ТЕМПЕРАТУРНІ ШВИ В БУДІВНИЦТВІ

Деформаційні шви – це спеціально передбачені розриви в конструкціях будівель, призначені для компенсації деформацій, що виникають під впливом різних факторів: температурних коливань, осідань ґрунту, сейсмічних навантажень та усадки матеріалів. Згідно з ДБН В.2.6-14-97 ‘Конструкції будинків і споруд. Покриття будівель і споруд’, основні типи деформаційних швів включають:

1. Температурні шви: Компенсують лінійні деформації, що виникають внаслідок розширення або стиснення матеріалів при зміні температури повітря та впливу сонячної радіації. Вони розділяють будівлю на окремі температурні блоки, які можуть вільно розширюватися та стискатися без створення надмірних напружень. Типові відстані між температурними швами для монолітних бетонних конструкцій становлять 20-30 м, для залізобетонних — 40-60 м, а для металевих каркасів можуть сягати 80-100 м, залежно від коефіцієнта лінійного розширення металу та температурного діапазону експлуатації.

2. Осадочні шви: Розділяють будівлю на секції з різною жорсткістю або ті, що спираються на ґрунти з різною несучою здатністю, щоб уникнути пошкоджень від нерівномірного осідання фундаментів. Ці шви проходять через усі конструкції будівлі, включно з фундаментом.

3. Сейсмічні шви: Забезпечують незалежність окремих блоків будівлі під час землетрусів, запобігаючи взаємному удару сусідніх частин. Їхня ширина визначається розрахунком з урахуванням прогнозованих сейсмічних навантажень.

4. Усадочні шви: Застосовуються переважно в монолітних бетонних конструкціях для компенсації усадкових деформацій бетону при його твердінні, що запобігає утворенню тріщин. Наприклад, у великих промислових плитах підлог їх часто влаштовують з кроком 6-8 м.

Правильне визначення типу, розташування та конструкції деформаційних швів є критично важливим на етапі проєктування для забезпечення довговічності та безпечної експлуатації об’єкта. Відсутність або некоректне виконання цих швів може призвести до утворення тріщин, деформацій та руйнування несучих елементів, знижуючи структурну цілісність будівлі та її експлуатаційний ресурс. Сучасні проєкти архітектури, такі як ті, що представлені на сторінці архітектора, завжди враховують ці аспекти.

Теплове розширення є фундаментальним фізичним явищем, що лежить в основі необхідності влаштування температурних швів. При зміні температури більшість матеріалів змінюють свої лінійні розміри: нагрівання викликає розширення, а охолодження – стиснення. Ця властивість характеризується коефіцієнтом лінійного теплового розширення (α), який показує, наскільки змінюється одиниця довжини матеріалу при зміні температури на 1 °C.

Значення α для типових будівельних матеріалів:

• Бетон: α ≈ (7-12) x 10^-6 °C^-1. Це означає, що відрізок бетонної конструкції довжиною 1 метр при зміні температури на 10 °C змінить свою довжину приблизно на 0.07-0.12 мм.
• Сталь: α ≈ 12 x 10^-6 °C^-1. Сталь має коефіцієнт розширення, близький до бетону, що є перевагою в залізобетонних конструкціях, оскільки це мінімізує внутрішні напруження.
• Деревина (вздовж волокон): α ≈ (3-5) x 10^-6 °C^-1. Деревина розширюється значно менше, ніж бетон чи сталь вздовж волокон, але має більший коефіцієнт розширення поперек волокон, що вимагає окремого розгляду.
• Алюміній: α ≈ 23 x 10^-6 °C^-1. Значно більший коефіцієнт, що важливо враховувати в фасадних системах.

Нехтування цим явищем у великих за площею або довжиною конструкціях призводить до виникнення значних внутрішніх напружень. Якщо ці напруження перевищують міцність матеріалу на розтягнення, виникають тріщини. Наприклад, бетон має низьку міцність на розтягнення (лише близько 10% від міцності на стиск), тому він особливо чутливий до теплових деформацій. Експертні підходи до будівельних матеріалів завжди враховують їхні фізичні властивості, зокрема й особливості деревини.

Відповідно до EN 1991-1-5 (Eurocode 1: Actions on structures – Part 1-5: General actions – Thermal actions), при проєктуванні конструкцій слід враховувати температурні градієнти, середні температури та їхні екстремальні значення для конкретного кліматичного регіону. Це дозволяє точно розрахувати величину деформацій та визначити оптимальний крок і ширину температурних швів, забезпечуючи структурну цілісність та запобігаючи небажаним напруженням.

Проєктування температурних швів у стінових конструкціях є одним з найважливіших етапів, що безпосередньо впливає на довговічність та експлуатаційну надійність будівлі. Основне завдання — визначити оптимальну відстань між швами (їхній крок) та обрати відповідну конструкцію шва, яка забезпечить вільне розширення та стиснення стін без ризику пошкоджень.

Розрахунок кроку температурних швів:

Крок температурних швів (L) залежить від кількох ключових факторів:

• Коефіцієнта лінійного теплового розширення матеріалу стіни (α).
• Максимальної різниці температур (ΔT), якій піддається конструкція протягом року. Для України, з її континентальним кліматом, ця різниця може сягати 60-80 °C (від -25°C до +35°C).
• Допустимих напружень на розтягнення (σ_доп) для матеріалу стіни.
• Модуля пружності матеріалу (E).

У спрощеному вигляді довжина ділянки стіни без шва може бути розрахована за формулою, що обмежує деформації до певного допустимого значення. Згідно з ДБН В.2.1-10-2009 ‘Основи та фундаменти споруд’, для багатоповерхових будівель, що зводяться на однорідних ґрунтах, крок температурних швів для зовнішніх стін з цегли зазвичай не перевищує 40-50 метрів, тоді як для монолітних залізобетонних стін він може бути збільшений до 60-70 метрів. Для фасадів, облицьованих керамогранітом, рекомендований крок швів становить 6-12 метрів, а для металевих панелей — 15-20 метрів.

Конструктивні рішення для стін:

• Наскрізні шви: Проходять через всю товщину стіни, включаючи зовнішнє облицювання та внутрішнє оздоблення. Вони забезпечують повне розділення ділянок стіни.
• Заповнення швів: Для зовнішніх стін шви заповнюються еластичними та вологостійкими матеріалами, такими як спеціальні герметики (поліуретанові, силіконові), стрічки з ПСУЛ (попередньо стиснута ущільнювальна стрічка) або спеціальні профілі з EPDM-каучуку. Важливо забезпечити пароізоляцію з внутрішнього боку та гідроізоляцію ззовні.
• Армування країв швів: У місцях влаштування швів необхідно передбачати посилене армування країв для запобігання відколів та руйнування матеріалу стіни.

Приклади застосування таких технологій можна побачити у проектах Barn House, де великі площі стін потребують ретельного планування.

Ефективне управління температурними деформаціями не обмежується лише стінами; воно є критично важливим також для перекриттів та фундаментів, особливо у великих будівлях або тих, що піддаються значним температурним коливанням. Інтеграція деформаційних швів у ці елементи вимагає специфічних підходів, враховуючи їхню функцію як горизонтальних та несучих конструкцій.

Перекриття:

• Монолітні залізобетонні перекриття: У великих монолітних плитах перекриття температурні шви влаштовуються аналогічно стінам, розділяючи плиту на окремі блоки. Це запобігає утворенню тріщин внаслідок усадки бетону під час твердіння та температурних змін під час експлуатації. Крок швів для монолітних перекриттів зазвичай становить 30-50 метрів, але може бути скоригований залежно від типу армування та температурного діапазону. Важливо забезпечити, щоб армування було перервано на лінії шва, а сам шов заповнений еластичним матеріалом, який зберігає свої властивості при циклічних деформаціях.
• Збірні перекриття: У системах зі збірних залізобетонних плит температурні шви рідше є наскрізними, оскільки окремі елементи вже мають певну рухливість. Однак у великопанельних будівлях, де перекриття мають велику площу, можуть виникати значні напруження, що вимагає компенсації. Тут компенсацію можуть забезпечувати еластичні з’єднання між плитами або спеціальні деформаційні елементи, що розміщуються у швах між панелями.

Фундаменти:

Для більшості будівель температурні шви у фундаменті збігаються з осадочними швами або ж їх не влаштовують взагалі, оскільки температура ґрунту під фундаментом є відносно стабільною і не схильна до різких змін, що викликають значні деформації. Проте, у випадках, коли фундамент має значні лінійні розміри (понад 80-100 метрів) або коли він є частиною великих промислових споруд з особливим температурним режимом, проєктування температурних швів у фундаментній плиті або стрічкових фундаментах стає необхідним. У таких випадках шов повинен проходити через всю товщину фундаменту, а його заповнення має бути водонепроникним і довговічним, оскільки він знаходиться у контакті з ґрунтом. Дренажні системи, що часто встановлюються навколо фундаменту, як описано на сторінці про дренаж, також можуть потребувати узгодження з розташуванням температурних швів.

Важливо, щоб всі деформаційні шви були продумані як єдина система, яка забезпечує безперебійне функціонування всієї конструкції.

Сучасне будівництво все більше покладається на технології інформаційного моделювання будівель (BIM) для підвищення ефективності проєктування, будівництва та експлуатації. У контексті температурних швів BIM відіграє вирішальну роль, дозволяючи інженерам-проєктувальникам точно моделювати термічні деформації, прогнозувати поведінку конструкцій та оптимізувати розміщення цих критичних елементів.

Ключові переваги BIM для температурних швів:

1. Точне моделювання деформацій: BIM-платформи дозволяють інтегрувати фізичні властивості матеріалів (такі як коефіцієнти теплового розширення) та кліматичні дані (температурні діапазони) безпосередньо у віртуальну модель. Спеціалізовані аналітичні модулі можуть симулювати розширення та стиснення конструктивних елементів протягом річного циклу, візуалізуючи потенційні зони високих напружень, де необхідне влаштування швів.
2. Оптимізація розміщення та кроку швів: На основі результатів моделювання інженери можуть визначити оптимальний крок і ширину температурних швів. Замість використання узагальнених нормативних значень, BIM дає можливість застосувати специфічні дані проєкту, що забезпечує більш економічне та точне рішення. Це дозволяє уникнути надлишкових швів, які можуть збільшувати вартість будівництва та вимагати додаткового обслуговування, або їхньої недостатності, що призводить до руйнувань.
3. Координація та виявлення колізій: Температурні шви часто перетинаються з інженерними системами (трубопроводами, електричними кабелями) та архітектурними елементами. BIM-модель дозволяє виявити потенційні колізії на ранніх етапах проєктування, забезпечуючи їхню правильну інтеграцію та проходження через шов з дотриманням необхідних зазорів та компенсаційних елементів. Це, зокрема, стосується й систем вентиляції.
4. Візуалізація та комунікація: 3D-моделі з чітко позначеними температурними швами покращують комунікацію між усіма учасниками проєкту – архітекторами, інженерами, будівельниками. Це допомагає уникнути помилок на етапі будівництва та забезпечити точне виконання проєктних рішень.
5. Документація та підтримка життєвого циклу: BIM-модель слугує єдиним джерелом інформації про будівлю, включаючи деталі та специфікації температурних швів. Це спрощує управління об’єктом під час експлуатації, проведення ремонтів та обслуговування.

Використання BIM у проєктуванні температурних швів є не просто перевагою, а необхідністю для складних та масштабних будівельних проєктів, що гарантує їхню довговічність та структурну цілісність.

Вибір правильних матеріалів та технологій для заповнення температурних швів є настільки ж важливим, як і їхнє правильне проєктування. Неефективне заповнення може нівелювати всі зусилля з розрахунків, призводячи до інфільтрації вологи, втрати теплоізоляції та пошкодження конструкцій. Основна вимога до заповнювача – це здатність витримувати циклічні деформації розширення та стиснення без втрати своїх фізико-механічних властивостей.

Типи матеріалів для заповнення швів:

• Герметики:
  • Поліуретанові герметики: Високоеластичні, мають відмінну адгезію до більшості будівельних матеріалів (бетон, метал, дерево), стійкі до УФ-випромінювання та атмосферних впливів. Можуть витримувати деформації до 25-50% від початкової ширини шва. Згідно з EN ISO 11600, герметики класифікуються за типом (F – для фасадів, G – для скління) та рівнем деформаційної здатності (наприклад, F-25LM означає фасадний герметик з низьким модулем пружності, здатний до деформації ±25%).
  • Силіконові герметики: Дуже еластичні, стійкі до високих та низьких температур, хімічно інертні. Часто використовуються для зовнішніх робіт, де потрібна висока довговічність. Однак, деякі типи силіконів можуть мати обмежену адгезію до пористих матеріалів без ґрунтовки.
  • Акрилові герметики: Менш еластичні, ніж поліуретанові, але дешевші та придатні для внутрішніх робіт або швів з невеликими деформаціями.
• Компенсатори та профілі: Спеціальні профілі з EPDM-каучуку, термопластичного еластомеру або металу з еластичними вставками. Вони встановлюються у шви та забезпечують надійний захист від вологи, зберігаючи при цьому здатність до великих деформацій. Використовуються для швів з великою шириною (від 30 мм і більше) або там, де потрібна висока довговічність і механічна стійкість.
• Ущільнювальні шнури (backer rods): Зазвичай виготовляються з пінополіетилену. Встановлюються вглиб шва перед нанесенням герметика для формування правильного профілю шва та запобігання адгезії герметика до дна шва, що дозволяє йому працювати тільки на бічних стінках, забезпечуючи максимальну еластичність.
• Попередньо стиснуті ущільнювальні стрічки (ПСУЛ): Стрічки з імпрегнованої пінополіуретанової основи, які після розпакування розширюються, заповнюючи шов. Забезпечують паропроникність та захист від вітру та дощу.

Технологія монтажу:

1. Підготовка шва: Поверхні шва повинні бути чистими, сухими, без пилу та жиру. За потреби застосовують ґрунтовку для покращення адгезії.

2. Встановлення ущільнювального шнура: Шнур встановлюється на необхідну глибину, щоб сформувати потрібний переріз герметика (глибина герметика має бути приблизно вдвічі меншою за ширину, але не менше 6 мм і не більше 12 мм).

3. Нанесення герметика: Герметик наноситься рівномірно за допомогою пістолета, заповнюючи весь простір над шнуром. Потім поверхня розрівнюється шпателем.

4. Монтаж профілів: Металеві або еластомерні профілі встановлюються згідно з інструкцією виробника, зазвичай кріпляться до країв шва механічно.

Правильний вибір та якісне застосування цих матеріалів критично важливі для забезпечення довговічності та функціональності температурних швів.

Глибоке розуміння конструктивних вузлів температурних швів є запорукою їхньої ефективності. Кожен вузол має бути спроєктований таким чином, щоб забезпечити вільне переміщення елементів, зберігаючи при цьому герметичність, естетику та відповідність несучої здатності. Розглянемо ключові аспекти та типові приклади.

Загальні вимоги до конструктивних вузлів:

• Рухливість: Вузол повинен забезпечувати безперешкодне горизонтальне переміщення елементів у межах розрахункових деформацій (ΔL = α × L × ΔT).
• Герметичність: Повинна бути забезпечена повна водо- та повітронепроникність шва, щоб запобігти інфільтрації вологи, промерзанню та втратам теплової енергії. Це особливо важливо для зовнішніх стін та покрівель.
• Естетика: Шов повинен бути акуратно виконаний і інтегрований в загальний дизайн будівлі.
• Довговічність: Використовувані матеріали повинні мати тривалий термін служби та бути стійкими до агресивних факторів навколишнього середовища.
• Вогнестійкість: У деяких випадках, залежно від категорії будівлі, деформаційні шви можуть вимагати заповнення вогнестійкими матеріалами для запобігання поширенню вогню (згідно з EN 13501-2 ‘Fire classification of construction products and building elements’).

Типові приклади вузлів:

1. Температурний шов у зовнішній стіні (багатошарова конструкція):

• Зовнішній шар (облицювання): Часто використовують еластичні профілі з EPDM-каучуку або силіконові герметики, які наносяться на ущільнювальний шнур.
• Середній шар (утеплювач): Шов проходить через утеплювач, який може бути розрізаний і заповнений еластичним, негігроскопічним матеріалом (наприклад, мінеральною ватою або спеціальним пінополістиролом з обмеженою щільністю).
• Внутрішній шар (несуча стіна): Заповнюється поліуретановим герметиком з ущільнювальним шнуром, забезпечуючи паронепроникність зсередини.
• Обов’язковим є наскрізний зазор для повного розділення конструкції.

2. Температурний шов у монолітній бетонній підлозі:

• Шов нарізається диском після твердіння бетону (глибиною 1/3 товщини плити) або формується за допомогою опалубки.
• Краї шва посилюються металевими кутниками або спеціальними профілями для захисту від механічних пошкоджень.
• Заповнюється еластичним поліуретановим герметиком або спеціальними шнурами/профілями, що компенсують рухи.
• У промислових підлогах часто використовуються спеціальні деформаційні компенсатори з елементами для передачі навантаження (дюбелі або ковзаючі пластини), які дозволяють вертикальні переміщення.

3. Температурний шов у покрівлі:

• На покрівлях з великою площею шви прорізаються через всі шари (пароізоляція, утеплювач, гідроізоляція).
• Використовуються спеціальні компенсаційні елементи з еластичних матеріалів, що забезпечують водонепроникність при значних деформаціях.
• Часто застосовуються деформаційні профілі з EPDM або бітумно-полімерні стрічки, що стійкі до УФ-випромінювання та перепадів температур. Детальніше про монтаж даху можна дізнатися на цій сторінці.

Кожен вузол вимагає ретельного інженерного розрахунку та вибору матеріалів, що відповідають конкретним умовам експлуатації та нормативним вимогам.

В Україні проєктування та влаштування температурних швів регулюється рядом будівельних норм та стандартів (ДБН), які адаптовані до кліматичних умов та специфіки будівельної практики регіону. Хоча українські нормативи не завжди надають настільки деталізовані вимоги до матеріалів та вузлів, як європейські Єврокоди (наприклад, EN 1991-1-5), вони встановлюють загальні принципи та максимально допустимі відстані між деформаційними швами для різних типів конструкцій.

Ключові українські нормативи:

• ДБН В.2.6-98:2009 ‘Конструкції будинків і споруд. Покриття та покрівлі’: Регулює вимоги до деформаційних швів у покрівельних конструкціях, зокрема, для плоских покрівель з великими площами.
• ДБН В.2.6-ХХХ:2018 ‘Конструкції будинків і споруд. Бетонні та залізобетонні конструкції. Основні положення’ (або актуальна версія): Містить загальні вимоги до проектування бетонних та залізобетонних елементів, включаючи питання температурних деформацій та необхідність влаштування швів у великих масивах.
• ДБН В.2.1-10-2009 ‘Основи та фундаменти споруд’: Вказує на необхідність врахування деформацій, спричинених температурними впливами, при проектуванні фундаментів, хоча прямо не регламентує влаштування температурних швів у них, крім випадків значних довжин фундаментних плит.

Особливості української практики:

• Кліматичні умови: Україна характеризується значними сезонними коливаннями температури (від -25°C до +35°C і вище), що вимагає ретельного розрахунку ширини температурних швів для компенсації деформацій.
• Матеріали: На українському ринку широко доступні вітчизняні та імпортні герметики, ущільнювальні стрічки та профілі, які відповідають європейським стандартам якості (EN, ISO) та можуть бути використані для влаштування температурних швів. Важливо обирати сертифіковані матеріали, що мають протоколи випробувань на еластичність, адгезію та довговічність.
• Проектування: У проєктній документації обов’язково вказуються місця розташування деформаційних швів, їхні розміри, тип заповнення та детальні конструктивні вузли. Застосування сучасних програмних комплексів для розрахунку конструкцій та BIM-моделювання дозволяє враховувати специфічні українські кліматичні дані та нормативні вимоги.
• Виконання робіт: Якість монтажу температурних швів критично залежить від кваліфікації виконавців. Неправильна підготовка поверхні, недотримання технології нанесення герметика або встановлення профілів може призвести до швидкого руйнування шва та його непрацездатності. Тому велике значення має технічний нагляд та контроль за якістю робіт. Деякі забудовники, як будівельна компанія KOLEO, роблять акцент на дотриманні високих стандартів.

Незважаючи на відмінності у деталізації, базові принципи проєктування та виконання температурних швів в Україні відповідають світовим стандартам, спрямованим на забезпечення надійності та довговічності будівельних конструкцій.