Технические основы проектирования монтажных швов современных окон из ПВХ

Под монтажным швом понимается участок наружной оболочки здания в месте соединения окна со стеной, представляющий собой систему изоляции и крепёжных элементов, предназначенных для обеспечения защиты помещения от воздействий окружающей среды и передачи нагрузок с окна на стену.
Конструкция монтажного шва должна удовлетворять определённым требованиям, устанавливаемым исходя из природы воздействий, приходящихся на систему окно-шов-стена (рис.1). Силовые воздействия, прежде всего, ветер и эксплуатационные воздействия, вызывающие внутренние напряжения и деформации в конструкции окна, должны передаваться на более жёсткую часть ограждающей оболочки здания -- стену -- при помощи системы крепёжных средств.
Несиловые воздействия на монтажный шов должны быть нейтрализованы при помощи системы изоляции, запроектированной с учётом теплофизического и акустического режима в месте соединения окно-стена.
Классификация воздействий и соответствующие требования к монтажным швам приведены в табл.1.

1. Температурный режим в узле примыкания окна к наружной стене

Термическое сопротивление стены в 3-4 раза больше термического сопротивления окна, которое в данном случае является ничем иным как "тепловым мостом". Под "тепловым мостом" подразумевается участок, характеризующийся повышенными теплопотерями, обусловленными геометрией элементов, различием материалов элементов и, как правило, понижением температуры ограждающей поверхности в помещении. Таким образом, в местах устройства световых проёмов происходит ослабление общего термического сопротивления наружной оболочки здания, при этом в местах сопряжения окна со стеной формируются характерные температурные поля.
На протяжённом участке наружной стены, геометрически не изменяемой, изотермы (изотерма -- линия, соединяющая точки с одинаковой температурой) расположены параллельно поверхности, а тепловой поток направлен перпендикулярно изотермам изнутри помещения наружу (рис. 2). В зависимости от применяемого материала в конструкции стены изменяется ход изотерм, показывающих температуру в толще стены.
Рассмотрим подробнее узел примыкания рамы к наружной стене (рис. 2б). Расчёт производился по программе "ТЕМП-1", разработанной на кафедре Архитектуры МГСУ. Граничные климатические условия следующие: температура снаружи -26°С; температура в помещении +20°С; относительная влажность воздуха 50%.

Таблица 1. Перечень воздействий с указанием требований к монтажным швам. Воздействия Со стороны улицы Силовые

Воздействия			Требования
Со стороны улицы	Силовые	Ветер	Жесткость конструкции, непроницаемость изоляции
	Несиловые	Температура	Теплоизоляция
		Атмосферные осадки	Ливневая стойкость
		Шум	Звукоизоляция
		Солнечная радиация	Стойкость к УФ излучению
		Водорастворимые примеси	Химическая стойкость
		Абразивные вещества	Абразивная стойкость
Со стороны помещения	Силовые эксплуатационные	Статические	Жесткость конструкции, передача усилий на несущие элементы стен без разрушения изоляции
		Динамические
	Несиловые	Влажность	Пароизоляция
		Температура	Теплотизоляция
Со стороны строительного сооружения	Силовые	Перемещения стенной конструкции	Обеспечение допуска на перемещение
	Несиловые	Влажность	Отвод парообразной влаги наружу
Со стороны конструкции окна	Силовые	Изменение геометрических размеров окна	Обеспечение свободного перемещения окна в своей плоскости
		Усилие от собственного веса	Передача усилий на несущие элементы стены

По мере приближения к окну параллельные изотермы изгибаются в сторону наружной поверхности и переходят в плоскость монтажного шва и рамы. При этом не все изотермы попадают в "тело" ограждающей конструкции. Отметим, что изотерма 10°С прерывает свой ход и часть откоса и коробки окна оказывается в зоне точки росы, что в свою очередь приводит к выпадению в этом месте обильного конденсата по всему периметру окна. На это одновременно влияют два негативных фактора. С одной стороны, резко падает непосредственно термическое сопротивление ограждения, с другой -- появляются дополнительные потери тепла через откос, обусловленные различием геометрии стены и окна. Фактически стена в зоне монтажного шва уменьшается в толщине, сопротивление теплопередаче падает, и происходит локальное промерзание откоса.
Решается эта проблема двумя способами. В первом случае (рис. 3а) окно смещается в зону положительных температур за счёт применения широкой коробки.
Таким образом, сопротивление теплопередаче стены в области откоса будет достаточным для невозможности образования конденсата. Во втором случае в тело стены помещается эффективный теплоизоляционный материал с низким коэффициентом теплопроводности (экструдированный пенополистерол, ПСБ-С), который препятствует интенсивному оттоку тепла через откос оконного проема по минимально возможному пути. Достоинством варианта а) является его технологичность за счёт применения готовой оконной конструкции. В варианте б) сохраняется традиционное расположение окна сразу за четвертью при неизменных габаритах внутренней оконной ниши. Таким образом, при помощи расчёта изотерм можно определить распределение температур в любом узле сопряжения и проанализировать возможные проблемы. Также схемы распределения изотерм позволяют провести оценку в случае возникновения повреждений. Важнейшей изотермой, позволяющей произвести оценку узла соединения строительных конструкций, является изотерма 10°С. Для предотвращения образования конденсата на поверхности откоса и переплёта окна внутри помещения при нормативных значениях температурно-влажностного режима, эта изотерма должна проходить внутри конструкции. Известно, что при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 50% температура точки росы составляет 9,3°С. Если воздух с температурой 20°С и влажностью 50% охлаждается до 9,3°С, то его относительная влажность увеличивается до 100%, т.е. воздух температурой 9,3°С насыщен водой до предела. Если поверхность окна (стены) будет продолжать охлаждаться, а также и граничащий с ней воздух, то начнется образование конденсата на окне (стене), поскольку воздух больше не в состоянии удерживать воду.
Оптимальной плоскостью установки окна в однослойной конструкции стены из материала, удовлетворяющего современным нормам теплотехники (ячеистый пенобетон, газобетон и т.д.), является середина откоса. Такое расположение гарантирует невозможность образования конденсата, т.к. теплопотери через поверхность откоса будут минимальны (рис. 4а).
В трёхслойной изолирующей конструкции (рис. 4б) окно устанавливается в зоне теплоизоляции. Высокие теплоизолирующие свойства утеплителя препятствуют теплопотерям через откос, при этом температура внутренней поверхности откоса остаётся выше точки росы.
В системах наружных стен с так называемым структурным утеплением фасада окно располагается непосредственно за утеплителем в плоскости несущей стены (рис. 4в).

2. Крепление оконных блоков в стенах

Наибольшую сложность при решении вопроса о закреплении оконного блока представляют окна из ПВХ. Высокий коэффициент температурного расширения ПВХ в сочетании с малой общей жёсткостью рамы за счёт отсутствия соединения внутренних армирующих элементов обуславливают необходимость более продуманного их крепления по сравнению с окнами других систем. Как отмечалось выше, функция системы крепления заключается в передаче усилий, воспринимаемых оконной конструкцией, на конструкцию наружной стены. При этом материал крепежа и изоляционный шов должны сохранять свои эксплуатационные свойства во всём расчётном периоде времени.
Усилия деформации крепёжных элементов вызваны следующими силовыми воздействиями:

• ветровой напор;
• собственный вес окна;
• эксплуатационное воздействие в режиме открывания-закрывания окна; температурные напряжения ПВХ профиля.

Расчёт крепёжных элементов ведётся на действие сил, возникающих от ветровой нагрузки, и собственного веса створки, а также на прочие нагрузки (в том числе и от движения людей в области окна). Кроме того, крепёжные элементы должны быть запроектированы таким образом, чтобы воспринимать температурные напряжения ПВХ профиля.
1. Рассчитывается ветровая нагрузка.
2. Эксплуатационная нагрузка на крепления определяется исходя из воздействия сил при открывании-закрывании створки. Среди всех режимов открывания самым неблагоприятным, с точки зрения статической нагрузки, является поворотный режим (рис. 5). При этом на створку действует дополнительная нагрузка Р, которая равна 0.25-1.00 кН (условная нагрузка при опоре одного человека на раму в момент открывания-закрывания окна). Опорная сила, не зависящая по величине и направлению от того, насколько открыто окно, рассчитывается по формуле: F = G + Р, где G -- собственный вес створки, Р -- дополнительная нагрузка, принимаемая равной 50 кг. Общее тяговое усилие, действующее на петлевой механизм окна, рассчитывается по формуле: Z = Z_G + Z_P, где Z_G -- реакция от действия сил веса створки G, Z_P -- реакция от действия дополнительной нагрузки Р.
3. Если остекление начинается непосредственно от пола или в месте интенсивного движения людей, то необходимо предусмотреть возможные нагрузки, действующие на окно. Возможные нагрузки в данном случаи понимаются как случайные воздействия, связанные с теснотой помещения и узостью прохода. Условно можно принять горизонтально распределённую нагрузку в пределах 0,5-1,0 kH/м, действующую на стекло или ригель на расстоянии 1 м от поверхности пола.
4. При монтаже окон с защитными функциями необходимо учитывать нагрузки не только от собственного веса конструкции, но и от возможных воздействий, направленных на разрушение окна. К таким конструкциям, например, относятся стеклопакеты с тяжёлыми ламинированными стеклами -- триплексом. При установке на окно дополнительных элементов, таких как жалюзи, ставни и рольставни, нагрузки от них должны также учитываться при проектировании крепления.
Вся совокупность нагрузок и воздействий образует силы, действующие на окно. Эти силы должны отводиться с окна, как более слабого элемента, на стену, как более жёсткого элемента в системе окностена. Крепёжные элементы, воспринимающие эти силы, должны удовлетворять требованиям прочности и жёсткости.
Исходными данными на проектирование крепёжных элементов являются:

• жёсткость рамы (устойчивость рамного профиля к изгибу). Характеризуется моментом инерции J стального армирующего элемента; положение и число точек крепления;
• коэффициент теплового расширения материалов рамы;
• податливость точки крепления.

Передача нагрузки

При проектировании крепления необходимо различать нагрузки, действующие в плоскости окна (собственный вес окна, вес открытой створки с дополнительной нагрузкой Р при малых углах открывания 0-45°, вес человека для балконных дверей) и из плоскости окна (сила ветра, вес открытой створки с дополнительной нагрузкой Р при больших углах открывания 45-90°, нагрузки от интенсивного движения людей в области окна), а также учитывать деформации, обусловленные термическим расширением профиля.
Для восприятия и передачи усилий сжатия, действующих в плоскости окна, применяются несущие и дистанционные подкладки.
Несущие подкладки воспринимают и передают усилие сжатия от собственного веса окна на конструкцию здания. Они ставятся по углам рамы под вертикальные элементы и под импосты для наилучшей передачи нагрузки. В подъёмно-раздвижной конструкции окна и дверей кроме этого устанавливаются дополнительные подкладки для восприятия сил, образованных давлением ролика на направляющую, установленную по нижнему профилю рамы. В балконных дверях с поворотной фурнитурой несущие подкладки необходимо также расположить в середине нижнего профиля для восприятия сил, образованных весом одного человека при опоре ногой на профиль рамы. Передача нагрузки от собственного веса с помощью несущих подкладок возможна только в конструкциях стен, где профиль рамы непосредственно прилегает к несущей части стены (однослойная, двухслойная системы). В многослойных системах, в частности, в трёхслойной конструкции, где окно находится в зоне утеплителя, нагрузка должна передаваться посредством металлических консолей (подставочная пластина), имеющих достаточную прочность на изгиб (рис. 6). Анкеры, закрепляющие пластину, должны рассчитываться на действие выдёргивающих сил, равных полному весу окна.
Для восприятия сил, образованных от веса открытой створки и дополнительной нагрузки Р при малых углах открывания, применяются так называемые дистанционные подкладки. Подкладки "работают" на сжатие и устанавливаются в зависимости от направления реакций сил. При этом они не должны располагаться в одном уровне по горизонтали, если в этой же плоскости находится горизонтальный элемент рамы, т.к. такая постановка будет препятствовать тепловому расширению рамы окна (рис.7). Причём в балконной двери расположение подкладок в одном уровне возможно за счёт отсутствия ригеля рамы и оправдано повышением жёсткости конструкции.
Габариты подкладок определяются таким образом, чтобы в дальнейшем выполнить мероприятия по изоляции шва. Плоскость изоляции при этом не должна прерываться по всему периметру оконного примыкания. Материал для изготовления подкладок должен обеспечивать стабильную форму, которая не будет меняться в процессе эксплуатации, и обладать незначительной теплопроводностью. Обычно применяется антисептированная древесина в воздушносухом состоянии, реже -- ПВХ.
Примеры технологии устройства подкладок приведены на рисунке 8. При этом хотелось бы отметить, что клиновидное формирование более технологично и надёжно, чем многослойное, за счет более плотной подгонки. Для передачи усилий, образованных от силовых воздействий, направленных из плоскости окна, применяются крепёжные средства, такие как рамный дюбель, монтажная пластина, строительный шуруп. Окно из ПВХ крепится по периметру (рис. 9) через определённые расстояния, которые, прежде всего, определяются жёсткостью рамы, а также оптимальностью статических характеристик самого крепёжного элемента.
Критериями выбора крепёжных средств являются:

• конструкция стены;
• технология отделки откосов;
• материал рамы;
• воспринимаемая нагрузка.

Рамный дюбель

Область применения рамного дюбеля - примыкание оконной конструкции непосредственно к несущей части стены (рис. 10) по бокам и вверху проёма. Если они применяются в нижней горизонтальной части рамы, необходимо произвести мероприятия по герметизации отверстий в рамном профиле за счёт уплотнения герметиком или ПВХ клеем, т.к. в противном случае возможно попадание влаги внутрь профиля и далее в конструкцию стены.
При минимальных расстояниях между рамой и стеной дюбель преимущественно работает на срез, а при максимальных -- на изгиб (рис. 11). Причём чем больше толщина монтажного шва, тем меньше несущая способность дюбеля в конструкции. Поэтому применение рамного дюбеля, самого по себе мощного крепёжного средства, оптимально при малой толщине монтажного шва.

Во время работы дюбель не должен воспринимать выдёргивающие усилия, которые могут возникнуть при термических деформациях профиля рамы. Поэтому при монтаже окна не допускается излишняя затяжка дюбелей, особенно в летний период года. В противном случае при охлаждении ПВХ профиля зимой произойдёт разуплотнение оконной конструкции за счёт удерживания рамы дюбелями. Чтобы этого не происходило и чтобы профиль рамы имел возможность свободно перемещаться в плоскости окна, рекомендуется оставлять зазор f = 3-5 мм между головкой дюбеля и поверхностью армирующего элемента рамы. Особенно это актуально при монтаже окон большой ширины.
Изгиб можно считать расчётной схемой работы дюбеля (в стеснённых условиях). Сила F -- расчётная сила, собранная с грузовой площади окна на рабочем участке дюбеля. Изгибающий момент рассчитывается по формуле: М = F_расч (e + d), . где
F -- расчётная нагрузка,
e -- расстояние от точки приложения нагрузки до края стены,
d -- диаметр дюбеля.
Дюбель предназначен для бетона, кладки из кирпича полнотелого керамического, силикатного, а также из пустотного при условии анкеровки в растворные швы; пеноблок; газобетон; естественный камень.
Номенклатура рамных дюбелей ограничивается диаметрами 8 и 10 мм. Несущей способности, как правило, хватает для остекления типовых оконных проёмов при расстояниях между крепёжными элементами, показанных на рисунке 9. Для конструкции ленточного остекления и крепления необходимо произвести статический расчёт, поскольку геометрические размеры остекления отличаются от геометрических размеров обычно используемых конструкций. Это относится к элементам, площадь которых более либо равна 9 м² и наименьшая длина боковой стороны более либо равна 2 м.
По виду материала оболочки дюбели бывают металлические и пластмассовые. Основное отличие -- в глубине анкеровки, которая для металлического дюбеля составляет 30 мм независимо от диаметра, а для пластмассового 40 мм -- 8 мм, 50 мм -- 10 мм.
По способу примыкания головки дюбеля к профилю рамы различают скрытое и открытое примыкание в зависимости от формы армирующего элемента (рис. 12). При скрытом примыкании без труда можно выдержать температурный зазор между головкой и арматурой. Высверленное отверстие в стенке профиля после установки окна закрывается специальным колпачком на клею, который практически не выступает над поверхностью и создает эстетичный вид смонтированного окна.
При открытом примыкании нужна более точная установка дюбеля без существенных перекосов с выдержанным температурным зазором. На головку дюбеля также монтируется колпачок. Допустимые нагрузки на дюбель даны в технической документации производителя. Кроме этого, необходимо придерживаться рекомендованных изготовителем расстояний от края и между осями дюбелей с учётом строительного материала, т.к. в процессе крепления в зоне анкеровки образовывается сложное напряжённо-деформированное состояние.

Глушков Д.А.

Окончание статьи читайте в N 3/2003
"ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ"