Долговечность кровельных материалов и расчет кровли

Ежедневно инженеры-проектировщики в своей профессиональной деятельности сталкиваются с расчетами, позволяющими сделать оптимальный выбор конструкции. И этот выбор напрямую зависит от качества и физико-механических показателей применяемых материалов. Даже неспециалисту ясно, что при равной нагрузке сечение деревянной балки будет намного больше стальной, что толщина стены зависит от коэффициента теплопроводности применяемого материала и т.п.

Но как только мы сталкиваемся с выбором конструкции кровли, и особенно плоских мягких кровель, инженерный, имеющий здравый смысл, подход становится не применимым. И действующий, и готовящийся к утверждению СНиП на кровли, фиксируют лишь долголетний опыт применения битумных мягких кровельных материалов.

Печальный опыт применения материалов на картонной основе показал, что 4-5-слойные кровли текут через 2-3 года и увеличение числа слоев при ремонте не ведет к повышению надежности кровель.

Внедрение в практику строительства битумно-полимерных материалов на стекло- или синтетической основе позволило разработчикам нового СНиП уменьшить количество слоев, но не изменило прежний подход к разработке нормативных документов по конструкциям мягких кровель, основывающийся на опыте и перестраховке.

Появление на рынке кровельных материалов импортных и отечественных однослойных полимерных кровельных и гидроизоляционных мембран (ПКГМ) и реально существующая сегодня в мировой и отечественной практике тенденция по увеличению использования ПКГМ, нашли отражение в действующей нормативной базе, но внесли дополнительные трудности при выборе типа кровельного материала и конструкции кровельного ковра.

Но, несмотря на все эти неувязки и скромные объёмы использования (из 370 млн. м2 мягких кровельных материалов в 2000 году менее 1% составили полимерные), появление на потребительском рынке отечественных кровельных мембран на основе этилен-пропилен-диенового каучука позволяет реализовать наиболее сложные технические решения, значительно увеличить долговечность и надежность кровель и гидроизоляции, даже при отсутствии, адекватной свойствам новых материалов, нормативной базы.

В тоже время актуальность широкомасштабного применения полимерных кровельных мембран с каждым годом возрастает, что и нашло отражение в Резолюции Госстроя России от 25 апреля 2000 года. Этим документом, “В качестве важнейшей задачи Госстроя России, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации, отраслевых НИИ, проектных и строительных организаций” рекомендовано “наращивать производственные мощности и объемы выпуска полимерных кровельных и гидроизоляционных материалов на основе атмосферостойких каучуков”, а Управлению стандартизации, технического нормирования и сертификации Госстроя России – “при корректировке действующей и разработке новой нормативно-технической документации, учесть предложения по применению современных материалов при проектировании, строительстве и реконструкции объектов и сооружений”.

Накопленный опыт квалифицированного применения ПКГМ зачастую противоречит требованиям СНиП и ГОСТов, и даже робкие попытки внести в действующие документы разделы, регламентирующие применение ПКГМ, не системны и лишены логики. Так требования ГОСТ 30547-97 к рулонным материалам фиксируют лишь фактически достижимые физико-механических показатели для разного класса материалов, а не отражают требований, реально необходимых для долговременной и надежной эксплуатации кровель.

Например, требования к прочности эластомерных материалов различны для вулканизированных и невулканизироанных материалов, но о том, как проконтролировать степень вулканизации даже не упомянуто, а новая редакция СНиП при определении конструкции кровли из эластомерных материалов вообще не учитывает какой материал применяется сырой или вулканизированный, а лишь директивно устанавливает количество слоев в зависимости от уклона. При этом нигде не оговаривается минимальная толщина слоя, что может привести к формально соответствующему нормативу абсурду.

Требования к относительному удлинению эластомерных материалов (не менее 300%) отличаются от требований к термопластичным (не менее 200%), а к битумно-полимерным материалам этот показатель вообще не применяется.

Наиболее ярко подход, фиксирующий фактически достижимые показатели, выражается в требованиях ГОСТ 30547-97 к гибкости рулонных материалов. Разрешая применение битумных материалов на волокнистой основе с гибкостью при 0 °C на брусе c R=25 мм., через три строки, этот же документ запрещает применение эластомерных материалов с гибкостью при минус 39°C на брусе с R=5 мм. Комментарии, как говорится, излишни !

Отдельного обсуждения требует и такой показатель кровельных материалов, как долговечность. По утвержденной Госстроем России методике, долговечность битуминозных материалов определяется временем достижения материалом такого состояния, при котором, при испытании на гибкость на брусе R=25 мм, наличие трещин будет наблюдаться при +5 – +10°C. Даже у самых лучших битумно-полимерных материалов этот показатель не превышает 15-20 лет, тогда как у кровельных мембран на основе EPDM, этот показатель, по этой методике, приближается к бесконечности. Тогда на свет появилась и, также утверждена Госстроем России, методика определения долговечности полимерных кровельных материалов, в которой за критерий долговечности принято время, за которое материал достигнет состояния, при котором его относительное удлинение будет равно 50-100%.

Возникает парадоксальная ситуация, давая заключения о долговечности в 20 – 25 лет для полимерных кровельных материалов, методика искусственно ограничивает срок их службы, хотя при этом относительное удлинение в 2-3 раза превышает показатели битумных материалов, у самых лучших из которых, относительное удлинение не превышает 30% в момент изготовления.

Но разве требования к мягкой кровле, как элементу здания, должны зависеть от типа используемого материала ?!

Только сформулировав эти объективные требования, с учётом физико-механических показателей применяемых материалов, можно квалифицированно переходить к конструкции кровли. При одной и той же нагрузке и эксплуатационных воздействиях – рубероид на горячем битуме в 5 слоев, наплавляемые битумно-полимерные материалы – в 2 слоя, полимерные мембраны с высокой прочностью и относительным удлинением – в 1 слой !

Такой логически выстроенный инженерный и имеющий здравый смысл подход должен быть заложен и в предлагаемом к утверждению новом проекте СНиП 31-10-2001 “Кровли”, разработчики которого, наряду с требованием использовать битумные материалы на картонной основе только для временных зданий и сооружений, что является революционным изменением технической политики Госстроя России, на наш взгляд, неправомерно акцентируют внимание проектировщиков и заказчиков на класс битумных материалов, не уделяя полимерным рулонным и мастичным кровельным материалам должного внимания. Разрозненные и несистемные требования к конструкциям кровель с применением полимерных материалов не дают возможности грамотно спроектировать надежную кровлю, и в то же время не позволяют узаконить проверенные временем конструкции кровель.

Как минимум было бы целесообразным выделить в составе СНиП отдельный раздел с классификацией полимерных кровельных рулонных материалов (эластомерные, термопластичные, термоэластопласты) и полимерных мастик и в нем сформулировать технические требования к конструкциям кровель с их применением.

Считаем необходимым привлечь к доработке СНиП разработчиков и производителей современных ПКГМ, строительные фирмы, которые имеют опыт применения импортных и Российских ПКГМ. Этот опыт и идеология, заложенная при разработке новых ПКГМ, ещё мало доступны нашим проектировщикам, строителям и эксплуатационникам, а тем более чиновникам, от которых зависит принятие принципиальных решений.

Но, обозначив тупиковую ситуацию с нормативной базой применения ПКГМ, было бы не логичным не предложить и выход из этой ситуации.

В общем виде, конструкция мягкой кровли (а все, в конце концов, сводится к количеству слоев) должна определяться формулой:
КС=МЭН/ПСМ·d (1)
где
КС – количество слоев рулонного материала
МЭН – математический эквивалент механической и эксплуатационной нагрузки на кровлю, н/м (кг/см)
ПСМ – приведенные свойства материала, МПа (кг/см2)
d – толщина материала, м (см)

Самое сложное здесь, определить математический эквивалент, таких разных по своей природе, воздействий на кровлю, как механическое, агрессивных сред, УФ-облучение, окисление озоном и т.д. Немаловажно здесь и приведение к однообразию показателей кровельных материалов.

МЭН должен учитывать, реально возникающие при нормальной эксплуатации, воздействия на кровельный ковер:

механические статические – от установленного на крыше оборудования
динамические – от передвижения на кровле людей и механизмов
с учетом потери прочностных характеристик материалов (особенно битумных) при нагреве кровли в летнее время до 70-80 °C
эластические – способность компенсировать изменение линейных размеров кровли от температурных деформаций и подвижки грунтов
– отсутствие трещинообразования при отрицательных температурах от механических воздействий
атмосферные – способность сохранять первоначальные свойства во времени под воздействием воды, УФ-облучения, окисления и т.п.

Предлагается принять МЭН = 5000 Н/м (5 кг/см), как постоянную величину, отражающую реально действующие на кровлю нагрузки. Конкретное значение может быть обосновано усилием на разрыв 1 см 4-х слойного рубероидного кровельного ковра.

Приведение к однообразию показателей кровельных материалов не составляет труда и сводится к элементарной арифметике и использованию результатов ускоренных климатических испытаний проведенных в ЦНИИПромзданий для большинства импортируемых и выпускаемых в России кровельных материалов.

В качестве показателя механической прочности было бы целесообразно принять условную прочность при растяжении в МПа.

Эластические свойства должны характеризоваться двумя показателями относительным удлинением в % и гибкостью при отрицательных температурах.

Устойчивость к атмосферным воздействиям (долговечность) определяется временем потери на 50% значения одного из предыдущих показателей.

Методики определения этих показателей гостированы и широко применяются, ничего нового, требующего дополнительной научной разработки и проверки практикой, здесь не нужно.

Приведем пример пересчета показателей разных групп кровельных материалов к предлагаемым единым показателям (табл. 1). В качестве типовых представителей различных групп кровельных материалов приняты:

Рубероид – битумные материалы на картонной основе
Изопласт – битумно-полимерные материалы на синтетической основе
Поликром – полимерные кровельные и гидроизоляционные мембраны

Однообразные показатели свойств кровельных материалов позволяют сравнить качество разных групп материалов. Из таблицы видно с каким отрывом лидируют ПКГМ, а учитывая что стоимость ПКГМ и наплавляемых битумно-полимерных материалов сегодня сравнимы, показатель ‘цена-качество’ явно предполагает приоритет выбора ПКГМ.

Показатель Рубероид Изопласт Поликром
Механические показатели
Прочность фактическая 215 343 6
Ед. изм. по ГОСТ 30547-97 Н/50 мм Н/50 мм МПа
Толщина, мм 1,5 4,5 1,2
Единый показатель
Условная прочность, МПа
2,87 1,52 6,00
Эластические свойства
Относительное удлинение, % - 30 300
гибкость по ГОСТ 30547-97 R=25 мм, t= +5°C R=25 мм, t= -15°C R=5 мм t= -60°C
Старение под действием атмосферных условий
Долговечность, лет 5 20 20
Условная прочность после старения, МПа 1,43 1,90 7,5
Относительное удлинение после старения, % - 10 100
гибкость по ГОСТ 30547-97 после старения - R=25 мм, t= 0°C R=5 мм t= -45°C

Приведенные свойства материала предлагается определять по формуле:
СМ = УП·k1·ОУн/ОУф·k2·Гн/Гф·k3·Дн/Дф (2)
где
УП – условная прочность применяемого материала МПа (кг/см2)
k1 – коэффициент приведения относительного удлинения
ОУн = 30% – относительное удлинение нормативное
ОУф – относительное удлинение фактическое k2 – коэффициент приведения гибкости
Гн = -2°C – гибкость нормативная на брусе с R=25 мм
Гф – гибкость фактическая на брусе с R=25 мм
k3 = 1,25 – коэффициент приведения долговечности
Дн = 10 лет – долговечность нормативная
Дф – долговечность фактическая

Вычислив ПСМ по формуле (2), используя значения фактических показателей из таблицы 1, по формуле (1) получаем количество слоев для рубероида – 4, для Изопласта – 2, для Поликрома – 1. Хотя конкретные величины коэффициентов и нормативных значений приняты исходя из практического опыта и здравого смысла, полученные результаты расчетов подтверждают отраженный в СНиП опыт применения битумных рулонных кровельных материалов и подтверждают практику применения однослойных ПКГМ, несмотря на то, что она противоречит требованиям СНиП.

Не претендуя на истину в последней инстанции, и оставляя оппонентам право уточнять, дополнять, критиковать и даже отвергать, предложенную идею расчета кровельного ковра, хотелось бы привлечь к этой проблеме внимание представителей строительной науки. С появлением и внедрением в практику строительства ПКГМ пора бы теоретически обосновать накопленный практикой опыт.