ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация в форме научного доклада посвящена проблемам организации и управлению серийным производством архитектурных декоративных изделий из бетонных элементов применительно к объектам промышленно-гражданского строительства, домостроения в городах и пригородах.

Бетон - один из древнейших строительных материалов. Из него построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III в. до н. э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах.

Однако использование бетона и железобетона для массового строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции.

Проф. Н.А. Белелюбский в 1891г. провел широкие испытания, результаты которых способствовали внедрению железобетонных конструкций в строительство. Проф. И.Г. Малюга в 1895 г. в своей работе «Составы и способы изготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости» обосновал основные законы прочности бетона. В 1912 г. был издан капитальный труд Н.А. Житкевича «Бетон и бетонные работы».

В начале века появляются много работ по технологии бетона и за рубежом. Из них наиболее важными были работы Р. Фере (Франция), О. Графа (Германия), И. Боломе (Швейцария), Д. Абрамса (США).

Широкое развитие получила технология бетона в СССР со времени первых крупных гидротехнических строительств - Волховстроя (1924 г.) и Днепростроя (1930 г.). Профессора Н.М. Беляев и И.П. Александрин возглавили ленинградскую научную школу по бетону.

В 30-е годы ученные московской школы бетона Б.Г. Скрамтаев, Н.А. Попов, С.А. Миронов, С.В. Шестоперов, П.М. Миклашевский и другие разработали методы зимнего бетонирования и тем самым обеспечили круглогодичное возведения бетонных и железобетонных конструкций, создали ряд новых видов бетона, разработали способы повышения долговечности бетона, основы технологии сборного железобетона.

В послевоенные годы создаются новые виды вяжущих веществ и бетонов, начинают широко применяться химические добавки, улучшающие свойства бетона, совершенствуются способы проектирования состава бетона и его технология.

Ежегодно в строительстве применяются примерно 250 млн. м³ бетона и железобетона, в том числе около 125 млн. м³ сборного железобетона. На предприятиях работает свыше 25000 технологических линий по производству сборного железобетона.

Бетон и железобетон сохраняют свою лидирующую роль в строительстве и в XXI веке. По уровню технических и экономических показателей бетон и железобетон по-прежнему остаются основными конструкционными материалами. Они занимают приоритетные места в общей структуре мирового производства строительной продукции. Ежегодное их производство в мире превышает 4 миллиарда кубометров, никакой другой продукт производственной деятельности не изготавливается в таких объемах. Железобетон, как ни один другой материал, является важным формообразующим элементом современной архитектуры. Реальные возможности достижения архитектурной выразительности сооружений из бетона еще очень слабо использованы отечественными архитекторами и проектировщиками. В результате сложилось ложное мнение о малой внешней привлекательности бетонных зданий и сооружений.

Одним из наиболее перспективных путей реализации концепции эстетичного строительства из бетона является применение архитектурного бетона с повышенными декоративными свойствами и эксплуатационными характеристиками. Технология архитектурного бетона при изготовлении декоративных фасадных элементов, скульптурных рельефов средств малой архитектуры предусматривает использование высокоподвижных литых или самоуплотняющихся бетонных смесей. При этом для повышения декоративных свойств используются, как правило, высококачественные белый и цветной пигменты, а наличие сложного рельефа поверхности и мелких деталей орнамента требует применения заполнителей с ограниченной максимальной крупностью. Важным показателем качества таких бетонов является отсутствие усадки.

В бетонах специального назначения наиболее ярко проявляются многообразные свойства бетона как композиционного материала. Здесь представлена вся палитра строительно-технических свойств: особо высокопрочные, особо высокоплотные, особо быстротвердеющие, кислото- и жаростойкие, радиоэкранирующие и радиационно-изолирующие, электропроводящие, биостойкие, морозостойкие и многие другие.

В условиях современной конкуренции потребность в придании фасаду здания индивидуального, респектабельного, эстетического и, самое главное, законченного вида постоянно растет. Именно поэтому очень востребованными на сегодняшний день являются архитектурные элементы фасадов.

Вместе с тем современное бурное развитие строительства и реконструкции уже существующих крупных объектов в городах и пригородах с использованием декоративных элементов из бетона выдвигает в виде одной из главных проблем, проблему эффективной организации и управления серийным производством архитектурных декоративных изделий с функцией защиты внешних фасадов и  внутренней отделки зданий от температурно-влажностных воздействий, одновременно придавая им архитектурную выразительность. Этим обстоятельством определяется актуальность темы диссертации в научном и практическом плане.

Цели поставленные и реализованные в ходе решения проблемы заключаются в решении задач:

• организовать индустриальное производство элементов конструкции, которые позволили получать элементы оформления, разбить технологию производства элементов на индустриально-технологические пределы. Функцию процесса защиты фасадов и стен зданий распределить на отдельные элементы для возможности их серийного изготовления;
• использовать для изготовления элементов относительно недорогой армированный бетон;
• подобрать технологию для возможности серийного производства этих элементов;
• придать архитектурную выразительность отдельных элементов по заранее выбранному художественному облику;
• подобрать технологию и организацию выполнения строительного процесса.

Методы, использованные в исследовании опираются на системный анализ опыта сборно-монолитного домостороения в СССР, России и за рубежом, натурные эксперименты, оценку результатов внедрения рекомендаций на конкретных объектах городского домостроения.

Научная новизна включает результаты теоретически отработанных и практически апробированных положений архитектурных декоративных изделий из бетонных элементов с использованием специального вида бетона, получившего название «белого камня».

В том числе:

• 1. Впервые применены принципы индустриальных методов организации производства строительства для придания архитектурной выразительности и защиты деформированной поверхности наружных и внутренних стен зданий от температурно-влажностных воздействий.
• 2. Впервые разработаны принципы и методы организации серийного производства сложных архитектурных форм с технологией отделки поверхностей декоративных элементов.
• 3. Впервые разработаны технические решения при организации производства быстрой переналадки на изготовление элементов различной конфигурации.

Практическая значимость работы определяется:

• 1. полученной возможностью использования индустриальных методов организации производства позволяет реализовать архитектурную выразительность композиций при строительстве и реконструкции зданий.
• 2. возможностью включения несущих элементов архитектурной отделки фасадов на внешних и внутренних поверхностях здания при новом строительстве и реконструкции в состав несущих и атмосферозащитных элементов стен;
• 3. возможностью получения уникальных архитектурно выразительных композиций на существующих и вновь строящихся жилых, общественных и промышленных зданиях.

Апробация диссертационной работы проходила на научно-практических конференциях, технических советах и семинарах, организовавшихся корпорацией Трансстрой, ОАО ЦНИИС, НИИЖБ и кафедрами МИИТ и МИСИ,

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 3 научных статьи, а также автор награжден по результатам общественных форумов дипломами Госстроя РФ за производство декоративных элементов из армированного морозостойкого бетона для отделки фасадов и малых архитектурных форм (Диплом № 867 от 15 ноября 2000 года) и за освоение производства декоративных элементов из армированного бетона для отделки фасадов зданий и ландшафтной архитектуры (Диплом № 877 от 31 января 2001 г.).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ ОТ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

1.     Природно-климатические воздействия в различных регионах России

1.1  Температурно-влажностный режим

Специфика климата России, его исключительное разнообразие и изменчивость метеоусловий во многом определяются неординарностью и масштабами территории государства (рис. 1). Разница между крайними северной точкой - остров Рудольфа арктического архипелага Земля Франца-Иосифа и южной - в Дагестане составляет более 4,6 тыс. км. Поэтому велики различия в количестве поступающего солнечного излучения. Особенно заметно меняется климат с севера на юг в европейской части России, в Западной и Средней Сибири, где слабо ощущается влияние океанов и гор. В этих регионах страны арктический климат переходит в субарктический, а затем в умеренный. Границы между климатическими поясами проходят практически вдоль параллелей, поскольку главную роль играет солнечное тепло.

Рис. 1. Природно-климатические ресурсы России

В Российской Федерации отчетливо выражена зональность климата, присущая большей части территории страны. Равнины России хорошо проницаемы и «вентилируются» воздушными массами не только с Атлантики, но и из Арктики, Сибири, Средней и Центральной Азии. Воздушные потоки, поступающие на территорию России, не подчиняют себе ее климат целиком, как в Западной Европе. На огромных просторах все приходящие массы воздуха заметно меняют свойства, прежде всего под влиянием «солнечного» фактора, и поэтому зональные различия в климате проявляются гораздо ярче.

Почти все волны холода, которые регулярно прокатываются по России, приходят из Арктики. С Атлантическим океаном Россия соприкасается меньше, чем с Ледовитым и Тихим: только отдаленные внутренние моря Атлантики (Балтийское, Черное и Азовское) омывают российские берега. Сам океан находится от России на значительном расстоянии - между ним и западными областями страны лежит половина Европы. Тем не менее, западное «окно», открытое в сторону Атлантики, жизненно важно для большей части России, поскольку к берегам Европы океанское течение Гольфстрим приносит огромное количество тепла из тропиков. Атлантика смягчает климат Европы: согревает зимой и охлаждает летом.

Свыше половины территории и большинство населения России испытывают на себе влияние Атлантики. Лучше всего оно заметно в европейской части зимой. Но и в Сибири, особенно Западной, Атлантика смягчает зимние холода и летнюю жару.

Атлантический воздух в России играет еще одну важную роль: он приносит основную часть осадков. Больше всего осадков на европейскую часть России приносят циклоны со Средиземного и Черного морей.

На европейскую часть России, особенно ее южную половину, Атлантика время от времени «поставляет» и теплую сухую погоду. Происходит это обычно во второй половине лета и в начале осени, когда воздух из Средиземноморья проникает вместе с антициклонами. В таких случаях над обширной территорией устанавливается тихая, ясная и теплая погода - осенью ее называют «бабьим летом». В основном воздействие Атлантики на климат России благотворно: без ее ветров он был бы более суровым.

Дальневосточное побережье России тянется на тысячи километров, но влияние Тихого океана на климат страны заметно лишь на относительно небольшой территории. Многочисленные горные хребты, окаймляющие великие северные равнины Евразии на востоке, препятствуют проникновению тихоокеанского воздуха вглубь суши. Дальний Восток - единственный регион России с типично муссонным климатом.

Летом тихоокеанские циклоны проникают довольно далеко на запад, и тогда сильные затяжные дожди охватывают целиком Приморский и Хабаровский края, Амурскую область и даже часть Забайкалья.

На большей части территории России формируется континентальный климат - с небольшим количеством осадков и резкими различиями в температурах зимы и лета, а также ночи и дня. По данным длительных наблюдений, число дней в году с температурой ниже 0^оC в значительной мере отражает продолжительность зим в России. Оно достаточно четко нарастает на территории России с юго-запада на северо-восток - от 60 дней в южном Дагестане до 300 дней и более на арктических архипелагах.

В наиболее плотно населенных регионах Российской Федерации - в Центре и на юге европейской части России, а также на юге Западной Сибири - этот показатель колеблется в пределах 60-150 дней. Вся территория России находится в зоне зим со средней температурой самого холодного месяца ниже минуса 5^оС, что резко отличает ее от Западной Европы, где зимние температуры обычно не ниже 0 С. Основная масса населения России проживает в районах со средней температурой января от минус 5 до минус 15^оС. Это, в свою очередь, напрямую влияет на множество специфических социально-экономических особенностей страны, в частности на длительность отопления жилищ и иных помещений, потребность населения в зимней одежде, калорийность питания и другие факторы.

Частота ветров с силой более 10 м/с в зимний период определяет «жесткость климата». Систематическими зимними ветрами характеризуются в России исключительно приморские регионы и зоны Прикаспия. В континентальных регионах, особенно в котловинах гор Сибири, данный показатель резко снижается. Это, в свою очередь, влечет за собой, с одной стороны, снижение жесткости погоды в наиболее морозных районах северного полушария - в горах Северо-Восточной Сибири. С другой стороны, в таких регионах резко возрастает частота зимних температурных инверсий и, следовательно, вероятность застоя атмосферных выбросов и возникновения смогов в городах.

Число дней в году с температурой более +15^оС характеризует продолжительность теплой летней погоды. Хотя общий вид изменения показателя обратен таковому для продолжительности зимы - рост с северо-востока на юго-запад - детали распределения показателя сложнее. В континентальных регионах летом погода теплее, чем в морских на тех же широтах; сильнее и влияние рельефа на продолжительность теплой погоды летом.

В отличие от зимних, летние температуры в России довольно строго сопряжены с географической зональностью. Самое холодное лето в России - на ледниках больших арктических островов (Новая Земля) и на вершинах высоких Кавказских гор (Эльбрус, Дыхтау, Коштантау, Шхара и др.). В июле здесь бывает ниже 0^оС. Подобная температура наблюдается летом только на побережье Антарктиды. Абсолютный рекорд жары в России (+45^оС) наблюдался в Нижнем Поволжье, близ соленых озер Эльтон и Баскунчак. Каждый из водоемов находится в замкнутой котловине, где летним днем воздух сильно раскаляется.

Самая высокая в России среднегодовая температура (+14,1^оС) и одновременно самая теплая зима (4,7^оС в январе) бывает в Сочи - городе, расположенном на берегу Черного моря, под защитой гор Кавказа. Летом температура в Сочи не столь высока, как в степных районах Северного Кавказа, в Южной Сибири и на Дальнем Востоке, благодаря дневным бризам, дующим с моря.

По данным Госгидромета, в 1999 г. было зафиксировано более 150 бедствий гидрометеорологического характера, а в 2000 г. - уже около 190. В периоде 1900 по 2001 г. отмечена устойчивая тенденция положительного изменения среднегодовой температуры в России. Наибольший рост температуры отмечен в Прибайкалье и Забайкалье (за 100 лет температура возросла здесь на 3,5°С), а в целом по стране потепление особенно заметно для весеннего (+2,9°С) и зимнего (+4,7°С) периодов года. Тенденция положительного изменения среднегодовой температуры в стране вызывает существенную нестабильность погодных условий и частые катастрофические явления. Спокойная гидрометеорологическая обстановка наблюдается лишь в центральной части европейской территории страны, а наименее благоприятны условия в районах Северного Кавказа, Урала, Северо-Восточной Сибири и Дальнего Востока. Распределение опасных гидрометеорологических явлений по России в целом и по отдельным ее регионам показано в табл. 1.

Таблица 1

Распределение опасных гидрометеорологических явлений по регионам России, %

Такое большое различие температурно-влажностных воздействий, воздействий ветра и гололеда вызывает различные негативные влияния на ограждающие конструкции зданий и сооружений.

1.2  Техногенное влияние (выхлопы автомобильного транспорта, выбросы промышленных предприятий, кислотные дожди)

1.2.1         Влияние транспортного комплекса

Суммарная протяженность дорог общего пользования в России в 1998 году составила почти 570 тыс. километров. Дорогами и объектами дорожной инфраструктуры занято 88 тыс. га земли, полосой отвода 250 тыс. га, придорожной полосой более 1 млн. га, а зона негативного влияния автодорог (c учетом загрязнения атмосферного воздуха, грунтовых вод и почвы) охватывает территорию площадью 14,6 млн. га. Оценивая различные виды техногенного воздействия на окружающую среду, ученые называют Чернобыльскую катастрофу единовременным «инфарктом», а загрязнение атмосферы автомобильными выбросами - «медленно расползающейся раковой опухолью».

По данным Госкомстата РФ, общий объем выбросов загрязняющих веществ автомобильным транспортом в атмосферу составляет примерно 70% от выбросов всех видов транспорта, или около 40% общего количества антропогенного загрязнения атмосферы. Из этого количества загрязнений на долю автотранспортных предприятий приходится около 1 - 6% выбросов.

Особенность автомобилей как подвижных источников загрязнения атмосферы проявляется:

- в высоких темпах роста численности автомобилей, по сравнению с ростом количества стационарных источников;

- их пространственной рассредоточенности, что создает общий повышенный фон загрязнения;

- непосредственной близости к жилым районам;

- более высокой токсичности их выбросов по сравнению с выбросами стационарных источников;

- сложностями технической реализации средств защиты от загрязнения;

- низким расположением источника загрязнения от земной поверхности.

Загрязнение окружающей среды транспортным комплексом можно условно разделить на технологическое (дорожно-строительных машин, специальных транспортных средств дорожных предприятий, асфальтобетонных заводов и т. п.) и транспортное (транспортных потоков).

Установлено, что объем транспортных выбросов вредных веществ в атмосферу на дорогах общего пользования почти в два раза больше объема технологических выбросов. Технологические выбросы твердых частиц, оксидов серы и минеральной пыли сопоставимы с выбросами этих веществ транспортными потоками. Ежегодные объемы технологических выбросов в 5 - 10 раз меньше объемов таких же выбросов транспортными потоками.

Одним из главных загрязняющих факторов, присущих автотранспорту, являются отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. При сжигании в автомобильном двигателе 1 тонны бензина образуется 180-300 кг окиси углерода, 20-40 кг углеводородов, 25-45 кг оксидов азота.

Количество некоторых вредных веществ в составе выбросов поддается регулировке и может быть сведено к минимуму за счет совершенствования конструкции двигателей, внедрения систем нейтрализации.

В то же время двуокись углерода (CO2) является неотъемлемой частью продуктов сгорания, и бороться с ней возможно только путем повышения качества моторного топлива.

Компоненты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания приводят к возникновению таких негативных явлений как смог, кислотные дожди, «парниковый» эффект, потепление. Отрицательное воздействие этих явлений на окружающую среду имеет различный географический размах: локальный - при возникновении смога; региональный (трансграничный) - при выпадении кислотных дождей; глобальный - в случае с «парниковым» эффектом.

Все эти виды воздействий приводят к деструктивным процессам ограждающие конструкции зданий в первую очередь это относиться к зданиям с кирпичными стенами, в том числе, старой постройки.

В последнее время все чаще говорят о новом виде загрязнения атмосферы - теплом. Давно известно, что температура воздуха в границах крупных городов и промышленных центров зимой обычно на 2 - 5^оС выше, чем в удалении от них. Отмеченное явление - прямой результат выброса в атмосферу городов больших количеств тепла промышленными предприятиями, жилыми массивами и транспортными средствами. В результате над каждым городом образуется как бы «тепловой купол».

Одной из причин глобального потепления считают также «парниковый» эффект, когда атмосфера, загрязненная углекислым газом и аэрозольными частицами, хорошо пропускает излучение Солнца к Земле и значительно хуже инфракрасное (тепловое) излучение от Земли в мировое пространство.

На здания и сооружения эти виды воздействий усугубляют негативное влияние в связи с увеличением контрастности перепадов температуры и влажности среды.

Существует еще один вид своеобразного загрязнения среды обитания - шумовое. Сильный, продолжительный и особенно постоянный шум - это скрытый и опасный враг человека и многих живых существ. На протяжении многих веков люди не связывали ухудшение здоровья с воздействием шума, да и не имели причин к этому. Однако в ХХ столетии отношение к шуму стало быстро меняться. Шумные предприятия, железнодорожные поезда, трамваи, автомобили, самолеты и другие транспортные средства стали все чаще приносить людям не только неудобства, но и вызывать более серьезные последствия.

Ограждающие конструкции зданий, сдерживающие шумовое воздействие на среду обитания оказываются все менее эффективными по мере роста этого вида воздействий среды.

Это далеко не полный перечень последствий, к которым может привести загрязнение атмосферы автотранспортными средствами и их инфраструктурой.

1.2.2    Выбросы промышленных предприятий

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение окружающей среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.

В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; цементные заводы и котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов, где сосредоточены эти виды промышленности, с численностью населения более 500 тыс. жителей. Зоны негативного влияния (включая, выбросы от промышленных источников и транспорта) простираются на десятки километров, а в крупных промышленных агломерациях - на сотни километров, например: Средне-Уральской - 300 км, Кемеровской - 200 км, Московской - 200 км, Тульской - 120 км.

Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной. 

Охрана природы - задача века, проблема, ставшая социальной. Воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если будут накоплены надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если будут разработаны новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого природе человеком. 

Одним из составляющих направлений этих действий является использование локальных приемов уменьшения взаимодействия окружающей среды и объектов пребывания человека. В числе таких приемов (мер) является устройство защитных преград для сокращения деформаций ограждающих конструкций зданий и восстановление деформированных (выветриванием, старением) фасадов.

1.2.3 Кислотные дожди

Термин «кислотный дождь» появился в середине XIX века, когда британские ученые заметили, что загрязнение воздуха в промышленно развитой центральной Англии привело к выпадению более кислых, чем обычно, дождей. Но только во второй половине XX века стало понятно, что кислотные дожди несут в себе угрозу окружающей среде.

Обычный дождь является кислым сам по себе, даже в отсутствие заводов. Это происходит из-за того, что в процессе формирования и выпадения дождевые капли растворяют находящийся в воздухе углекислый газ и реагируют с ним с образованием угольной кислоты (H₂CO₃). Чистый дождь, проходящий через незагрязненный воздух, представляет собой водный раствор с pH 5,6 (к моменту удара о землю). Основная причина выпадения кислотных дождей - это деятельность человека, однако есть и естественные причины, начиная с извержения вулканов и разряда молнии и кончая жизнедеятельностью бактерий. В настоящее время принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0.

Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO₂) и различными оксидами азота (NO_х). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду. В первую очередь отрицательному воздействию подвергаются водные экосистемы, почва и растительность.

На сооружение ограждающих конструкций зданий кислотные дожди влияют как одна из основных причин проявления и ускорения деформаций.

Изменить ситуацию к лучшему, по мнению многих специалистов,- это уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу. Это позволит сократить их корродирующее влияние на здания и сооружения.

1.3 Традиционные виды защиты фасадов зданий

Восстановление фасадов выполняется с целью защиты поверхностей от деформации и разрушения, увеличения времени эксплуатации и формирования внешнего облика зданий.

Облицовка фасадов - комплекс работ, связанных с архитектурной отделкой зданий, с использованием современных отделочных материалов. В последние годы облицовка фасадов претерпела ряд изменений. Появилось большое количество разнообразных отделочных материалов, которые не только имеют привлекательный внешний вид, но и обеспечивают благоприятную экологическую обстановку внутреннего пространства. 

Выбор отделки фасадов зависит от следующих факторов:

• 1. значения и места здания в градостроительных масштабах города (здание правительства или коттедж человека среднего класса);
• 2. материала конструкции, требующей отделки (кирпичные, железобетонные, гипсокартонные перегородки, стены, колонны);
• 3. вида строительства: новое или реконструкция;
• 4. теплофизических, химических воздействий на фасад, внутреннюю отделку помещений;
• 5. типологии здания (жилое, общественное, производственное);
• 6. категория здания, помещения по пожаро- и взрывоопасности.
• 7. материального благосостояния заказчика (для частных владений).

Характерные особенности современной отделки фасадов при новом строительстве:

• 1. всесезонность строительных работ;
• 2. высокая скорость строительства;
• 3. преобладание механизированных способов отделки;
• 4. высокое качество современных фасадных систем;
• 5. экологичность.

Среди материалов, используемых на фасадах стен, наиболее широко применяются кирпич, оштукатуренный кирпич или бетон. Традиционными видами защиты фасадов зданий являются:

• штукатурка фасада. Штукатурные работы достаточно популярный метод отделки фасада зданий в городах, в том числе в Москве;
• окраска фасада. Современные фасадные краски помогут стать фасаду не только ярким, но и предохраняют его от разрушающих погодных и биологических факторов. Такие краски не трескаются и не выгорают;
• декоративная облицовка фасада. На сегодняшний день существует множество материалов для отделки и облицовки фасада. Облицовка должна отвечать архитектурным требованиям, создавать достаточное разнообразие и выразительность оформления фасадов зданий, отвечать требованиям несущей конструкции здания и назначению здания. Способ крепления облицовки должен обеспечивать необходимую надежность совместной работы с материалом стены.

В конструкции стен могут быть включены несущие элементы с различной цветовой и скульптурно-декоративной поверхностью, такие как:  массивные каркасы из красного и силикатного кирпича, керамзитовых блоков или же блоки, кирпичи и балки из легкого бетона.

1.3.1 Штукатурка фасадов

Штукатурка является наиболее старым методом, используемым для отделки фасадов.

Штукатурные растворы классифицируются следующим образом:

• известковый (чистый),
• известково-цементный,
• цементный.

К наиболее слабым и мягким относятся известковые растворы. Твердение известковых растворов происходит за счет карбонизации извести и образования известняка, в основном, только в приповерхностном слое. Штукатурный слой во всей своей массе остается слабым и после 20 и более лет легко крошится.

Известково-цементный раствор содержит, в массовых частях: известь - 1, цемент - 1,83, песок - 13,83. Повышение содержания цемента в растворе увеличивает твердость и прочность штукатурного слоя. Цементный раствор образует наиболее прочный слой, который используется для грунтовочного слоя, которым заделывают утраченные слои и тонкослойную штукатурку кирпичных поверхностей.

Простые штукатурки состоят из двух слоев. Первый слой - обрызг обеспечивает схватывание между основанием и слоем наносимой штукатурки, это наиболее толстый слой штукатурки (14-25 мм), предназначенный для выравнивания поверхности основания. Второй слой - накрывка представляет собой внешний слой штукатурки, который может иметь гладкую поверхность.

Нанесение штукатурных растворов можно механизировать с помощью растворонасосов и пневматических устройств.

Прочность слоя штукатурки (количество цемента) должна уменьшаться по направлению от основания к внешней поверхности.

Крупность минерального заполнителя может быть достаточно высокой с размером зерна до 3-10 мм (распыление) или тонкой - с размером зерен около 1 мм.

Известково-песчаная штукатурка применяется для отделки фасадов зданий из кирпича, ракушечника, туфа, шлакобетонных и керамических блоков (марка 50 и ниже).

Известково-песчаная штукатурка не должна использоваться для отделки цоколей, оград, баз колонн и пилястр, профильных деталей, тяг с большим выносом стен, подвергающихся усиленному увлажнению.

Известковую штукатурку нельзя наносить на бетонную поверхность и металлическую стенку.

При выполнении штукатурных работ для цветных известково-песчаных накрывочных слоев должны использоваться грунты известкового состава.

Техническое состояние штукатурки проверяется простукиванием по поверхности для определения прочности сцепления слоя с основанием. Отслаивающиеся и хрупкие участки штукатурки удаляются, далее проверяется целостность и прочность основания под ремонтируемым участком. Если на более чем одной трети поверхности фасада обнаруживаются повреждения штукатурки, то в таком случае целесообразно провести ремонт всей площади оштукатуренной поверхности.

При выполнении ремонта штукатурки соотношение извести к цементу в штукатурном растворе должно увеличиваться (а прочность, соответственно, уменьшаться), проходя слои в направлении к поверхности. Используемый для ремонта штукатурный раствор должен быть идентичен исходному раствору, с тем, чтобы сохранить равнозначность параметров влажностного и теплотехнического режима. Различия в составе штукатурных растворов вызовут напряжения на границе перехода между двумя слоями, что может привести к отслоению ремонтируемого участка или повреждению поверхности старого слоя штукатурки.

Различия в показателях прочности растворов обнаруживаются также в оттенках штукатурки, сохраняющихся и после окраски в виде пестроты поверхности. Кроме того, чтобы окрашенные участки не выделялись на готовой поверхности, штукатурка на ремонтируемых участках должна соответствовать окружающей поверхности по шероховатости и толщине слоя.

1.3.1.1 Современные добавки в штукатурные растворы

Современные штукатурки представляют собой использование растворов из сухих смесей из вяжущих веществ (известь, глина, гипс, цементы, жидкое стекло, битумы и смо­лы), наполнителей (песок, гравий, каменную крошку, топливные шлаки, опилки, керамзитовый песок и др.) и различных добавок. В качестве добавок используют как органические (полимеры, целлюлоза и др.), так и неорганические материалы (шлак, шлам, микрокремнезем и др.). Добавки придают специальные свойства штукатуркам и улучшают работу с ними. Смеси без добавок называют простыми. Они менее технологичны, и работа с ними требует определенного навыка. Поверхности, оштукатуренные простыми смесями, менее прочны и долговечны. В состав современных штукатурных смесей обязательно входят модифицирующие добавки, такие смеси называются модифицированными. Их количество составляет 0,1-1 % от общего объема. Несмотря на такую малую долю, они заметно повышают эффективность работ, улучшают качество отделки, продлевают срок ее эксплуатации и как следствие - снижают затраты на ремонт. Одни удерживают влагу в цементных растворах, другие упрочняют штукатурный слой, третьи усиливают адгезию и т. д.

И все же, штукатурка всех видов при природно-техногенных воздействиях, изменчивости термо-влажностных режимов и транспортных выбросов в атмосферу подвергается интенсивному выветриванию и срок службы ее составляет не более 7-12 лет, после чего штукатурные покрытия подлежат восстановлению.

 1.3.2 Окраска фасада

 Одним из видов защиты фасадов является окраска. Без окрашивания фасадов зданий облик наших городов был бы невзрачным и скучным. На протяжении столетий для улучшения внешнего вида оштукатуренных фасадов применялись традиционные масляные и известковые краски. В техническом отношении окрашенная поверхность действует как наружный слой, предохраняющий основание от различных воздействий, к которым относятся влажность воздуха, ультрафиолетовое излучение и атмосферные загрязнения.

Прочностные характеристики окрашивания поверхности фасадов варьируются в широких пределах - от низкопрочных известковых штукатурок до прочных бетонных оснований. Красочный слой и окрашиваемое основание должны иметь максимальное сродство для обеспечения многолетней эксплуатации без ежегодных ремонтов. С повышением пористости отделываемого основания необходимо обеспечить паропроницаемость декоративного финишного слоя. В этом отношении для фасадной стены, покрытой пористой, слабой известковой штукатуркой требуется значительно более проницаемая поверхность красочного слоя, чем это имеет место в случае окраски бетонной фасадной стены.

С экономической точки зрения окраска фасадов зданий вторичного фонда представляет собой значительные капиталовложения в недвижимость, что служит причиной для наиболее экономичного и технически обоснованного выбора вида краски для окрашиваемого основания. Необоснованный выбор фасадной краски приведет к чрезмерным финансовым затратам с ростом частоты профилактической окраски фасадов.

Краски и отделочные покрытия для фасадов из материалов с минеральным заполнителем разделяются по виду используемого связующего на органические, образующие пленку масла или синтетические смолы (акриловые или перхлорвиниловые, например), и неорганические (цемент, известь и силикат калия - поташное растворимое стекло).

Используемые в красочных составах связующие и пигменты должны обязательно быть щелоче- и атмосферостойкими. Паропроницаемость красочных составов дополнительно повышается за счет введения пористых минеральных наполнителей вулканического происхождения, например перлита. Красочные составы этой группы наилучшим образом подходят для окраски фасадов из бетонов, легких бетонов и фасадов, облицованных известково-цементными штукатурками.

Силикатные и известковые краски (малярные штукатурки) представляют собой группу неорганических красящих составов для окраски фасадов зданий, которым свойственна почти идеальная паропроницаемость. За счет того, что эта категория красок не образует цельной пленки, поверхностное натяжение незначительно. Эта группа красок особенно рекомендуется для покрытия оштукатуренных поверхностей. Для фасадов, покрытых слабыми по прочности известковыми штукатурками, этот вид красок - практически единственный экономичный вариант красящего состава.

Для защиты и придания красивого, эстетичного вида фасадам зданий традиционно применяют различные краски для наружных работ. К этим краскам, кроме гидроизоляционных свойств, предъявляют целый ряд дополнительных требований. Помимо разнообразной цветовой палитры фасадные краски должны обладать такими эксплуатационными свойствами как:

• высокая адгезия к защищаемой поверхности;
• длительная стойкость к атмосферному воздействию без потери защитных и декоративных свойств;
• стойкость к развитию микроорганизмов.

Чаще всего для защиты фасадов используют акрилатные, силикатные и водно-дисперсионные краски. Однако в настоящий момент наиболее перспективными материалами в области защиты фасадов являются эмали на основе модифицированных силиконовых смол. Наличие силиконовой смолы позволяет значительно улучшить растекаемость, цветостойкость покрытия, гладкость покрытия, долговечность, в том числе снижается вероятность развития микроорганизмов (грибы, мхи, водоросли). При этом нужно понимать, что краска потребует обновления через несколько лет, так как долговечность любой краски намного ниже долговечности самого изделия.

Со временем даже самые стойкие окрашенные поверхности под воздействием солнечного излучения, воздействия кислотных атмосферных дождей покрываются сетью микротрещин, теряют яркость и подлежат восстановлению, срок их действия не превышает 5-7 лет. 

 1.3.3 Декоративная облицовка фасада

 1.3.3.1 Облицовка фасада бетоном, ячеистым бетоном, керамзитовыми блоками и асбоцементными плитами

 Железобетон стал использоваться в строительстве в начале XX в. Первые строительные нормы на применение железобетона были изданы в 1913 г. Вплоть до 1950-х гг. фасадные стены выполнялись в виде массивной конструкции из двойного или полуторного слоя пустотелого кирпича. После 1950-х гг. получили распространение железобетонные стены с прикрепленными к бетону пустотелыми кирпичами. Поверхности фасадных стен отделывались с помощью штукатурки.

С 1960-х гг. началось промышленное производство сборных строительных элементов, первоначально - в виде полуготовых сборных элементов, и на рубеже 1960-70-х гг. произошел переход на полносборные элементы. Специалисты бетонной промышленности в настоящее время признают тот факт, что морозостойкость бетонных элементов, изготовленных в период 1960-70-х гг., не всегда была самого высокого класса.

Современные бетоны, применяемые на фасадах, за счет повышения пористости и прочности структуры имеют необходимые показатели морозостойкости. Вместе с тем среди специалистов на протяжении десятилетий выражается сомнение относительно устойчивости бетонных фасадов без защитного покрытия.

Применяемый в качестве фасадного материала легкий, ячеистый бетон обладает повышенным водопоглощением. Фасадные стены из ячеистого бетона всегда должны иметь дополнительное покрытие, например, штукатурку. При ремонте подобной фасадной стены и замене штукатурки использование штукатурной сетки необходимо для обеспечения достаточного сцепления штукатурного слоя с поверхностью стены и предотвращения возникновение волосяных трещин на фасаде.

В качестве фасадного материала  используют также и керамзитовые блоки. Керамзит (вспученная глина) состоит из сферических гранул. Обычно на фасадной стене, выполненной из керамзитовых блоков, применяется двух- или трехслойное оштукатуривание. Поверхность керамзитового блока впитывает влагу в меньшей степени, чем поверхность легкого бетона. Именно поэтому для защиты от атмосферных осадков фасадной стены из керамзита необходимо устройство штукатурки или окраска поверхности силикатной краской.

Асбоцементная плита - наиболее распространенный тип материала, используемый для облицовки фасадов зданий, который крепят к стене винтами. При старении поверхность плит загрязняется, что вызывает необходимость косметической окраски.

Бетонные, кирпичные и панельные здания также как и штукатурные покрытия в поверхностных слоях через 5-7 лет начинают разрушаться, при этом снижается их несущая способность, что также приводит к необходимости (или) дополнительной защите.

 1.3.3.2 Облицовка фасада плиточными покрытиями

 Российский рынок материалов для облицовки фасадов активно развивается. Все фасадные покрытия можно разделить на несколько больших групп, каждая из которых стабильно занимает свою нишу. Традиционно большим спросом в нашей стране пользуются плиточные материалы. Главное достоинство плитки заключается в том, что она существенно меньше боится перепадов влажности и температуры и потому может использоваться при наружной отделке, а современное многообразие ее видов позволяет воплотить в жизнь любые дизайнерские решения.

Наиболее статусной в России считается плитка из природного камня, преимущественно мрамора и гранита. Область ее применения фактически ограничена рынком коммерческой недвижимости и элитного жилья. Объемы потребления «натуральной» плитки напрямую зависят от развития этого рынка. Значительная часть камня сегодня импортируется из Европы, причем 47 % импорта потребляет Москва и Московская область. По данным статистики, общий метраж элитной недвижимости, введенный в столице в прошлом году, сократился на 62 % по сравнению с 2005 годом. На рынке плитки из природного камня также произошло снижение. В числе главных причин не столько высокие цены, сколько трудоемкость работ по монтажу мраморных и гранитных плит и их повышенная хрупкость.

Если в советские времена облицовка фасада натуральным камнем была практически единственным способом придать зданию респектабельный вид, то теперь для этого появились и другие возможности. Одним из главных конкурентов природного материала является керамический гранит. Впервые керамический гранит был изготовлен в Италии в 60-е годы прошлого столетия, но для нашего рынка это материал новый. Сегодня в России его производством занимаются всего несколько компаний. Керамогранит, который производится в России, чаще всего имеет маленький формат - 30 на 30 см. Такая плитка редко используется. Для облицовки фасадов она применяется, но это значительно увеличивает себестоимость строительства.

Альтернативой керамограниту являются агломератные материалы. Агломерат имеет ряд преимуществ, выгодно отличающих его от керамогранита и даже от натурального камня. К примеру, этот материал не имеет пустот, каверн и трещиноватостей, что серьезно влияет на технологические характеристики. Он значительно дешевле натурального камня, при этом может прекрасно его имитировать. В агломерате с использованием натуральной мраморной фракции добавляется кварцевая крошка, что положительно влияет на износостойкость материала. Прочность агломерата с мраморной крошкой значительно выше, чем у натурального мрамора. Износ инструмента в этом случае такой же, как при резке натурального гранита. На рынке ведущая роль отводится агломерату Grattoni. В отличие от итальянского и чешского агломерата, у Grattoni есть разрешение Росстроя на использование в системе вентилируемого фасада. При использовании этого агломерата в системе вентилируемого фасада не требуются противопожарные короба на окна. Это негорючий материал, поэтому откосы оконных проемов можно отделывать тем же Grattoni, что значительно улучшает эстетику внешнего вида здания. В состав агломерата Grattoni не входят смолы и пластификаторы, как у итальянских и чешских аналогов: основным связующим является цемент. Этот материал не выгорает на солнце и прекрасно выдерживает перепады температур.

Кроме выше перечисленного для облицовки подходит не только керамогранит повышенной прочности, но и обычная керамическая плитка. Важно, чтобы она либо была покрыта матовой глазурью, либо вообще не была глазурованной, потому что со временем глазурь просто отскочит под влиянием атмосферных факторов. Если крупная плита крепится на специальные конструкции, то мелкая преимущественно кладется прямо на раствор.

По сведениям экспертов, в последнее время серьезно изменилась структура спроса на облицовочную плитку: если еще пять лет назад около 60 % всего объема уходило в строительные организации, то сегодня значительная часть продается и в розницу. Одна из причин этого изменения - развитие коттеджного строительства.

В основном для частных потребителей предлагаются необычные виды плитки для облицовки фасада, к примеру, клинкер - материал, изготовляемый из специфической сланцевой глины, которая добывается в Северо-Западной Германии. Технология подразумевает обжиг глины до полного спекания, благодаря чему кирпичи из нее получаются очень прочными и хорошо противостоят атмосферным воздействиям. Клинкер начал изготавливаться более 250 лет назад, однако в наши дни он не получил широкого распространения в силу своей дороговизны. К тому же покупатели, склонны выбирать более привычный и «понятный» материал - натуральный или керамический гранит.

Одна из актуальных тенденций на рынке - производство плитки, имитирующей натуральные материалы. В условиях дефицита последних и их высокой стоимости большой популярностью начинают пользоваться всевозможные «подделки». Даже современный бетон сегодня декорируют под камень, кирпич и лепнину. Так, из небольших бетонных блоков изготавливают фактурный лицевой слой. Некоторые виды улучшенного бетона сами производители называют «искусственным камнем».

В 2006 году рост рынка облицовочной плитки по экспертным оценкам составил 109,7 %.

 1.4 Традиционные архитектурно-декоративные украшения фасадов зданий

 Традиционные архитектурно-декоративные элементы несут защитные функции зданий за счет дополнительной преграды внешним природно-техногенным воздействиям, когда они могут быть объединены с несущими конструкциями. В качестве самостоятельных деталей строений их функция ограничена чаще всего приданием законченного эстетического облика сооружению (или ансамблю сооружений).

В условиях современной конкуренции потребность в придании фасаду здания индивидуального, респектабельного, эстетического и, самое главное, законченного вида постоянно растет. Именно поэтому очень востребованными на сегодняшний день являются архитектурные элементы фасадов (рис. 2-8). Балюстрады несут функцию дополнительного (кроме стен) ограждения основной зоны пребывания человека от прямого проникновения природных воздействий и применяются для ограждения веранд (рис. 2а), лестничных входов с них (рис. 2б) и, в виде ложного ограждения (рис. 2в) для придания вида капитального сооружения.

а)   

б)    

в)     

Рис. 2. Балюстрады

Панели, русты и замки (рис. 3, 4), кроме архитектурно-декоративной нагрузки могут использоваться как элементы защиты от природно-техногенных воздействий, а также могут служить конструктивными элементами для декоративного укрытия элементов анкерных стяжек стен при реконструкции зданий, подвергавшихся интенсивному деформированию при эксплуатации.

Рис. 3. Декоративные панели

Рис. 4. Замки, русты

Профили различного вида (рис. 5) могут нести такую же функциональную нагрузку, как и панели, и русты при реконструктивном оформлении фасадов зданий, подвергавшихся деформациям старения.

Рис. 5. Профили

Пилястры и колонны (рис. 6, 7) и при реконструкции старых построек, и при новом строительстве могут быть использованы как дополнительные конструктивные части зданий, одновременно придавая фасадам вид капитальности и индивидуального значения и выразительности.

Рис. 6. Пилястры

Рис. 7. Колонны

На окнах могут применяться декоративные обрамления в виде наличников, контрналичников, фронтонов, подоконных карнизов, тяг, сандриков (рис. 8) - декоративная архитектурная деталь в виде карниза или фронтончика (иногда опирающегося на два кронштейна, пилястры или колонны по сторонам проема), над оконными или дверными проемами на фасадах зданий. Оконные обрамления могут быть использованы как в закладном, так и в навесном варианте и кроме эстетической функции нести нагрузку защиты от природно-технических воздействий.    

Рис. 8. Обрамления оконных проемов

На рис. 9-10 приведены дома с использованием традиционных архитектурно-декоративных изделий для украшения фасадов зданий.

Рис. 9. Дом выдержан в классическом стиле с применением разной отделки первого и второго этажей для уменьшения оштукатуриваемой площади, что, в свою очередь, уменьшает вероятность появления трещин в штукатурке

Рис. 10. Усадьба с канилюрными капителями, несущими фронтон (заполнение стен второго этажа выполнено в виде барельефа в стиле ампир, кровлю всей усадьбы подчеркивает массивный карнизный пояс, преобладание ограждений в виде балюстрады - характерная черта русской усадьбы)

Вывод: Нарастание техногенных воздействий на природную среду усиливает развитие деформации, типа выветривания, фасадов зданий и строений, выполненных из кирпичной, каменной кладки с известковой штукатуркой и другими видами покрытий. Необходимость выполнения защитных покрытий особенно возникает в городах и областях в непосредственной близости к транспортным коммуникациям и промышленным производствам. Традиционные методы защиты штукатурными растворами и покраской оказываются недолговечными.

ГЛАВА 2. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ АРХИТЕКТУРНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОЦЕНКА ИХ ЗАЩИТНЫХ ФУНКЦИЙ

2.1 Композитные материалы для архитектурно-декоративных элементов

Для защитных функций зданий и сооружений архитектурно-декоративные отделочные материалы нашли свое широкое применение с середины прошлого века. В первую очередь эти архитектурно-декоративные элементы стали использовать при восстановлении памятников старины, зданий и сооружений, имеющих большую культурную и социальную значимость и позднее, здания индивидуальной застройки (при коттеджном строительстве). В отечественной практике такого рода применение архитектурно-декоративных элементов начало довольно широко практиковаться значительно позднее, уже после развала Советского Союза. Этому способствовало сокращение общего объема производства бетона и железобетона для промышленного строительства, снятие ограничений на объемы застройки дачных участков и легализация частной собственности на недвижимость. При этом основное направление развития производства архитектурно-декоративных элементов сохранилось и было ориентировано на использование изделий из бетона и железобетона.

Одним из наиболее важных формообразующих элементов современной архитектуры является железобетон. Реальные возможности достижения архитектурной выразительности сооружений из бетона еще очень слабо использованы отечественными архитекторами и проектировщиками. Одним из наиболее перспективных путей реализации концепции эстетичного строительства из бетона является применение архитектурного бетона с повышенными декоративными свойствами и эксплуатационными характеристиками. Технология архитектурного бетона при изготовлении декоративных фасадных элементов, скульптурных рельефов средств малой архитектуры предусматривает использование высокоподвижных литых или самоуплотняющихся бетонных смесей. При этом для повышения декоративных свойств используются, как правило, высококачественные белый и цветной пигменты цементов, а наличие сложного рельефа поверхности и мелких деталей орнамента требует применения заполнителей с ограниченной максимальной крупностью. Важным показателем качества таких бетонов является отсутствие усадки. Очевидно, что одним из наиболее перспективных направлений строительного материаловедения нового века будет создание сверхвысокопрочных материалов с принципиально новыми характеристиками, приближающими их к металлу, керамике и полимерам.

Новое время диктует правила использования и внедрения новых конструкционных материалов в совокупности с новыми технологиями. Создание «новых материалов из прежних» возможно путем возможного армирования широко известных материалов. Так, армированный бетон по экономическим показателям и прочностным характеристикам превосходит обычный марочный бетон.

Одним из наиболее прогрессивных видов армирования бетона является фибровое армирование, таким образом, фибровое армирование бетона дает начало материалу - фибробетон. Соответственно по типу используемых фибровых отрезков различают классы фибробетона. Самые распространенные виды фибр для бетона следующие:

• фибра стальная;
• фибра из щелочестойкого стекловолокна;
• фибра из обычного стекловолокна;
• фибра из синтетических волокон.

Из них экономически выгодным и одновременно технологически простым является фибровое армирование стекловолокном.

Стеклофибробетон (СФБ) - является разновидностью фибробетона и изготавливается из мелкозернистого бетона (бетон-матрица) и армирующих его отрезков стекловолокна (фиброволокно) (рис. 11), равномерно распределенных по объему бетона изделия или отдельных его частей (зон).

    Рис. 11. Фиброволокно (отрезки стекловолокна)

Стеклофибробетон - это:

1) Потрландцемент М500-М400;

2) Щелочестойкий стекложгут;

3) Песок с Мкр 1,2;

4) Вода;

5) Добавки типа ГКЖ-11У, С3 и др.

История знает немало примеров, когда использовались различные волокнистые материалы для придания устойчивости матрицам, которые сами по себе не обладают достаточной надежностью. Примерами далекого прошлого является солома в кирпичах из иловой глины и штукатурка с добавлением конского волоса. Более свежим примером могут служить волокна асбеста в цементе.

Общеизвестно, что недостатком бетона как любого каменного материала является низкая прочность на растяжение. В стеклофибробетоне же растягивающие напряжения воспринимают на себя стеклянные волокна,  модуль упругости которых  втрое превышает модуль упругости бетона, что существен.

Стеклофибробетон - это: красивые, рельефные, но при этом тонкостенные, легкие, прочные изделия, а также отличная гидроизоляция и механическая защита. Одно из главных направлений использования стеклофибробетона - архитектурный декор.

Основные преимущества стеклофибробетона:

  - высокая прочность при сжатии и ударе;

  - коррозионная стойкость;

  - огнестойкость;

  - отсутствие пор и раковин на поверхности материала;

  - высокая морозостойкость;

  - возможность изготовления изделий с малым поперечным сечением, что снижает вес конструкций и трудозатраты на их монтаж;

  - стойкость к агрессивным средам;

  - долговечность.

Использование стеклофибробетона позволяет облегчить конструктивные части зданий и сооружений, снизить материалоемкость, сэкономив при этом металл по сравнению с железобетоном вплоть до 30-50%, уменьшить вес конструкций до 40-60%.

На рис. 12  показаны технологические цепочки для получения стеклофибробетона двумя основными методами набрызгом и премиксингом.

Рис. 12. Технологические цепочки для получения стеклофибробетона двумя основными методами набрызгом и премиксингом

Технические характеристики стеклофибробетона приведены в таблице 2.

Кроме того, способность стеклофибробетона точно копировать форму опалубки обуславливает получение любых изделий со сложным рельефом и орнаментом, что позволяет широко использовать стеклофибробетон при реставрации исторических зданий и комплексов, а также в целях модернизации устаревшего жилого фонда (рис. 12).

Рис.12. Примеры использования стеклофибробетона в архитектурных элементах

При производстве изделий из стеклофибробетона используются формы из металла, резины, полиуретана (рис. 13). На основе белого или серого цементов с незначительной примесью красителей и других заполнителей, можно создать широкую гамму цветов и отделки.

Рис. 13.Заполнение формы стеклофибробетоном

Применение стеклофибробетонного напыления при образовании несущего каркаса в виде архитектурного элемента для отделки фасада одновременно с возможностью выполнения функции несъёмной опалубки или использования пустотного простеночного пространства для пропуска коммуникаций, было отработано на производственной базе «Объединения «Интекс».

В 1999 году «Объединением «Интекс» была разработана уникальная технология и был открыт первый в России завод «Белый камень» по изготовлению архитектурно-декоративных элементов фасадов (лепных, декоративных барельефов, колонн и панелей, обрамлений окон и дверей, карнизов и фронтонов и т.д.) из уникального материала - «белого камня» - художественного литого бетона повышенной прочности с внутренним пространственным армированием (рис. 14).

Рис. 14. Металлическая арматура (каркас) внутри архитектурно-декоративного элемента

«Белый камень» разработан специально для условий России. Он более успешно противостоит как воздействию температуры (мороз, тепло), солнца, так и агрессивному воздействию атмосферных осадков в сравнении с традиционными видами защиты фасадов зданий - штукатуркой, изделиями из гипса, которые быстро (5-10 лет от начала использования) начинают «стареть»: трескаться и деформироваться (рис. 15). Элементы из «белого камня» по долговечности сопоставимы с долговечностью дома в целом. Причем их «старение» выглядит естественно и придает дому благородный облик старины.

Рис. 15. Процесс старения различных материалов

Основными исходными материалами для производства архитектурных бетонных элементов из «белого камня» являются цемент, песок, щебень, различные добавки, пигменты.

         При работе используются белый и обычный бездобавочный портландцемент марки не ниже 500. Супер-белые портландцементы компании «Holcim» а.s cem1-52,5 (Словакия) и Турецкой компании «Cimsa» cem1-52,5n обладает прекрасными строительно-техническими характеристиками: хорошей начальной и конечной прочностью, оптимальным гранулометрическим составом, высокой белизной. Качественная характеристика белого портландцемента «Holcim» приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Химический состав цемента %

         Таблица 4

Минералогический состав клинкера %

Физические характеристики:

- удельная поверхность, м²/кг - 420-460

- нормальная густота, % - 30-33

- начало схватывания, мин. - 100-160

- конец схватывания, мин.  -  160-220

- предел прочности при сжатии:

  при нормальном твердении:

  в возрасте 3-х суток, мПа  -  38,0 - 42,0

  в возрасте 28 суток, мПа - 57,0 - 62,0

- белизна, %  -  88-90

- признаки ложного схватывания - отсутствуют.

В качестве крупного заполнителя используются:

- гранитный щебень фракции 5-20 по ГОСТ 8267-93, ГОСТ 26633-91; насыпная плотность 1,4 т/м³, истинная плотность 2,8 г/см³, марка щебня по прочности (дробимость) - Др1200;

- керамзит фракции 5-10 по ГОСТ 9757-83, ГОСТ 22263-76; плотность в цементном тесте 1,1 г/см³, насыпная плотность 0,65 т/м³, марка керамзита по прочности П300, водопоглощение по массе Wп-35%;

- щебень мраморный фракции 5-20 по ГОСТ 8267-93, ГОСТ 22263-76; истинная плотность 2,65 г/см³, насыпная плотность 1,6 т/м³, марка мрамора по прочности (дробимость) - Др16;

Мелким заполнителем для бетона являются:

- кварцевые пески, карьерный (Мансурово), речной соответствующие требованиям ГОСТ 8736-93, ГОСТ 26633-91.

- мраморная крошка. ГОСТ 8736-93, ГОСТ 26633-91

- мелкий песок Люберецкого ГОК используется при изготовлении изделий из стеклофибробетона.

Основные эксплуатационные показатели изделий на основании их испытаний (см. акты испытаний), проведенных в Испытательном центре строительных материалов и продукции в строительстве «ЦНИИС-ТЕСТ» в 2002 году, приведены для:

• 1. Изделий декоративных из архитектурного бетона:
• марки бетона по прочности М200 и М300;
• морозостойкость F 200;
• средняя плотность 2360 кг/м³.
• 2. Изделий декоративных из архитектурного облегченного бетона:
• марки бетона по прочности М200;
• морозостойкость F 200;
• средняя плотность 1420 кг/м³.

Арматуру, используемую при производстве архитектурных бетонных элементов из «белого камня», применяют из круглой, проволочной, витой, периодического профиля и холодно сплющенной стали.

Применение арматуры периодического профиля позволяет исключить устройство крюков, повысить трещиноустойчивость бетона, а арматуру в целом использовать эффективнее. Стержни арматурной стали класса А- I поставляют круглыми гладкими, стержни классов А-II, A-III, A-IV -  периодического профиля, каждому классу арматурной стали (А- II, A-III, A-IV) должен соответствовать внешний вид периодического профиля, установленный нормативными документами. Стержни периодического профиля арматурной стали класса А-II должны иметь выступы, идущие по винтовым линиям с одинаковым заходом по обеим сторонам стержней. Стержни периодического профиля арматурной стали класса А-III должны иметь выступы, идущие по винтовым линиям, имеющим с одной стороны стержня правый, а с другой стороны левый заход.

Затвердевающий бетон прочно сцепляется со сталью, что обеспечивает совместную работу обоих материалов под нагрузкой. При этом сталь воспринимает на единицу площади большую нагрузку по сравнению с бетоном и, следовательно, при относительно малом сечении арматуры она воспринимает значительную долю нагрузки.

Примерная величина сцепления арматуры с бетоном в возрасте 28 суток составляет от 1/5 до 1/6 от предела прочности бетона на сжатие. Стальная арматура, заключенная в бетоне, не разрушается (не ржавеет) и может сохраняться в хорошем состоянии в течении длительного времени. Это справедливо лишь для бетонов достаточно плотных, когда исключена возможность доступа воздуха и агрессивных газов непосредственно к стержням стальной арматуры. Поэтому арматура в конструкции должна быть покрыта защитным слоем бетона.

Арматурная сталь при растяжении удлиняется до известного предела прямо пропорционально напряжениям, т.е. удлинения возникают во столько раз, во сколько увеличиваются напряжения. Дальнейший незначительный прирост напряжений вызывает резкое увеличение удлинений. Величина напряжений соответствующая этому состоянию удлинений называется пределом текучести стали. Затем наступает состояние текучести, при котором удлинения растут без увеличения напряжений. Предел текучести является наиболее важной характеристикой арматурной стали. Если предел текучести арматурной стали превзойден, то это ведет к значительным удлинениям стержней и нарушению сцепления бетона с арматурой. В результате в бетоне возникают трещины, резко возрастают прогибы вплоть до разрушения конструкции. Применяется следующая арматурная сталь для железобетонных изделий.

• 1) Горячекатаная периодического профиля - сталь 30 х Г2С, Сталь 35 ГС, 25 Г2С, Ст 5.
• 2) Холодносплющенная периодического профиля Ст 5; Ст 3.
• 3) Проволока стальная низкоуглеродистая холоднотянутая от о 3 мм - 10 мм.
• 4) Горячекатаная круглая Ст3.

Высокопрочные сорта стали, например углеродистая проволока, при растяжении не обнаруживают состояние тягучести.

Поэтому для таких сталей указывается только предел прочности, т.е. величина напряжений, при которых происходит разрыв образца. Заготовка арматуры и изготовление арматурных  каркасов и сеток производится на заводах железобетонных изделий, оборудованных необходимыми машинами и приспособлениями. Для изготовления ненапрягаемой арматуры целесообразно использование контактной сварки, обеспечивающей высокую степень индустриализации арматурных работ. В изгибаемых элементах продольная рабочая арматура устанавливается в соответствии с эпюрой максимальных изгибающих моментов.

Для архитектурно-декоративных элементов схемы расчетов на силовые воздействия принимаются по известным принципам теории статики сооружений и сопротивления материалов.

По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), сжатые элементы (колонны, фундаменты).

При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рис. 11), изгибающий момент и поперечная сила. В железобетонной конструкции выделяется две формы разрушения:

• по нормальным сечениям - сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,
• по наклонным сечениям - от действия поперечных сил.

В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рис. 16).

Рис. 16. Изгиб и армирование железобетонной балки:

1 - верхняя (сжатая) арматура; 2 - нижняя (растянутая) арматура; 3 - поперечная арматура; 4 - распределительная арматура

верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположенном направлении

Основными параметрами конструкции являются:

L - пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров;

H - высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально h²;

B - ширина сечения;

a - защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды;

s - шаг поперечной арматуры.

Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рис. 17).

Рис. 17. Разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям

Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных сечений (см. рис. 18).

Рис. 18. Разрушение ж/б элемента по наклонных сечениям (схема)

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.

Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.

Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.

Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).

В колоннах продольная арматура воспринимает преимущественно сжимающие усилия и располагается по периметру сечения.

При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рис. 18). При этом характер работы сжатого элемента нескольно напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.

Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но, в сущности, эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку).

Типичное армирование колонны представлено на рис. 19.

Рис. 19. Работа и армирование сжатой колонны:

1 - продольная арматура; 2 - поперечная арматура

В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание.

Кроме продольной арматуры, в железобетонные конструкции и изделия устанавливается распределительная, монтажная и поперечная арматура (хомуты, отгибы), а в некоторых случаях предусматривается так называемое косвенное армирование в виде сварных сеток и спиралей. Все эти виды арматуры соединяются между собой и обеспечивают создание арматурного каркаса, пространственно неизменяемого в процессе бетонирования.

Главной задачей при проектировании железобетонной конструкции является расчёт армирования. Армирование конструкций выполняется стальными стержнями. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип - арматура устанавливается в растянутые зоны бетона, либо в преднапряжённые, сжатые зоны.

Железобетонные элементы рассчитываются по прочности, жёсткости, трещиностойкости.

2.2 Нагрузки и воздействия

При проектировании зданий и сооружений следует учитывать нагрузки, возникающие при возведении и эксплуатации сооружений, а также при изготовлении, хранении и перевозке строительных конструкций.

В расчетах используют нормативные и расчетные значения нагрузок. Установленные нормами наибольшие значения нагрузок, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными. Фактическая нагрузка в силу разных обстоятельств может отличаться от нормативной в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитывается коэффициентом надежности по нагрузке.

Расчет конструкции производится на расчетные нагрузки

q=qngf ,

где qn - нормативная нагрузка;

gf  - коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию. При расчете по первой группе предельных состояний gf принимают:

• для постоянных нагрузок gf = 1,1...1,3;
• временных gf =1,2...1,6, при расчете на устойчивость положения (опрокидывание, скольжение, всплытие), когда уменьшение веса конструкции ухудшает условия ее работы, принимают gf < 1.

Расчет конструкций по второй группе предельных состояний, учитывая меньшую опасность их наступления, производят на расчетные нагрузки при gf =1. Исключение составляют конструкции, относящиеся к I категории трещиностойкости, для которых gf  >l.

Нагрузки и воздействия на здания и сооружения могут быть постоянными и временными. Последние в зависимости от продолжительности действия подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих конструкций; вес и давление грунтов (насыпей, засыпок); воздействие предварительного напряжения.

К временным длительным нагрузкам относятся: вес стационарного оборудования - станков, моторов, емкостей, конвейеров; вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование; нагрузка на перекрытия от складируемых материалов и стеллажей в складах, холодильниках, книгохранилищах, библиотеках и подсобных помещениях.

В тех случаях, когда требуется учитывать влияние длительности действия нагрузок на деформации и образование трещин, к длительным нагрузкам относится часть кратковременных.

К длительным относятся нагрузки, действующие в течение времени, достаточного, чтобы проявились деформации ползучести, увеличивающие прогиб и ширину раскрытия трещин.

К кратковременным нагрузкам относятся: нагрузки от веса людей, оборудования на перекрытия жилых и общественных зданий с полными нормативными значениями; нагрузки от кранов с полным нормативным значением; снеговые нагрузки с полным нормативным значением; ветровые нагрузки, а также нагрузки, возникающие при монтаже или ремонте конструкций.

Особые нагрузки возникают при сейсмических, взрывных или аварийных воздействиях.

Здания и сооружения подвергаются одновременному действию различных нагрузок, поэтому расчет их должен выполняться с учетом наиболее неблагоприятного сочетания этих нагрузок или усилий, вызванных ими. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают:

основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;

особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Временные нагрузки включаются в сочетания как длительные - при учете пониженного нормативного значения, как кратковременные - при учете полного нормативного значения.

Вероятность одновременного появления наибольших нагрузок или усилий учитывается коэффициентами сочетаний y₁ и y₂. Если в основное сочетание включается постоянная и только одна временная нагрузка (длительная и кратковременная), то коэффициенты сочетаний принимают равными 1, при учете двух и более временных нагрузок последние умножают на y₁=0,95 при длительных нагрузках и y₁=0,9 при кратковременных, так как считается маловероятным, чтобы они одновременно достигали наибольших расчетных значений.

При расчете конструкций на особое сочетание нагрузок, включающих взрывные воздействия, допускается не учитывать кратковременные нагрузки.

Значения расчетных нагрузок должны умножаться также на коэффициент надежности по назначению конструкции, учитывающий степень ответственности и капитальности здании и сооружений. Для сооружений I класса (объектов особо важного народнохозяйственного значения) g_n=1, для сооружении II класса (важные народнохозяйственные объекты) g_n=0,95, для сооружений III класса (имеющих ограниченное народнохозяйственное значение) g_n=0,9, для временных сооружении со сроком службы до 5 лет g_n=0,8.

2.3 Методы расчета строительных архитектурно-декоративных конструкций

2.3.1 Особенности работы железобетонных конструкций

Любая задача расчета конструкций имеет три стороны: статическую (или динамическую), геометрическую и физическую.

Статическая (динамическая) сторона задачи заключается в установлении связи между внешними нагрузками, действующими на конструкцию, и внутренними усилиями в любом ее сечении, которая определяется условиями статического (динамического) равновесия. Поскольку внутренние усилия заранее неизвестны, приходится привлекать геометрические и физические соотношения.

Геометрические соотношения связывают перемещения и деформации конструкции.

Физические определяют закон, по которому напряжения зависят от деформаций. Характер изменения напряженно-деформированного состояния сечении обычных железобетонных элементов в процессе нагружения был известен уже в начале нашего века. Однако теоретические основы, учитывающие его особенности, отсутствовали. Существовал лишь метод расчета по допускаемым напряжениям. Он и был принят первоначально для расчета железобетонных конструкций.

2.3.2 Метод расчета по допускаемым напряжениям

Применялся в нашей стране до 1938 г. Согласно этому методу бетон рассматривался как упругий материал. В основу расчетных зависимостей были положены закон Гука, гипотеза плоских сечений. Вместо действительного железобетонного сечения в расчет вводилось приведенное бетонное сечение, в котором арматура заменялась эквивалентным по прочности количеством бетона. Сопротивлением бетона растянутой зоны пренебрегали. В результате расчета определялись напряжения в бетоне и арматуре от эксплуатационных нагрузок, которые не должны были превосходить допускаемые. Последние назначались как доля от предела прочности sadm=R/g, где g - обобщенный коэффициент запаса.

Однако на основании многочисленных опытов было установлено, что этот метод, не учитывающий пластические свойства железобетона, обладал рядом серьезных недостатков: не позволял определять действительные напряжения, находить разрушающую нагрузку и т. д.

Таким образом, практика заставила исследователей искать теоретические основы, отражающие действительную работу железобетонных элементов.

2.3.3 Расчет сечений по разрушающим нагрузкам

В результате обширных исследований, проведенных советскими учеными (А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев и др.), в начале 30-х годов был разработан метод, учитывающий упругопластические свойства железобетона, который был включен в нормы проектирования железобетонных конструкции в 1938 г.

В основу метода расчета сечений по разрушающим нагрузкам была положена работа конструкции в III стадии напряженно-деформированного состояния, при этом предполагалось, что напряжения в бетоне и арматуре достигают предельных значений. В отличие от метода расчета по допускаемым напряжениям, где напряжения в бетоне и арматуре определялись по действующему в сечении внешнему усилию, в рассматриваемом методе по принятым напряжениям в сечении, установленным на основания экспериментов, определялось значение разрушающего усилия. Метод позволял назначать общий для всего сечения коэффициент запаса. Допускаемая нагрузка находилась путем деления разрушающей нагрузки на этот коэффициент. Метод более правильно отражал действительную работу сечений, подтверждался экспериментально и явился крупным шагом в развитии теории железобетона.

Общим недостатком обоих рассмотренных выше методов являлось использование единого коэффициента запаса, лишь весьма приближенно учитывающего многообразие факторов, влияющих на работу конструкции. Кроме того, метод расчета по разрушающим нагрузкам, позволяя достоверно определять прочность конструкции, не давал возможности оценить ее работу на стадиях, предшествующих разрушению, в частности при эксплуатационных нагрузках. Впрочем, до определенного периода практика и не ставила перед исследователями такой задачи. Это объясняется тем, что применялись сталь и бетон относительно низкой прочности, конструкции имели развитые сечения, прогибы и трещины в бетоне от эксплуатационных нагрузок были невелики и не препятствовали нормальной работе конструкций. С появлением бетона и арматуры более высокой прочности сечения уменьшались, снижалась и их жесткость, в результате чего прогибы конструкций от фактических нагрузок оказывались значительными, создавая в ряде случаев препятствия нормальной эксплуатации. Кроме того, более существенную роль стал играть фактор раскрытия трещин, вызывающий коррозию стали, к которой высокопрочная арматура особенно чувствительна. Последние два обстоятельства наряду с отмеченными выше недостатками существовавших методов потребовали дальнейшего совершенствования методики расчета железобетонных конструкций.

2.3.4 Расчет сечений по предельным состояниям

С 1955 г. расчет железобетонных конструкций производится по методу предельных состояний.

Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери способности сопротивляться внешним нагрузкам или получения недопустимых перемещений или местных повреждений.

В соответствии с этим установлены две группы предельных состояний: первая - по несущей способности; вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации.

Расчет по первой, группе предельных состояний выполняется с целью предотвращения разрушения конструкций (расчет по прочности), потерн устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение), усталостного разрушения (расчет на выносливость).

Расчет по второй группе предельных состояний имеет цель не допустить развитие чрезмерных деформаций (прогибов), исключить возможность образования трещин в бетоне или ограничить ширину их раскрытия, а также обеспечить в необходимых случаях закрытие трещин после снятия части нагрузки.

Расчет по первой группе предельных состояний является основным и используется при подборе сечений. Расчет по второй группе производится для тех конструкций, которые, будучи прочными, теряют свои эксплуатационные качества вследствие чрезмерных прогибов (балки больших пролетов при относительно малой нагрузке), образования трещин (резервуары, напорные трубопроводы) или чрезмерного раскрытия трещин, приводящего к преждевременной коррозии арматуры.

Нагрузки, действующие па конструкцию, и прочностные характеристики материалов, из которых конструкция изготовлена, обладают изменчивостью и могут отличаться от средних значений.

Поэтому для обеспечения того, чтобы за время нормальной эксплуатации сооружения не наступило ни одного из предельных состояний, вводится система расчетных коэффициентов, учитывающих возможные отклонения (в неблагоприятную сторону) различных (факторов, влияющих на надежную работу конструкции:

коэффициенты надежности по нагрузке gf, учитывающие изменчивость нагрузок или воздействий;

коэффициенты надежности по бетону gb и арматуре gs, учитывающие изменчивость их прочностных свойств;

коэффициенты надежности по назначению конструкции gn, учитывающие степень ответственности и капитальности зданий и сооружений;

коэффициенты условий работы gbi и gsi, позволяющие оценить некоторые особенности работы материалов и конструкций в целом, которые не могут быть отражены в расчетах прямым путем.

Расчетные коэффициенты устанавливают на основе вероятностно-статистических методов. Они обеспечивают требуемую надежность работы конструкций для всех стадий: изготовления, транспортирования, возведения и эксплуатации.

Таким образом, основная идея метода расчета по предельным состояниям заключается в обеспечении условия, чтобы даже в тех редких случаях, когда на конструкцию действуют максимально возможные нагрузки, прочность бетона и арматуры минимальна, а условия эксплуатации наиболее неблагоприятны, конструкция не разрушилась и не получила бы недопустимых прогибов или трещин. При этом во многих случаях удается получать достаточно экономичные решения не хуже, чем при расчете другими методами. Рассчитываемые на прочность архитектурно-декоративные элементы, кроме функций восприятия силовых нагрузок, несут функцию восприятия атмосферных, темепературно-влажностных воздействий с прямым влиянием особенностей климата (осадки, ветер, мороз) и противодействия вредным техногенным проявлениям (смог, кислотные дожди, выбросы автотранспортных газов). С этой точки зрения архитектурно-декоративные элементы играют роль прямой защиты ограждающих конструкций (по фасадам зданий и сооружений) и на сооружениях старой постройки, восстанавливающих (ремонтных) средств, купирующих деформации выветривания.

2.4 Применение архитектурно-декоративных элементов с оценкой их защитных функций

На заводе «Белый камень» изготавливают архитектурно-декоративные элементы в виде закладных и накладных элементов.

Закладные элементы вкладываются в массив на этапе строительства коттеджа, тем самым достигая совместной работы с домом. В данном варианте арматурный каркас самих элементов сваривается с арматурой в «пироге» стены. Таким образом, происходит экономия на кирпиче в местах размещения этих элементов при строительстве дома. Такой вариант по креплению элементов наиболее прочный. Для успешного применения подобного крепления необходимо разрабатывать специальный раздел строительного проекта дома. К закладным элементам, выпускаемых «Объединением «Интекс», относятся, например, русты, капители, колонны, обрамления окон и дверей, подоконная плита и т.д. (рис. 21-24).

Рис. 20. Закладные мансардные несущие окна

Рис. 21. Колонны

Рис. 22. Фрагмент стены с лепным декоративным узором

При разработке чертежей по проектированию дома по изготовлению элементов учитывается собственный вес изделий, что в дальнейшем является определяющим для выбора крепежа.

Рис. 24. Закладные архитектурно-декоративные элементы в построенном здании

Накладные элементы применяют для отделки фасадов реставрируемых зданий или вновь строящихся коттеджей, а также в качестве дополнительной функции защиты фасадов зданий от природно-климатического воздействия. К ним относятся облицовочные элементы из «белого камня». В ассортименте завода есть уникальные отделочные элементы как в виде отдельных штучных элементов - плитки, так и в виде панелей метр на метр, которые по внешнему виду неотличимы от скалы, бутового камня, кирпича, рваного камня и т.д (рис. 25). Срок службы плитки, даже с учетом российских климатических условий сопоставим с долговечностью дома. Элементы в идее панелей позволяют скрыть не ровности фасадов и применяются, например, при невозможности проведения очистных работ в уже сформированных коттеджных поселках. При использовании таких элементов весь дом получается, как бы одет в кожух (рис. 26). Так же такой способ позволяет значительно сократить срок монтажа элементов, а в случае необходимости и использовании длинных химических анкеров даже усилить стену.

Рис. 25. Плитка стеновая (цокольная), выпускаемая на заводе «Белый камень» «Объединения «Интекс»

Рис. 26. Пример использования стеновой плитки из «белого камня» под грубый скол природного камня в оформлении дома в стиле модерн

Крепление накладных элементов осуществляется по принципу крепления отделочных элементов, а именно анкерными крепежами, на раствор или специальные разработанные клеевые смеси, необходимые для защиты  пространства между стеной и элементом от попадания влаги.

При реконструкции уже построенного дома крепление элементов осуществляется исходя из технической возможности, например:

• 1. элементы крепятся в накладку к стене (с проливкой раствором) с помощью специальных нержавеющих анкеров (рис. 27);
• 2. элементы крепятся в накладку к стене (с проливкой раствором) с помощью так называемых химическох акеров (рис. 28);
• 3. элементы крепятся в накладку к стене (с проливкой раствором) с использованием химических анкеров, а также с углублением в стену на 20% от собственной толщины;
• 4. и другие способы.

Для крепления в стене просверливаются отверстия, вводятся специальные распорные анкеры с помощью которых осуществляется крепление изделий из «белого камня». Рекомендуется для крепления использовать анкера фирм Hilti, Fisher, Upat, Sormat, Tox (рис. 29).

Рис. 27. Схема крепления элементов

Рис. 28. Применение химического анкера для крепления выносной опорной закладной детали

Рис. 29. Применение распорного анкера марки Hilti в пористом материале для крепления закладной несущей детали

При использовании плитки в виде отдельных элементов, крепление её осуществляется по средством приклеивания на раствор с фасадным клеем по сетке. Стыковка плиточных панелей осуществляется также в зависимости от конкретных задач и учитывается при изготовлении как основных, так и доборных элементов. Существует ряд стыковок, которые часто используются при отделочных работах:

- скрещенная - когда соединительный шов между двумя панелями проходит по ломанной кривой и повторяет контуры плитки, а вход панели в панели осуществляется как скрещенные пальцы,

- прямая - когда стыковка торцов панелей или иных элементов с плитой осуществлен под прямым углом,

- угловая - когда идёт использование скрещенного стыка, но под углом нисходящим, либо соответственно восходящим,

- круговая скрещенная, и круговая сплошная - соответственно вышеупомянутые примыкания, но по кругу или овалу, также существуют иные модификации, но суть данных процессов сводится к тому, чтобы сделать максимально незаметным место, где закончилась одна монолитная плита и началась другая.

Количество точек крепежа, диаметр, длина крепёжного элемента также определяется весом и габаритными размерами элемента, конструкцией стены. Для расчета общего количества точек крепления необходимо исходить из нагрузки 10 кг на каждое крепление (без учета клеящего состава).

При выборе анкерного крепежа для отделки фасада необходимо учитывать величину отклонения стены от вертикали. Рекомендуемые диаметры крепёжных элементов 8-12 мм. Рекомендуемая глубина заделки крепежного элемента должна составлять 1,5-2 толщины навешиваемого изделия. В стенах с наружной кладкой из лицевого кирпича длина крепежного элемента должна обеспечить заделку его в основном массиве стены на глубину не менее 60-70 мм.

Промерить всю высоту крепления элементов необходимо до начала выполнения навески, для определения места крепления первого элемента. Подгонка элементов осуществляется с применением абразивных кругов, алмазных дисков, для резки сухого камня. Резку элементов необходимо осуществлять с лицевой поверхности. Ломать массивные элементы допускается только по предварительно нанесённому распилу. При осуществлении подгонки, распиловки при строительстве дома необходимо учитывать наличие внутреннего пространственного армокаркаса в элементах. Сечение, размещение армокаркаса отражается в рабочем проекте изготовления архитектурных элементов.

Монтаж изделий схематично сводится к следующему:

- подгонка изделий по определенный размер (если требуется);

- просверливание монтажных отверстий и их раззинковки в изделии;

- разметка на поверхность стены мест крепления, сверление отверстий и забивка дюбеля;

- нанесение клеящего состава на тыльную сторону изделия, вывешивание изделия и его закрепление с помощью крепежного стержня (шируп, анкер);

- заделка отверстия головки крепежного стержня и заделка швов между стеной и изделием;

- грунтовка и окраска фасадными красками в желаемый цвет (в случае выполнения изделия в сером цвете под окраску).

Помимо вышеперечисленных способов крепления элементов отделки фасадов существуют дополнительные схемы, разрабатываемые в каждом конкретном случае отдельно.

Основным направлением изготовления плитки для отделки фасадом является индивидуальное изготовление, которое позволяет помимо соблюдения технологических особенностей здания при реставрационных работах, но и архитектурные потребности, которые не могут совпадать у разных заказчиков. 

Кроме крупногабаритных закладных элементов, а также  отделочной плитки, мелкоштучных элементов, например, розеток, замков  «Объединение «Интекс» производит по индивидуальным эскизам, с учетом пожеланий заказчика целые участки стен с барельефами и лепным декором размером до нескольких квадратных метров при толщине 6-10 см (рис. 30-32), придающие фасадам зданий индивидуальность и архитектурную выразительность.

Рис. 30. Декоративные элементы - один из главных приемов украшения фасада здания

Рис. 31. Декоративные элементы - медальоны

Рис. 32. Рельефы - украшение для фасадов зданий

Вывод: Применение архитектурно-декоративных изделий позволяет придать высоко-эстетическое качество, как существующим постройкам, так и вновь строящимся. Архитектурно-декоративные элементы зданий могут нести функции, как элементов строительного назначения, так и защитную, и в дополнение эстетическую функцию, при надлежащем качестве исполнения и материала.