая местность или закрытая, т.е. от закрытости кровли близ расположенными зданиями, деревьями. На северной стороне нет такого коли-

чества солнечных лучей, поэтому / , наступит

• ' • пред.гибк •

через более продолжительное время. На кровлях сооружений, расположенных среди более высоких зданий или среди высоких деревьев, т.е. в закрытой местности, показатель гибкости материала будет изменяться иначе, чем в открытой местности. Поэтому для всей площади кровли этот показатель не отражает фактической картины. ОАО «ЦНИИПром-зданий» предлагает величину относительного удлинения эластомерного материала и его предельную деформацию считать предпосылками для установления потенциального срока службы кровли. Для отражения фактического состояния необходимо также учитывать влажность утеплителя и влажность цементно-песчаной стяжки. В формулу следует вводить для расчета показатель парциального давления паров воды. За 3-5 лет влага уходит, но вред наносит в первые годы. Кроме того, не учитываются сила ветра на высоте более 25 м, химическая агрессия, биостойкость, горючесть. Следует принимать в расчет и толщину наплавляемого слоя: толщина наплавляемого слоя должна быть более 2 мм, а сумма толщин более 3 мм. При уклоне 1,525% кровля считается плоской, но, как видно, интервал уклона имеет очень большой разброс, почти в 16 раз. Уклон 1,5% обеспечивает сток воды, а максимальный уклон 25% обеспечивает невымы-вание посыпки при увеличенных скоростях воды. В предложенной формуле испытания проводили в камерах искусственного климата, условия в которых не отражают реальную картину: замачивание — 1 ч, ультрафиолетовое облучение — 1 ч, замораживание при температуре минус 20°С и оттаивание при +20°С по 0,5 ч десять раз, тепловое воздействие (термостарение) при 80°С — 12 ч. Как видно, слишком много факторов в предложенной формуле прогнозирования срока службы кровельного материала не учитывалось. Не учитывается и поведение основы при замораживании: увеличивается или уменьшается в объеме основа в виде стеклохолста, стеклоткани, полиэстера, стекловолокна.

При испытании в камерах искусственного климата шесть лабораторных циклов приравнивается к одному году эксплуатации. За сутки переход через 0°С осуществляется 10 раз. Не учитывалось также и поведение основы материалов при нагрузках и при замораживании: увеличивается или уменьшается в объеме основа в виде стеклохолста, стеклоткани, полиэстера, стекловолокна (рисунок).

МНИИТЭП рекомендует проводить визуальные оценки стойкости к старению по наличию таких дефектов материалов как трещины, вздутия, сползание покровного слоя и т.д. Наличие поврежденных участков на площади более 50% и снижение норма-

строительные материалы и конструкции

Рисунок. График зависимости удлинения от нагрузки

1 — полиэстер 250 г/м2; 2 — полиэстер 180 г/м2; 3 — стеклоткань 110 г/м2; 4 — стеклохолст 95 г/м2; 5 — стеклохолст 70 г/м2

тивных показателей более чем на 50% относят материал к непригодному к применению.

Фирма «Гидрол-Кровля» предлагает долговечность кровли определять по реологическим свойствам до и после старения гидроизоляционного материала. Под действием гидростатического напора битумное вяжущее рулонного материала начинает ползти, продавливаясь через основу материала, проникает в трещины или поры в бетоне до тех пор, пока не происходит разрушение гидроизолирующего слоя. Если ползучесть вяжущего рассматривать как течение в капилляре под влиянием приложенного давления, то можно оценить время этого течения, продолжительность сохранения гидроизоляционной способности. При этом способе прогнозирования срока службы кровельного материала сохраняются все замечания, указанные выше.

ООО «Ирто-Инжиниринг Строй» рекомендует для стяжки применять только армированные бетоны высоких марок не ниже 300 на мелкозернистом щебне или пескобетоны. Эти стяжки менее склонны к размораживанию, а, следовательно, увеличивается долговечность кровли. Конечные свойства битумных и битумно-полимерных материалов определяет количество вяжущего вещества, которое в зависимости от конструкции кровельного ковра (по типу кровли: А, Б, Б1, В, В1, Г, Г1, Д, Д1) может колебаться от 6 до 20 кг/м2. Этой фирмой предлагается ввести понятие битумный эквивалент (для нового строительства 12,35 кг/м2, для ремонта 9,36 кг/м2); коэффициент соответствия, равный «единица плюс отношение температурного диапа-

зона искомого к температурному диапазону при гибкости +5°С, а материалы на полиэстере применять для верхнего слоя, как испытывающего наибольшие температурные напряжения, или нижнего слоев при любых уклонах; материалы на стеклоткани или стеклохолсте следует использовать для нижнего слоя и любых уклонов; материалы на картонной основе — преимущественно для средних слоев, а при уклонах 310%, но не выше 10% и для верхнего слоя. При уклонах кровли, где требуется повышенная теплостойкость, нельзя использовать для нижних слоев материалы с меньшей теплостойкостью, чем для верхних слоев.

В «Методических рекомендациях по определению условной долговечности кровельных рулонных и мастичных материалов под воздействием искусственных климатических факторов» МНИИТЭП приводятся визуальные оценки стойкости к старению по наличию таких дефектов материалов как трещины, вздутия, сползание покровного слоя и т.д. Наличие поврежденных участков на площади более 50% и снижение нормативных показателей более, чем на 50% относят материал к непригодному к применению.

Фирма «Поликром» предлагает приведенные свойства битумного материала (ПСМ) определять по формуле:

ПСМ = УП-^-ОУн/ОУфЛ-Гн/ГфЛЛ/Дф

где УП — условная прочность применяемого материала МПа (кг/см2); k1 — коэффициент приведения относительного удлинения; ОУн = 30% — относительное удлинение нормативное; ОУф — относительное удлинение фактическое; ^ — коэффициент приведения гибкости; Гн = —2°С — гибкость нормативная на брусе с R = 25 мм; Гф — гибкость фактическая на брусе с R = 25 мм; ^ = = 1,25 — коэффициент приведения долговечности; Дн — 10 лет — долговечность нормативная; Дф — долговечность фактическая.

Вычислив ПСМ по формуле (2), используя значения фактических показателей из таблицы 1, по формуле (3) получают количество слоев для конкретных материалов. Хотя конкретные величины коэффициентов и нормативных значений приняты исходя из практического опыта и здравого смысла. Полученные результаты расчетов подтверждают опыт применения битумных рулонных кровельных материалов и подтверждают практику применения однослойных кровельных мембран. В общем виде, конструкция мягкой кровли (у этих исследователей

3 2010 635

строительные материалы и конструкции

Показатель Рубероид Изопласт Поликром

Механические показатели

Прочность фактическая 215 343 6

Единицы измерения по ГОСТ 30547-97 Н/50 мм Н/50 мм МПа

Толщина, мм 1,5 4,5 1,2

Единый показатель условная прочность, МПа 2,87 1,52 6,00

Эластические свойства

Относительное удлинение, % — 30 300

Гибкость по ГОСТ 30547-97 К = 25 мм, і = +5°С Я = 25 мм, і= -15°С К = 5 мм, і= -60°С

Старение под действием атмосферных условий

Долговечность, лет 5 20 20

Условная прочность после старения, МПа* 1,43 1,90 7,5

Относительное удлинение после старения, %* 10 100

Гибкость по ГОСТ 30547-97 после старения* й = 25 мм, / = 0°С 4 = 5 мм, / = -45°С

Таблица. Значения фактических показателей однослойного кровельного материала

расчет кровли сводится к количеству слоев) должна определяться формулой:

КС = МЭН/ПСМхб

где КС — количество слоев рулонного материала; МЭН — математический эквивалент механической и эксплуатационной нагрузки на кровлю, н/м (кг/см); ПСМ — приведенные свойства материала, МПа (кг/см2); 5 — толщина материала, м (см). МЭН должен учитывать механические и атмосферные воздействия на кровельный материал, что представляет собой определенную трудность. Авторы этих исследований рекомендуют принять этот показатель как постоянную величину реальных нагрузок на кровлю (5000 Н/м). Приведенные же свойства материалов определяют по формуле, в которую входят коэффициенты приведения относительного удлинения, долговечности, гибкости, принимаемые по соображению, как пишут сами авторы, из практического опыта и здравого смысла.

МЭН должен учитывать, реально возникающие при нормальной эксплуатации, воздействия на кро-

вельный ковер: 1) механические: статические от установленного на крыше оборудования и динамические от передвижения на кровле людей и механизмов с учетом потери прочностных характеристик материалов (особенно битумных) при нагреве кровли в летнее время до 70—80°С; 2) эластичные, способные компенсировать изменение линейных размеров кровли от температурных деформаций и подвижки грунтов и не допускать трещинообразования при отрицательных температурах от механических воздействий; 3) атмосферные, позволяющие сохранять первоначальные свойства во времени под воздействием воды, ультрафиолетового облучения, окисления и т.п. В этой методике присутствуют элементы ничем не обоснованных решений. Самое сложное здесь, определить математический эквивалент, таких разных по своей природе, воздействий на кровлю, как механических, агрессивных сред, УФ-облучение, окисление озоном и т.д. Немаловажно здесь и приведение к однообразию показателей кровельных материалов.

Предлагается принять МЭН = 5000 Н/м (5 кг/см), как постоянную величину, отражающую реально действующие на кровлю нагрузки. Конкретное значение может быть обосновано усилием на разрыв 1 см четырехслойного рубероидного кровельного ковра.

Приведение к однообразию показателей кровельных материалов не составляет труда и сводится к элементарной арифметике и использованию результатов ускоренных климатических испытаний проведенных в ЦНИИПромзданий для большинства импортируемых и выпускаемых в России кровельных материалов. В качестве показателя механической прочности было бы целесообразно принять условную прочность при растяжении в МПа. Эластические свойства должны характеризоваться двумя показателями относительным удлинением (в %) и гибкостью при отрицательных температурах. Устойчивость к атмосферным воздействиям (долговечность) определяется временем потери на 50% значения одного из предыдущих показателей.

Руководитель ООО «Гидрол-Кровля» предлагает долговечность кровли определять по реологическим свойствам до и после старения гидроизоляционного материала. Под действием гидростатического напора битумное вяжущее рулонного материала

строительные материалы и конструкции

начинает ползти. Если ползучесть вяжущего рассматривать как течение в капилляре под влиянием приложенного давления, то можно оценить время этого течения, продолжительность сохранения гидроизоляционной способности. При этом способе прогнозирования срока службы кровельного материала сохраняются все замечания, указанные выше.

По утвержденной Госстроем России методике, долговечность битуминозных материалов определяется временем достижения материалом такого состояния, при котором, при испытании на гибкость на брусе г = 25 мм, наличие трещин будет наблюдаться при +5^+10°С. Даже у самых лучших битумно-полимерных материалов этот показатель не превышает 15—20 лет, тогда как у кровельных мембран на основе ЕРАМ, этот показатель, по этой методике, приближается к бесконечности. Тогда на свет появилась и также утверждена Госстроем России методика определения долговечности полимерных кровельных материалов, в которой за критерий долговечности принято время, в течение которого материал достигнет состояния, при котором его относительное удлинение будет равно 50—100%.

При анализе дефектов кровель прослеживается уменьшение ее долговечности. Почти 62% уложенных кровель имеют дефекты в первый год эксплуатации. Со второй половины прошлого века изменилась этажность зданий, изменились конструктивные элементы крыши, появились различные основания под кровлю, в том числе стальной профлист с присущими ему недостатками: меньшей поверхностью для закрепления кровли; большой проницаемостью для воздушных потоков; температурными деформациями; коррозией; деформацией под нагрузкой; быстрым остыванием клеящей мастики. Приведенный анализ показывает, что надо искать пути совершенствования выбора конструкций кровли в зависимости от основания, а также выдвигать необходимые требования к самим основания.

В МГСУ на кафедре Технической эксплуатации зданий свыше 25 лет ведутся работы по определению эксплуатационных свойств кровель, надежности и долговечности мягких кровель из битумных, битумно-полимерных и эластомерных материалов. Предложена математическая модель прогнозирования их срока службы с учетом всех факторов, влияющих на долговечность кровли. Предложена модель типологического атласа дефектов: кровля разбивается на квадраты, в которых фиксируются примыкания, трубы, воронки, гладь и в каждый квадрат при обследовании вносится обнаруженный дефект. Кроме того, фиксируются примененные кровельные материалы и комплектующие к ним, конструкция узлов, входящих в квадраты, а также конст-

рукция всей кровли. Надежность элементов кровли — вероятность того, что данный элемент в данных условиях эксплуатации крыши будет работать безотказно в течение определенного времени. Все исследователи сходятся во мнениях, что для примыканий, ендов, воронок и других, быстро изнашивающихся элементов кровли должны разрабатываться и применяться в ремонте более надежные конструкции, имеющие повышенную прочность и долговечность, согласованную общим уровнем межремонтного периода. Качество кровли — это функция многих факторов. Качество продукции или работы зависит: от уровня требований к качеству установленных разработчиком и/или изготовителем в проектной или технологической документации, т.е. от качества проекта, определяемого техническим уровнем; от качества бизнес-процессов, от способности реализовывать установленные требования к качеству продукции; от профессионализма персонала, выполняющего процессы; от качества ресурсов, используемых при устройстве кровли, а именно, сырья, материалов, оборудования, инструмента, средств замера, программного обеспечения; от качества управления.

При прогнозировании срока службы всей кровли, а не только уложенных материалов, хотя снижение свойств гидроизоляционного материала существенно влияет на долговечность кровли, учитываются все факторы, приводящие к снижению надежности и влекущие за собой преждевременный отказ.

Разновременность выхода из строя отдельных элементов создает определенную сложность всем ремонтным процессам. Было бы идеально, если бы все кривые износа максимально совмещались в единый ремонтный момент. Если примыкания занимают значительный процент общей площади, то надежность кровли снижается. Условная вероятность неисправности /-го элемента представляет собой сумму условных относительных вероятностей существования неисправности в каждом из элементов, которая в свою очередь, определяется как отношение вероятности неисправного состояния элемента к вероятности его исправного состояния. Для кровли не подходит такая имеющаяся на сегодняшний день система эксплуатационных оценок, как технические осмотры. Осмотры должны быть заменены на обследование кровель и их диагностику на основе современных технических средств и приборов (электронные влагомеры, трещиномеры, тепловизоры и т.д.), а так же современных компьютерных программ для каждого конструктивного решения крыши и применяемого кровельного материала для этого решения.

строительные материалы и конструкции

Качество кровли в связи с вышесказанным зависит от: проектирования, т.е. выбора материала для определенной конструкции, количества слоев, решения узлов примыкания; от качества материала: прочности на разрыв, толщины, теплостойкости, относительного удлинения, стойкости к озону, ультрафиолету; от однородности материала; от степени вулканизации для эластомерных материалов; от правильности транспортирования материала; от правильности складирования материала; от времени и правильности хранения материала; от соблюдения требований технологии укладки; от квалификации рабочих при укладке; от условий и выполнения требований по эксплуатации кровли.

В нашей методике учитываются все площади выступающих частей и длина примыканий; площади, находящиеся в закрытой зоне рядом расположенных зданий или деревьев; площади кровли, ориентированные по странам света; площади кровли с максимальными уклонами; количество водосточных воронок на данную площадь; площадь визуальных дефектов в процентном отношении к общей площади кровли; способ соединения с основанием; количество слоев; количество стыковых соединений (швов); тип основания, утеплителя, пароизоляции; высота здания (влияние ветрового давления); тип материала и его толщина; степень вулканизации для эласто-мерных материалов, так как на кровле применяются вулканизированные и невулканизированные материалы; применение комплектующих материалов; деформации в стыках панелей и узлах сопряжений кровель из-за сезонных и суточных колебаний температур и др. Всего в этом многофакторном расчете приводится тридцать один показатель. В расчете отражен реальный, принципиально иной подход к прогнозированию срока службы кровель и оценке технического состояния кровли по сравнению со всеми предложенными расчетами ранее. Математическая модель для аналитического прогнозирования долговечности кровель прошла апробацию для традиционных материалов, в настоящее время рассматриваются особенности материалов последнего поколения и полная база для определения надежности конструктивных элементов крыши будет представлена всем эксплуатационным организациям.

Расчет надежности и долговечности кровель

В статье приводятся все расчеты, предлагаемые на сегодняшний день многими исследователями, для аналитического прогнозирования надежности и долговечности крыш с различными кровельными материалами.

В предложенной автором методике по расчету

долговечности кровель учитываются максимально возможные показатели: все площади выступающих, частей и длина примыканий; площади, закрытые рядом расположенными зданиями или деревьями; площади кровли, ориентированные по странам света; площади кровли с максимальными уклонами; количество водосточных воронок на данную площадь; площадь визуальных дефектов в процентном отношении к общей площади кровли; способ соединения с основанием; количество слоев; количество стыковых соединений (швов); тип основания, утеплителя, пароизоляции; высота здания (влияние ветрового давления); тип материала и его толщина; степень вулканизации для эластомерных материалов, так как на кровле применяются вулканизированные и невулканизированные материалы; применение комплектующих материалов; деформации в стыках панелей и узлах сопряжений кровель из-за сезонных и суточных колебаний температур и др. Всего в этом многофакторном расчете приводится тридцать один показатель.

Calculation of reliability and durability of roofs

by S.D. Sokova

In article all calculations offered for today for analytical forecasting of reliability and durability of roofs with various roofing materials are resulted.

In the technique offered by the author by calculation of durability of roofs the greatest possible indicators are considered: all areas of acting parts and length of adjunctions; the areas closed by number by located buildings or trees; the areas of roof focused on cardinal points; the areas of roof with the maximum biases; quantity of water waste funnels on the given area; the area of visual defects in percentage terms to roof total area; way of connection with the basis; quantity of layers; quantity of butt connections (seams); type of the basis, heater, steam- isolation; building height (influence of wind pressure); type of material and its thickness; degree of vulcanization for elastic materials since on roof the vulcanized and not vulcanized materials are applied; application of completing materials; deformations in joints of panels and knots of interfaces of roofs because of seasonal and daily fluctuations of temperatures, etc. In total in this multifactorial calculation thirty one indicator is resulted.

Ключевые слова: Долговечность кровель, аналитическое прогнозирование, надежность кровель, показатели надежности, примыкания кровель.

Key words: Durability of roofs, analytical forecasting, reliability of roofs, indicators of reliability, adjunction of roofs.