Главная / Тепловое расширение в системах металлических кровель: Все, что не видно невооруженным взглядом — легко недооценить!

Тепловое расширение в системах металлических кровель: Все, что не видно невооруженным взглядом — легко недооценить!

Редакция интернет-журнала «Кровли» представляет перевод статьи, опубликованной в журнале Professional Roofing, №4, 2016г. С оригиналом статьи можно ознакомиться здесь

***

Технология фальцевых кровель учитывает тепловое расширение кровельного металла и компенсирует его. Важно учитывать направление и интенсивность этого процесса.

Все, что не видно невооруженным взглядом — легко недооценить. Расширение типичной кровельной алюминиевой панели на четверть дюйма (6 мм) малозаметно. Кроме того, повреждения, вызванные нескомпенсированным тепловым расширением, обычно накапливаются в течение нескольких сезонов, что делает их еще менее заметными. Также часто они маскируются под дефекты монтажа или ошибки при пайке.

Размышляя о тепловом расширении, можно представить себе движение столбика ртути в старых ртутных термометрах. Когда температура растет, атомы ртути движутся быстрее, вызывая рост столбика жидкости. Когда она падает — частицы движутся медленнее и преодолевают меньшее расстояние, высота столбика уменьшается.

Скорость теплового расширения зависит типа металла и его начальной температуры. Важно отметить, что температура окружающего воздуха будет отличаться от температуры металла, а прямые солнечные лучи играют важную роль в этом процессе. Температура поверхности кровельных металлических материалов зимой может быть ниже температуры окружающей среды на 14°С, а летом превышать ее на 55°С!  Если колебания температур окружающей среды лежат в диапазоне от -20 до +35°С °С, то диапазон изменения температуры кровельного металла в течение года приближается к 120°С!

Формула Δ L = L*ΔT*Ce, где ΔL — изменение длины, ΔT — изменение температуры, а Ce — коэффициент расширения для каждого металла, иллюстрирует интенсивность термического расширения традиционных кровельных материалов (см. табл. 1).

Табл. 1: Интенсивность теплового расширения различных металлов

Тип металлаИзменение температуры, °СРасширение и сужение секции на 3.05 мРасширение и сужение секции на 12,1 м
Алюминий940,79 см3,15 см
Оцинкованная сталь940,41см1,63 см
Нержавеющая сталь940,59 см2,34 см
Медь940.6 см2,39 см

 

Коэффициент расширения является постоянной величиной для металлического листа любой толщины.

Лежачий фальц

Максимальная ширина панелей для фальцевых кровель составляет от 46 до 61 см для меди и нержавеющей стали, панели из оцинкованной стали могут быть шире. Термическое расширение в этих системах компенсируется в момент, когда монтажники фиксируют панели по периметру крыши и скрепляют между собой на всей площади кровли. Панели закрепляются на крыше с помощью кляммеров, каждый из которых закреплен на обрешетке с помощью двух крепежных элементов. Если угол наклона кровли слишком мал, то панели дополнительно свариваются между собой.

Рис. 2. Компенсация расширения с помощью конической деревянной рейки

Места спайки являются самыми уязвимыми частями системы, поскольку они обычно состоят из равных частей свинца и олова. Температура плавления припоя составляет около 200 °С, а температура плавления меди и оцинкованной стали составляют 1080 °С и ~ 1500 °С соответственно. Проблемы в паяных соединениях могут возникать из-за расширения и сжатия подложки или конструкции здания. По этой причине компенсационные швы должны быть продуманы на фальцевых кровлях с длиной картин более 9 м в любом направлении. На рисунке 2 показана конструкция с использованием конической деревянной рейки.

Если панели одинаковы по размеру и температуре, температурное расширение и сжатие будут одинаково поглощаться в пределах одинаково расположенных кляммеров. Специалисты по проектированию и монтажу могут контролировать размер панелей, но не их температуру. Прямые солнечные лучи или их отсутствие изменяют масштаб теплового движения на разных панелях, особенно на больших крышах. По мере увеличения площади поверхности каждой панели увеличивается интенсивность теплового движения. Панели небольшого размера способны поглощать тепловое расширение лучше, чем большие элементы. Тепловое расширение больших панелей имеет бОльшую силу, что увеличивает напряжение в местах пайки. Пагубное влияние теплового расширения в фальцевых системах проявляется в основном в местах стыка разных конструкций, например, вблизи от встроенных желобов или в месте перехода к металлическому фасаду.

Важно отметить, что медь, которая имеет высокий коэффициент теплового расширения, еще и поглощает больше тепла, чем другие металлы. Это увеличивает температуру ее поверхности и связанное с ней тепловое расширение. Оцинкованные или окрашенные металлы могут отражать солнечный свет, уменьшая температуру на своей  поверхности.

Встроенные лотки для водосточных желобов

Встроенные лотки для водосточных желобов рекомендуется выполнять из металла, пригодного для пайки, такого как оцинкованная сталь, нержавеющая сталь или медь. Как показано в табл. 1, тепловое расширение оцинкованных стальных систем намного меньше, чем у медных и сделанных из нержавеющей стали. Домовладельцы часто выбирают более дорогие медные системы по эстетическим соображениям, но сталкиваются с проблемами.  Хотя стальные элементы требуют более внимательного обслуживания в связи с подверженностью коррозии, они вызывают намного меньше проблем.

Встроенные лотки для водосточных желобов являются частью конструкции здания. Основные проблемы, которые отмечают в этом случае кровельщики, связаны с протечкой швов и повреждением металлических труб. Их можно избежать, если продумать систему компенсации теплового расширения. Швы представляют собой самые слабые места труб и лотков, равно как и швы на фальцевых кровлях.

При использовании формулы, предусмотренной для водосточных систем, важно оценить возможное расширение лотка по ширине и длине. Типичный встроенный лоток для водосточного желоба на скатной крыше имеет длину 3,0 м и ширину 71 см. Возможности для изменения ширины минимальны в большинстве жилых зданий. Если ширина лотка больше традиционной, то подумайте об использовании более толстого металла.

Более значительным образом будет происходить расширение и сжатие водосточного желоба в длину. Изменение длины 3-метровой медной секции желоба при большой разницу температур (например, когда желоб нагревается под прямыми солнечными лучами) может составлять 5-6 мм!  Соответственно при соединении четырех таких секций изменение длины составит уже 2 см!

Компенсация теплового расширения в водосточной системе начинается с монтажа непрерывной полосы крюков и кляммеров, которые заводятся под кровельный материал и крепятся к обрешетке. Они позволяют желобу свободно расширяться вдоль его длины.

Монтажники также могут размещать в соответствующих местах компенсаторы. Если на концах одного и того же линейного участка имеются два выхода или неподвижные точки, компенсационный шов должен быть расположен посередине желоба, поскольку движение будет происходить от каждой неподвижной точки. Если один выход расположен на конце желоба, на противоположном конце выпускной трубы должен быть один компенсационный шов. Компенсационные швы должен присутствовать на всех элементах длиной более 9 м.

Способы установки, которые могут ограничивать движение во встроенном желобе, включают следующее:

  • Крепление желоба непосредственно через металл лотка с лицевой стороны;
  • Закрепление желоба непосредственно на крыше с помощью саморезов;
  • Заклепки в швах пронизывают деревянную обрешетку.

Сила теплового расширения вдоль встроенного лотка для водосточного желоба часто приводит к срыву крепежных элементов,  закрепленных в деревянной обрешетке. При изменении температуры заклепки сгибаются в швах, что приводит к нарушению герметичности спаянного шва. Тщательно просверленные отверстия в деревянной подложке могут позволить заклепкам перемещаться с желобом, не повреждая швы.

Когда движение ограничено, в области желоба могут возникать проблемы. Подобно алюминиевой банке, которая была несколько раз изогнута назад и вперед, желоб начинает трескаться. Кстати, проблемы, вызванные нескомпенсированностью термического расширения, проявляются чаще всего на южной стороне дома.

Важно понимать и учитывать тепловое расширение заранее, так как ремонт уже смонтированной крыши или водосточной системы редко эффективен. Перепайка шва почти невозможна после того, как основной металл окисляется, или подвергается воздействию грязи и мусора. Разнообразные герметики являются лишь временным решением при возникновении подобных проблем. Без компенсации теплового расширения герметики тоже подвергаются действию тех же сил, поэтому чаще всего отремонтированные места в скором времени снова разрушаются.

К сожалению, единственным вариантом, обеспечивающим долговременный эффект является полная замена кровельного покрытия.

Двойной фальц

Приподнятые швы обеспечивают дополнительную прочность металлических панелей и компенсируют тепловое расширение. Устройство двойного фальца позволяет «гасить» термическое расширение панелей в вертикальном направлении.  Также как и в случае встроенных лотков для водосточных желобов, расширение по ширине каждой панели недостаточно велико, чтобы вызывать беспокойство, если монтаж выполнен правильно. Отдельные панели «рассеивают» горизонтальное тепловое расширение по общей площади крыши.

В зависимости от уклона кровли, неподвижные точки крепления панелей располагаются на коньке, или ближе к карнизу, или посередине ската. Они необходимы, чтобы обеспечить скольжение кровельных панелей по вертикали. Тепловое расширение будет происходить от неподвижной точки следующим образом:

  • Фиксированная точка, расположенная на коньке: движение происходит по направлению к карнизу;
  • Фиксированная точка, расположенная на карнизе: движение происходит по направлению к коньку;
  • Фиксированная точка крепежа посередине: движение направляется от крепежа к коньку и карнизу.

Обратите внимание, что несколько неподвижных точек могут заставлять панели двигаться навстречу друг другу или же наоборот, по направлению друг от друга.

Если панель достаточно длинная, то термическое сжатие может открыть доступ для проникновения воды. В этой ситуации важно обеспечить панелям свободное движение в одном направлении.

 

Нижележащие слои

При проектировании любой металлической крыши или системы водосточных желобов важно понимать, что не все типы подложек подходят для этой цели. Материал с гранулированным покрытием, вроде наждачной бумаги, будет являться абразивом для листового металла, когда он будет расширяться и сжиматься. Кроме того, подложка с низкой температурой плавления, например, на битумной основе, может прилипать к металлическим панелям и разрываться во время теплового расширения. Можно использовать материал вроде толя (rosin paper) в качестве слоя скольжения между металлическими листами и нижележащими слоями кровельного «пирога». Этот слой также защищает гидроизоляционный материал на битумной основе от повреждений во время пайки.

 

***

Проблемы чаще возникают при неправильной установке материалов с высокими коэффициентами теплового расширения, таких как алюминий, медь и нержавеющая сталь.

Медь известна своей красотой и выносливостью, но она поглощает тепло и расширяется с большей скоростью, чем другие металлы. Домовладельцы, которые запрашивают материалы с большим тепловым расширением, также должны получать вспомогательные крепления, которые фиксируют панели, не препятствуя их термическому расширению: подвижные кляммеры, компенсационные швы, крюковые полосы.

Три причины не демонтировать встроенные лотки для водосточных желобов

Многие компании, занимающиеся монтажом водосточных систем, рекомендуют избавляться от встроенных лотков в пользу подвесных желобов. Но есть три архитектурные проблемы с отсутствием карнизного свеса, который содержит встроенные лотки для желобов:

  • Карнизный свес притеняет стены дома летом, когда солнце высоко в небе и не препятствует освещению стен зимой, когда солнце расположено ниже. Солнечные лучи на стенах здания оказывают положительное влияние на его тепловые характеристики.
  • В отсутствие карнизного свеса на окнах и сайдинге может образоваться конденсат.
  • В отсутствие карнизного свеса дожди могут повреждать фундамент.

 

Выводы:

  • Тепловое расширение происходит в металлических системах с лежачим и стоячим фальцем. Движение происходит в каждой панели.
  • Компенсация теплового расширения происходит при использовании кляммеров, клипс и крюковых полос, фиксирующих металл на месте, но позволяющих ему свободно расширяться и сжиматься как минимум в одном из направлений. Для минимизации напряжений, вызванных расширением и сжатием используются компенсационные швы.
  • Когда металлические элементы механически связаны друг с другом, они расширяются и сжимаются как единое целое. Например, 4 соединенных вместе 3-метровых панели расширяются и сжимаются как одна непрерывная 12-метровая полоса. Механические крепления будут перемещаться вместе с металлом, если они не зафиксированы в низлежащих слоях.
  • Фиксированные точки — места фиксации металла такими крепежными элементами, которые не компенсируют термического расширения, а только задают его направление.