Термовлажностные испытания Легких Стальных Конструкций

                                                 Предисловие.

Новая строительная система, основанная на использовании  легких  стальных каркасов была  разработана и изучена  в течение последних 10-15 лет в Финляндии. В центре исследования были  высокие показатели энергосбережения наружных стен дома.  Хорошие теплоизоляционные свойства, долговечность и  минимизация  коррозии и влагостойкости — были ключевыми  вопросами исследования.

Ряд научно-исследовательских проектов были проведены в течение 1989-2000 гг. В настоящем докладе дается обзор наиболее важных результатов этих исследований. Научно-исследовательская работа была осуществлена ​​за счет Rautaruukki Oyj, Outokumpu Polarit Oy, Финской Ассоциации строительной металлообработки , Национального  агентства по технологиям (Tekes), VTT  программой  исследований и изучений металла и  Европейской  коалиции угольной и стальной промышленности (ЕКУС).

Новая строительная   система , основанная на ЛСТК развивалась в течение последних 10-15 лет. В центре развития были  общественные  и коммерческие постройки , но использование стальных конструкций в строительстве домов значительно возросло. Продолжительность службы здания и его компонентов стало важной чертой маркетинга строительных объектов. Когда  новые строительные системы были представлены  широкой общественности , немедленно возник вопрос термо-влажностных  характеристик  ЛСТК.

Целью исследования была оценка термо-влажностных характеристик,  долговечность ЛСТК, как внешней стеновой структуры здания в различных видах строений. Несколько исследовательских проектов было проведено с целью показать реальные , протестированные  и проверенные характеристики:

•  Разработка легких сборных  стальных каркасных единиц, разработка и термо- влажностные  испытания  новых легкокалиберных  стальных каркасов. 15

•  Разработка инструментов 3-D теплопередачи в металлоконструкциях:  цифровой 3-D инструмент для расчета температур и распределения  тепловых потоков  в металлоконструкциях.

•  Срок службы разработанных металлоконструкций : полевые исследования , долгосрочные тесты на коррозию металла.6

•  Исследовательский программный проект  ВТТ –центра  заключался в изучении производительности ЛСТК: разработка  инструментов для  расчета термовлажностных характеристик , измерительных приборов и методов.

•  Европейская коалиция угольной и стальной промышленности (ЕКУС)  разработала  проект –Мега-5 применение стали-металла в городских поселениях: энергосберегающие металлические дома для холодного климата: разработка, тестирование  и демонстрация новых металлокаркасных систем, концепция энерго-сбережения жилых зданий , построенных из ЛСТК.

Новая концепция для стальных конструкций , основанная на использовании легкого перфорированного стального профиля,  развита и продемонстрирована в Иложарви, в Центральной Финляндии. Целью проекта  Мега -5 было  доказать эффективность и пригодность ЛСТ Конструкций  к использованию в холодном климате. Проект включал в себя комплексное  исследование структурных и термовлажностных характеристик  ЛСТК , также энергетическую эффективность и экологические последствия использования стальных конструкций.

Термо- влажностные  испытания  ряда конструкций  были оценены с использованием расчетов  3-х мерного теплового потока  и лабораторных измерений  полноразмерных стальных конструкций  в калиброванном  и герметичном  горячем  коробе  в соответствии со стандартом   ISO 8990 и  лабораторными  тестами  атмосферного  воздействия на конструкцию. Кроме того, тепловые характеристики  конструкции исследовали  путем полевого  мониторинга (1996-2000)   металлических  домов в городе  Ylojarvi . Проект включал в себя контроль измерения температуры  в различных местах ограждающих конструкций, инфракрасные обследования зданий,  тесты с использованием воздуходувного оборудования у дверей дома  для оценки герметичности здания и мониторинга  влажности в рамной конструкции.

В   Программе  VTT – исследования стальных конструкций  был   проект – «Производительность  стальных конструкций» — изучение  точности различных методов измерения   и компьютерных  расчетов. Основное внимание в исследовании было уделено  тепловым  измерениями  и расчетам.

             2. Тепловая эффективность легких стальных конструкций

2.1 Мостики холода.

Благодаря особенности  структуры металла,  в нем всегда  присутствует  мостик холода. Но, так как теплопроводность стали высока , возможны серьезные воздействия  мостика  холода. Влияние тепловых мостов  было уменьшено тремя способами:

• использование двойных каркасов

• использование внешних систем утепления

• использование  перфорированных  стальных профилей.

Облегченные  стальные конструкции основанные  на  двухкаркасной системе (горизонтальный и вертикальный каркас, рисунок 1) были использованы в качестве внешних стен офиса и общественных зданий. Расстояние между каркасами в обоих направлениях, как правило, 0,6 м, а теплоизоляция устанавливается в полости между каркасами. Двойная система каркасов улучшает качество тепловой стены на 20-25% по сравнению с однокаркасной  утепленной  стеной, Таблица 1.

Внешняя изоляция  удлиняет   мостик холода  в стене. Эффект зависит от теплофизических свойств изоляции. Внешняя изоляция очень выгодна  с точки зрения  влаги, когда нагревается каркас , то  в свою очередь, снижается  риск  появления влаги в каркасе.

Перфорированный  профиль  в легких металлоконструкциях  дает два преимущества . В связи с перфорацией, термические свойства структуры улучшились. Это, в свою очередь, дает  возможность  использовать структуру однокаркасной  стены . Легкие  стальные металлические каркасы из  перфорированного профиля  называют термопрофилем , см. рис 2 и 3. П-образный термопрофиль используются в сборных фасадах  высотного здания. Несущие стены отдельно и малоэтажные  дома построены  из вертикальных С-образных термопрофилей. Толщина материала профиля, как правило, 1,0-1,5 мм.

Влияние перфорации или прорезей в термопрофиле  может  быть учтено  путем сравнения с  относительной  теплопроводностью  неперфорированного  материала. Передачу  тепла в профиле можно считать чистой теплопроводностью. Относительная теплопроводность может быть определена путем сравнения проводимости в  перфорированном профиле    и в неперфорированном профиле .Теплопроводность зависит от  формы  и размера перфорации , размера  шага  перфорации  и теплопроводности  материала в перфорации , см. рисунок 4.

Удлинение  мостов холода  оказывает значительное влияние на снижение теплопроводности в термопрофиле  из  твердой стали (рис. 5).Перфорация выступает  в качестве температурной паузы  для стального элемента, снижая  теплопроводность  по профилю  на 70-80%,( рис. 6) . По данным исследований, проведенных в Финляндии и Швеции / 1, 8, 9 /,  эквивалентная  теплопроводность  термопрофиля может быть 5-10 W/m2K.

 

 

 

гипсокартон 13 мм

• пленка  пароизоляции 0,2 мм

■ Изоляция 175 мм

+ Вертикальный стальной каркас

— гипсокартон- ветроизоляция  9 мм

• вентилируемая  полость

■ фасад

 

 

 

гипсокартон 13 мм

• пленка  пароизоляции 0,2 мм

• изоляция 175 мм

+ Вертикальный стальной каркас  125 мм + горизонтальный стальной каркас  50 мм

— Гипсокартон – ветроизоляция 9 мм

— Вентилируемая  полость

■ фасад

Рисунок 1. Одно- и двухкаркасная стеновая структура — внешняя стена дома  в Финляндии.

Таблица 1. Относительное Тепловое  сопротивление  изолированной металлокаркасной  стены по сравнению с одномерным сопротивлением  теплоизоляции соответствующей толщины. Все теплоизоляционные материалы- минвата , теплопроводность 0,037 W / мК.

Стеновая структура Относительное Тепловое  сопротивление  (%)
Изоляция минватой 175 мм 100
Однокаркасная стена (рисунок 1)Вертикальный каркас С 175-50-1,2 45
Двойной каркасВертикальный каркас  С 175-50-1,2Горизонтальный каркас Z 50-50-1.0 65
Однокаркасная стена+внешняя изоляция  125+50ммВертикальный каркас С 125-50-1,2 75
Однокаркасная стена, термопрофильВертикальный каркас  С 175-50-1,2 80

 

 

Рисунок 2. Варианты термопрофиля. Эти два варианта термопрофиля  были разработаны для испытаний.

Рисунок 3.Варианты перфорированного термопрофиля. Относительная  теплопроводность предусматривает , что перфорация  заполнена  изоляционным материалом. Относительная  теплопроводность зависит от свойств теплоизоляции, размеров  перфорации  и размеров шага перфорации.

Рисунок 4.Влияние теплоизоляции на относительную  теплопроводность обычного  финского  термопрофиля .

Рисунок 5. Теплопроводность различных строительных материалов, используемых в несущих конструкциях. Относительная  теплопроводность для термопрофиля.

Рисунок 6. Расчетные значения теплопередачи для стального  и деревянного  каркасов стен .Тепловой выигрыш  перфорации в стальном варианте  однокаркасной структуры   на  40-50% зависит  от  толщины изоляции стен.

                2.2 Сравнение тепловых инструментов анализа

Стальные конструкции, как правило, 3-мерной структуры. Термический анализ этих структур является сложным, так как требуется  численные методы для 3-мерных расчетов. Тем не менее, однокаркасные структуры   могут быть проанализированы с помощью 2-мерных расчетов даже в том случае, когда стальной  профиль перфорирован , используя относительную  теплопроводность в качестве  физических свойств  стали.

Для увеличения точности расчетных методов  , была выполнена  серия лабораторных испытаний в  откалиброванном герметичном  горячем  коробе  в соответствии со стандартом   ISO 8990 /3 / . Более того,  была протестирована пригодность метода теплового потока в соответствии со стандартом  DIN 52 611  для измерений теплопередачи . Результаты показывают, что было достигнуто  соответствие  между рассчитанными и измеренными по стандарту  (ISO 8990) результатами. Таблица 2. Хотя лишь несколько  сооружений  были протестированы, метод теплового потока в соответствии с DIN 52611 показывает  высокие значения по сравнению с другими методами анализа.

Таблица 2. Сравнение инструментов  термического анализа теплопередачи  (U-значение) легких стальных  конструкций стен. Диапазон измерений  в соответствии со стандартом  ISO 8990 и DIN 52611 ,  результаты в виде  2 — и 3 –мерные  модели.

Тип стены Состав слоя  стены Коэффициент  ( Вт/(кв.м * °С);
1

 

1. Гипсокартон 13 мм полиэтиленовая  пленка пароизоляцииСтальная рама а) TC 175-50-1,2 мм или б) C  175-50-1,2 ммизоляция минеральной ватой гипсокартон –ветроизоляция — 9 мм а) ISO 8990: 0,2633-D моделирование: 0,2572-D моделирование: 0,257 *б) 3-D моделирования: 0,4352-D моделирования: 0,435Относительная  теплопроводность 7,3  Вт/кв.м * °С
2,  3

 

 

 

2.  Гипсокартон 13 мм полиэтиленовая  пленка пароизоляцииСтальная рама а) TC 175-50-1,2 ммизоляция минеральной ватой гипсокартон –ветроизоляция — 9 ммветростойкая жесткая минвата 45 мм3.  Гипсокартон 13 мм полиэтиленовая  пленка пароизоляцииСтальная рама  TU 150-50-1,0 ммизоляция минеральной ватойгипсокартон –ветроизоляция — 9 мм 2. ISO 8990: 0,1883-D моделирование: 0,1902-D моделирование: 0, 190Относительная  теплопроводность 7,3  Вт/кв.м * °С 

3. ISO 8990: 0,300

DIN 52611: 0.350

3-D моделирование: 0,292

2-D моделирование: 0, 290

Относительная  теплопроводность 5,5  Вт/кв.м * °С

4.

 

 

 

 

4..  Гипсокартон 13 мм полиэтиленовая  пленка пароизоляцииСтальная рама  U 150-50-1,0 ммизоляция минеральной ватойгипсокартон –ветроизоляция — 9 мм 4. ISO 8990: -DIN 52611: 0.3753-D моделирование: 0,3402-D моделирование: 0, 340
5.Гипсокартон 13 мм полиэтиленовая  пленка пароизоляцииСтальная рама  U 50-50-1,0 ммизоляция минеральной ватойСтальная рама  U 125-50-1,0 ммизоляция минеральной ватойа) воздушная щель  +фасад с отделкойб) без фасада 5.  а) ISO 8990:0,2813-D моделирование: 0,282Б) DIN 52611: 0.3453-D моделирование: 0, 321
Гипсокартон 13 мм полиэтиленовая  пленка пароизоляцииСтальная рама  U 150-50-2,0 ммизоляция минеральной ватойСтальная рама  U 100-50-1,0 ммизоляция минеральной ватойгипсокартон –ветроизоляция — 9 мм 6 . ISO 8990: -DIN 52611: 0.2253-D моделирование: 0,2142-D моделирование: 0,210Относительная теплопроводность – 16  Вт/кв.м * °С

ТС –С образный  перфорированный термопрофиль, TU-U,  т.е. п-образный перфорированный стальной профиль, U-U т.е. п-образный стальной профиль.

                       2.3 герметичность зданий из металлоконструкций

Герметичность металлических зданий была  протестирована   в 4 случаях. В таблице 3 представлены результаты измерений этих испытаний  и справочная  информация по  типичным финским домам.

Таблица 3.  Герметичность металлических зданий и типичных финских домов.

Тип здания Утечка воздуха скоростью 50 Па,  изменения воздуха в час
 Сборные стальные дома  (таунхаусы)  1,9-2,5
Щитовые дома (рядные)-металлокаркас 3
Щитовые коттеджи  –деревянный каркас 3-4
Сборные деревянные коттеджи 2-4
Сборные деревянные таунхаусы 3-5
Массивные бревенчатые дома 7-15
Бетонные дома 1-4
Энергосберегающие коттеджи 0,8-2

Места утечки воздуха в стальных домах были найдены  с использованием инфракрасной камеры. Недостаточное уплотнение  воздухо- и  паро- изоляционного слоя  вызвало большую утечку воздуха. Эти дефекты были обнаружены  во всех зданиях.

2.4 Распределение температуры в стенах из легких стальных конструкций

Распределения температуры в однокаркасной  конструкции  были измерены как в серии  лабораторных  испытаний, так  и в самих  строительных конструкциях металлических  жилых домов в Йолжарви. Температура на внутренней поверхности стены достаточно высока, чтобы предотвратить блики ,  конденсация на поверхности  или даже относительная влажность воздуха достаточно высока, чтобы увеличить риск образования плесени на поверхности стены, рисунки 7 и 8. Температура на внутренней поверхности стены на верхней части рамы  на 1-2 ° C ниже температуры между рамами.

Температура внешней  части  стального каркаса зависит от теплофизических свойств  стены  снаружи, рисунок 9. Внешняя часть  профиля значительно теплее, чем температура наружного воздуха  за счет  теплопроводности внутри   по ребру  стальных профилей. Несмотря на то, перфорация в термопрофиле уменьшает  теплопроводность вдоль рамы, остаточная проводимость увеличивает температуру  на внешней части рамы, что позволяет снизить риск конденсации и увеличения осуши в случае конденсации. Использование внешней гидроизоляции   энергосберегающих  стен еще больше повышает производительность  стены с точки зрения влагоизоляции и сохранения тепла .

Рисунок 7. Инфракрасное изображение металлической стены.

Рисунок 8. Температура на поверхности легкой стальной стены  в соответствии с лабораторным погодным

тестом.

Рисунок 9.Влияние тепловых свойств ветроустойчивости  (см. Рисунок 1) на  температуру  внешней части каркаса.

3. Прочность легких стальных конструкций

 3.1 Колебания влажности в металло-каркасной стене

Коррозия металла зависит от микроклимата на поверхности каркаса . Непрерывность  коррозии возможна , если относительная влажность воздуха на поверхности металла превышает 80%, в то время, как температура выше 0 ° С (ISO 9223).

На рисунке 10 показаны среднемесячные значения максимальной относительной влажности в  восьми точках измерения на внешнем  слое  металлического профиля,   измеренных в металлических  домах Йолжарви. Результаты показывают, что относительная влажность воздуха в стене 1 превысила 80%, но не появилась  конденсация. Влажность  в стене 2 не превышает 90%.

 

Рисунок 10. Ежемесячная максимальная относительная влажность в наружных стенах из Y, здания стали. Измерения на внешний фланец стали членами.

  3.2 Риски коррозии материалов, находящихся в непосредственном  контакте с легким металлом.

Риск коррозии , созданный  другими строительными материалами, находящимися  в контакте с металлом  изучается в текущих долгосрочных лабораторных испытаниях. Изолированные стальные рамы были помещены   в разные климатические условия, чтобы увидеть влияние  материала  и влажности воздуха на коррозию.  Материалы, которые были изучены:

• целлюлозное волокно

• стекло вата

• минвата

• обработанная  древесина.

Лабораторные тесты  продолжались  около 4 лет (35000 часов  влажности). Условия испытаний приведены на рисунке 11.Результаты показывают, что изоляция целлюлозой и пропитанной древесиной  способствует коррозии цинка в условиях повышенной влажности, но ни одного продукта  коррозии  металла не  было обнаружено  ни в одном из образцов (рис. 12). Нет  никаких признаков коррозии цинка на  образцах, изолированных  минватой.  В случае  непрерывной конденсации  поверхностная  коррозия стали была найдена во всех образцах. Огнезащитные химические вещества  (бура и борная  кислота –составляющие  изоляционного  целлюлозного волокна) были активны   . Химические вещества  повторно кристаллизуются на поверхности металла , в результате чего усиливается  коррозия поверхности металла  в образцах с изоляцией   целлюлозным   волокном  , которые были сравнены  с другими образцами.

 

 

Рисунок 11. Влияние климата на коррозию . Нормальные  комнатные  условия  используются как эталон  (сверху). Испытания проводились во влажном воздухе (в  середине )  и в условиях, когда конденсация непрерывна  (внизу).

a)       стекловата- нет коррозии

b)     Минвата- нет коррозии

c)      Целлюлозное волокно- коррозия цинка

d)     Пропитанная древесина- коррозия цинка и металла

Рисунок 12. Долгосрочные  испытания на коррозию  стальных  частей  в контакте с другими материалами. Условия испытаний +23 ° С и относительная  влажность-  85%. Время тестирования -35 000 часов

3.3  Термовлажностные  испытания

Влажность также была измерена  на двух типах стен , изображенных на рисунке 13, используя 2-х мерные   программы  измерения  тепла, воздуха и влаги  LATENITE :

• Вариант А: стена показана на рисунке 6 слева без наружной  изоляции

• Вариант B: стена показана на рисунке 6 справа, как вариант А, только с  дополнительным  слоем  внешней изоляции 50 мм, жесткая непродуваемая   минвата .

Климат  Хельсинки, Финляндия и Санкт-Юбер , Бельгия был  использован  в качестве отправной точки. Стены были ориентированы на Север , что  считается худшим  вариантом с точки зрения  термовлажностной производительности  из-за низкого поглощения солнечного тепла.  Проливной  дождь не был  принят во внимание при испытаниях  стен.  Была рассмотрена  стена с отделкой   с хорошей вентилируемой  полостью  за оболочкой отделки. Начальные условия  были +20 ° C и при относительной влажности 50%. Внутренние условия воздуха  были:

• температура +22 ° С или  температура наружного воздуха- если  выше, чем  +22 ° C

• влажность воздуха  в помещении влажность- Xin была равна влажности  наружного воздуха

Xout + 3 г / кг, но не более чем,  30% <относительная влажность <80%.

Расчеты проводились в течение двух лет, начиная с 1 сентября.

Накопленное  время влажности за  два года в разных частях структуры стены показаны на рисунках 14 и 15 (стены  без наружной теплоизоляции ) и на рисунках 16 и 17 (стены с наружной теплоизоляцией). Результаты действительны при условии, что: 1)  пароизоляция  на  теплой  стороне  стены работает  по назначению, 2) нет высокой начальной влажности в стене и 3) стены  дома были разработаны и построены так, чтобы избежать протечки  влаги внутрь  стены  (например, при  ветре  и дожде).

 

Рисунок 13. Иллюстрация  конструкции  легкого  перфорированного  профиля  без наружной теплоизоляции ( слева)  и с наружной теплоизоляцией ( справа).

 

Результаты показывают, что прочность стен зависит ,главным образом , от  климата и изоляционных   свойств  отделки внешней стороны  профиля. Влагопроницаемость  гипсокартона  довольно низкая, но при  воздействии  открытым воздухом , он высыхает довольно медленно. Это явление увеличивает время влажности на наружной поверхности внешнего слоя  профиля.

 Рисунок 14.  Контурный  Участок накопленного  времени  влажности  в  стене  металлокаркаса без  внешней изоляции. Внешние условия: данные погоды в  Хельсинки . Длительность  измеряемого периода- 2 года (104 недели ). Стрелка показывает расположение самого высокого значения контура

Расстояние от наружной поверхности, м   Санкт-Юбер.

 

 Рисунок 15. Контурный  участок накопленного  времени  влажности в  стене  металлокаркаса без внешней отделки . Внешние условия:  погодные данные Санкт-Юбер . Длительность  измеряемого периода- 2 года (104 недели ).

Рисунок 16. Контурный  участок накопленной  влажности в  стене  металлокаркаса с 50 мм  внешней отделкой  . Внешние условия:  погодные данные Хельсинки. Длительность  измеряемого периода- 2 года (104 недели ).

Рисунок 17 . Контурный  участок накопленной  влажности в  стене  металлокаркаса с  50 мм  внешней отделкой  . Внешние условия:  погодные данные Санкт- Юбер. Длительность  измеряемого периода- 2 года (104 недели ).

4. Резюме.

Вне зависимости от материалов, из которых произведены конструкции , они образуют  мостики холода  различных температур во всем  теплоизоляционном слое. Теплопроводность  металла высока. Стальная рама в легких металлоконструкциях   оказывает существенное влияние на тепловые характеристики структуры. Разработка  тепловых инструментов оценки помогло  быстрому  развитию  хорошо изолированых легких металлоконструкций ,  оснащенных перфорацией , позволяющей увеличить мостики холода в структуре. В связи с перфорацией, термические свойства структуры улучшилось. Проведенный анализ показывает, что применение новых перфорированных каркасов  отвечает требованиям, предъявляемым к производительности и надежности в холодном климате Финляндии.

Если конструкции корректно  спроектированы и построены, нет больших рисков  влаги и коррозии. Долгосрочный  лабораторный тест  и полевые исследования  предполагают, что стальная рама изолированная  минватой имеет очень хорошую устойчивость к коррозии и, таким образом, длительный срок службы.

Производительность  металлокаркаса   зависит от производительности различных слоев материала  как структуры в целом. Соединение  гипсокартона и  стальной рамы  может уменьшить коррозионную стойкость цинкового слоя  медленным  изменением  влажности в связи с  теромвлажностными  свойствами  гипсокартона с картонной  поверхностью. В  условиях повышенной влажности  изоляция  целлюлозным  волокном  и пропитанной   древесиной  увеличивают  скорость коррозии цинка. Тем не менее, правильное проектирование и  правильный монтаж  помогут избежать риска коррозии.

В соответствии с результатами расчетов и полевых  измерений  в домах Йолжарви , свойства паро- и ветроизоляции  фасада оказывают существенное влияние на общую производительность металлокаркаса. За счет увеличения термического сопротивления материала, устойчивого к ветру,  риск коррозии из-за внешних или внутренних проникновений  влаги может быть полностью исключен. Водонепроницаемость  и ветрозащитные функции  системы наружной теплоизоляции увеличивают  потенциал влагоустойчивости всей  структуры.

Срок службы конструкции  можно оценить, используя стандарт  ISO 9223 Коррозии  металлов. Коррозии зависят от количества  влажных часов. С учетом всех результатов  различных научно-исследовательских проектов, время влажных  часов в самом критическом  месте конструкции —  между 0 и 2600 в Хельсинки  и 0-6100 в климате Св. Юбера  в зависимости от состава конструкции . Классификация коррозии слоя  цинка  C1  и C2 ( по стандарту ISO 9223), где срок службы цинкового слоя, от 40 лет до более чем 100 лет. В классе C1 , линейная скорость коррозии цинка составляет менее 0,05 мм, а в классе С2, менее 0,5 мм в  год. Если учитывать тепловой и термовлажностной  эффект облицовки фасадов ,  то можно уменьшенное  количество  влажных  часов может быть предусмотрено , и, таким образом , будет  продлен  срок службы цинкового слоя.

 

Subscribe

г.Мурманск, ул. Туристов, д.45, офис 2 тел. (8-815-2)-42-09-07 ctc2010@list.ru