Качество и кризис: стоит ли экономить на армирующем профиле?

Многие предприятия, изготавливающие окна, не нашли другого конкурентного преимущества, кроме низкой цены. Это самый очевидный и доступный для понимания путь, особенно в нынешней ситуации кризиса. Однако, не самый лучший. Сэкономить на материалах можно только путем замены дорогих и качественных материалов дешевыми и низкого качества — удешевление возможно исключительно в ущерб качеству конечного продукта. Разговоры о том, что некий продукт, может быть «такой же, но дешевле», как минимум, не состоятельны.
Неотъемлемым элементом любого окна из ПВХ-профиля является стальной армирующий профиль. Именно поэтому, эти окна и называются металлопластиковыми. Стальной армирующий профиль придает окнам механическую прочность и позволяет противостоять изгибанию элементов окна под действием нагрузок от ветрового давления, температурного расширения и разности температур, позволяет выдерживать вес стеклопакетов и др. эксплуатационные нагрузки.
Основная задача армирующего профиля — сопротивление изгибу и скручиванию. Количественным показателем сопротивления армирующего профиля изгибу является не столько марка стали, толщина стального листа, из которого изготовлен профиль, не только конфигурация или форма профиля, а их интегральные показатели — момент инерции сечения профиля и модуль упругости материала армирующего профиля. Чем больше момент инерции сечения профиля и модуль упругости материала, из которого он изготовлен, тем выше его сопротивление изгибу.
Модуль упругости (модуль Юнга), кратко Е-модуль, является величиной, зависящей от свойств самого материала, и характеризует способность профиля сопротивляться упругой деформации. Величина модуля упругости измеряется в Паскалях (Па). В табл. 1 приведены Е-модули различных материалов, используемых при производстве окон.

Таблица 1

Материал	E, H/м^2 * l0^6
ПВХ твердый	2 700
Дерево	10 000
Алюминий	70 000
Сталь	210 000

Из-за малого значения Е-модуля ПВХ-профили должны усиливаться. В приведенной выше таблице 1 видно, что оптимальным материалом для профиля, увеличивающего жесткость, является сталь. Большая разница жесткостей ПВХ и стали является причиной того, что при рас­четах на силовые нагрузки жесткостью ПВХ пренебрегают.
Момент инерции, в отличие от модуля упругости зависит не от материала профиля, а от его геометрических размеров, формы и конфигурации поперечного сечения. Это скалярная физическая величина, характеризующая распределение масс в теле, равная сумме произведений элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества (точки, прямой или плоскости). Геометрический момент инерции, используемый в расчетах статической нагрузки, не связан с движением материала, а лишь отражает степень жесткости и взаимного расположения различных элементов конструкции. Величина момента инерции измеряется в сантиметрах в четвертой степени (см4). Значения моментов инерции армирующих профилей, рекомендованных производителем ПВХ-профиля, указываются, как правило, в предоставляемой изготовителю окон технической документации.
Солидные европейские производители ПВХ-профиля предлагают набор из нескольких видов армирующего профиля, предназначенных для использования в условиях различных ветровых нагрузок.

Как рассчитать момент инерции? Момент инерции сечения армирующего профиля можно рассчитать и самостоятельно. Сначала определяют точку пересечения координатных осей. Точкой пересечения координатных осей, при определении момента инерции, является общий геометрический центр площадей сечения профиля или центр масс сечения профиля. В замкнутых профилях прямоугольного или круг­лого сечения точка пересечения координатных осей находится в их геометрическом центре. Для определения общего геометрического центра площадей сечения профилей сложной формы необходимо условно разделить сечение на элементы, определить геометрические центры площадей каждого элемента в отдельности, а затем определить общий геометрический центр площадей сечения профиля. Площадь прямоугольных и параллелограммных элементов определяют по формуле: SЭл = Lt. Смещение геометрического центра площадей относительно габаритов элемента: hЭл = L/2; hЭл = t/2; где L — длина элемента, t — толщина стенки элемента. Площадь радиусных элементов определяют по формулам: Кольца: SЭл = п(R2 – r2); Полукольца: SЭл = п(R2 – r2)/2; Четверти кольца: SЭл = п(R2 – r2)/4; Смещение геометрического центра площадей относительно центра окружности: Полукольца: hЭл = 4(R3 – r3)/3п(R2 – r2); Четверти кольца: hЭл = 4(R3 – r3)/3пv2(R2 – r2); где R — наружный радиус кольца, r — внутренний радиус кольца. Определив общий геометрический центр площадей элементов сечения профиля, принимаем его за центр координат при определении момента инерции сечения профиля. Для определения момента инерции сечения профиля сложной формы необходимо разделить сечение на элементы простой формы, определить моменты инерции каждого элемента и сложить полученные результаты. Если элемент делится на части осью координат, момент инерции каждой части элемента рассчитывается отдельно, результаты вычислений складываются. Момент инерции прямоугольных элементов, примыкающих к оси координат под прямым углом, рассчитывается по формуле: IЭл = L3t/3; где L — длина элемента, t — толщина стенки элемента. Момент инерции параллелограммных элементов, примыкающих к оси координат под непрямым углом, рассчитывается по формуле: IЭл = Н3t/3cosa; где Н — высота элемента по отношению к оси координат, t — толщина стенки элемента, a — угол отклонения от прямого угла между элементом и осью координат. Или IЭл = Н3t/3sina; где Н — высота элемента по отношению к оси координат, t — толщина стенки элемента, a — угол между элементом и осью координат. Момент инерции прямоугольных элементов, параллельных оси координат и отстоящих от нее на расстоянии H, рассчитывается по формуле: IЭл = L((H + t)3 – H3)/3; где L — длина элемента, t — толщина стенки элемента, Н — расстояние от элемента до оси координат. Момент инерции параллелограммных элементов, находящихся под непрямым углом к оси координат и отстоящих от нее на расстоянии Н, рассчитывается по формуле: IЭл = _(2BH3 – 2Bh3 – 3Bh?(H – h)2 – 2B(H – h – t/cosa)3 – 3Bh(H – h – t/cosa)2)/6; где В — длина проекции элемента на ось координат, h — высота элемента, Н — высота элемента по отношению к оси координат, t — толщина стенки элемента, a — угол между элементом и осью координат.

Каждая конструкция из ПВХ-профиля, будь то окно, балконная дверь, балконное остекление или любое другое изделие, на этапе проектирования или конструирования должны быть рассчитаны на сопротивление ветровым нагрузкам, которым они будут подвержены в течение срока эксплуатации. Достаточность прочности профиля определяется статическим расчетом величины прогиба, вызванного ветровой нагрузкой, собственным весом элементов окна и другими нагрузками.
Максимально допустимый прогиб окон и балконных дверей под действием расчетных ветровых нагрузок, согласно ДСТУ Б В. 2. 6-15-99 «Конструкции зданий и сооружений. Окна и двери поливинилхлоридные. Общие технические условия», при длине элементов до трех метров, не должен превышать 1/200 длины прогона. Для изделий размером свыше трех метров (по индивидуальным заказам) прогиб должен быть не больше 1/300 длины прогона, причем в конструкциях, застекленных стеклопакетами, — не более 8 мм на каждый стеклопакет. Немецкие нормы более требовательны. Допустимые деформации немецких профилей определяются согласно DIN 18056 «Стены с окнами, измерения и исполнения». Согласно этим нормам, допустимая де­формация для импоста и поперечного профиля, прямоугольного к поверхности окна, не может быть более 1/300 профильной длины, 0,8 см для стеклопакета с длиной стороны более 240 см.

Рис.1. Направления основных сил, воздействующих на окно

Рис. 2. Ветровая нагрузка в зависимости от высоты здания

Расчет на ветровые нагрузки в соответствии с не­мецкими нормами DIN (на сегодняшний день эта методика является наибо­лее простой, понятной) широко применяется российскими и украинскими фирмами. Кроме того, значения ветровых нагрузок по DIN 1055 более жесткие, чем по ДБН В.1.2-2:2006. Согласно DIN 1055, ветровая нагрузка в зависимости от высоты здания подразделяется на четыре группы:
Согласно ДБН В.1.2-2:2006 «Сис­тема обеспечения надежности и безопасности строительных объектов. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования», расчет ветровых нагрузок более сложен, но позволяет более точно определить величину ветровой нагрузки с учетом специфичных условий местности, в которой расположен объект остекления.
Предельное расчетное значение ветровой нагрузки определяется по формуле:

Wm = yfmW0C;
где yfm – коэффициент надежности по предельному значению ветровой нагрузки определяется в зависимости от периода повторяемости. Для объектов массового строительства допускается средний период повторяемости принимать равным установленному сроку эксплуатации сооружения. При сроке эксплуатации равном 50 годам yfm равен единице.
W0 – характеристическое значение ветрового давления, равное средней (статистической) составляющей давления ветра на высоте 10 м, которое может быть превышено, в среднем, один раз в пятьдесят лет, определяемое в зависимости от ветрового района по карте или по приложению Е ДБН В.1.2-2:2006.
С – коэффициент, упрощенно, определяемый по формуле:

С = Ch Calt Crel Cdir Cd;
Где Ch — коэффициент высоты сооружения, учитывающий увеличение ветровой нагрузки в зависимости от высоты сооружения или его рассматриваемой части над поверхностью земли (Z), типа окружающей местности. Типы местности, окружающие здание или сооружение, определяются для каждого расчетного направления ветра в отдельности:
I — открытые поверхности морей, озер, а также плоские равнины без препятствий, подвергающиеся действию ветра на участке более 3 км;
II — сельская местность с оградами (заборами), небольшими сооружениями, домами и деревьями;
III — пригородные и промышленные зоны, протяженные лесные массивы;
IV — городские территории, на которых по крайней мере 15% поверхности заняты зданиями, имеющими среднюю высоту более 15 м.

Рис.3. Карта зонирования ветровых нагрузок в Украине

При определении типа местности сооружения для определенного расчетного направления ветра, если в рассматриваемом направлении такая местность имеется на расстоянии 30Z при полной высоте сооружения Z < 60 м или 2 км при большей высоте. В случае, если сооружение расположено на границе местностей различного типа, либо имеются сомнения относительно выбора типа местности, следует принимать тип, обеспечивающий большее значение табличного коэффициента Ch (см. табл. 2). Промежуточные значения коэффициента Ch определяют линейной интерполяцией.
Calt — коэффициент географической высоты, учитывает высоту Н (в километрах) размещения строительного объекта над уровнем моря и определяется по формуле:

Calt = 2H (H > 0,5 км);
Calt = 1 (H ? 0,5 км);
Crel — коэффициент рельефа, учитывающий микрорельеф местности вблизи площадки застройки данного строительного объекта. Коэффициент рельефа на равнине равен 1, на холме или склоне он иной. Crel следует учитывать в том случае, когда сооружение расположено на холме или склоне на расстоянии не менее чем половина длины склона от его начала или полторы высоты холма. Коэффициент рельефа определяется по формулам:

Crel = 1 при ф< 0,05;
Crel = 1 + 2Sф при 0,05 < ф < 0,3;
Crel = 1 + 0,6 при ф> 0,3;
где ф — уклон с заветренной стороны; S — коэффициент, определяемый по рисункам для склонов и холмов.
Cdir — коэффициент направления, учитывает неравномерность ветровой нагрузки и, как правило, принимается равным единице. Значение Cdir, отличное от единицы, допускается учитывать при специальном обосновании только для открытой равнинной местности и при наличии значимых статистических данных.
Cd — коэффициент динамичности, учитывает влияние пульсационной составляющей ветровой нагрузки и пространственную корреляцию ветрового давления на сооружение. Для основных типов зданий и сооружений значения Cd определяются по графикам. Указанные на рисунках ширина и диаметр приняты в сечении, перпендикулярном ветровому потоку. Значения Cd следует принимать по левой кривой соответствующего графика.

Рис. 4. Определение коэффициента S: а) для склонов; б) для холмов.
ф — уклон H/L с заветренной стороны; Lu — проекция длины подветренного склона на горизонталь; Ld — проекция длины заветренного склона на горизонталь; Н — высота холма или склона; Х — расстояние по горизонтали от сооружения до вершины; Z — расстояние по вертикали от поверхности земли до сооружения; Le — эффективная длина подветренного склона
(Le = L при 0,05 < ф < 0,3; Le = 3,3H при ф> 0,3).

Поскольку рама достаточно жестко крепится в проеме, статический расчет обычно проводят для импостов. Если по каким-либо причинам не выполняется условие по максимальному расстоянию между точками крепления 700 мм, то производится и расчет свободной длины профиля рамы, аналогично расчету импоста.
Распределение давления воздушного потока, действующего в качестве плоскостной нагрузки на окно, осуществляется через биссектрису угла в соответствии с изображениями на рисунках. При распределении нагрузок под углом 45° в квадрате образуются четыре треугольные по­верхности, а в прямоугольнике — две треугольные и две трапециевидные. Для опреде­ления размера В треугольной или трапециевидной нагрузки делится пополам самая короткая сторона. При этом нагружение рамы происходит с одной поверхности, а на им­пост или стык блоков — с обеих соприкасающихся поверхностей.
Предполагается, что рама состоит из отдельных образующих ее вертикальных и го­ризонтальных элементов, шарнирно соединенных между собой. При этом каждый от­дельный элемент, подвергающийся воздействию ветровой нагрузки, рассматривается как шарнирно опертая балка на двух опорах, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой.
Такая схема соответствует конструкции металлопластиковой окон­ной рамы (и створки), в которой не предполагается жесткой связи между ар­мирующими стальными элементами (причина — в значительном удешевлении за счет этой технологии изготовления окон). Хотя соединение профилей импостов с рамой обеспечивает некоторую жесткость заделки, для увеличения надежности при расчетах это не учитывается.
Формула для расчета необходимого момента инерции для обеспечения допустимого прогиба при заданных размерах окна и ветровой нагрузки:
Ix = wL4B(25 – 40(B/L)2 + 16(B/L)4)/1920Ef , см4;
где w — давление ветра (Н/мм2);
B — ширина эпюры нагружения (см);
L — длина профиля (см); E — Е-мо­дуль (Н/мм2);
f — максимально допустимый прогиб (см).
Таким образом, можно рассчитать требуемое значение момента инерции.
Для определения прогиба профиля заданной жесткости и длины под действием известной ветровой нагрузки пользуются следующей формулой:
f = wL4B(25 – 40(B/L)2 + 16(B/L)4)/1920EIx , см;
где w — давление ветра (Н/мм2);
B — ширина эпюры нагружения (см);
L — длина профиля (см);
E — Е-мо­дуль (Н/мм2);
Ix — момент инерции (см4).

Рис. 5. Номограммы к определению коэффициента Cd :
а) для каменных зданий и зданий с ж/б каркасом;
б) для зданий со стальным каркасом;
в) для зданий со сталебетонным каркасом

Что могут показать расчеты
К сожалению, большинство пред­при­ятий-производителей ПВХ-окон уделяют недостаточно внимания соответствию прочностных характеристик требуемым показателям. Экономя на армирующем профиле, прикрываясь антикризисными лозунгами, они снижают показатели прочности.
Сейчас крайне мало производителей окон, использующих армирующий профиль с толщиной и размерами сечения, рекомендованных производителями профиля. Для экономии на металле снижается толщина профиля, увеличиваются радиусы изгибов элементов профиля и уменьшаются габаритные размеры профиля.
Уже давно толщина металла в армирующем профиле, равная 1,2 мм, стала практически, нормой, вместо положенных 1,5 мм, что рекомендовано большинством профильщиков как минимальная толщина. А есть целый ряд изготовителей окон, применяющих армирующие профили толщиной менее 1 мм. За счет увеличения радиусов изгибов и уменьшения габаритных размеров профиля экономят на ширине штрипса (ленты-заготовки для изготовления армирующего профиля).
Можно рассчитать, к какому снижению прочности может привести подобная экономия, и где можно устанавливать окна с таким армирующим профилем, согласно требованиям по ограничению максимального прогиба. Для упрощения расчетов примем значения коэффициента географической высоты, коэффициента рельефа, коэффициента направления и коэффициента динамичности равными единице.
Возьмем, для примера, профиль одного из отечественных производителей серии «Standart», для усиления его импоста рекомендуется использовать «п»-образный армирующий стальной профиль толщиной 1,5 мм и размерами 20???33 мм. Момент инерции этого профиля составляет 1,74 см4. Обычное кухонное окно размерами 1,4???1,4 м с применением такого профиля можно без опаски устанавливать, к примеру, в центре Мариуполя, Керчи или Бердянска на высоте до 18 м. По немецким нормам, такое окно с таким армирующим профилем изготавливать запрещено, поскольку прогиб при минимальной ветровой нагрузке группы А превышает допустимый прогиб на 11%.
При использовании же в изделии «экономного» армирующего профиля, с толщиной металла 1,2 мм, увеличенных радиусах изгибов и уменьшенных «в пределах допуска» габаритных размерах, экономится около 24,4% металла. При этом теряется больше 29% прочности, и окно из такого профиля в центре того же Мариуполя уже на высоте свыше 9 м ставить нельзя, а на окраине Мариуполя — не выше 5 м.
Если же экономить с размахом и использовать профиль толщиной 0,9мм, чем грешат очень многие оконщики, то сэкономить можно до 42,7% металла. Момент инерции такого, с позволения сказать, армирующего профиля составит 0,95  см4, что на 45,2% меньше рекомендуемого. Наше окно с таким «усилителем» внутри в центре так полюбившегося нам Мариуполя можно ставить на высоте не больше 6 м, то есть не выше 2 этажа, а на окраине такое окно с таким армирующим профилем устанавливать нельзя в принципе, поскольку величина его прогиба при расчетной ветровой нагрузке превышает максимально допустимый прогиб на 21,7%.
Мариуполь был выбран для примера не случайно, а потому, что он расположен в пятом ветровом районе с максимальным расчетным ветровым давлением (600  Па), и на его примере более ярко выражается уменьшение прочности армирующего профиля с уменьшением толщины металла. Для полноты картины можно посчитать максимальную высоту, на которой можно установить это суперэкономное окно в остальных ветровых районах.

Рис. 6. К определению размера В

Итак, в IV ветровом районе, в центрах таких городов как Луцк, Ровно, Львов, Тернополь, такое окно можно ставить на высоте максимум 7 м (тот же 2 этаж), а на окраинах этих городов — устанавливать тоже нельзя, превышение максимального прогиба на 11,6%.
В III ветровом районе, в центре Житомира, Винницы, Черновцов, Хмельницкого, Ивано-Франковска, Симферополя, Одессы, Николаева, Херсона, Запорожья, Днепропетровска, Полтавы, Донецка и Луганска, — не выше 8 м (до 3 этажа не дотягивает), а в пригородах — опять ставить нельзя, хоть и немного, но превышает допустимый прогиб.
II ветровой район: в таких городах как Чернигов, Черкассы, Сумы и Кировоград облегченное окошко можно ставить на высоте до 9 м и в пригородах — до 6 м (3 и 2 этажи соответственно), а в селах, расположенных во II ветровом районе, такие окна ставить нельзя, поскольку прогиб этого окна превышает допустимый на 15,2%.
В Киеве или Ужгороде, расположенных в I ветровом районе, это окно можно ставить на высоте 12 м (4 этаж), в пригородах — 8 м (опять не выше 2 этажа), в селах — нельзя, превышение допустимого прогиба на 5,7%. Но это маленькое «кухонное» окно, размерами всего 140x140 см! А ведь есть окна гораздо больших размеров. О балконных остеклениях даже боязно думать!
Здесь была рассчитана прочность окна из профиля украинского производства. А как обстоят дела с импортными профилями? Точно так же. Сталь армирующего профиля такая же, подчиняется тем же законам физики, и прочность профиля точно так же падает с уменьшением толщины стенки профиля, увеличением радиусов изгибов и уменьшением габаритных размеров. Устойчивость к прогибу армирующего профиля, при экономии металла, уменьшается как в украинских ПВХпрофилях, так и в немецких или бельгийских. Правда, профили европейского происхождения изначально рассчитывались под более жесткие нормы и, при экономии, снижение показателей прочности начинается с более высоких уровней, но падение происходит столь же стремительно.

Мнимая экономия
Сколько можно сэкономить на армирующем профиле при изготовлении рассмотренного нами окна? Давайте посмотрим. Для изготовления окна размером 140x140 см с одним импостом и одной створкой понадобится около десяти метров армирующего профиля. Разница в стоимости погонного метра «полновесного» и «облегченного» армирующего профиля составляет не более 1,5 грн. Итого получаем 15 грн. экономии на одном окне. Вроде бы немного, но при производительности двести окон в смену получается около 3000 грн. экономии в ту же смену, что уже существенно.
В результате, довольны все. Довольны поставщики армирующего профиля, поскольку экономят от 24% до 43% металла при практически той же стоимости профиля, кроме того, на транспортных расходах можно сэкономить, поскольку в машину можно загрузить больше профиля, при том же расходе топлива, той же зарплате и тех же эксплуатационных расходах.
При изготовлении такого профиля меньше затрачивается электро­энергии и в меньшей степени изнашивается оборудование, так как металл тоньше и изгибать его легче. Довольны производители окон, поскольку на хорошем объеме производства получается хорошая экономия. Довольны даже заказчики — они приобрели новые окна хоть на пятнадцать-двадцать гривен, но дешевле.
Тот факт, что такие новые окна в 2–3 раза не дотягивают до требований по прочности, то, что они просто под действием порыва ветра могут прогнуться, и стеклопакеты в этих замечательных окнах могут лопнуть, заказчиков не беспокоит. Они, заказчики, об этом факте просто не знают. Им об этом забыли сказать. А для чего говорить? Сомнительно, что они когда-нибудь увидят армирующий профиль своего окна. А вдруг и ветра не будет. Никогда. А человек расстроится.

---

Виктор Козенко,
руководитель независимого экспертно-консультационного центра «VikVal