Навесная стена — это внешнее покрытие здания, в котором внешние стены не являются несущими, а служат для защиты внутренней части здания от стихии. Поскольку фасад навесной стены не несет никакой структурной нагрузки , кроме собственного веса, он может быть изготовлен из легких материалов. Стена передает боковые ветровые нагрузки на нее к основной конструкции здания через соединения на этажах или колоннах здания.
Навесные стены могут быть спроектированы как «системы», объединяющие каркас, стеновую панель и материалы для защиты от непогоды. Стальные каркасы в значительной степени уступили место алюминиевым профилям. Стекло обычно используется для заполнения, поскольку оно может снизить затраты на строительство, обеспечить архитектурно приятный вид и позволить естественному свету проникать глубже в здание. Однако стекло также затрудняет контроль воздействия света на визуальный комфорт и приток солнечного тепла в здание. Другие распространенные заполнения включают каменный шпон , металлические панели, жалюзи и управляемые окна или вентиляционные отверстия.
В отличие от систем фасадов магазинов, системы навесных фасадов проектируются так, чтобы охватывать несколько этажей, принимая во внимание колебания и перемещения здания , а также требования к проектированию, такие как тепловое расширение и сжатие, сейсмические требования, отвод воды и тепловая эффективность для экономичного отопления, охлаждения и внутреннего освещения.
Исторически здания строились из древесины, каменной кладки или их комбинации. Их внешние стены были несущими , выдерживая большую часть или всю нагрузку всей конструкции. Природа материалов привела к внутренним ограничениям высоты здания и максимального размера оконных проемов. [ необходима цитата ]
Развитие и широкое использование конструкционной стали , а позднее и железобетона, позволило сравнительно небольшим колоннам выдерживать большие нагрузки. Внешние стены могли быть ненесущими, и, таким образом, намного легче и более открытыми, чем несущие стены прошлого. Это дало возможность более частому использованию стекла в качестве внешнего фасада, и родилась современная навесная стена. [ необходима цитата ]
Деревянные конструкции с балочно-стоечным и каркасно- балочным каркасом фактически представляли собой раннюю версию навесных стен, поскольку их каркасы поддерживали нагрузки, которые позволяли самим стенам выполнять другие функции, например, защищать от непогоды и пропускать свет. [ требуется ссылка ] Когда в Британии в конце XVIII века в зданиях начали широко использоваться железо, например, на льнокомбинате в Дитерингтоне , а позднее, когда были построены здания из кованого железа и стекла, такие как Хрустальный дворец , были заложены основные принципы структурного понимания для разработки навесных стен. [ требуется ссылка ]
Oriel Chambers (1864) и 16 Cook Street (1866), оба построенные в Ливерпуле , Англия , местным архитектором и инженером-строителем Питером Эллисом , характеризуются широким использованием стекла в своих фасадах. В сторону дворов они могли похвастаться стеклянными навесными стенами с металлическим каркасом, что делает их двумя из первых зданий в мире, включающих эту архитектурную особенность. [1] Oriel Chambers занесен в Книгу рекордов Гиннесса как самое раннее подобное здание. [2] Обширные стеклянные стены позволяли свету проникать глубже в здание, используя больше площади и сокращая расходы на освещение. Oriel Chambers занимает 43 000 кв. футов (4000 м2 ) , расположенных на пяти этажах без лифта , который был изобретен совсем недавно и еще не был широко распространен. [3] Статуя Свободы (1886) имеет тонкую, не несущую медную оболочку. Для крупных заводских зданий стало необходимым широкое использование стекла, чтобы обеспечить освещение производства, иногда создавалось впечатление, что фасады полностью стеклянные. [4]
Ранним примером полностью стальной навесной стены, использованной в классическом стиле, является универмаг Kaufhaus Tietz на Лейпцигерштрассе в Берлине , построенный в 1901 году (в настоящее время снесен). [5]
Некоторые из первых навесных стен были сделаны со стальными стойками , а полированное листовое стекло крепилось к стойкам с помощью асбестового или стекловолоконного модифицированного состава для остекления. В конечном итоге силиконовые герметики или стеклянная лента были заменены на состав для остекления. Некоторые конструкции включали внешнюю крышку, чтобы удерживать стекло на месте и защищать целостность уплотнений. Знаковыми элементами дизайна навесных стен, которые стали доминировать в строительстве, были совершенно разные системы, используемые в штаб-квартире Организации Объединенных Наций и в здании Lever House, построенном в 1952 году. [4]
Навесная стена Людвига Миса ван дер Роэ является одним из важнейших аспектов его архитектурного дизайна. Мис впервые начал прототипировать навесную стену в своих проектах высотных жилых зданий вдоль берега озера в Чикаго, добившись вида навесной стены в 860-880 Lake Shore Drive Apartments . Наконец, он усовершенствовал навесную стену в 900-910 Lake Shore Drive, где занавес представляет собой автономную алюминиевую и стеклянную оболочку. После 900-910 навесная стена Миса появилась во всех его последующих проектах высотных зданий, включая здание Seagram в Нью-Йорке.
Широкое использование алюминиевых профилей для стоек началось в 1970-х годах. Алюминиевые сплавы обладают уникальным преимуществом, поскольку их можно легко экструдировать практически в любую форму, необходимую для дизайна и эстетических целей. Сегодня сложность дизайна и доступные формы практически безграничны. Индивидуальные формы могут быть разработаны и изготовлены с относительной легкостью. Стена-навес отеля Omni San Diego в Калифорнии, спроектированная архитектурной фирмой Hornberger and Worstel и разработанная JMI Realty, является примером унифицированной системы навесных стен со встроенными солнцезащитными козырьками. [6]
Подавляющее большинство навесных стен первого этажа устанавливаются в виде длинных частей (называемых палками ) между этажами по вертикали и между вертикальными элементами по горизонтали. Элементы каркаса могут быть изготовлены в цеху, но монтаж и остекление обычно выполняются на строительной площадке.
Очень похожая на систему палок, система лестниц имеет стойки, которые можно разделить, а затем либо защелкнуть, либо скрепить вместе, состоящие из половины коробки и пластины. Это позволяет изготавливать секции навесной стены в цеху, эффективно сокращая время, затрачиваемое на установку системы на месте. Недостатками использования такой системы являются снижение структурных характеристик и видимые линии стыков по длине каждой стойки.
Сборные навесные стены подразумевают заводское изготовление и сборку панелей и могут включать заводское остекление. Эти готовые блоки устанавливаются на конструкции здания, образуя ограждение здания. Сборные навесные стены имеют следующие преимущества: скорость; более низкие затраты на монтаж на месте; и контроль качества в контролируемой внутренней среде. Экономические выгоды обычно реализуются на крупных проектах или в районах с высокой ставкой рабочей силы на месте.
Распространенная особенность в технологии навесных стен, принцип дождевого экрана предполагает, что равновесие давления воздуха между внешней и внутренней частью «дождевого экрана» предотвращает проникновение воды в здание. Например, стекло удерживается между внутренней и внешней прокладкой в пространстве, называемом фальцем остекления. фальц остекления вентилируется наружу, так что давление на внутренней и внешней сторонах внешней прокладки одинаково. Когда давление одинаково по всей прокладке, вода не может проникать через стыки или дефекты в прокладке.
Система навесных фасадов должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать все нагрузки, воздействующие на нее, а также препятствовать проникновению воздуха и воды внутрь оболочки здания.
Нагрузки, действующие на навесную стену, передаются на конструкцию здания через анкеры, которые крепят стойки к зданию.
Статическая нагрузка определяется как вес структурных элементов и постоянных особенностей конструкции. [7] В случае навесных стен эта нагрузка состоит из веса стоек, анкеров и других структурных компонентов навесной стены, а также веса заполняющего материала. Дополнительные статические нагрузки, воздействующие на навесную стену, могут включать солнцезащитные козырьки или вывески, прикрепленные к навесной стене.
Ветровая нагрузка — это нормальная сила, действующая на здание в результате дующего на него ветра . [8] Давление ветра противостоит системе навесных стен, поскольку она охватывает и защищает здание. Ветровые нагрузки сильно различаются по всему миру, причем самые большие ветровые нагрузки наблюдаются вблизи побережья в регионах, подверженных ураганам . Для каждого места реализации проекта строительные нормы указывают требуемые проектные ветровые нагрузки. Часто исследование в аэродинамической трубе проводится на больших или необычной формы зданиях. Масштабная модель здания и прилегающих окрестностей строится и помещается в аэродинамическую трубу для определения давления ветра, действующего на рассматриваемую конструкцию. Эти исследования учитывают вихревое рассеивание вокруг углов и влияние окружающей топографии и зданий.
Сейсмические нагрузки в системе навесных стен ограничиваются межэтажным смещением, вызванным землетрясением в здании . В большинстве случаев навесная стена способна естественным образом выдерживать сейсмические и ветровые колебания здания из-за пространства, предусмотренного между остеклением и стойкой. В ходе испытаний стандартные системы навесных стен обычно способны выдерживать до трех дюймов (76 мм) относительного перемещения пола без разрушения стекла или утечки воды.
Снеговые нагрузки и динамические нагрузки обычно не являются проблемой для навесных стен, поскольку навесные стены проектируются вертикальными или слегка наклонными. Если наклон стены превышает 20 градусов или около того, эти нагрузки, возможно, придется учитывать. [9]
Тепловые нагрузки возникают в системе навесных стен, поскольку алюминий имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения . Это означает, что на протяжении нескольких этажей навесная стена будет расширяться и сжиматься на некоторое расстояние относительно ее длины и разницы температур. Это расширение и сжатие учитываются путем небольшой обрезки горизонтальных стоек и оставления пространства между горизонтальными и вертикальными стойками. В блочной навесной стене между блоками остается зазор, который герметизируется от проникновения воздуха и воды прокладками. Вертикально анкеры, несущие только ветровую нагрузку (не постоянный груз), имеют прорези для учета движения. Кстати, эта прорезь также учитывает прогиб рабочей нагрузки и ползучесть в плитах перекрытия конструкции здания.
Случайные взрывы и террористические угрозы вызвали повышенную обеспокоенность по поводу хрупкости системы навесных стен по отношению к взрывным нагрузкам. Бомбардировка федерального здания имени Альфреда П. Марра в Оклахома-Сити, штат Оклахома, породила большую часть текущих исследований и предписаний в отношении реагирования зданий на взрывные нагрузки. В настоящее время все новые федеральные здания в США и все посольства США, построенные на иностранной территории, должны иметь некоторые положения для сопротивления взрывам бомб. [10]
Поскольку навесная стена находится снаружи здания, она становится первой линией обороны при бомбовой атаке. Таким образом, взрывоустойчивые навесные стены спроектированы так, чтобы выдерживать такие силы, не подвергая риску внутреннюю часть здания, чтобы защитить его обитателей. Поскольку взрывные нагрузки являются очень высокими нагрузками с короткой продолжительностью, реакция навесной стены должна быть проанализирована в динамическом анализе нагрузки с полномасштабным макетным испытанием, проведенным до завершения проектирования и установки.
Взрывоустойчивое остекление состоит из ламинированного стекла , которое должно разбиваться, но не отделяться от стоек. Подобная технология используется в районах, подверженных ураганам, для защиты от ударов ветровой пыли.
Инфильтрация воздуха — это воздух, который проходит через навесную стену снаружи внутрь здания. Воздух просачивается через прокладки, через несовершенные соединения между горизонтальными и вертикальными стойками, через дренажные отверстия и через несовершенную герметизацию. Американская ассоциация производителей архитектурных конструкций (AAMA) — это отраслевая торговая группа в США, которая разработала добровольные спецификации относительно приемлемых уровней инфильтрации воздуха через навесную стену. [11]
Проникновение воды определяется как вода, проходящая из внешней части здания во внутреннюю часть системы навесной стены. Иногда, в зависимости от технических характеристик здания , небольшое количество контролируемой воды на внутренней стороне считается приемлемым. Контролируемое проникновение воды определяется как вода, которая проникает за пределы самой внутренней вертикальной плоскости испытательного образца, но имеет спроектированные средства дренажа обратно наружу. Добровольные спецификации AAMA допускают контролируемое проникновение воды, в то время как базовый метод испытаний ASTM E1105 определил бы такое проникновение воды как отказ. Чтобы проверить способность навесной стены выдерживать проникновение воды в полевых условиях, система распыления воды ASTM E1105 размещается на внешней стороне испытательного образца, и к системе применяется положительная разность давления воздуха. Эта установка имитирует дождь, вызванный ветром, на навесной стене для проверки полевых характеристик продукта и установки. Контроль качества на месте и проверки обеспечения проникновения воды стали нормой, поскольку строители и установщики применяют такие программы качества, чтобы помочь сократить количество судебных исков о возмещении ущерба, причиненного водой, против своей работы.
Одним из недостатков использования алюминия для стоек является то, что его модуль упругости составляет примерно одну треть от модуля упругости стали. Это означает, что прогиб алюминиевой стойки в три раза больше, чем у аналогичной стальной секции при заданной нагрузке. Технические условия на строительство устанавливают пределы прогиба для перпендикулярных (вызванных ветром) и в плоскости (вызванных статической нагрузкой) прогибов. Эти пределы прогиба не налагаются из-за прочностных характеристик стоек. Скорее, они предназначены для ограничения прогиба стекла (которое может разбиться при чрезмерном прогибе) и для обеспечения того, чтобы стекло не выпало из своего кармана в стойке. Пределы прогиба также необходимы для контроля движения внутри навесной стены. Конструкция здания может быть такой, что рядом со стойкой расположена стена, и чрезмерный прогиб может привести к тому, что стойка коснется стены и нанесет ущерб. Кроме того, если прогиб стены довольно заметен, общественное мнение может вызвать неоправданную обеспокоенность тем, что стена недостаточно прочна.
Пределы прогиба обычно выражаются как расстояние между точками крепления, деленное на постоянное число. Предел прогиба L/175 является обычным в спецификациях навесных стен, основанным на опыте с пределами прогиба, которые вряд ли вызовут повреждение стекла, удерживаемого стойкой. Предположим, что данная навесная стена закреплена на высоте пола 12 футов (144 дюйма). Допустимый прогиб тогда будет 144/175 = 0,823 дюйма, что означает, что стена может прогнуться внутрь или наружу максимум на 0,823 дюйма при максимальном давлении ветра. Однако некоторые панели требуют более строгих ограничений на движение или, безусловно, тех, которые запрещают движение, подобное крутящему моменту.
Прогиб в стойках контролируется различными формами и глубинами элементов навесной стены. Глубина данной системы навесной стены обычно контролируется моментом инерции площади, необходимым для поддержания пределов прогиба в соответствии со спецификацией. Другой способ ограничить прогибы в данном сечении — добавить стальную арматуру к внутренней трубе стойки. Поскольку сталь прогибается со скоростью, составляющей одну треть от скорости алюминия, сталь будет выдерживать большую часть нагрузки при меньших затратах или меньшей глубине.
Прогиб в стойках навесных стен также отличается от прогиба конструкции здания, будь то бетон, сталь или дерево. Анкеры навесных стен должны быть спроектированы так, чтобы допускать дифференциальное движение между конструкцией здания и навесной стеной.
Прочность (или максимальное полезное напряжение ), доступное для конкретного материала, не связана с его жесткостью (свойство материала, определяющее прогиб); это отдельный критерий в проектировании и анализе навесных стен . Это часто влияет на выбор материалов и размеров для проектирования системы. Допустимая прочность на изгиб для некоторых алюминиевых сплавов, таких как те, которые обычно используются в каркасах навесных стен, приближается к допустимой прочности на изгиб стальных сплавов, используемых в строительстве зданий.
По сравнению с другими строительными компонентами алюминий имеет высокий коэффициент теплопередачи, что означает, что алюминий является очень хорошим проводником тепла. Это приводит к высоким потерям тепла через алюминиевые (или стальные) стойки навесной стены. Существует несколько способов компенсировать эти потери тепла, наиболее распространенным из которых является добавление терморазрывов. Это барьеры между внешним металлом и внутренним металлом, обычно изготавливаемые из поливинилхлорида (ПВХ). Эти разрывы обеспечивают значительное снижение теплопроводности навесной стены. Однако, поскольку терморазрыв прерывает алюминиевую стойку, общий момент инерции стойки уменьшается и должен учитываться при структурном анализе и анализе прогиба системы.
Теплопроводность системы навесных фасадов важна из-за потери тепла через стену, что влияет на расходы на отопление и охлаждение здания. На плохо работающих навесных фасадах на внутренней стороне стоек может образовываться конденсат . Это может привести к повреждению прилегающей внутренней отделки и стен.
В зонах перемычек предусмотрена жесткая изоляция для обеспечения более высокого значения R в этих местах.
Термически разделенные стойки с двойным или тройным остеклением часто называют «высокоэффективными» навесными стенами. [12] Хотя эти системы навесных стен более энергоэффективны, чем старые версии с одинарным остеклением, они все еще значительно менее эффективны, чем непрозрачные (сплошные) конструкции стен. [13] Например, почти все системы навесных стен, термически разделенные или нет, имеют значение U 0,2 или выше, что эквивалентно значению R 5 или ниже. [14]
Заполнение относится к большим панелям, которые вставляются в навесную стену между стойками. Заполнение обычно стеклянное, но может быть сделано из практически любого внешнего элемента здания. Некоторые распространенные заполнения включают металлические панели, жалюзи и фотоэлектрические панели. Заполнение также называют панелями-перемычками или панелями-перемычками.
Флоат-стекло, безусловно, является наиболее распространенным типом остекления навесных стен. Его можно изготавливать в практически бесконечном сочетании цвета, толщины и непрозрачности . Для коммерческого строительства две наиболее распространенные толщины — монолитное стекло 1 ⁄ 4 дюйма (6,4 мм) и изоляционное стекло 1 дюйм (25 мм) . Стекло 1/4 дюйма обычно используется только в зонах перемычек, в то время как изоляционное стекло используется для остальной части здания (иногда изоляционное стекло также указывается как изоляционное стекло). Изоляционное стекло 1 дюйм обычно состоит из двух 1/4-дюймовых листов стекла с воздушным пространством 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм). Воздух внутри обычно представляет собой атмосферный воздух, но некоторые инертные газы , такие как аргон или криптон , могут использоваться для обеспечения лучших значений теплопередачи . В Европе в настоящее время распространено заполнение из трехслойного изоляционного стекла. В Скандинавии были построены первые навесные стены с четырехкамерным стеклом .
Большая толщина обычно используется для зданий или зон с более высокими требованиями к теплу, относительной влажности или звукопередаче , например, лабораторных зон или студий звукозаписи . В жилищном строительстве обычно используются толщины 1 ⁄ 8 дюйма (3,2 мм) монолитного и 5 ⁄ 8 дюйма (16 мм) изоляционного стекла.
Стекло может быть прозрачным , полупрозрачным или непрозрачным, или в различной степени. Прозрачное стекло обычно относится к смотровому стеклу в навесной стене. Спандрель или смотровое стекло также могут содержать полупрозрачное стекло, которое может быть в целях безопасности или эстетических целях. Непрозрачное стекло используется в областях, чтобы скрыть колонну или балку спандреля или стену сдвига за навесной стеной. Другой метод скрытия областей спандреля — это конструкция теневого короба (обеспечивающая темное замкнутое пространство за прозрачным или полупрозрачным стеклом). Конструкция теневого короба создает ощущение глубины за стеклом, что иногда желательно.
Тонкие блоки (от 3 до 4 дюймов (от 76 до 102 миллиметров)) камня могут быть вставлены в систему навесной стены. Тип используемого камня ограничивается только прочностью камня и возможностью его изготовления в нужной форме и размере. Распространенные типы используемых камней: силикат кальция , гранит , мрамор , травертин , известняк и искусственный камень . Для уменьшения веса и повышения прочности натуральный камень может быть прикреплен к алюминиевой сотовой подложке.
Металлические панели могут иметь различные формы, включая нержавеющую сталь, алюминиевую пластину; алюминиевые композитные панели, состоящие из двух тонких алюминиевых листов, проложенных тонкой пластиковой прослойкой; медная облицовка стен и панели, состоящие из металлических листов, прикрепленных к жесткой изоляции, с внутренним металлическим листом или без него для создания сэндвич-панели. Другие непрозрачные материалы для панелей включают армированный волокном пластик (FRP) и терракоту . Терракотовые навесные стеновые панели впервые были использованы в Европе, но только несколько производителей производят высококачественные современные терракотовые навесные стеновые панели.
Жалюзи устанавливаются в зоне, где механическому оборудованию, расположенному внутри здания, требуется вентиляция или свежий воздух для работы. Они также могут служить средством, позволяющим наружному воздуху фильтроваться в здание, чтобы использовать благоприятные климатические условия и минимизировать использование энергоемких систем HVAC . Системы навесных стен могут быть адаптированы для большинства типов систем жалюзи, чтобы сохранить те же архитектурные линии обзора и стиль, обеспечивая при этом желаемую функциональность.
Большинство остеклений навесных стен фиксированы, что означает, что нет доступа к внешней части здания, кроме как через двери. Однако окна или вентиляционные отверстия могут быть также застеклены в системе навесных стен, чтобы обеспечить необходимую вентиляцию или работающие окна. Почти любой тип окна может быть изготовлен для установки в систему навесных стен.
Противопожарная защита по краю плиты периметра , которая представляет собой зазор между полом и навесной стеной, необходима для замедления распространения огня и продуктов сгорания между этажами. Зоны перемычек должны иметь негорючую изоляцию на внутренней поверхности навесной стены. Некоторые строительные нормы требуют, чтобы стойка была обернута теплозащитной изоляцией около потолка, чтобы предотвратить расплавление стоек и распространение огня на этаж выше. Противопожарная защита по краю плиты периметра считается продолжением огнестойкости плиты пола. Однако сама навесная стена обычно не обязана иметь рейтинг. Это вызывает затруднение, поскольку разделение на отсеки (противопожарная защита) обычно основывается на закрытых отсеках, чтобы избежать миграции огня и дыма за пределы каждого задействованного отсека. Навесная стена по своей природе препятствует завершению отсека (или оболочки). Было показано, что использование пожарных спринклеров смягчает эту проблему. Таким образом, если здание не охвачено системой пожаротушения , огонь все равно может распространиться по навесной стене, если стекло на открытом полу разобьется от жары, в результате чего пламя перекинется на внешнюю часть здания.
Падающее стекло может представлять опасность для пешеходов, пожарных и пожарных шлангов внизу. Примером этого является пожар на Первой межштатной башне в Лос-Анджелесе, Калифорния, в 1988 году . Огонь перекинулся на башню, разбив стекло, а затем поглотив алюминиевую раму, удерживающую стекло. [15] Температура плавления алюминия составляет 660 °C, тогда как пожары в зданиях могут достигать 1100 °C. Температура плавления алюминия обычно достигается в течение нескольких минут после начала пожара.
Панели для выбивания пожарных часто требуются для вентиляции и аварийного доступа снаружи. Панели для выбивания обычно полностью изготавливаются из закаленного стекла, что позволяет полностью разбить панель на мелкие части и относительно безопасно извлечь ее из проема.
Навесные стены и герметики периметра требуют обслуживания для максимального продления срока службы. Герметики периметра, правильно спроектированные и установленные, имеют типичный срок службы от 10 до 15 лет. Удаление и замена герметиков периметра требуют тщательной подготовки поверхности и надлежащей детализации.
Алюминиевые рамы обычно окрашиваются или анодируются . Необходимо соблюдать осторожность при очистке областей вокруг анодированного материала, так как некоторые чистящие средства разрушат отделку. Нанесенные на заводе фторполимерные термореактивные покрытия обладают хорошей устойчивостью к деградации окружающей среды и требуют только периодической очистки. Повторное покрытие фторполимерным покрытием, высыхающим на воздухе, возможно, но требует специальной подготовки поверхности и не так долговечно, как запеченное оригинальное покрытие. Анодированные алюминиевые рамы нельзя «повторно анодировать» на месте, но их можно очистить и защитить фирменными прозрачными покрытиями для улучшения внешнего вида и долговечности.
Нержавеющие стальные навесные стены не требуют покрытия, а рельефные, в отличие от абразивно обработанных, поверхности сохраняют свой первоначальный вид бесконечно долго без чистки или другого обслуживания. Некоторые специально текстурированные матовые поверхности из нержавеющей стали являются гидрофобными и устойчивы к загрязняющим веществам, переносимым по воздуху и дождю. [16] Это было ценно на американском Юго-Западе и на Ближнем Востоке для предотвращения пыли, а также предотвращения пятен от сажи и дыма в загрязненных городских районах.
