Термічне розширення металевих покрівель та фасадів: Розрахунок компенсаційних зазорів для українського клімату

Проєктування металевих будівельних огороджень — фальцевих покрівель, вентильованих фасадів та конструкційного облицювання — знаходиться на перетині матеріалознавства та кліматології. В Україні, де клімат змінюється від арктичних зим до субтропічної літньої спеки, управління термічним розширенням — це не просто деталь; це фундаментальна вимога для конструкційної цілісності.

Нехтування «диханням» металу призводить до катастrofічних наслідків: вигнутих панелей (oil canning), зрізаних кріплень, подовжених отворів та порушеної гідроізоляції. Цей посібник надає архітекторам, забудовникам та інженерам практичну методологію розрахунку компенсаційних зазорів та специфікації правильних систем кріплення для українського середовища.

1. Фізика руху: Чому метали деформуються

Термічне розширення — це здатність матерії змінювати об’єм у відповідь на зміну температури. Для лінійних будівельних елементів, таких як покрівельні панелі або фасадні профілі, ми зосереджуємося на лінійному термічному розширенні.

Коли металева панель нагрівається, її атоми коливаються інтенсивніше, відштовхуючи один одного. Якщо панель може вільно рухатися, вона просто стає довшою. Якщо вона обмежена — закріплена з обох кінців — вона перетворює цей потенціал розширення на механічне напруження.

1. Сталь є жорсткою. Якщо обмежена, вона генерує величезну силу, яка може зрізати гвинти або розтріскати бетон.
2. Алюміній та цинк є м’якшими, але розширюються вдвічі більше за сталь. Якщо обмежені, вони схильні до вигину, деформації або розриву в місцях кріплення.

Ієрархія матеріалів (коефіцієнт розширення)

Для розрахунку руху потрібен коефіцієнт лінійного термічного розширення (альфа) для конкретного матеріалу. Це число показує, наскільки матеріал розширюється на метр довжини при підвищенні температури на 1 градус Цельсія.

1. Сталь (оцинкована/PVDF): 0,012 мм/м/°C
2. Нержавіюча сталь (304/316): 0,017 мм/м/°C
3. Мідь: 0,017 мм/м/°C
4. Титан-цинк: 0,022 мм/м/°C
5. Алюміній: 0,024 мм/м/°C

Ключове розуміння: Алюміній та цинк розширюються приблизно вдвічі більше, ніж сталь. Монтажна система, розроблена для сталевих касет, не працюватиме для алюмінію без модифікації.

2. Визначення теплового навантаження: Український контекст

Розрахунок розширення вимагає знання різниці температур (Delta T). У будівництві це не температура повітря; це температура поверхні металу.

Ефект «чорної покрівлі»

Стандарти ДБН В.1.2-2:2006 (Навантаження та впливи) визначають розрахункові температури, але реальні температури поверхні залежать від кольору (альбедо).

1. Зимовий екстремум: У регіонах на кшталт Харкова чи Карпат температура повітря може опускатися до -25°C. Через нічне випромінювання в небо металеві поверхні можуть охолоджуватися до -30°C.
2. Літній екстремум: У Києві чи Одесі температура повітря сягає +35°C. Однак темна антрацитова (RAL 7016) або чорна покрівля поглинає сонячну радіацію, досягаючи температури поверхні +80°C.

Розрахункова дельта (Delta T)

Для безпечного розрахунку в Україні ми припускаємо найгірший сценарій (темна поверхня):

1. Мінімальна температура: -30°C
2. Максимальна температура: +80°C
3. Загальний розрахунковий діапазон (Delta T): 110°C

3. Формула розрахунку

Щоб визначити, наскільки конкретна панель розшириться, використовуйте цю формулу:

Розширення (мм) = Довжина (м) × Коефіцієнт (альфа) × Зміна температури (Delta T)

4. Інженерні рішення для термічного руху

Коли ви знаєте значення розширення, необхідно спроєктувати систему для його компенсації.

A. Стратегія фіксованої точки

Кожна панель або профіль повинні мати одну (і тільки одну) фіксовану точку. Це якір, який утримує елемент на місці проти гравітації та вітрових навантажень.

1. Центральна фіксація: Якщо ви закріпите 12-метрову панель посередині, вона розшириться на 7,2 мм вгору і 7,2 мм вниз. Це зменшує вдвічі вимогу до руху на краях.
2. Верхня фіксація: Якщо закріпити вгорі, всі 14,4 мм розширення рухаються вниз. Це поширено для вертикальних фасадних профілів.

B. Ковзаючі кляммери (фальцева покрівля)

Для покрівлі ніколи не використовуйте гвинти, які пробивають панель безпосередньо в прогон (якщо лист не дуже короткий). Використовуйте ковзаючі кляммери. Ці кляммери мають рухому лапку, яка ковзає вперед-назад при розширенні покрівлі, тоді як основа залишається прикрученою до настилу.

1. Примітка: Стандартні кляммери мають діапазон ~25 мм. Для покрівель довше 15-20 м можуть знадобитися кляммери «довгого ходу» або ступінчастий стик (компенсаційний шов) у конструкції покрівлі.

C. Отвори збільшеного діаметру (фасади)

Для прикручування плоских панелей (наприклад, композитних або профільованих) до підконструкції:

1. Діаметр отвору: Отвір у панелі має бути більшим за гвинт.
   • Формула: Діаметр отвору = Діаметр гвинта + Очікуване розширення + 2 мм запасу.
2. Шайба: Використовуйте шайби з EPDM для покриття збільшеного отвору та забезпечення водонепроникного ущільнення, яке дозволяє металу ковзати під ним.
3. Момент затягування: Не перетягуйте. Панель має «плавати».

5. Рекомендації з монтажу: Сезонне калібрування

Найпоширеніша помилка монтажу — нехтування температурою в день монтажу.

1. Літній монтаж (+30°C): Панель вже розширена. Вона переважно стискатиметься (зменшуватиметься) у майбутньому.
   • Дія: Встановлюйте ковзаючі кляммери зміщеними до «розширеного» положення, залишаючи місце для відтягування кляммера при наближенні зими.
2. Зимовий монтаж (-5°C): Панель стиснута. Вона переважно розширюватиметься (зростатиме) у майбутньому.
   • Дія: Встановлюйте кляммери зміщеними до «стиснутого» положення, залишаючи місце для просування кляммера при настанні літа.
3. Попередження щодо цинку: Титан-цинк стає крихким при низьких температурах. Ніколи не згинайте та не робіть фальці на цинку нижче +7°C, оскільки він розвине мікротріщини, що призведуть до корозії. Взимку в Україні матеріали необхідно прогрівати перед згинанням.

Ключові висновки

1. Правило 2x: Алюміній та цинк розширюються приблизно вдвічі більше за сталь. Ніколи не застосовуйте правила кріплення сталі до кольорових металів.
2. Температура поверхні має значення: Проєктуйте для температур поверхні від -30°C до +80°C, а не лише температури повітря.
3. Одна фіксована точка: Ніколи не закріплюйте панель з двох кінців. Закріпіть один раз і дозвольте решті плавати, використовуючи ковзаючі кляммери або щілинні отвори.
4. Розраховуйте: Використовуйте формулу Довжина × Альфа × 100 для швидкої оцінки загального руху в міліметрах для українського клімату.
5. Сезонне коригування: Регулюйте положення кляммерів залежно від того, чи ви монтуєте під час літньої спеки чи зимового холоду.