Навесная стена — это наружное покрытие здания, в котором внешние стены не являются несущими и служат для защиты внутренней части здания от непогоды. Поскольку фасад навесной стены не несет структурной нагрузки, кроме собственного веса, он может быть изготовлен из легких материалов. Стена передает боковые ветровые нагрузки на основную конструкцию здания через соединения в этажах или колоннах здания.
Навесные стены могут быть спроектированы как «системы», объединяющие каркас, стеновую панель и материалы для защиты от атмосферных воздействий. Стальные рамы в значительной степени уступили место алюминиевым профилям. Стекло обычно используется для заполнения, поскольку оно может снизить затраты на строительство, обеспечить привлекательный с архитектурной точки зрения вид и позволить естественному свету проникать глубже внутрь здания. Однако стекло также затрудняет контроль влияния света на визуальный комфорт и приток солнечного тепла в здании. Другие распространенные заполнения включают каменный шпон, металлические панели, жалюзи и действующие окна или вентиляционные отверстия.
В отличие от систем витрин, системы навесных стен предназначены для охвата нескольких этажей с учетом раскачивания и движения здания, а также требований к проектированию, таких как тепловое расширение и сжатие; сейсмические требования; водоотведение; и тепловая эффективность для экономичного отопления, охлаждения и внутреннего освещения.
Исторически здания строились из дерева, каменной кладки или их комбинации. Их внешние стены были несущими, выдерживая большую часть или всю нагрузку всей конструкции. Характер материалов привел к определенным ограничениям на высоту здания и максимальный размер оконных проемов.
Развитие и широкое использование конструкционной стали, а затем и железобетона позволило относительно небольшим колоннам выдерживать большие нагрузки. Наружные стены могли быть ненесущими и, следовательно, намного легче и более открытыми, чем несущие стены прошлого. Это привело к более широкому использованию стекла в качестве внешнего фасада, и родилась современная навесная стена.
Деревянные конструкции со столбами и балками и воздушным каркасом фактически представляли собой раннюю версию навесных стен, поскольку их каркасы выдерживали нагрузки, которые позволяли самим стенам выполнять другие функции, такие как защита от непогоды и пропускание света. Когда начали использовать железо широко в зданиях в Великобритании конца 18-го века, таких как льняная фабрика в Дитерингтоне, а позже, когда были построены здания из кованого железа и стекла, такие как Хрустальный дворец, строительные блоки структурного понимания были заложены для развития навесных стен.
Ориэл Чемберс (1864 г.) и Кук-стрит, 16 (1866 г.), построенные в Ливерпуле, Англия, местным архитектором и инженером-строителем Питером Эллисом, характеризуются широким использованием стекла в фасадах. Со стороны дворов они могли похвастаться стеклянными навесными стенами с металлическим каркасом, что делает их двумя из первых зданий в мире, в которых есть эта архитектурная особенность. Ориэл Чемберс занесен в Книгу рекордов Гиннеса как самое раннее такое здание. Обширные стеклянные стены позволили свету проникать глубже в здание, используя больше площади и снижая затраты на освещение. Oriel Chambers занимает площадь 43 000 кв. футов (4 000 м2), расположенную на пяти этажах без лифта, который был изобретен совсем недавно и еще не получил широкого распространения. Статуя Свободы (1886 г.) имеет тонкую, не несущую нагрузку медную кожу. В больших фабричных зданиях потребовалось широкое использование стекла, чтобы обеспечить освещение производства, иногда создавалось впечатление, что все фасады у них стеклянные.
Ранним примером цельнометаллической навесной стены, использованной в классическом стиле, является универмаг Kaufhaus Tietz на Лейпцигерштрассе в Берлине, построенный в 1901 году (в настоящее время снесен).
Некоторые из первых навесных стен были изготовлены из стальных стоек, а полированное листовое стекло было прикреплено к стойкам с помощью стеклопакета, модифицированного асбестом или стекловолокном. Со временем состав для остекления был заменен силиконовыми герметиками или скотчем для остекления. Некоторые конструкции включали внешнюю крышку, удерживающую стекло на месте и защищающую целостность уплотнений. Ориентирами дизайна навесных стен, когда он стал доминировать в строительстве, были совершенно разные системы, используемые в штаб-квартире Организации Объединенных Наций и в Левер-хаусе, построенном в 1952 году.
Навесная стена Людвига Миса ван дер Роэ — один из важнейших аспектов его архитектурного проекта. Мис впервые начал создавать прототип навесной стены в своих проектах высотных жилых домов вдоль берега озера Чикаго, добившись вида навесной стены в апартаментах 860-880 Lake Shore Drive. Наконец он усовершенствовал навесную стену на доме 900–910 по Лейк-Шор-Драйв, где занавес представляет собой автономную обшивку из алюминия и стекла. После 900–910 годов навесная стена Миса появлялась во всех его последующих проектах высотных зданий, включая здание Сигрэм в Нью-Йорке.
Широкое использование алюминиевых профилей для стоек началось в 1970-х годах. Алюминиевые сплавы обладают уникальным преимуществом: им можно легко придать практически любую форму, необходимую для дизайнерских и эстетических целей. Сегодня сложность конструкции и доступные формы практически безграничны. Нестандартные формы можно спроектировать и изготовить относительно легко. Навесная стена 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 навесами.
Подавляющее большинство навесных стен первого этажа устанавливаются в виде длинных частей (называемых палками) между этажами вертикально и между вертикальными элементами горизонтально. Элементы каркаса могут быть изготовлены в мастерской, но установка и остекление обычно выполняются на строительной площадке.
Очень похожая на стержневую систему, лестничная система имеет стойки, которые можно разделить, а затем либо защелкнуть, либо скрутить вместе, состоящую из полукоробки и пластины. Это позволяет изготавливать секции навесной стены в цеху, что эффективно сокращает время, затрачиваемое на установку системы на месте. Недостатками использования такой системы являются снижение конструктивных характеристик и видимые линии стыков по длине каждого импоста.
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.
Общая черта технологии навесных стен — принцип противодождевого экрана, согласно которому равновесие давления воздуха между внешней и внутренней частью «дождевого экрана» предотвращает проникновение воды в здание. Например, стекло захватывается между внутренней и внешней прокладками в пространстве, называемом фальцем остекления. Фальц остекления вентилируется наружу, поэтому давление на внутреннюю и внешнюю стороны внешней прокладки одинаковое. Когда давление на этой прокладке одинаковое, вода не может проходить через стыки или дефекты прокладки.
Система навесных стен должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать все нагрузки, возлагаемые на нее, а также препятствовать проникновению воздуха и воды в ограждающую конструкцию здания.
Нагрузки, действующие на навесную стену, передаются на конструкцию здания через анкеры, которые крепят стойки к зданию.
Статичная нагрузка определяется как вес элементов конструкции и постоянных элементов конструкции. В случае навесных стен эта нагрузка состоит из веса стоек, анкеров и других конструктивных элементов навесной стены, а также веса заполняющего материала. Дополнительные собственные 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 обдува здания ветром. Давлению ветра противостоит система навесных стен, поскольку она окутывает и защищает здание. Ветровые нагрузки сильно различаются по всему миру, причем самые большие ветровые нагрузки приходятся на побережье, в регионах, подверженных ураганам. Для каждого местоположения проекта строительные нормы и правила определяют требуемые расчетные ветровые нагрузки. Часто исследование в аэродинамической трубе проводится на больших зданиях или зданиях необычной формы. Масштабная модель здания и его окрестностей строится и помещается в аэродинамическую трубу для определения давления ветра, действующего на рассматриваемую конструкцию. Эти исследования учитывают образование вихрей вокруг углов и влияние окружающей топографии и зданий.
Сейсмические нагрузки в системе навесных стен ограничиваются межэтажным сдвигом, возникающим в здании во время землетрясения. В большинстве ситуаций навесная стена способна естественным образом противостоять сейсмическим и ветровым раскачиваниям здания из-за пространства, предусмотренного между заполнением остекления и импостом. В ходе испытаний стандартные системы навесных стен обычно способны выдерживать относительное перемещение пола до трех дюймов (76 мм) без разрушения стекла или утечки воды.
Снеговые нагрузки и временные нагрузки обычно не являются проблемой для навесных стен, поскольку навесные стены проектируются так, чтобы быть вертикальными или слегка наклоненными. Если наклон стены превышает 20 градусов или около того, возможно, необходимо учитывать эти нагрузки.
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 в зависимости от ее длины и разницы температур. Это расширение и сжатие достигается за счет того, что горизонтальные стойки немного укорачиваются и остается пространство между горизонтальными и вертикальными стойками. В блочной навесной стене между элементами оставляют зазор, который изолируется от проникновения воздуха и воды прокладками. По вертикали якоря, воспринимающие только ветровую нагрузку (не постоянную нагрузку), имеют прорези для учета движения. Кстати, этот паз также учитывает прогибы от динамической нагрузки и ползучесть плит перекрытия строительной конструкции.
Случайные взрывы и террористические угрозы вызвали растущую обеспокоенность по поводу хрупкости системы навесных стен по отношению к взрывным нагрузкам. Взрыв федерального здания Альфреда П. Мурры в Оклахома-Сити, штат Оклахома, породил большую часть текущих исследований и мандатов в отношении реагирования на взрывные нагрузки. В настоящее время все новые федеральные здания в США и все посольства США, построенные на чужой территории, должны иметь определенные средства защиты от взрывов бомб.
Поскольку навесная стена находится снаружи здания, она становится первой линией защиты при взрыве бомбы. Таким образом, взрывозащищенные навесные стены спроектированы таким образом, чтобы выдерживать такие нагрузки без ущерба для внутренней части здания и защиты его жителей. Поскольку взрывные нагрузки представляют собой очень высокие нагрузки с небольшой продолжительностью, реакцию навесной стены следует проанализировать с помощью анализа динамических нагрузок с проведением полномасштабных макетных испытаний 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 переносимого ветром мусора.
Инфильтрация воздуха — это воздух, который проходит через навесную стену снаружи внутрь здания. Воздух проникает через прокладки, через несовершенные соединения между горизонтальными и вертикальными стойками, через дренажные отверстия и несовершенную герметизацию. Американская ассоциация архитектурных производителей (AAMA) — это отраслевая торговая группа в США, которая разработала добровольные спецификации относительно допустимых уровней инфильтрации воздуха через навесные стены.
Проникновение воды определяется как вода, проходящая снаружи здания внутрь системы навесных стен. Иногда, в зависимости от технических характеристик здания, небольшое количество контролируемой воды внутри помещения считается приемлемым. Контролируемое проникновение воды определяется как вода, которая проникает за пределы самой внутренней вертикальной плоскости испытуемого образца, но имеет предусмотренные средства отвода обратно наружу. Добровольные спецификации AAMA допускают контролируемое проникновение воды, в то время как базовый метод испытаний ASTM E1105 определяет такое проникновение воды как отказ. Чтобы проверить способность навесной стены противостоять проникновению воды в полевых условиях, систему распыления воды ASTM E1105 размещают на внешней стороне испытуемого образца, и к системе прикладывают положительную разницу давления воздуха. Эта установка имитирует дождь, вызванный ветром, на навесной стене, чтобы проверить работоспособность продукта и установки в полевых условиях. Полевой контроль качества и проверки на проникновение воды стали нормой, поскольку строители и монтажники применяют такие программы качества, чтобы помочь уменьшить количество судебных исков о повреждении водой 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 алюминиевого импоста в три раза больше по сравнению с аналогичным стальным профилем при данной нагрузке. Строительные спецификации устанавливают пределы прогиба для перпендикулярных (вызванных ветром) и плоскостных (вызванных постоянной нагрузкой) прогибов. Эти пределы прогиба не налагаются из-за прочностных характеристик стоек. Скорее, они предназначены для ограничения прогиба стекла (которое может сломаться при чрезмерном отклонении) и для обеспечения того, чтобы стекло не выскакивало из 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 чрезмерное отклонение может привести к соприкосновению стойки со стеной и повреждению. Кроме того, если прогиб стены весьма заметен, общественное мнение может вызвать неоправданную обеспокоенность тем, что стена недостаточно прочна.
Пределы прогиба обычно выражаются как расстояние между опорными точками, деленное на постоянное число. Предел отклонения L/175 обычно используется в спецификациях навесных стен и основан на опыте работы с пределами отклонения, которые вряд ли могут привести к повреждению стекла, удерживаемого стойкой. Предположим, что данная навесная стена закреплена на высоте пола 12 футов (144 дюйма). Допустимый прогиб тогда составит 144/175 = 0,823 дюйма, что означает, что стена может прогибаться внутрь или наружу максимум на 0,823 дюйма при максимальном давлении ветра. Однако некоторые панели требуют более строгих ограничений движения или, конечно же, таких, которые запрещают движение, подобное крутящему моменту.
Прогиб в импостах контролируется различной формой и глубиной элементов навесной стены. Глубина данной системы навесных стен обычно контролируется моментом инерции площади, необходимым для соблюдения пределов прогиба в соответствии со спецификацией. Другой способ ограничить прогибы в данном сечении — добавить стальную арматуру к внутренней трубе импоста. Поскольку сталь прогибается втрое быстрее, чем алюминий, сталь выдержит большую часть нагрузки при меньших затратах или меньшей глубине.
Прогиб стоек навесных стен также отличается от прогиба строительной конструкции, будь то бетон, сталь или древесина. Анкеры навесной стены должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить дифференциальное перемещение между конструкцией здания и навесной стеной.
Прочность (или максимальное полезное напряжение), доступная для конкретного материала, не связана с его жесткостью (свойством материала, определяющим прогиб); это отдельный критерий при проектировании и анализе навесных стен. Это часто влияет на выбор материалов и размеров для проектирования системы. Допустимая прочность на изгиб некоторых алюминиевых сплавов, например тех, которые обычно используются в каркасе навесных стен, приближается к допустимой прочности на изгиб стальных сплавов, используемых в строительстве зданий.
По сравнению с другими компонентами здания алюминий имеет высокий коэффициент теплопередачи, а это означает, что алюминий является очень хорошим проводником тепла. Это приводит к высоким потерям тепла через алюминиевые (или стальные) стойки навесных стен. Есть несколько способов компенсировать эти потери тепла, наиболее распространенным способом является добавление тепловых разрывов. Это барьеры между внешним металлом и внутренним металлом, обычно изготовленные из поливинилхлорида (ПВХ). Эти разрывы обеспечивают значительное снижение теплопроводности навесной стены. Однако, поскольку термический разрыв прерывает алюминиевую стойку, общий момент инерции стойки уменьшается и его необходимо учитывать при структурном анализе и анализе прогиба системы.
Теплопроводность системы навесных стен важна из-за потерь тепла через стену, что влияет на затраты на отопление и охлаждение здания. На некачественно выполненной навесной стене 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.
Стойки с термическим разрушением и стеклопакетами с двойным или тройным остеклением часто называют «высокоэффективными» навесными стенами. Хотя эти системы навесных стен более энергоэффективны, чем старые версии с одинарным остеклением, они все же значительно менее эффективны, чем конструкция непрозрачных (сплошных) стен. Например, почти все системы навесных стен, термически разрушенные или иным образом, имеют значение U 0,2 или выше, что эквивалентно значению R 5 или ниже.
Заполнение относится к большим панелям, которые вставляются в навесную стену между стойками. Заполнения обычно состоят из стекла, но могут состоять практически из любого внешнего элемента здания. Некоторые распространенные заполнения включают металлические панели, жалюзи и фотоэлектрические панели. Заполнения также называют перемычками или перемычками.
Флоат-стекло на сегодняшний день является наиболее распространенным типом остекления навесных стен. Его можно изготовить с почти бесконечной комбинацией цвета, толщины и непрозрачности. Для коммерческого строительства двумя наиболее распространенными толщинами являются монолитное 1/4 дюйма (6,4 мм) и изоляционное стекло толщиной 1 дюйм (25 мм). Стекло толщиной 1/4 дюйма обычно используется только в перемычках, тогда как изоляционное стекло используется для остальной части здания (иногда перемычное стекло также указывается как изоляционное стекло). 1-дюймовое изоляционное стекло обычно состоит из двух листов стекла толщиной 1/4 дюйма с Воздушное пространство 1/2 дюйма (13 мм). Воздух внутри обычно представляет собой атмосферный воздух, но могут использоваться некоторые инертные газы, такие как аргон или криптон, чтобы обеспечить лучшие значения теплопроводности. В Европе сейчас распространено заполнение из трехслойного изоляционного стекла. В Скандинавии были построены первые навесные стены с четырехкамерными панелями.
Большая толщина обычно используется для зданий или помещений с более высокими требованиями к температуре, относительной влажности или звукопередаче, например, в лабораториях или студиях звукозаписи. В жилищном строительстве обычно используются следующие толщины: 1⁄8. дюймовый (3,2 мм) монолитный и 5/8 дюймов (16 мм).
Можно использовать стекло, которое является прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным или в различной степени. Под прозрачным стеклом обычно подразумевается смотровое стекло в навесной стене. Спандрель или смотровое стекло также могут содержать полупрозрачное стекло, которое может использоваться в целях безопасности или в эстетических целях. Непрозрачное стекло используется в местах, где можно скрыть колонну, перемычку или стену, расположенную за навесной стеной. Другой метод скрытия областей перемычек — создание теневого ящика (обеспечивающего темное замкнутое пространство за прозрачным или полупрозрачным стеклом). Конструкция теневого короба создает ощущение глубины за стеклом, что иногда желательно.
Тонкие блоки камня (от 3 до 4 дюймов (от 76 до 102 миллиметров)) можно вставить в систему навесных стен. Тип используемого камня ограничивается только прочностью камня и возможностью изготовить его нужной формы и размера. Обычно используемые типы камня: силикат кальция, гранит, мрамор, травертин, известняк и искусственный камень. Чтобы уменьшить вес и повысить прочность, натуральный камень можно прикрепить к алюминиевой сотовой основе.
Металлические панели могут иметь различную форму, включая нержавеющую сталь, алюминиевую пластину; алюминиевые композитные панели, состоящие из двух тонких алюминиевых листов, между которыми находится тонкая пластиковая прослойка; медная облицовка стен и панели, состоящие из металлических листов, соединенных с жесткой изоляцией, с внутренним металлическим листом или без него для создания сэндвич-панели. Другие непрозрачные материалы для панелей включают армированный волокном пластик (FRP) и терракоту. Терракотовые панели для навесных стен впервые были использованы в Европе, но лишь немногие производители производят высококачественные современные терракотовые панели для навесных стен.
Жалюзи устанавливаются в местах, где механическому оборудованию, расположенному внутри здания, для работы требуется вентиляция или свежий воздух. Они также могут служить средством фильтрации наружного воздуха в здание, чтобы воспользоваться благоприятными климатическими условиями и свести к минимуму использование энергоемких систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Системы навесных стен могут быть адаптированы для установки большинства типов жалюзийных систем для сохранения тех же архитектурных линий и стиля, обеспечивая при этом желаемую функциональность.
В большинстве случаев остекление навесных стен является фиксированным, а это означает, что доступ к внешней части здания возможен только через двери. Тем не менее, окна или вентиляционные отверстия также могут быть застеклены в системе навесных стен, чтобы обеспечить необходимую вентиляцию или работоспособные окна. Практически любой тип окон можно вписать в систему навесных стен.
Противопожарная защита на крае плиты по периметру, который представляет собой зазор между полом и навесной стеной, необходима для замедления прохождения огня и дымовых газов между этажами. Зоны перемычек должны иметь негорючую изоляцию на внутренней стороне навесной стены. Некоторые строительные нормы и правила требуют, чтобы стойка была обернута теплоизоляцией возле потолка, чтобы предотвратить таяние стойки и распространение огня на этаж выше. Противопожарная перегородка по краю плиты по периметру считается продолжением класса огнестойкости плиты перекрытия. Однако сама навесная стена обычно не обязана иметь рейтинг. Это вызывает затруднительное положение, поскольку разделение на отсеки (противопожарная защита) обычно основано на закрытых отсеках, чтобы избежать миграции огня и дыма за пределы каждого задействованного отсека. Навесная перегородка по своей природе препятствует завершению отсека (или конверта). Было показано, что использование спринклеров пожаротушения смягчает эту проблему. Таким образом, если здание не опрыскивается, огонь все равно может распространиться вверх по навесной стене, если стекло на открытом полу разобьется от тепла, в результате чего пламя охватит внешнюю часть здания.
Падающее стекло может подвергнуть опасности пешеходов, пожарных и пожарные шланги внизу. Примером этого является пожар Первой межштатной башни в Лос-Анджелесе, Калифорния, в 1988 году. Огонь перепрыгнул башню, разбив стекло, а затем поглотив алюминиевую раму, удерживающую стекло. Температура плавления алюминия составляет 660 °C, тогда как при пожарах в зданиях она может достигать 1100 °C. Точка плавления алюминия обычно достигается в течение нескольких минут после начала пожара.
Выбиваемые панели остекления пожарных часто требуются для вентиляции и аварийного доступа снаружи. Выбивные панели, как правило, представляют собой полностью закаленное стекло, что позволяет полностью разломить панель на мелкие кусочки и относительно безопасно извлечь ее из проема.
Навесные стены и герметики по периметру требуют обслуживания для увеличения срока службы. Герметики по периметру, правильно спроектированные и установленные, имеют типичный срок службы от 10 до 15 лет. Удаление и замена герметиков по периметру требуют тщательной подготовки поверхности и правильной детализации.
Алюминиевые рамы обычно окрашиваются или анодируются. Необходимо соблюдать осторожность при очистке участков вокруг анодированного материала, поскольку некоторые чистящие средства разрушают отделку. Наносимые на заводе термореактивные покрытия из фторполимеров обладают хорошей устойчивостью к воздействию окружающей среды и требуют лишь периодической очистки. Повторное покрытие воздушно-сухим фторполимерным покрытием 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 чистить и защищать запатентованными прозрачными покрытиями для улучшения внешнего вида и долговечности.
Навесные стены из нержавеющей стали не требуют покрытия, а тисненые поверхности, в отличие от обработанных абразивом, сохраняют свой первоначальный внешний вид в течение неопределенного времени без очистки или другого ухода. Некоторые матовые поверхности из нержавеющей стали со специальной текстурой являются гидрофобными и устойчивы к загрязнениям, переносимым по воздуху и дождю. Это было ценно на юго-западе Америки и на Ближнем Востоке, поскольку позволяет избежать пыли, а также пятен сажи и дыма в загрязненных городских районах.
