Влияние деталей холодного стального соединения на энергоэффективность зданий

Понимание теплового моста в холодноформованной стальной конструкции

Холодная сталь (CFS) стала краеугольным камнем современного светотеневого каркаса благодаря высокому соотношению прочности к весу, размерной стабильности и устойчивости к влаге, огню и вредителям. Его внедрение в коммерческих, многосемейных и институциональных зданиях продолжает расти. Однако одной из постоянных проблем, которая непосредственно влияет на использование рабочей энергии здания, является термическое мостирование — передача тепла через проводящие строительные элементы, которые проникают в слой изоляции. Поскольку сталь имеет теплопроводность примерно в 300 раз больше, чем древесина, даже небольшие соединения могут создавать непрерывные пути теплового потока, которые обходят изоляцию, увеличивая потребность в энергии для отопления и охлаждения и рискуя конденсации внутри стеновых сборок.

Детали соединения, используемые для присоединения к членам CFS, часто упускаются из виду во время моделирования энергии или обзоров дизайна оболочки. Тем не менее, эти соединения включают в себя структурные зажимы, соединения между путями, мостовые каналы или крепления. По мере того, как строительные коды затягивают и цели с нулевым энергопотреблением становятся более распространенными, архитекторы и инженеры должны понимать, как выбор конструкции соединения влияет на тепловые характеристики всего здания. В этой статье рассматривается механика теплового потока через соединения CFS, классифицирует типы соединений по их тепловому воздействию и обеспечивает действенные стратегии проектирования для повышения энергоэффективности без ущерба для структурной целостности.

Наука теплового потока через стальные соединения

Теплообмен в оболочках зданий происходит через три механизма: проводимость, конвекция и излучение. Для сборок CFS проводка через стальные элементы является основной проблемой. Типичный монтаж стенок CFS имеет полость, заполненную изоляцией, а сами шпильки отделены от внутренней и внешней оболочки гипсовой доской или другой отделкой. Но в точках соединения — где шпиль встречается с верхней или нижней дорожкой, или где зажим прикрепляет угол полки к колонне — слой изоляции часто прерывается непрерывной сталью. термический мост , который позволяет теплу течь непосредственно от теплого интерьера к холодному внешнему (или наоборот) с небольшим сопротивлением.

Тяжесть теплового мостика зависит от термической проводимости материала, площади сечения моста и разности температур по всей сборке. Непрерывный стальной шпиль, который проходит от внутренней части до внешней без теплового разрыва, может снизить эффективное R-значение стены на 20-50% или более, в зависимости от расстояния между шпильками и проникающих элементов. Детали соединения, однако, могут быть разработаны для прерывания этого пути. Например, использование зажима с непроводящим разъемом или ошеломляющее соединение, так что стальные элементы не выравниваются по слою изоляции, может существенно уменьшить потери тепла.

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа и других учреждений количественно оценили эти эффекты с помощью защищенного тестирования горячих ящиков и анализа конечных элементов. Их работа показывает, что линейное пропускание соединения может достигать 0,04-0,10 Вт / (м·К) для необработанных соединений, в то время как термически сломанные альтернативы могут сократить это пропускание на 60-80%. Включение этих данных в энергетические модели помогает более точно прогнозировать общие нагрузки нагрева и охлаждения, что имеет решающее значение для соблюдения стандартов, таких как ASHRAE 90.1 или Международный кодекс сохранения энергии (IECC).

Типы деталей подключения CFS и их тепловая производительность

Сплетенные и отвратительные связи

Винты и винты являются наиболее распространенным методом соединения CFS-соединений. В типичной обрамленной стене винты проникают через шпильную фланцу и дорожную паутину или фланж. Поскольку сам винт является проводящей сталью, он создает небольшой точечный тепловой мост. Однако общее воздействие одного винта минимально при рассмотрении в изоляции. Проблема возникает, когда вдоль сплошной стальной линии используется несколько винтов, например, дорожка, которая проходит бесперебойно по всей длине стены. В таких случаях винты обеспечивают плотную сетку проводящих путей, которые в совокупности снижают эффективное значение изоляции полости.

Для решения этой проблемы конструкторы могут использовать термические размывные шапки или изоляционные винтовые колпачки, изготовленные из нейлона или стекловолокна. Эти компоненты увеличивают тепловое сопротивление в точке проникновения. В то время как улучшение на винт небольшое, кумулятивный эффект на большой сборке может быть значительным. Некоторые производители теперь предлагают предварительно пробитые дорожки с прорезями, которые позволяют винтам проникать через пластиковый громмет, что уменьшает контакт между винтовым шанком и стальной дорожкой.

сварные соединения

Сварные соединения реже встречаются в полевой CFS-фрейминге, но появляются в сборных панелях и тяжеловесных фермах. Сварной шов создает непрерывную металлургическую связь между двумя стальными кусками, что является почти идеальным тепловым мостом. Сварные швы могут проводить тепло даже более эффективно, чем болтовые, потому что нет воздушного зазора или прокладки. В сборках, где тепловые характеристики имеют первостепенное значение, сварку следует избегать в плоскости изоляции. Если сварка требуется структурно, она должна происходить только в точках, которые будут покрыты внешней непрерывной изоляцией (ci) или внутренней меховой оболочкой.

Одна из стратегий заключается в том, чтобы спроектировать соединение таким образом, чтобы сварной шов был размещен за пределами первичной тепловой оболочки; например, на внешней стороне угла полки, который прикреплен к колонне через изолированный спейсер. Контакт сталь-сталь через сварной шов тогда находится снаружи, в то время как приваренная сторона имеет тепловой разрыв. Этот подход уравновешивает структурную непрерывность с тепловым разделением.

Клипы и соединители с интегральными тепловыми разрывами

Собственные CFS-разъемы со встроенными тепловыми разрывами теперь широко доступны. Эти продукты обычно состоят из стального зажима, прикрепленного к непроводящему блоку или прокладке (обычно изготовленному из сверхвысокого молекулярного полиэтилена, армированного стекловолокном полимера или нейлона). Зажим соединяет основной структурный элемент со вторичным компонентом — например, внешний угол полки, который поддерживает кирпичный шпон. Непроводящий материал разрывает непрерывный стальной путь, поэтому тепло должно проходить через два стальных слоя, разделенных элементом с низкой проводимостью.

Отраслевые испытания Консорциума исследований холодноформированной стали и других продемонстрировали, что эти зажимы могут снизить линейную пропускаемость соединения на 70% по сравнению с твердой стальной кронштейн. Кроме того, многие из этих продуктов поставляются со встроенными прокладками для уплотнения воздуха, одновременно устраняя как утечку воздуха, так и тепловое мостовое соединение. При указании таких зажимов важно проверить несущую способность и огнестойкость, поскольку непроводящие материалы могут иметь различные механические свойства, чем сталь.