Выбор материалов для окон

.
Статус документа:действующий
Название рус.:Выбор материалов для окон
Дата актуализации текста:17.06.2011
Дата введения:01.11.2009
Дата добавления в базу:17.06.2011
Доступно сейчас для просмотра:100% текста. Полная версия документа.
Опубликован:журнал "Ценообразование и сметное нормирование в строительстве" № 11 2009
.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОКОН

Дерево: тепло, экологично, но хлопотно

На протяжении многих веков оконные рамы изготовлялись исключительно из дерева. Мы его любим за способность сохранять тепло и экологичность. Последнее достоинство довольно спорное. Дерево, материал природный, полезно не только человеку, но и другим живым организмам - бактериям, грибкам, древесным насекомым-вредителям и прочим биоагрессорам. Для борьбы с ними деревянные рамы обрабатывают, склеивают и окрашивают различными химическими составами, применение которых, увы, ставит его экологическую чистоту под сомнение.

Окна, которым сто лет.

Здание по проекту арх. П.Ф. Алешина постройки 1907-1909г.

СПб, ул. Марата, д. 72

Кроме того, древесина от повышенной влажности гниет, от пониженной - рассыхается, со временем теряет внешний вид. За ней нужен тщательный уход, как за нежным цветком. При соблюдении всех технологических процессов на производстве и во время монтажа, периодическом уходе окна из дерева одни из самых теплых и долговечных. Применение для производства окон ценных пород древесины существенно повышает долговечность и стоимость. В настоящее время не существует окон, эксплуатирующихся более ста лет, кроме деревянных.

Приведенное сопротивление теплопередаче (теплоизоляция) (Rnp) окон из дерева со стеклопакетами может быть больше - 1,0 (м2 °С/Вт), что значительно выше норматива в Санкт-Петербурге. Из дерева возможно изготовить окна по индивидуальному заказу, которые не получатся из других материалов, к примеру с художественной резьбой. Производители предлагают очень большое разнообразие конструкций, в том числе, окна с алюминиевыми накладками (комбинированные окна) снаружи значительно увеличивают срок эксплуатации, но не отменяют обслуживание. Обычно накладки крепятся с зазором через пластиковые фиксаторы, поэтому нет попадания прямых солнечных лучей и дождя, но есть воздействие влажности и температуры.

Наилучшую шумо- и теплоизоляцию имеют конструкции с двумя рамами остекления, которые могут быть спаренными или раздельными (скандинавские окна). Наиболее практичный вариант конструкции, когда наружная рама выполнена из алюминия с одинарным стеклом, а внутренняя из дерева со стеклопакетом.

Алюминий: прочно, но холодно

Окна из алюминия надежны в эксплуатации и долговечны. Этот материал в свое время занял небольшую рыночную нишу, и вполне приемлем для производственных, торговых, складских помещений. Он прочен, технологичен, неприхотлив, но как всякий металл, он теплопроводен и преспокойно уводит тепло из помещения: зимой окна с алюминиевым профилем промерзают. Эта проблема решается установкой в профиль «терморазрыва», или по-другому пластиковой вставки между алюминиевыми профилями, что существенно повышает стоимость. Чем шире «терморазрыв», тем лучше теплоизоляция и больше стоимость.

В высотном строительстве широко применяют окна из алюминия, что обусловлено высокой прочностью и сравнительно небольшим коэффициентом линейного расширения, отличающимся от стекла примерно в два с половиной раза. При этом на стоимость приходится внимания не обращать, единственная альтернатива окнам из алюминия для высоток это стеклопластик.

Таблица 1. Коэффициент линейного расширения

Материал

1×10-6/°C

Стекло

9-10

Стеклопластик

9-12

Поливинилхлорид (ПВХ)

75-80

Сталь

11-14

Алюминий

22-23

Коэффициент линейного расширения в алюминиевых конструкциях единственно может сказаться в фасадах при не внимательном проектировании и изготовлении, но это уже другая история, не относящаяся к окнам.

Очень интересны комбинированные окна из алюминия, которые со стороны помещения облицованы деревом. Получаются достоинства алюминия вид и фактур дерева.

Как известно алюминий отличный электропроводник и при малейшем повреждении краски вблизи стального анкера образует с ним гальваническую пару. Возникает электрохимическая коррозия, которая разрушает конструкцию и резко сокращает срок ее службы. Так что долговечность алюминиевого профиля не бесспорна. Во избежание коррозии следует надежно изолировать места крепления окна, иначе придется следить за покрытием профиля - периодически зачищать и подкрашивать при этом не известно, что будет происходить внутри не окрашенного профиля. Кстати, кто сказал, что алюминиевые окна не требуют ухода?!

Металлопластик, ПВХ:
дешево купить, дорого владеть

Поливинилхлорид (ПВХ) относится к старейшим искусственным материалам. Впервые поливинилхлорид был получен в лабораторных условиях в 1835 году французским горным инженером и химиком Анри Виктором Реньо.

В середине XX века пластиковые оконные профили стали активно теснить деревянные и алюминиевые. Сегодня, окна из поливинилхлоридных (ПВХ) профилей занимают свыше 60% рынка. В перспективе их доля должна серьезно уменьшиться. По причинам, изложенным ниже.

Основное достоинство ПВХ кроется в его химической и биологической инертности и дешевизне. Этот полимер не гниет, не плесневеет, не коррозирует, не рассыхается, не набухает и т.п. Однако его физико-механические свойства весьма скромны. Прочность настолько низкая, что оконный профиль приходится армировать сталью, отчего падает его теплоизоляционная способность.

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.

По своему химической природе поливинилхлорид 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 поливинилхлорида от температуры.

В России, с приходом на рынок фирм-производителей ПВХ профилей для окон, была разработана методика искусственного старения и испытаны профили разных фирм, каждая фирма получает соответствующий сертификат. Испытания доводят до 40 условных лет эксплуатации в умеренном климате. Механические качества профилей остаются при этом в пределах норм. Но испытания профиля - это не испытания окна.

На сколько лет вы покупаете окна?

В головах у всех, кто имеет отношение к оконному рынку, прочно засела цифра «40», понимаемая иногда по-разному (от «условных лет эксплуатации» до «гарантийного срока на пластиковый профиль»), но находящая однозначное выражение во фразе менеджера по продажам: «Ваши окна прослужат не менее 40 лет». Происходит подмена понятий, испытания поливинилхлоридного профиля на старение без нагрузки представляют как долговечность металлопластиковых окон.

В журнале «Светопрозрачные конструкции» № 2 за 2009 год была опубликована статья: «О долговечности окон». В которой, как и положено, в научной статье, с соответствующими ссылками, подробно описано, что в наших ГОСТ нет ни методик испытаний окна из ПВХ профилей, а как единой конструкции, ни обязанности это делать производителю. Ниже приведены выдержки из статьи.

«Очень часто понятие стойкости материала к тем или иным воздействиям подменяется понятием долговечности. Тем самым методически неправильно объединяются в одно понятие стойкость собственно материла (его образцов) в определенных стандартных условиях и долговечность конструкции, изготовленной с применением этого материала, при внешних воздействиях на него.»

«Все бы неплохо, но в ГОСТ 30673-99 отсутствует упоминание об эксплуатационных свойствах ПВХ профиля, вероятно, потому, что сами по себе ПВХ профили не эксплуатируются?»

«Особенность вышеперечисленных нормативных документов состоит в том, что методически материалы, детали и узлы из них в ходе испытаний находятся в ненапряженном состоянии, то есть не испытывают всего комплекса эксплуатационных воздействий, как того требует ГОСТ 27.002-89. Поэтому в этом случае показатели будут определять не долговечность, а просто стойкость к старению.»

«Любопытно, что в случае оконных блоков деревянных со стеклопакетами (ГОСТ 24700-99) о долговечности деревянных брусков-профилей речь не идет.»

ВЛ. Миков, кф.-м.н., ведущий специалист НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»,

А.Ю. Куренкова, директор НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»

Поливинилхлорид имеет очень высокий коэффициент температурного(линейного) расширения, равный 80×10-6 [1/°С]. Для сравнения: эта величина для стали и бетона составляет порядка 10×10-6 [1/°С], а для стекла 8,5×10-6 [1/°С]. Таким образом, ПВХ имеет коэффициент в 10 раз больший по сравнению со стеклом и с материалом примыкающих к окну наружных стен. Такое соотношение величин приводит к тому, что температурные деформации, а соответственно, и напряжения в профиле, остеклении и примыкающих к окну конструкциях, резко отличаются по величине. Эта особенность, в сочетании с низким модулем упругости ПВХ практически полностью определяет долговечность и эксплуатационные характеристики металлопластиковых окон по сравнению с окнами из других материалов - дерева, алюминия и стеклопластика.

«...длина двухметрового отрезка профиля может колебаться в пределах одного сантиметра (9,6 мм) при изменении температуры поверхности от +40 до -20 °С»

«Справочник монтажника», том 1, авторы: В.Л. Миков, А.Ю. Безруков.

В странах с умеренным климатом (Германия, Франция, Англия) долговечность окон из ПВХ достигает 40 лет. В скандинавских странах, близких нам по климатическим условиям окна из металлопластика практически не встречаются. Почти во всех западных странах включая США и Канаду, существуют жесткие ограничения по применению окон, ограничиваются размеры окон, цвет профилей, этажность.

Таблица 2. Характеристики материалов применяемых в производстве окон

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Стеклокомпозит

Сталь

Алюминий

ПВХ

Дерево

Коэффициент линейного расширения (1×10-6/°С)

9-11

11-14

22-23

75-80

***

Коэффициент теплопроводности (Вт/м °С)

0,3-0,35

48

140-190

0,15

0,28

Плотность (кг/м3)

1600-2000

7800

2700

1400

500-600

Напряжение разрушения при изгибе (Мпа)

690-1240

400

275

80-110

48,5-68,0

Напряжение разрушения при растяжении (Мпа)

410-1180

410-480

80-430

41-48

20,8-78

Модуль упругости при изгибе (Мпа)

50

210

70

 

 

Модуль упругости при растяжении (Мпа)

40-55

210

70

2,8

8,7-10,3

Для наших условий эксплуатации не рекомендуется устанавливать окна из ПВХ размером более 1,4×1,4 метра и выше 4-го этажа, тем более на открытой местности. При этом реальная долговечность составит 10-15 лет.

Эксплуатация пластиковых окон.

Эксплуатация пластиковых окон в странах с суровым континентальным климатом, к числу которых относится и Россия, связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными физико-механическими свойствами поливинилхлорида.

Набор необходимых свойств определяется в соответствии с характером напряжений, возникающих в окне под воздействием эксплуатационных и технологических нагрузок. ПВХ - профили при эксплуатации в окне испытывают нагрузки на растяжение, сжатие и удар. Все это происходит под воздействием изменяющейся температуры, ультрафиолета и других атмосферных факторов. Поэтому для поливинилхлорида важны и такие показатели, как температура размягчения, коэффициент линейного расширения и цветоустойчивость. Все эти воздействия и свойства материала следует рассматривать вместе как влияющие в совокупности на эксплуатацию и долговечность окна.

Таблица 3. Модуль упругости различных материалов

Материал

Е, Н/мм2

Е, МН/м2

ПВХ твердый

2,7

0,027×105

Дерево вдоль волокон

10,0

0,1×105

Бетон

10,0-30,0

0,1...0,3×105

Стеклопластик

18,0-40,0

0,18...0,4×105

Дерево поперек волокон

50,0

0,5×105

Алюминий

67,5

0,675×105

Алюминиевые сплавы

71,0

0,71×105

Сталь

210,0

2,1×105

При понижении температуры модуль упругости ПВХ повышается, а следовательно, растут и его прочностные характеристики на растяжение, сжатие и изгиб. Однако, при этом увеличивается его хрупкость (падает ударная вязкость). При понижении температуры ПВХ с 23 до 0 °С, его ударная вязкость падает вдвое. Не случайно оконные фирмы, имеющие достаточный опыт работы, приостанавливают монтажи окон из ПВХ в зимнее время при температуре наружного воздуха ниже -10÷15 °С, когда риск хрупкого разрушения ПВХ при механическом воздействии велик. При температуре ниже -20 °С следует оберегать окно от ударных воздействий, которые могут возникнуть, в том числе от ветра при открытой створке.

Физические характеристики поливинилхлорида с различной стабилизацией

Характеристика

Методика испытаний

Единица измерения

Стабилизация (свинец)

Стабилизация (кальций-цинк)

Объемный вес

DIN 53479

кг/м3

1500

1460

Модуль упругости

DIN 53457

Н/мм2

2,98

2,46

Коэффициент температурного расширения

 

1/°С

80×10-6

 

Температура размягчения

DIN 534460/B

°С

82,5

79,5

Предел прочности при растяжении

DIN 53455

Н/мм2

43

41

Относительное удлинение при разрыве

DIN 53455

%

101

94

Ударная вязкость образца с надрезом при +23 °С

DIN 53753

КДж/м2

56

63

Ударная вязкость образца с надрезом при 0 °С

DIN 53753

КДж/м2

27

32

Твердость D по Шору

DIN 53505

единица твердости

74

71

С повышением температуры поливинилхлорид постепенно размягчается - его 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.

Резкое падение прочностных свойств ПВХ начинается выше температуры +40 °С, а вблизи t = +80 °С находится его точка размягчения. Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение ПВХ-окон недопустимо в помещениях с повышенными тепловыделениями. Категорически не рекомендуется устанавливать ПВХ окна, окрашенные в темные тона в силу того что, поверхность профиля может нагреться до 80 °С под воздействием прямых солнечных лучей при температуре атмосферного воздуха более 30 °С. Во избежание застаивания в профилях горячего воздуха, производители окон проводят «конструктивные мероприятия» по вентиляции наружных камер, т.е. сверлятся отверстия в профиле для вентиляции снизу и сверху, которые зимой уменьшают теплоизоляцию окон.

В статье, опубликованной в журнале «Светопрозрачные конструкции» № 3 за 2008 год, Павел Коротин, управляющий партнер группы компаний «Добрые Окна» пишет:

«К сожалению, следует отметить, что в настоящее время не существует публикаций, описывающих реальное деформационное поведение оконного блока (с учетом температурных расширений, наличия армирования, неравномерности прогрева и неподвижности точек крепления)»

Попробуем рассмотреть, что происходит с окном в процессе эксплуатации. Естественно с изменением времени года меняется и температура атмосферного воздуха, «вступает в свои права» коэффициент температурного расширения. Зимой наружная стенка профиля стремится сжаться, летом удлиниться, сторона профиля находящаяся в помещении не изменяет своих размеров. (Рис. Термические деформации ПВХ профилей) Поэтому профиль изгибается тем больше, чем больше разница температур между помещением и улицей. Рама деформируется меньше, ее держат крепления окна к стене, а створка окна имеет большую степень свободы, поэтому возникают щели между профилями.

Термические деформации ПВХ профилей

заготовка на производстве

зима

лето

лето

снаружи

внутри

снаружи

внутри

снаружи

внутри

снаружи

внутри

+20 °С

+20 °С

-20 °С

+20 °С

+40 °С

+20 °С

+80 °С

+20 °С

2000 мм

2000 мм

1993,6 мм

2000 мм

2003,2 мм

2000 мм

2009,6 мм

2000 мм

белый профиль

белый профиль

белый профиль

не белый профиль

Термические деформации ПВХ оконного блока при закреплении в проеме

а) схема крепления оконного блока (А=700 мм; Е=100-150мм)

б) деформирование летом

в) деформирование зимой

Кроме этого происходит деформация оконного блока и в другой плоскости. (Рис. Термические деформации ПВХ оконного блока при закреплении в проеме). С учетом принятой в Германии схемы крепления оконного блока в проеме его термическое деформирование показано на рис. б), в). Данные деформации существенно влияют на закрепленный стеклопакет в створке, что приводит к провисанию оной и необходимости приподнимать ее при закрывании или переставлять стеклопакет и естественно регулировать фурнитуру. Так же происходит деформация, сжатие и разрушение не эластичной полиуретановой пены монтажного зазора между окном и стеной. Во избежание накопления и замерзания затекающей в щели воды, производители окон проводят «конструктивные мероприятия» по отводу влаги из окна, т е сверлятся отверстия в профиле снизу, которые влияют на теплоизоляцию окон.

Производители ПВХ профилей борются за улучшение теплоизоляции окон увеличением количества камер и толщины профиля, но его приходится армировать для повышения прочности, что понижает теплоизоляцию. Об этом же говорит д.т.н., профессор В. Миллер, технический директор фирмы Gealan Fenster Systeme GmbH.:»... помимо соответствующего приведенного сопротивления теплопередаче профиль должен обладать и необходимой механической стабильностью. Последнее почти целиком обеспечивается стальным усилителем профиля, который, в свою очередь, существенно снижает приведенное сопротивление теплопередаче профиля в целом» (Стройпрофиль. 2007, № 2 (56). С. 96-98).

В статье сотрудника ЗАО «Профайн РУС» В.А. Калабина «Тонкости проектирования ПВХ конструкций (СК/СБ. 2004. № 2. С. 42-45) рассматривались проблемы ПВХ оконных блоков, обусловившие необходимость использования в них армирующих усилителей. И как совершенно справедливо отмечается в этой статье, главный компромисс при проектировании светопрозрачных конструкций из ПВХ профилей заключается в правильном выборе противоречащих друг другу характеристик: теплозащите и прочности (жесткости).

При выборе окон из ПВХ профилей следует обратить внимание не только на само окно, но и на монтаж от которого зависит значительная часть комфорта от эксплуатации.

Выводы:

Категорически не рекомендуется устанавливать ПВХ окна, окрашенные в темные тона.

При температуре ниже минус 20 °С следует оберегать окно от ударных воздействий, которые могут возникнуть, в том числе от ветра при открытой створке.

Для наших условий эксплуатации не рекомендуется устанавливать окна из ПВХ размером более 1,4×1,4 метра и выше 4-го этажа тем более на открытой местности.

Реальная долговечность окон из ПВХ профилей для наших климатических условий, составляет 10- 15 лет.

Окна из стеклопластика

В середине прошлого века в СССР провели исследование, показавшее, что лучшим материалом для изготовления оконных рам является стекло-композит (стеклопластик). На Саратовском заводе технического стекла было освоено производство. Для изготовления оконных профилей использовали стеклохолст и связующее, представлявшее собой смесь жидкого бакелита, олеиновой кислоты и красителя. Стеклохолст после пропитки связующим подсушивали при температуре 100-120 °С, а затем разрезали на заготовки, из которых впоследствии изготавливали переплеты. Переплеты изготавливались в пресс-формах при 135 °С с выдержкой в течение 40-50 мин под давлением.

Данная технология отличалась большими затратами и произведенные окна высокой себестоимостью, но при этом повышенной теплоизоляцией, неприхотливостью в эксплуатации и непревзойденной долговечностью.

Современные оконные профили из стеклопластика, получают методом пултрузии - протягивания через нагретую фильеру стекловолоконного материала, пропитанного термореактивной смолой. На выходе из фильеры получается готовое изделие - профиль. Впоследствии на профиль может наносится окрасочное покрытие.

В настоящее время стеклокомпозитные профили используют для изготовления окон, фасадов, зимних садов и других светопрозрачных конструкций.

Применение в светопрозрачных конструкциях стек- лопластиковых профилей позволило соединить достоинства, исключив недостатки. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11...13×106 1/°С), что положительно влияет на такие характеристики окон как звукоизоляция, воздухо- и водопроницаемость (не образуются щели) и не зависят от климатических условий, сохраняются неизменными и зимой и летом, не требуют сезонной регулировки фурнитуры.

Благодаря армирующему эффекту стекловолокна стек-локомпозиты отличаются очень высокой прочностью (порядка 410-1180×106 Н/м2 при сжатии и 690 - 1240×106 Н/м2 при изгибе) профиль не нуждается в дополнительном армировании металлом, уменьшающем теплоизоляцию, в отличие от поливинилхлорида. Низкая теплопроводность стеклопластика (λ = 0,3 - 0,35 Вт/м °С) и заполнение внутренней полости профиля теплоизоляционным материалом позволяет получить лучшее сопротивление теплопередаче при равной глубине профиля.

Окна из стеклопластика стабильно эксплуатируются в любых климатических условиях в силу свойств материала профиля. Стеклокомпозит без изменения характеристик выдерживает воздействие температуры от минус 70 до плюс 170°С. При этом имеет повышенную устойчивость к агрессивным средам, что позволяет применять в зданиях со специальными требованиями (в промышленных с агрессивной воздушной средой и интенсивными тепловыделениями), где не могут быть установлены окна из алюминия, дерева и ПВХ.

Стеклопластик исключительно долговечен, и по сравнению с такими материалами, как дерево, ПВХ, сталь и алюминий, не требует ремонта, не гниет, не ржавеет, устойчив к ультрафиолетовым лучам. Совокупность характеристик стеклокомпозита делает его, наиболее подходящего для изготовления окон и других светопрозрачных конструкций.

Миронов А.Ф.

Генеральный директор компании «BEZET»

Журнал «Ценообразование и сметное нормирование в строительстве», ноябрь 2009 г. № 11

 

.
Помните!
Вся полученная прибыль с сайта идет на развитие проекта, оплату услуг хостинг-провайдера, еженедельные обновления базы данных СНИПов, улучшение предоставлямых сервисов и услуг портала.
Скачайте «Выбор материалов для окон» и внесите свой малый вклад в развитие сайта!