Текст книги "Кровельная изоляция. Кровельное озеленение. Проблемы: Истоки, причины, опыт и решения"

1.2 Град

Град – это твердый атмосферный осадок в форме гранулированного льда различной формы и диаметром не менее 5 мм. Град размером в 15–20 мм может нанести значительный ущерб. Размер ущерба от выпадения града зависит не только от формы, размера, плотности града и времени его выпадения. Существенное воздействие оказывает также сильный ветер или буря. Кроме того, важную роль играет топография.

Град выпадает в основном в определенных местах, так как погодные условия, приводящие к его возникновению, обычно ограничены отдельными регионами. Особенно это относится к выпадению града из-за тепловой грозы, который и наносит ущерб более чем в половине случаев.

Когда град выпадает на холодных фронтах, возникают огромные по охвату площади градовые линии, которые могут достигать до 10 км в ширину и протягиваться в длину на сотни километров, принося большие разрушения. И хуже всего, когда несколько таких градовых линий блуждает параллельно. В Центральной Европе обширные градовые линии проходят под изначальным влиянием Гольфстрима и, в зависимости от вращения Земли и топографии, движутся преимущественно с юго-запада к востоку.

Вместе с Южной Германией, Австрией, Северной Италией, Савойей, Юрой и Эльзасом Швейцария относится испокон веку к регионам Европы, наиболее подверженным выпадению града. Недавно полученная карта, сделанная на основе данных о страховых случаях компанией Swiss Re для оценки страховых рисков, различает пять ступеней опасности выпадения града, где пятая ступень самая опасная (см. рис. 9). Наибольшая частота выпадения града проявляется севернее и южнее горных цепей, таких как Альпы и Пиренеи. Уже на протяжении многих лет частота выпадения града сильно колеблется. Особенно сильный град был отмечен в 1998, 1999, 2002, 2003, 2004 гг., когда стихия привела к серьезным последствиям. Согласно статистике, каждые 10–15 лет случаются катастрофические выпадения града, которые приводят к серьезным экономическим потерям. Даже в регионах, где вероятность выпадения града крайне мала, случаются невероятно сильные выпадения града, как, например, в Швейцарии в 1984 и 1986 гг. Данные явления возможны также в пустынных регионах. Так, в Эр-Рияде (Саудовская Аравия) в 2001 г. выпал сильный град, а за ним последовало сильное наводнение.

ОБЛАСТИ, ПОДВЕРЖЕННЫЕ ОПАСНОСТИ ВЫПАДЕНИЯ ГРАДА (D-A-CH)

Форма и размер града сильно различаются. Если раньше предполагали, что градины круглые, то в последнее время все больше встречаются градины с острыми и утолщенными по краям выступами, хотя такие формы отмечались и раньше. Плотность льда градин колеблется от 600 до 850 кг/м³. Она зависит от таких атмосферных условий, как скорость роста (температуры, градиента, давления, влажности, ветра и т. д.) и завихрения воздуха. Структура чашевидная или представляет собой конгломерат смерзшихся градин с неравномерно распределенными воздушными пузырями. Градины различаются шарообразными, мандаринообразными и грушеобразными формами, а качество поверхности колеблется от гладкой до грубой, острой, зубчатой или с утолщением по краям.

В период между 1977 и 1982 г. Швейцарское высшее техническое училище (ETH, 1984) провело в регионе Напф кантона Люцерн грандиозное испытание на площади 1000 км², где было установлено 330 измерительных станций. Исследовали среднее распределение размеров градин:

Исходя из опыта, можно сказать, что в Швейцарии размер градин при каждом третьем выпадении града превышает диаметр 40 мм. Детальное статистическое исследование выпадения града за последние 47 лет провел в своей докторской работе Виллемсе (1995).

Самая большая градина в мире, которую научно и документально зарегистрировали, диаметром 14 см и весом 770 г была найдена в Коффейвиле, штат Канзас (США). Во время выпадения сильного града в Мюнхене 12 июля 1984 г., который начался в Швейцарии, были зафиксированы градины размером до 95 мм в диаметре и массой 700 г (см. фото 19). Подобные природные явления, самые сильные в своем роде, сегодня случаются каждые 25 лет. Страховая сумма составила около 1,5 млрд немецких марок, а незастрахованные экономические потери были в два-три раза выше. В газете Daily China рассказывалось о выпадении града 8 апреля 2005 г. в провинции Сычуань в Китае, размер которого достигал 13 см и повлек за собой гибель 18 человек (Дай Фэнг, 2005).

Для Швейцарии 1986 г. (Женева, Эньлебух, Люцерн, Станс, Вицнау), 1998 г. (Хорв-Луцерн, Базель), 1999 г. (Безинген/Лаупен – ∅75 мм), 2001 г. (Базель, Офлинген, Вер – ∅40 мм), 2002 г. (Аргау, Цюрих – ∅65 мм), 2003 г. (Виллисау – ∅65 мм), 2004 г. (Аргау, Цюрих) относятся к годам, когда выпадал сильный град. О тенденции к увеличению частоты и интенсивности града высказались Шиссер, Вальдфогель, Шмидт, Виллемсе в заключительном докладе к национальной исследовательской программе NFP 31 «Изменение климата и природные катастрофы» (1997).

ОБРАЗОВАНИЕ ГРАДА В «СУПЕРСТРУКТУРАХ»

НЕБЕСНЫЕ «ЛЕДЯНЫЕ СНАРЯДЫ»

Согласно Бауэру и др., конечную скорость (vt) свободно падающей градины при хорошем приближении можно рассчитать по следующей формуле:

где: v_t – скорость при ударе;

c_w – аэродинамическое сопротивление ядра в воздухе;

d – диаметр;

g – ускорение свободного падения;

ρ_A – плотность воздуха;

ρ_H – средняя плотность градины.

Параболы для обычных плотностей градин и значения аэродинамического сопротивления приведены на рис. 10. Круглая градина в 40 мм плотностью 850 кг м³ и аэродинамическим сопротивлением 0,6 ударяется со средней скоростью 23,9 м/с и высвобождает 8,1 Дж кинетической энергии. Градина в 50 мм ударяется со средней скоростью 26,7 м/с и высвобождает 19,8 Дж кинетической энергии. Эти значения скорости немного выше реальных, так что парабола с плотностью ρ_H 850 кг/м³ и значением c_w 0,6 воспроизведена приблизительно.

КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ К ГРАДУ?

В Швейцарии производители синтетических кровельных гидроизоляционных покрытий должны доказывать, что их изделия подходят для использования на традиционных крышах и, кроме того, износоустойчивы. Еще в 1972 г. фонд Швейцарской полимерной промышленности поддержал разработку испытательного аппарата для имитации града, чтобы получить достоверные свидетельства. Изначальная концепция с использованием шариков изо льда, которая применялась Лаури (1960), Матейем (1970) и Бауэром, оказалась тогда слишком затратной и ненадежной. Впоследствии появился вертикально устанавливаемый аппарат для обстрела пластмассовыми шариками. На основе положительного опыта при испытании изоляционных покрытий этот аппарат стали применять для обстрела более крупных строительных конструкций. Благодаря дальнейшим доработкам удалось наряду с пластмассовыми шариками использовать шарики изо льда любых форм диаметром от 15 до 50 мм.

Горизонтально и вертикально устанавливаемый аппарат состоит из компрессора, цилиндра под давлением и удерживающего механизма. С помощью зарядного механизма снаряд перемещается в скорострельный клапан, который при открытии передает давление с контрольной панели на снаряд. С помощью лазерного устройства соблюдается дистанция 30 см до объекта, и посредством двух фотоячеек измеряется скорость снаряда (см. фото 20). В зависимости от строительной конструкции образцы либо снабжаются пулеуловителем, либо удерживаются в раме.

Для проведения специальных испытаний можно применять снаряды из различного материала, например из дерева, стали, пластмассы и льда. Ввиду того что все чаще возникает град неправильной формы, как показано на фото 17, используются новые, по сравнению с округлыми (фото 21), снаряды из пластмассы и льда, кончик которых образует полусферу радиусом 5 мм. Условия могут подгоняться в соответствии с областью применения.

1.2.4.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Чаще всего град выпадает сразу после интенсивной солнечной активности. Поверхность покрытий при этом в зависимости от материалов изготовления, цвета и угла излучения очень сильно нагревается. Вследствие затенения солнца, грозового дождя и града температура воздуха падает неожиданно на 30 и более градусов. При испарении воды и таянии первых маленьких градин в области краев температура воздуха/материалов составляет приблизительно 3–5°. Этот природный феномен учитывается при проведении испытаний на качество материалов, чувствительных к смене температур, чтобы воссоздать по возможности точную картину излома. Для создания естественных погодных условий образцы изоляционных покрытий перед обстрелом покрывают кусочками льда (см. фото 20).

Страховые общества выплачивают компенсации при возникновении повреждений, нанесенных градом на глиняном кирпиче, стеклянных крышах и теплицах. Однако ситуация изменилась, когда на смену традиционным строительным материалам пришли органические. Были сделаны новые инструкции. Тщательные тесты с глиняным кирпичом и фиброцементными плитами послужили отправной точкой. Первые повреждения у глиняной черепицы появляются, как правило, только при скорости снаряда 9 м/с (или энергии 1,6 Нм), а при скорости 12 м/с материал выходит из строя. Минимальная скорость рассматривается как критическое значение при определении требований к другим материалам. Для кровельных изоляционных покрытий из полимерных материалов также применяются требования как для кровельной черепицы. Специфическое поведение кровельных изоляционных покрытий учитывается с помощью факторного подхода.

ИМИТАЦИЯ УДАРА ГРАДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВЫХ СНАРЯДОВ

УСТОЙЧИВОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ГРАДА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ

1.2.5.1 ОБЩИЕ КРИТЕРИИ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для изделий из полимерных материалов ввиду особенностей их старения, величины ущерба и последующих затрат установлены более высокие требования, чем для традиционных черепичных крыш. Требование к скорости v определяется следующим образом, причем v_z означает скорость причинения ущерба для черепицы:

v = v_z × s × f.

1.2.5.1.1 КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМЕРА УЩЕРБА s

Он учитывает, с одной стороны, размер заменяемого элемента, а с другой – конструкцию основания (например, замену промокшего утеплителя). Этот коэффициент для гидроизоляционных покрытий колеблется от 1,0 для элементов <0,5 м² без замены утеплителя до 1,5 для элементов без защитного слоя и с полной заменой утеплителя.

1.2.5.1.2 КОЭФФИЦИЕНТ СТАРЕНИЯ f

Он зависит от материала, из которого изготовлено испытываемое покрытие. Коэффициент старения колеблется от 1,0 (например, если полимерный материал после более чем 20 лет эксплуатации под воздействием атмосферных явлений сохраняет хорошие характеристики) до 1,3 (например, когда материал после менее чем трех лет эксплуатации под воздействием атмосферных явлений имеет явные признаки старения).

Наряду с функциональным ущербом следует учитывать также так называемый эстетический ущерб. Он основывается на результатах обстрела ПА-шариками диаметром 40 мм, когда на поверхности материала возникают явные дефектные изменения. Эстетический ущерб появляется, как правило, еще перед утратой функций строительного элемента, например герметичности. Однако однозначно определить начало эстетических повреждений непросто, поскольку должны учитываться такие факторы, как изменение цвета, глубина проникновения, размер вмятины, микротрещины, потеря блеска и пр., а ведь они зависят от субъективного ощущения наблюдателя. Сравнительные фотоснимки до и после обстрела подходят для доказательства. Окончательную же оценку дает страховой эксперт. При прямой угрозе жизни человека естественная скорость падения градины диаметром 40 мм и соответствующей шероховатости устанавливается в качестве требования. Она составляет без учета ветрового фактора v_nat приблизительно 4 м/с и высвобождает 8,1 Дж кинетической энергии.

НОРМА И РЕАЛЬНОСТЬ

1.2.5.2 КРИТЕРИИ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

В стандартах Швейцарского союза инженеров и архитекторов SIA V 280 и 281 установлено минимальное требование для жесткой и гибкой укладки изоляционного покрытия, обозначенное как скорость причинения ущерба v_s, округленная до целого числа, при которой изоляционное покрытие еще остается герметичным:

v_s = 17 м/c

(соответственно высвобождается кинетическая энергия в объеме 5,6 Дж).

Скорость причинения ущерба – это скорость, при которой изоляционное покрытие еще остается герметичным. Для фасадных и других кровельных материалов проводится аналогичное испытание, где сначала рассчитываются значения для традиционных изделий из неполимерных материалов. Эта задача относится также к изолированным снаружи теплоизоляционным материалам из полистирола и так называемой полимерной штукатурке, а также тонкостенному ячеистому поликарбонату.

1.2.5.2.1 КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ

Чтобы распознать негерметичные места на гидроизоляционных покрытиях, обстрелянное место проходит вакуумный контроль с помощью вакуумного колпачка диаметром 30 мм при 50 кПа в течение 30 с. Гидроизоляционное покрытие укладывается на пропитанный мыльным раствором холст (фото 22). Если в течение указанного времени мыльные пузыри не образуются, это место можно считать герметичным. Тонкостенные гидроизоляционные материалы из-за вакуума растягиваются больше.

СТОЙКОСТЬ К ВЫПАДЕНИЮ ГРАДА

Исходя из необходимых значений, закрепленных в стандартах SIA 280/281 для новых изоляционных покрытий на скорости 17 м/с, очень тонкие синтетические покрытия использовались весьма редко, так как для того, чтобы соответствовать необходимому по стандартам значению, толщина материала должна превышать 1,2 мм.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ГРАДА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТАРОСТИ МАТЕРИАЛА

1.2.6.1 ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ МАТЕРИАЛОВ

В серии испытаний новых гидроизоляционных покрытий из пластифицированного ПВХ (PVC) с армированием и без армирования толщина материалов варьировалась при жесткой укладке (стальная плита, наждачная бумага SIA P 120, кровельная мембрана). В таких условиях можно было найти для различных материалов соотношение между толщиной t и значением скорости нанесения ущерба vs (см. рис. 11). Требуемое значение для швейцарских стандартов в 17 м/с было достигнуто при толщине материала более 1,2 мм. Более тонкие изделия, которые использовались раньше, не достигают требуемых значений.

Другие серии испытаний изоляционных покрытий из пластифицированного ПВХ (PVC) толщиной 0,8 мм показали, что при армировании стеклотканью или полиэфирной тканью обычно достигаются небольшие значения, так как узелки ткани создают «эффект дуршлага». Изоляционные покрытия, армированные арамидной тканью, показали значительно более высокие результаты. С учетом необходимых значений, закрепленных в швейцарских стандартах SIA, и с учетом процесса старения тонкие изоляционные покрытия больше не применяются. На практике в Швейцарии укладываются материалы толщиной от 1,6 мм до 2,0 мм. Как видно из рис. 13, такие изоляционные покрытия устойчивы к ударам естественного града размером до 50 мм.

1.2.6.2 ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ

Органические материалы стареют быстрее неорганических. Часто после выпадения града владелец здания узнает о пробоях изоляционного покрытия только по окончании долгого периода дождей, когда теплоизоляционный материал уже промок.

На кровельных изоляционных покрытиях процесс старения можно распознать по уменьшению размеров, толщины и (или) эластичности из-за увеличения модуля упругости. На крыше это проявляется в изменении цвета и свойств поверхности покрытия, в разделении слоев и отслаивании изоляционного материала по бортам (фото 23). В таких местах изоляционное покрытие напряжено подобно мембране и не лежит на неподвижной опорной балке, как это предписано в стандартах для изоляционных покрытий. На фото 24 показаны места пробития градом изоляционного покрытия из пластифицированного ПВХ (PVC), где из-за вытяжки пластификатора эластичность значительно снизилась. Лопнувшие края из-за ослабления внутреннего напряжения поднялись вверх.

При имитации выпадения града эластичность уменьшается или же удлиняется при разрыве таким образом, что в испытании определяющей становится гибкая укладка. Рис. 14 показывает в зависимости от времени относительное удлинение при разрыве кровельного изоляционного покрытия из пластифицированного ПВХ (PVC) толщиной 1,2 мм прежнего поколения и кашированного изоляционного покрытия из CSM толщиной 0,8 мм, взятых с кровель, покрытых и не покрытых гравием.

Естественно обдуваемые кровельные покрытия в течение первых пяти лет не показывают уменьшения скорости нанесения ущерба vs (рис. 14). После 7, 10 и более лет эксплуатации наблюдается уменьшение прочности на разрыв, но показатели изоляционных покрытий с гибкой укладкой даже спустя 17 лет все еще превышают требуемые значения швейцарских стандартов. Вне зависимости от типа укладки и погодных условий уровень значений для покрытий из пластифицированного ПВХ (PVC) даже через 25–30 лет будут соответствовать требованиям для глиняной черепицы при скорости снаряда 9 м/с. Указания на приближение к предельному значению, аналогичному механическому поведению в условиях усталости, не были обнаружены. В соответствии с закономерностями старения (по формуле Аррениуса) возможно постепенное, а иногда и внезапное падение до нуля, когда имеются дополнительные механические воздействия.

По результатам серии новых испытаний свободно обдуваемые незащищенные кровельные покрытия показали значительно лучшие результаты в процессе старения, чем кровельные материалы, покрытые гравием. На кровельном покрытии объекта, который эксплуатировался более 15 лет при открытом природном воздействии, значение vs все еще составляет величину 20 м/с, в то время как на изоляционном покрытии с гравием это значение достигает 10 м/с. Причину следует искать в специфической области под слоем гравия. Загрязненная, с добавлением химических веществ дождевая вода под воздействием температурных изменений и из-за увеличения концентрации испаряется очень медленно. Этот процесс повторяется каждый раз при циклической смене интенсивности солнечного света дождевыми водами с тем результатом, что недостаточно устойчивые компоненты изоляционного покрытия исчезают. Такой процесс часто возникает также из-за нефункционирующих, или очень высоко встроенных, или плохо обслуживаемых систем водоотвода, когда вода стоит от нескольких дней до нескольких недель (см. фото 25). Расползание или осыпание частей кровельных конструкций усиливает этот результат. Благодаря последовательному соблюдению уклона кровли >1 % во время эксплуатации значительно увеличивается срок службы крыши.

НЕОБХОДИМ КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД

Так как крыши зачастую оснащаются световыми куполами, фонарями верхнего света, коллекторами, антеннами и другими строительными элементами из пластмассы, значит, в решении следует учесть стойкость к воздействию града на оболочку здания.

Это также относится и к примыкающим к крыше фасадам и фасадным элементам, переходящим в кровельную поверхность.

В отличие от кровельных покрытий, требований к качеству для подобной продукции еще не существует.

УДАР И СОПРОТИВЛЕНИЕ

Для более четкой классификации строительных материалов относительно устойчивости к воздействию града следует учитывать больше аспектов, чем только механическое сопротивление или выход из строя (Флюлер, 1991). Наряду с упомянутыми критериями, такими как деформация и функциональность (например, герметичность/негерметичность, исправный/неисправный и др.), нужно также учитывать и эстетический аспект, например изменение внешнего вида и влияние на процесс старения. Способ с выделением пяти классов, где пятый класс обладает самой низкой устойчивостью и является самым большим, приведен в таблице 1. За основу выделения классов устойчивости взята кинетическая энергия свободно падающих градин, энергия которых была установлена посредством имитации с применением нормированных снарядов.

Природным явлениям, в том числе граду, безразличны созданные человеком сооружения и культуры. Поэтому во избежание ущерба высвобождаемую стихиями энергию должны взять на себя используемые в сооружениях материалы или системы. Органы, занимающиеся стандартизацией по согласованию со страховыми компаниями и собственниками, установили четкие стандарты строительства каркасов зданий. Но в целом на европейском уровне это происходит неравномерно.

Классификация, в основе которой лежит энергия града, придала бы данному вопросу ясность.

Не только крыши различных форм, но и дополнительные элементы, такие как купола, фонари, камины, опалубки, щитки, антенны и пр., а также фасады с высокофункциональными поверхностями следует принять во внимание в будущем. При этом для всех элементов каркаса здания должны действовать те же требования.

РЕКОМЕНДАЦИИ И МИНИМАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

ВЫВОДЫ

Выпадение града может быть очень сильным и способно нанести большой ущерб всему каркасу здания, в особенности новым полимерным, многослойным волокнистым и другим материалам. Возможна и угроза жизни людей, если не соблюдаются минимальные требования.

Чтобы протестировать кровельные покрытия на устойчивость к воздействию града, EMPA (Швейцарская федеральная лаборатория материаловедения и технологий) недавно приспособила разработанный в 1970-е гг. испытательный аппарат под новейшие требования. Град, как метеорологический феномен, испытательный аппарат, методы проведения испытаний и опыт последних 15 лет в использовании кровельных покрытий из пластифицированного ПВХ (PVC) являются предметами обсуждений.

Особое внимание следует уделить процессу старения под влиянием естественных природных условий элементов каркаса здания, например слуховых окон и обшивки стен. Для проведения стандартизации предлагается система классификации устойчивости материалов к воздействию града с минимальными требованиями.

Для проведения изоляционных работ определены минимальные требования в соответствии с опытными данными и последними научными выводами со значением скорости ветра >25 м/с.

«НЕБЕСНЫЙ ОГОНЬ» И МОЛНИИ