Заключение

Одностенное устройство наружных стен в монолитных домах требует меньше времени и сил на строительство. Он дешевле и может быть удовлетворительно изолирован с помощью хорошо спроектированных систем теплоизоляции (ETICS). Кроме того, системы изоляции сравнительно легко заменить или отремонтировать.

Двухоболочечный метод строительства более сложен и дорог. Но это все же стоит. Достигается лучший эффект изоляции и, таким образом, экономятся затраты на отопление. Таким образом, владельцы зданий также могут претендовать на государственные субсидии. Кроме того, двустенная конструкция более прочная и долговечная, практически не возникает сквозняков, а звукоизоляция значительно выше.

При сравнении различных предложений рекомендуется учитывать расположение дома. Например, если дом находится на оживленной улице, двухстенная конструкция уместна просто для звукоизоляции. Также большинство домов на Крайнем Севере, где большие ветровые нагрузки, имеют стены из двухслойной кладки.

Можно сделать прогнозный расчет эффекта изоляции и ожидаемой экономии расходов на отопление. Следует учитывать все стоимостные факторы: погода в месте расположения, количество жильцов, стоимость строительства различных моделей, технологии отопления и изоляции, возможные государственные субсидии. Таким образом, изначально более высокие затраты на строительство часто оказываются чрезмерно оправданными, что облегчает принятие решения.

BA-1204: Внешняя изоляция каменных стен и стен с деревянным каркасом

Внешняя изоляция является эффективным средством повышения общего теплового сопротивления стеновых конструкций. Он также имеет другие преимущества, включая улучшенное управление водными ресурсами и часто повышенную герметичность здания. Однако инженерная база и вспомогательные работы по наружной изоляции не проводились, что создавало препятствия для принятия строительных норм и правил. Кроме того, стратегии управления водными ресурсами и методы интеграции оконных систем, дверных систем, террас, балконов и пересечений стен крыши не были должным образом разработаны. Этот пробел также препятствует более широкому развертыванию.

В рамках этого исследовательского проекта Building Science Corporation (BSC) разработала базовый инженерный анализ для поддержки установки толстых слоев внешней изоляции (от 2 дюймов до 8 дюймов) на существующих каменных стенах и стенах с деревянным каркасом. В качестве места крепления обшивки использовались планки деревянной обшивки (крепящиеся через утеплитель обратно к конструкции). Детали управления водными ресурсами, необходимые для соединения наружных изолированных стеновых конструкций с крышами, балконами, палубами и окнами, были созданы в качестве руководства для интеграции стратегий внешней изоляции с другими элементами ограждения.

Сопротивление выдергиванию ветровой нагрузки было определено на основе рекомендаций, изложенных в Национальных технических условиях проектирования деревянных конструкций (Американская ассоциация лесной и бумажной промышленности, 2005 г., глава 11, «Крепеж дюбельного типа»). Во всех случаях пропускная способность не зависит от толщины внешней изоляции.

Анализ допустимой нагрузки под действием силы тяжести является более сложным и включает несколько переменных, которые необходимо учитывать при креплении облицовки. BSC выполнила численный анализ для толщины изоляции от 1 дюйма до 8 дюймов (с шагом 1 дюйм). Лабораторные испытания были ограничены установками толщиной 4 и 8 дюймов. Намерение состояло в том, что результаты от 4-in. испытание может быть применено к установкам до 4 дюймов и 8 дюймов. результаты испытаний могут быть применены к установкам размером от 4 до 8 дюймов

BSC определила, что приемлемый прогиб, а не предельная грузоподъемность систем определяли конструкцию. Для сайдинга внахлест и панельной облицовки с соединениями (металл, винил, дерево и фиброцемент) движение носит эстетический характер, а не является проблемой для здоровья и безопасности. Приемлемая величина прогиба будет зависеть от приемлемой эстетики выбранной системы облицовки. Для большинства систем сайдинга или панельной облицовки могут быть допустимы отклонения до 1/16 дюйма или даже 1/8 дюйма, поскольку допуски на материал и установку намного превышают потенциальный зазор. В связи с этим BSC рекомендует ограничивать прогиб до 1/16 дюйма в процессе эксплуатации, если только не будет продемонстрировано, что допускаются более крупные прогибы.

Для хрупких облицовок (таких как штукатурка и искусственный камень) движение может привести к растрескиванию и возможному отслаиванию материала. Для этих систем BSC рекомендует установить предел прогиба в процессе эксплуатации, чтобы предотвратить прогиб, который может повредить оболочку или нарушить ее функцию. Предел 1/64 дюйма предлагается для хрупких оболочек после первоначального прогиба.

Наиболее распространенные системы облицовки жилых помещений (металл, винил, дерево и фиброцемент) достаточно легкие (

Для более тяжелых систем облицовки (> 10 фунтов на квадратный фут) начальный прогиб находится в пределах предложенного предела прогиба. Однако существует недостаточная информация о потенциальном тепловом и влажностном расширении и сжатии, а также о ползучести некоторых изоляционных материалов в открытых средах для прогнозирования деформации в течение длительного срока службы. Необходимы дополнительные исследования долговременного отклонения более тяжелых облицовок в открытых средах.

Интеграция внешней изоляции в стратегию управления водными ресурсами здания требует тщательной детализации стыков с другими элементами ограждения.

По большей части размещение водонепроницаемого барьера снаружи изоляции было самым простым, потому что детали во многом аналогичны стандартным методам строительства. Часто возникает вопрос о том, как поддерживать элементы, которые когда-то располагались в стене несущего каркаса, а теперь «выдвинуты» наружу в плоскость внешней изоляции (например, окна и отливы ступеней). Для решения этих проблем в проект можно интегрировать осторожное использование блокирующих или блочных расширений.

И наоборот, размещение водонепроницаемого барьера внутри внешней изоляции было более трудным для подрядчиков из-за некоторых существенных отклонений от стандартных строительных деталей и общих последовательностей строительства. Эти опасения усилились, когда эти методы были применены к модернизации здания. Однако у этого есть преимущества, заключающиеся в размещении водонепроницаемого барьера в более защищенном месте (повышение долговечности) и расположении окна в плоскости существующего обрамления.

BSC разработала детали, которые служат руководством по эффективному поддержанию непрерывности управления водными ресурсами. Эти подробности представлены в Приложении А к настоящему отчету.

1.1 Введение

Основная концепция теплоизоляции снаружи существующих каменных стен и стен с деревянным каркасом проста; он имеет множество преимуществ в отношении долговечности и непрерывности воздушного барьера (Lstiburek 2007; Hutcheon 1964). Несмотря на то, что практика должна быть простой, на пути ее широкого внедрения стоят несколько проблем. Например, производители облицовочных систем и материалов для наружной изоляции часто ограничивают толщину до 1½ дюйма в своих гарантиях; крепление облицовки, таким образом, становится проблемой. Эта проблема решалась различными практиками (Crandell 2010; Ueno 2010; Joyce 2009).; Петтит 2009; Штраубе и Смегал, 2009 г.). Демонстрации, проведенные членами исследовательской группы Building Science Corporation (BSC), которая выполнила работу, описанную в этом отчете, показали, что возможна внешняя изоляция толщиной до 8 дюймов поверх деревянных каркасных зданий (Lstiburek 2009). Однако инженерная база и вспомогательные работы не проводились, что создавало препятствия для официального принятия строительных норм и правил. Кроме того, стратегии и процедуры управления водными ресурсами для интеграции крыш, балконов, палуб и оконных систем не были должным образом разработаны. Этот пробел также препятствует более широкому развертыванию.

В рамках этого исследовательского проекта компания BSC провела базовый инженерный анализ для поддержки установки толстых слоев наружной изоляции (от 2 до 8 дюймов) на существующих кирпичных стенах и стенах с деревянным каркасом. В качестве места крепления обшивки использовались планки деревянной обшивки (крепящиеся через утеплитель обратно к конструкции). Также были разработаны детали управления водными ресурсами, необходимые для соединения наружных изолированных стеновых конструкций с крышами, балконами, палубами и окнами, что привело к руководству по интеграции стратегий внешней изоляции с другими элементами ограждения. Подробности учитывают как полную модернизацию, так и поэтапную модернизацию, предоставляя детали соединений, которые позволяют в будущем интегрировать с другими высокопроизводительными элементами системы шкафов.

1.2 Общие сведения

Существующий фонд жилых зданий представляет собой значительную часть энергопотребления в США. Секторы жилых и коммерческих зданий потребляли примерно 40% первичной энергии, используемой в Соединенных Штатах в 2008 году. Жилой сектор потреблял 21%, а коммерческий сектор потреблял 18% (Министерство энергетики США, Управление энергетической информации, 2008 г.). Новое строительство представляет собой лишь небольшую часть общего фонда зданий в стране. Принятие энергетических кодексов во многих штатах способствовало переходу к зданиям с низким энергопотреблением, но существующий фонд зданий по большей части остается нетронутым.

В прошлом модернизация существующих жилых зданий обычно включала заполнение полых каркасных стен изоляцией. Однако величина эффективного теплового сопротивления, которую можно было добавить, была ограничена существующей глубиной полости каркаса (стены с деревянным каркасом) или глубиной обвязки (обычно для стен из массивной кладки), используемым изоляционным материалом (обычно стекловолокно / минеральное волокно или целлюлоза). , а также количество тепловых мостов, присутствующих в деревянном каркасе.

Добавление изоляции к внешней стороне существующих зданий было методом, используемым подрядчиками по модернизации для преодоления этих ограничений и достижения более высоких эффективных значений R для стеновых конструкций. Преимущества этого подхода выходят за рамки дополнительного теплового сопротивления; часто также реализуются повышенная прочность здания и воздухонепроницаемость.

Компания BSC участвовала в многочисленных проектах по новому строительству и модернизации зданий, в которых использовалась внешняя изоляция в рамках стратегии сокращения энергопотребления зданий. Опыт показывает, что часто возникают два основных вопроса:

• Как будет крепиться обшивка?
• Как будет осуществляться управление водными ресурсами комплекса?

1.3 Экономическая эффективность

В большинстве случаев наружная модернизация дома с наружной изоляцией является частью более крупного объема работ по модернизации здания. Выбор дополнительной внешней изоляции обычно вызван необходимостью (или желанием) перекрыть или перекрыть здание. Движущей силой установки новой облицовки могут быть существующие проблемы с водоснабжением, проблемы с комфортом или долговечностью, окончание срока службы облицовки или эстетические проблемы. Необходимость замены облицовки дает проектировщику или подрядчику возможность включить внешнюю изоляцию как способ одновременного повышения энергоэффективности здания. Таким образом, экономическая эффективность этого с точки зрения энергии зависит от стоимости изоляции, а также любых связанных компонентов выше и вне новой установки облицовки.

Компания BSC завершила предварительную оценку, в ходе которой рассматривалась дополнительная стоимость изоляции различной толщины, установленной на внешней стороне стеновых блоков. В этом предварительном анализе затрат в качестве базовой внешней изоляции использовался полиизоцианурат (PIC), облицованный фольгой. Данные о затратах на наружную изоляцию были взяты из данных по строительству RSMeans (Reed Construction Data 2011). Затраты, включенные в анализ, включали стоимость установки изоляционного материала, 1 × 4 планки деревянной обшивки, расположенные на расстоянии 16 дюймов от центра (ос), и шурупы для дерева, расположенные на расстоянии 24 дюйма. вертикально для крепления обшивки к конструкции. В эталонной модели использовалась надбавка к стоимости в размере 100,00 долларов за окно в качестве оценки дополнительных затрат на удлинители отделки, которые потребуются для учета дополнительной толщины наружной изоляции. Это значение было рассчитано, поскольку фактические затраты могут сильно различаться. Эта изменчивость является результатом множества различных вариантов дизайна, доступных для размещения окна, дизайна внешней отделки окна и крепления.

Другие элементы, такие как упаковочная лента или лента для обшивки, самоклеящиеся мембранные накладки, металлические накладки, сайдинг и крепежные элементы для сайдинга, не учитывались при анализе. Эти элементы связаны с повторной обшивкой и управлением водными ресурсами и будут частью проекта модернизации независимо от добавления внешней изоляции.

BSC провела моделирование с использованием программного обеспечения Building Energy Optimization (BEopt), разработанного Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии. Пример дома был использован в качестве базового, чтобы продемонстрировать преимущества использования внешней изоляции в рамках энергетической модернизации дома. Предполагалось, что этот эталонный дом будет около 19Двухэтажная плита эпохи 50-х годов на уровневой конструкции. В таблице 1 приведены его основные характеристики.

Table 1. Benchmark House Characteristics

Для проверки эффективности этой единственной стратегии характеристики проводимости стены были изолированы от всех других аспектов дома. Учитывая предполагаемый возраст дома, эталонный дом имел неизолированную стенную полость (в соответствии с рекомендациями Протокола сравнительного анализа Building America 2011 года). ¹ Параметры, перечисленные в Таблице 2, были рассчитаны для оценки эффективности дополнительного теплового сопротивления в отношении энергоэффективности и затрат на коммунальные услуги.

Таблица 2 . Parametric Steps and Cost

Parametric Step	Cost/ft 2
Benchmark (uninsulated 2×4 wall)	N/A
R-13 cavity fill insulation	2,20 долл. США
Изоляция полости R-13 + 1 дюйм. внешняя изоляция (R-6.5)	3,55 $
R-13 изоляция заполнения полости + 1-дюйм. наружная изоляция (Р-9.75)	3,76 $
Изоляция для заполнения полости R-13 + 2-дюйм. наружная изоляция (R-13) + деревянная обрешетка 1×4	5,73 $
R-13 изоляция для заполнения полостей + два слоя 1,5-дюймового пенопласта. наружная изоляция (R-19.5) + деревянная обшивка 1×4	7,19 $
R-13 изоляция заполнения полостей + два слоя 2-дюймовой пены. наружная изоляция (R-26) + деревянная обшивка 1×4	7,58 $
R-13 изоляция для заполнения полостей + четыре слоя 2-дюймового пенопласта. наружная изоляция (Р-52) + деревянная обшивка 1х4	11,07 $

Результаты показали, что для зон с холодным климатом (4 и выше) изоляция толщиной до 1,5 дюйма является оптимальным по стоимости решением. Это было главным образом потому, что это был переломный момент, перед которым необходимо было добавить дополнительные расходы, связанные с полосами обшивки и дополнительными винтовыми креплениями, необходимыми для крепления облицовки. В рамках этого упрощенного анализа было продемонстрировано, что изоляция толщиной до 4 дюймов не требует затрат во всех городах, кроме Далласа, штат Техас (см. Таблицу 3 для контрольных городов). Было продемонстрировано, что толщина изоляции до 8 дюймов не требует затрат, но только в зонах с холодным климатом, таких как Бостон, штат Массачусетс, и Дулут, штат Миннесота (результаты см. в Приложении B).

Хотя анализ был сосредоточен только на улучшении проводимости, можно привести некоторые аргументы в пользу того, что добавление внешней изоляции, вероятно, также улучшит общую воздухонепроницаемость сборок (Ueno 2010). Известно, что преимущества повышенной воздухонепроницаемости очень важны при строительстве в холодном климате; однако его также труднее выделить и распределить по отдельным показателям.

Таблица 3. Справочные города

1.

Использование внешней изоляции дает множество дополнительных преимуществ помимо повышения теплового сопротивления. Единственным самым большим преимуществом является повышенная устойчивость к конденсации, которую эта стратегия обеспечивает для зданий с холодным климатом. Размещение изоляции снаружи здания способствует поддержанию более равномерной температуры всех структурных элементов в течение всего года, что снижает риск внутритканевой конденсации. Для деревянных конструкций это может значительно снизить вероятность гниения древесины; Дополнительным преимуществом является то, что сезонные колебания температуры и влажности деревянного каркаса значительно уменьшаются. В каменном строительстве вероятность замерзания-оттаивания практически исключена, поскольку такой подход не только сохраняет тепло каменной кладки, но и решает проблему поглощения каменной кладкой наружной дождевой воды (которая является основным источником влаги, связанной с повреждением зданий от замерзания и оттаивания).

В дополнение к сохранению тепла в конструкции и предотвращению образования конденсата, увеличение дренажа и высыхания в результате использования 3/4-дюйм. зазор, созданный полосами обшивки, обеспечивает дополнительную защиту от проблем с проникновением воды (Lstiburek 2010). Преимущество настолько велико, что использование полос обрешетки является базовой рекомендацией для всех установок облицовки, независимо от того, используется внешняя изоляция или нет. Тот факт, что обшивочные полосы являются неотъемлемым компонентом этой системы, значительно повышает долговечность этих стеновых сборок.

Крепление облицовки поверх внешней изоляции сталкивается с двумя распространенными барьерами:

• Производители облицовки ограничивают свои гарантии установками своих систем облицовки только на толщину изоляции от 1 дюйма до 1½ дюйма.
• Наличие крепежных деталей достаточной длины для крепления через облицовку и изоляцию, при сохранении требуемой глубины заделки в конструкцию, ограничено. ²

Для преодоления этих ограничений были добавлены полоски обшивки в качестве места крепления обшивки для сборок, когда используются более толстые уровни внешней изоляции (2 дюйма и более). Это относится к гарантии производителя облицовки и позволяет использовать легкодоступные крепежные детали и стандартные процедуры крепления облицовки.

Для стен с деревянным каркасом длинные шурупы используются для крепления полос обрешетки через изоляцию к деревянной конструкции. Для стен из массивной кладки необходим промежуточный шаг. Чтобы обеспечить точку крепления обрешетки, деревянные элементы 2×4 (установленные на плоскости) сначала прикрепляются к каменной конструкции стены. Затем обрешетка снова крепится через изоляцию к элементам каркаса 2×4 с помощью винтов (см. рис. 1).

Рисунок 1: Рекомендуемая конструкция крепления обшивки

Крепление обшивки к полосам обрешетки, которые крепятся сзади через наружную изоляцию, использовалось в многочисленных тестовых домах и сообществах Building America как в новых, так и в модифицированных приложениях. Доказано, что эта стратегия является эффективным и долговечным способом крепления облицовки (BSC 2010; BSC 2009a; BSC 2009b). Однако нехватка инженерных данных была проблемой для многих проектировщиков, подрядчиков и специалистов по кодированию. Часто высказываются опасения по поводу провисания облицовки из-за вращения креплений и сжатия изоляционной обшивки.

2.1 Предыдущие исследования

Недавно исследования, проведенные Коалицией по пенопластовым покрытиям (FSC), наряду с совместным исследовательским проектом Управления энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк (NYSERDA) и Steel Framing Alliance (SFA), завершили некоторые испытания. и анализ для разработки предписывающих кодовых таблиц для крепления облицовки к каркасу поверх непрерывной изоляции. Эта работа включала в себя проведение некоторых лабораторных испытаний сопротивления поперечной нагрузке для различных конфигураций типов облицовки и обшивки, прикрепленных через наружную изоляцию к деревянным или стальным каркасным стеновым конструкциям. При проверке характеристик соединения оценивались два критерия: (1) общая прочность соединения и (2) допустимая характеристика прогиба.

Допустимый предел прогиба является эксплуатационным требованием для ограничения величины вертикального прогиба, который установленный вес облицовки вызовет на полосах обрешетки. Чрезмерный прогиб может привести к возникновению зазоров между сайдингом и другими элементами ограждения (например, окнами, оконными наличниками или другими отделочными материалами).

В рамках исследования FSC и NYSERDA/SFA допустимый предел прогиба был установлен на максимальном уровне 0,015 дюйма (или 1/64 дюйма; Crandell 2010). 0,015 дюйма. предел прогиба имеет давнюю основу для расчетных значений деревянных соединений, используемых в Национальной спецификации проектирования деревянных конструкций (известной как NDS; Американская ассоциация лесной и бумажной промышленности [AF&PA] 2005). Исследование FSC и NYSERDA/SFA определило, что во всех случаях 0,015-дюймовый. предел прогиба, а не средняя прочность на сдвиг, контролировал расчетные значения пропускной способности систем.

Второстепенным аспектом исследования FSC и NYSERDA/SFA была проверка точности применения современных инженерных знаний о соединениях древесины с древесиной с использованием теории текучести NDS (как подробно описано в разделе «Общие уравнения дюбеля для расчета значений поперечного соединения: Технический отчет AF&PA 12»). [TR-12]; AF&PA 1999) в прогнозировании пропускной способности соединения. Исследователи обнаружили, что прогноз текучести при смещении 5%, рассчитанный с использованием TR-12, дает достаточно точный прогноз сдвиговой нагрузки при прогибе 0,015 дюйма. Хотя между этими значениями нет математической связи, исследователи сочли это адекватным. основа для проектирования до 0,015 дюйма. предел отклонения, учитывая ограниченный объем исследований и финансирования, которые были доступны на тот момент. Кроме того, к результатам расчетов был добавлен коэффициент запаса прочности 1,5, чтобы решить потенциальные проблемы ползучести материалов при длительных нагрузках.