Современные оконные системы из ПВХ, дерева, алюминия

[Filippcha]

Светопрозрачные ограждающие конструкции предназначены для обеспечения необходимой естественной освещенности помещений и возможности визуального контакта с окружающей средой. К основным светопрозрачным ограждающим конструкциям гражданских зданий относятся:
- окна и остекленные двери (входные и балконные),
- витражи и витрины,
- остекленные стены фасадов,
- элементы остекления крыш (фонари и наклонные остекленные поверхности), ограждения зимних садов, торговых павильонов и др.



Конструкции светопрозрачных ограждений подвержены нагрузкам и воздействиям. К нагрузкам относятся все действия и причины, которые приводят к возникновению в конструктивном элементе напряжений и соответственно деформаций. Это, прежде всего, ветровые и снеговые нагрузки, а также нагрузки, возникающие при изготовлении и монтаже конструкций. Кроме этого необходимо учитывать косвенные нагрузки, возникающие в герметичных стеклопакетах при перепаде давлений, температур и влажности.

К воздействиям относятся перепады температур и влажности наружнего и внутреннего воздуха, шум, естественное освещение от небосвода, солнечная радиация, обеспечивающую инсоляцию и дополнительный нагрев помещения, пыль и атмосферные осадки, водорастворимые химические примеси в атмосферной влаге. К воздействиям также можно отнести видимость - визуальную связь внутреннего и внешнего пространства.

Как несущие конструкции, светопрозрачные элементы ограждений должны обладать необходимой прочностью и жесткостью при действии всех описанных выше нагрузок.

Как ограждающие конструкции - обладать необходимыми теплозащитными, светотехническими и звукоизоляционными качествами при действии всех описанных выше воздействий, а также обладать герметичностью сопряжения элементов ограждения между собой и с примыкающими конструкциями.
Конструкции светопрозрачных ограждений должны быть достаточно технологичными, легко транспортируемыми и удобными в монтаже, иметь достаточную химическую стойкость и легко поддаваться очистке. Являясь выразительными элементами фасада и интерьера, окна должны обладать хорошими эстетическими качествами и долговечностью, а также быть удобными и доступными при эксплуатации.

По конструктивной схеме светопрозрачные конструкции подразделяются на оконные и витражные. В оконных конструкциях остекление выполняет чисто ограждающую функцию, и они предназначены для застекления типовых или нестандартных оконных проемов в стенах. Витражные конструкции, помимо ограждающих функций, являются элементом несущих или самонесущих конструкций и предназначены для застекления вертикальных и наклонных поверхностей большой площади. К витражным конструкциям относятся стены фасадов, зимних садов, торговых павильонов и т.п.

Окна по типу открывания подразделяются на поворотные, поворотно-откидные, откидные, распашные, раздвижные и глухие; по конструкции переплетов - на одинарные, спаренные, раздельные и раздельно-спаренные.

Кроме того, все Светопрозрачные конструкции подразделяются по материалу используемых в них профилей.

Стандартная конструкция оконного блока включает стационарную контурную обвязку - коробку (в ряде источников - раму), подвижно закрепленные на ней элементы -переплеты (в зарубежной технической документации - створки), а также элементы остекления, обычно в виде стеклопакета, и фурнитуру. В зависимости от площади проема и действующей ветровой нагрузки, в конструкцию коробки для обеспечения жесткости вводят промежуточные вертикальные элементы - импосты и горизонтальные - поперечины. Дополнительно в оконном блоке могут быть установлены устройства для вентиляции и различные защитные экраны.

Оконные и витражные Светопрозрачные конструкции в зависимости от материала и типа сечения оконных коробок и створок относятся к той или иной системе оконных профилей. Под системой оконных профилей будем понимать совокупность профилей различного назначения, подразделяемых на основные и дополнительные и выпускаемых определенным производителем.

В качестве материала для изготовления оконных профилей в традиционных окнах, применявшихся в странах СНГ до настоящего времени, использовалось дерево, в современных системах - поливинилхлорид (ПВХ), дерево, алюминий, стеклопластики, а также комбинированные системы - алюминий в сочетании с деревом и ПВХ в сочетании с алюминием. Геометрия и характеристики сечений могут изменяться в зависимости от производителей в отдельных деталях, однако при этом у всех фирм сохраняется единый общий принцип построения как отдельных профилей, так и системы в целом.

ОКНА С ПЕРЕПЛЕТАМИ ИЗ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА

Поливинилхлорид (ПВХ) относится к старейшим искусственным материалам. Впервые ПВХ был получен в лабораторных условиях в 1835 году французским горным инженером и химиком Анри Виктором Реньо. Реньо, получивший раствор винилхлорида, случайно обнаружил, что по истечении некоторого времени, в пробирке образовался белый порошок. Ученый провел с порошком различные опыты, но, не получив никакого удовлетворительного результата, утратил интерес к случайно открытому им веществу.

В 1878 году продукт полимеризации винилхлорида впервые был исследован более подробно, но результаты исследований так и не стали достоянием промышленности. Это произошло только в нашем столетии. В 1913 году немецкий ученый Фриц Клатте получил первый патент на производство ПВХ. Он предполагал использовать трудно воспламеняемый ПВХ вместо легко воспламеняемого целлюлоида. Начавшаяся Первая мировая война помешала Фрицу Клатте заняться подробным исследованием свойств ПВХ и возможностей его применения, а производство было приостановлено. Тем не менее, Клатте по праву считается основоположником промышленного производства ПВХ.

Производство ПВХ в крупных масштабах началось в 30-е годы в Германии. В это же время успешные разработки в этой области были проведены в США и Англии. После окончания Второй мировой войны ПВХ стал самым массовым материалом для изготовления труб, профилей, покрытии для пола, пленок, кабельной изоляции и множества других пластмассовых изделий. Сырьевую базу для изготовления ПВХ составляют каменная (поваренная) соль NaCl и нефть. Из каменной соли посредством электролиза хлористого натрия получается хлор. Из нефти получается этилен. Этилен и хлор вступают в реакцию с образованием дихлорэтана, из которого в результате последующей реакции образуется винилхлорид. Винилхлорид превращается посредством полимеризации в ПВХ.

Родиной современных окон с переплетами из ПВХ (в дальнейшем - окон из ПВХ), по общему признанию является Германия. Именно здесь в 1954 году фирмой "Тrосаl оконные профили из ПВХ были впервые запущены в серийное производство. На сегодняшний день по разнообразию оконных профилей, оконные ПВХ-системы являются наиболее гибкими и технологичными. Относительно низкая стоимость сырья и производства, наряду с хорошими физическими характеристиками (низкая теплопроводность, достаточно высокая химическая стойкость), сделали их самыми массовыми в центральной Европе.

Вместе с тем, эксплуатация окон из ПВХ в странах с суровым континентальным климатом, к числу которых относится и Россия, связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными специфическими свойствами ПВХ.

По своему химическому составу ПВХ относится к группе термопластов, для которых характерно быстрое снижение механических свойств при повышении температуры, обусловленное линейным строением молекул полимера и их малой связью друг с другом, снижающейся при нагревании. Такое строение обуславливает сильную зависимость свойств ПВХ от температуры.

В настоящее время большинство профилей поставляется на российский рынок из Германии. Все эти профили выполнены из разновидностей ПВХ марки PVC-U в соответствии с немецкими стандартами DIN. Базовые испытания для ПВХ немецкого производства проводятся при температуре +20°С. При понижении температуры его ударная вязкость падает (увеличивается хрупкость), относительное удлинение при разрыве уменьшается, а прочность на сжатие и изгиб повышается. С повышением температуры относительное удлинение при разрыве увеличивается, прочность на сжатие и изгиб падает. В зоне температур от +10°С до +40°С механические характеристики уменьшаются очень незначительно, и в большинстве случаев этими изменениями можно пренебречь.

При использовании ПВХ в интервале температур от +40°С до +6О°С, действующие на него силовые нагрузки должны быть снижены. При температуре выше +6О°С нагруженный ПВХ может находиться лишь очень небольшое время. Точка размягчения находится вблизи температуры +80°С.

В зоне отрицательных температур может использоваться только так называемый модифицированный ПВХ, содержащий специальные добавки, увеличивающие его ударную вязкость при температурах ниже 0°С. Такой ПВХ способен хорошо воспринимать динамические нагрузки при температуре не ниже -40°С.

ПВХ имеет очень высокий коэффициент температурного расширения, равный 80 х 10-6 [1/°С]. Для сравнения эта величина для стали и бетона составляет порядка 10 х 10-6 [1/°С], а для стекла 8.5 х 10-6 [1/°С]. Таким образом, ПВХ имеет коэффициент в 10 раз больший по сравнению со стеклом. Такое соотношение величин приводит к тому, что температурные деформации, а соответственно, и напряжения в профиле и остеклении, резко отличаются по величине. Окна разуплотняются, при этом в профилях начинают накапливаться остаточные деформации. Особенно болезненно на температурные воздействия реагируют цветные (не белые) профили, обладающие более низкими прочностными характеристиками и способные хорошо поглощать тепло.

В табл. 1.1. приведены физические характеристики ПВХ, используемого для производства оконных профилей

Физические характеристики поливинилхлорида FM DIN 7748-PVC-U:
Объемный вес, кг /M2 1430
Температура размягчения, °С 82
Отрицательная температура разрушения, °С -40
Теплопроводность, Вт/(м- К) 0,16
Удельная теплоемкость, кДж /(кг К) 1.00
Коэффициент температурного расширения, 1/°С 80 х 10-6
Модуль упругости, Н/м2 2,7 х 10-6
Предел прочности при разрыве, Н/ м2 48 х 10-6
Предел прочности на сжатие, Н/м2 80 -90 х 10-6
Ударная вязкость образца с надрезом, кДж/м2, 30 при +20°С
Ударная вязкость образца с надрезом, кДж /м2 ,при 0°С 8
Ударная вязкость, кДж/м2 ,при -40°С Неразрушаемый

ПВХ-профили получают методом экструзии - непрерывного выдавливания размягченного материала через отверстие определенного сечения, определяемого типом фильеры (детали машины для формования химических волокон в виде колпачка или пластины) при температуре 80-120°С. При этом для получения требуемых свойств профилей - светостойкости, устойчивости к атмосферным воздействиям, цветового оттенка, качества поверхности, свариваемости и т.п., в ПВХ добавляют стабилизаторы, модификаторы, пигменты и вспомогательные добавки.

По своей конструкции все ПВХ-системы, независимо от производителя, образованы тонкостенными полыми профилями, имеющими несколько камер, заполненных воздухом. В зависимости от предъявляемых требований, могут использоваться одно-, двух-, трех- и четырехкамерные профили. При этом, с увеличением числа камер растет значение термического сопротивления профиля. Толщина стенок профиля, в зависимости от расположения, составляет 1.5-3 мм.

Оконная система образуется основными и дополнительными профилями. Основные профили формируют базу всей системы. К основным относят профили коробок, створок, импостов и поперечин, а также специальные профили для распашных безимпост-ных окон (в некоторых источниках - профили с нащельной манжетой (штульпом) или упорной планкой - так называемые штулъповые профили). Все производители выпускают по нескольку наименований основных профилей. При этом в зависимости от архитектурной композиции и расчетных нагрузок, основные профили устанавливаются в окне в различных комбинациях.

Наиболее распространенные в настоящее время профили имеют три камеры - основную камеру, дренажную камеру и камеру для крепления фурнитуры. При этом трехкамерный профиль применяется далеко не всегда. Все крупные производители предлагают вариации профилей, различающиеся по количеству камер, что дает возможность проектировщику более гибко адаптироваться к конкретным решаемым задачам. Так, например, в профиль может быть добавлена дополнительная камера для повышения его термического сопротивления, или же, наоборот, одна из камер может быть ликвидирована в пользу более мощного армирования для восприятия



Рама и створка могут иметь наружные поверхности, расположенные в одной плоскости или же смещенные друг относительно друга. При расположении рамы и створки вровень, в профиле появляются дополнительные камеры - предкамеры, что дает возможность устанавливать остекление большей толщины. Такие конструкции называются одноплоскостными

Основная камера служит для установки усилительного вкладыша (армирующего профиля, в дальнейшем - армирования). Сечение усилительного вкладыша и толщину стенок принимают на основании статического расчета профиля на действие ветровых нагрузок, принимая во внимание возможность температурных деформаций. Армирующие вкладыши, как правило, выполняются из оцинкованной стали, реже - из алюминия, и предохраняют профили от избыточных прогибов, которые могут иметь место вследствие низкого значения модуля упругости ПВХ. За счет наличия армирующего вкладыша, окна из ПВХ получили свое второе название - металлопластиковые окна.
Дренажная камера оконного профиля предназначена для отвода наружу воды, проникающей через уплотнение при сильном дожде и ветре. С этой целью в коробке и створке делается фальц, имеющий наклон к наружному краю, или специальная выемка (поз. 15), куда стекает вода, попадая затем в дренажные отверстия, вырезаемые в нескольких точках по длине коробки и створки в дренажной камере. Геометрия камеры для крепления фурнитуры назначается в соответствии с требованиями производителей оконной фурнитуры, работающих по единым европейским стандартам. Центральный паз для крепления прибора в основной камере предназначен для установки основных элементов фурнитуры (главного механизма с закрепленной в нем оконной ручкой; кронштейнов, обеспечивающих поворотное или поворотно-откидное открывание створки и др. - см. главу 3).

Для обеспечения воздухо- и водонепроницаемости, по всему контуру коробки и створки устанавливаются пористые уплотнения*. Система уплотнения имеет два контура - наружный и внутренний. При этом наружное уплотнение может быть установлено как непосредственно по наружному контуру профиля, так и в середине. В этом случае оно называется средним уплотнением.

* Оконные уплотнения изготавливаются из материала, обозначаемого аббревиатурой ЭПТК (этилен-пропилен-термополимер-каучук). Международное обозначение - EPDM. ЭПТК-EPDM обладает значительной долговечностью, устойчивостью по отношению к атмосферным воздействиям, высокой прочностью на растяжение (8.3 х 10-6 Н/м2) и эластичностью (удлинение при разрыве - 400%). При этом его эластичность сохраняется в интервале температур от -50 °С до +120 "С. Будучи устойчивым к воздействию кислот и щелочей, ЭПТК-EPDM имеет низкую сопротивляемость по отношению к минеральным маслам и жирам; набухает в таких растворителях как бензин и углеводороды. При этом процесс набухания носит частично обратимый характер
В створке и коробке по всему контуру предусматриваются пазы (поз. для крепления штапика. Профиль штапика может быть самым разнообразным и определяется архитектурным замыслом. На штапике находится паз, куда вставляется уплотнитель, плотно прижимающий стеклопакет или стекло. Существуют штапики, выпускающиеся с так называемым коэкструдированным уплотнением, которое составляет со штапиком неразрывное целое.

Штапик относится к группе дополнительных профилей. Дополнительные профили в каждой оконной системе отличаются многообразием, в силу чего достаточно сложно поддаются классификации. Однако, по функциональному назначению, можно принципиально выделить несколько групп наиболее распространенных профилей.

К первой группе относятся профили, служащие для обеспечения качественного и технологичного монтажа оконного блока в существующем проеме. К ним относятся подставочные профили, нащельники, удлинители (доборные профили) и облицовочные профили.

Вторую группу дополнительных профилей образуют профили, набор которых определяет гибкость и разнообразие архитектурных решений, возможных в рамках данной системы. К этой группе относятся штапики, соединители, всевозможные декоративные накладки, а также поворотные профили.

В особую группу следует выделить реставрационные и усилительные профили.

Реставрационный профиль представляет из себя профиль рамы, закрепляемый на существующую коробку старого окна без ее демонтажа. Применение реставрационных профилей делает работы по замене окна менее трудоемкими и позволяет сохранить устоявшийся за много лет температурно-влажностный режим в зоне примыкания окна к стене. В качестве недостатка окон с реставрационным профилем следует отметить уменьшение площади светопроема при замене окон.

Усилители применяются в том случае, если тонкий соединительный профиль или импост не проходит по статическому расчету, а применение более мощного импоста невозможно. В некоторых системах при необходимости предусмотрено применение усилителей из алюминия. Наиболее широкое применение усилители находят в витражных конструкциях, для которых не предусмотрены какие-либо другие специальные профили.