Как спроектировать кирпичные конструкции для экстремальных погодных условий

Кирпич был надежным строительным материалом на протяжении веков, ценился за его долговечность, тепловую массу и эстетическую привлекательность. Однако, поскольку глобальные погодные условия становятся все более изменчивыми и экстремальными, проектирование кирпичных конструкций, которые могут противостоять ураганам, метели, тепловые волны и неустанные циклы замерзания-оттепели, больше не является обязательным - это важно. Современная архитектура и инженерия должны интегрировать передовые материаловедение, структурные подкрепления и защитные детали для обеспечения того, чтобы кирпичные здания оставались безопасными, функциональными и красивыми в течение десятилетий. Это расширенное руководство охватывает весь спектр стратегий для проектирования кирпичных конструкций для выдерживания самых суровых погодных условий, от воздействия ветрового мусора до теплового стресса. Понимая конкретные проблемы и применяя проверенные методы, архитекторы, инженеры и строители могут создать устойчивую кладки, которая стоит против самых жестоких сил природы.

Понимание экстремальных погодных проблем

Экстремальные погодные явления накладывают многогранные нагрузки на кирпичные сборки. Каждый тип события - будь то быстрая ветровая нагрузка, длительные осадки или тепловой цикл - нацелен на различные уязвимости. Комплексная конструкция должна учитывать все соответствующие опасности для географического положения здания. В следующих подразделах подробно описаны основные угрозы и их влияние на кирпичную кладку.

Ураганы и сильные ветры

Ураганы, циклоны и сильные грозы генерируют скорости ветра, которые могут превышать 150 миль в час (240 км / ч). Эти ветры создают значительные положительные и отрицательные перепады давления по ограждению зданий. Кирпичные стены должны противостоять как прямым боковым силам, так и подъему на крышах и парапетах. Кроме того, ветровые обломки, такие как летающие ветви, кровельные материалы и рыхлые объекты, могут воздействовать на стены, вызывая локализованное разбрызгивание или даже проникновение. Без надлежащего усиления не армированные кирпичные стены могут выйти из строя хрупким образом. Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) [[FLT: 1]] и Ассоциация кирпичной промышленности (BIA) [[FLT: 2]] подчеркивают необходимость крепления связей, усиленных балок связи и адекватной толщины стенки для сопротивления ветровым нагрузкам.

Сильный снег и лед

В северном климате кирпичные конструкции должны нести значительные снежные нагрузки на крыши и, в некоторых случаях, на вертикальные стены от дрейфа. Ледяные плотины и замерзающий дождь также могут привести к инфильтрации воды в карнизы и точки мигания. Вес накопленного снега может вызвать отклонение крыши, которое передает напряжение на несущие кирпичные стены. Кроме того, повторяющиеся циклы замерзания-оттаивания атакуют сам кирпич: вода, поглощенная пористой глиной, расширяется примерно на 9% при замерзании, создавая внутреннее давление, которое разбрызгивает лица и трещины. Выбор кирпичей с низким поглощением воды (менее 8% по ASTM C216) имеет решающее значение. Мортар также должен иметь адекватное удержание воздуха и устойчивость к масштабированию соли от обледенения химикатов, используемых вблизи дорожек или подъездных путей.

Экстремальная жара и тепловой велоспорт

В пустынных районах или в период летних тепловых волн кирпичные поверхности могут достигать температуры, превышающей 150°F (65°C). В сочетании с более прохладными ночными температурами ежедневные тепловые циклы вызывают расширение и сокращение. Если в системе отсутствуют адекватные подвижные соединения, накопленное напряжение может вызвать растрескивание в отверстиях, углах или длинных сегментах стен. Кроме того, интенсивное солнечное излучение может ускорить деградацию некоторых герметиков и красок, используемых для гидроизоляции. Правильная конструкция включает вертикальные и горизонтальные расширяющие соединения, расположенные в соответствии с климатом и цветом кирпича (темные кирпичи поглощают больше тепла). Отражающие покрытия или светлый кирпич могут снизить температуру поверхности и тепловое напряжение.

Циклы замораживания-оттаивания

Регионы, которые испытывают много переходов оттаивания замерзания - часто выше 40° или 50° широты - сталкиваются с самыми серьезными проблемами долговечности. Микроскопические поры Брика сохраняют влагу, и когда эта вода замерзает, она оказывает экспансивные силы. Со временем повторяющиеся циклы вызывают отсосание (рассыпание) или развитие трещин волосяного покрова, которые допускают больше воды. Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) определяет критерии, такие как ASTM C216 для кирпичей класса SW (тяжелое выветривание) , которые обжигаются при более высоких температурах для снижения пористости. Мортар также должен соответствовать ASTM C270 для типа S или N с надлежащим содержанием воздуха. Детали, которые не дают воде - такие как надлежащее вспышку, плачевные отверстия и свесы - это первая линия защиты от повреждения оттаивания.

Выбор материала для устойчивости

Выбор правильного кирпича, раствора и вспомогательных материалов является основой для экстремально-погодных характеристик. Следующие критерии и варианты помогают дизайнерам определять сборки, которые могут выдерживать ожидаемые нагрузки и экспозицию.

Кирпичные типы и свойства

Не все кирпичи созданы равными. Для суровых погодных условий инженеры обычно выбирают:

Помимо самого кирпича, имеет значение текстура лица: гладкие или глазурованные кирпичи сбрасывают воду более эффективно, чем груботекстурированные блоки, которые могут улавливать влагу. BIA рекомендует указывать кирпич, который соответствует критериям выветривания для местоположения проекта, как определено в местных строительных нормах.

Выбор минометов

Мортар служит как клеем, так и первичным уплотнением против попадания воды. Ключевые соображения для экстремальных погодных условий включают:

Мортар должен быть смешан с чистой водой и в зонах замерзания-оттепели может потребоваться примесь для тренировки воздуха для создания микроскопических воздушных пустот, которые снимают давление от замерзающей воды. Правильная совместная оснастка - вогнутая или V-образная - помогает уплотнять поверхность раствора и вытеснять влагу. Для подробных спецификаций обратитесь к ASTM C270 и местным справочникам по кладки.

Водонепроницаемость и протезы

Даже при наличии качественного кирпича и раствора наружные покрытия обеспечивают дополнительный барьер. Существуют два основных подхода:

Тюлени вокруг окон, дверей и соединений должны быть высокопроизводительными силиконами или полиуретаном с УФ-стабильностью и высокой способностью к движению (≥ 25%). Национальный институт строительных наук (NIBS) предоставляет рекомендации по выбору герметика на основе размера сустава и воздействия окружающей среды.

Структурный дизайн и подкрепление

Помимо качества материала, структурная система должна быть спроектирована так, чтобы противостоять экстремальным нагрузкам. Усиленная кирпичная кладка, надлежащие фундаменты и размещение движения являются центральными для устойчивого дизайна.

Дизайн фундамента

Основание любой кирпичной конструкции должно противостоять дифференциальному заселению, морозному нагреву и насыщению почвы. В подверженных наводнениям районах фундамент должен быть поднят, чтобы предотвратить проникновение воды через кирпичные стены. Ключевые практики включают:

Системы стен: полости стен и усиленный кирпичный завод

Два современных подхода значительно улучшают устойчивость к погодным условиям:

Для несущих нагрузку кирпичных стен толщина должна быть рассчитана для ветровых и гравитационных нагрузок в соответствии с требованиями строительного кодекса для масонских конструкций (TMS 402 / ACI 530) . Якорные связи, соединяющие внешний кирпичный узел с резервной копией, должны быть коррозионно-стойкими (нержавеющая сталь или горячая оцинкованная) и располагаться не более чем на 16 дюймов горизонтально и 24 дюйма вертикально.

Расширение суставов и размещение движения

Кирпич расширяется при нагревании и может сжиматься или расширяться при изменении влажности. Без правильно расположенных суставов движения растрескивание неизбежно. Руководящие принципы BIA включают:

Связи пучков и кровельных соединений

Устойчивая к ураганам конструкция требует, чтобы каркас крыши был механически соединен с верхней частью кирпичных стен через непрерывные галстуковые балки. Укрепленный бетонный луч связи (или стальной канал), установленный в верхней части крепежных балок крыши и передает силы подъема ветра вниз к фундаменту. Подъемные соединители, такие как ураганные галстуки и анкерные болты, встроенные в луч связи, должны иметь номинальную мощность, превышающую проектную ветровую нагрузку.

Защитные функции и управление влажностью

Удержание воды от кирпича и разрешение любому проникающему в нее выходу, возможно, является единственной наиболее важной стратегией для экстремальной долговечности погоды.

Крыша свесов и карнизов

Широкие карнизы (от 24 до 36 дюймов) защищают кирпичные стены от прямых осадков и уменьшают воздействие дождя, вызванного ветром. В зонах ураганов свесы должны быть усилены, чтобы противостоять подъему. В снежной местности надлежащие капельные края и защита от льда на линии тротуара предотвращают резервное копирование ледяной плотины, которое заставляет воду под черепицей и на кирпичные парапеты.

Дренаж и сортировка

Сортировка участка должна отклоняться от здания с минимальным 5% градиентом для первых 10 футов. Поверхностная вода должна быть направлена на ливневые стоки или дождевые сады, никогда не позволять пруду против фундамента. Гуттеры и водосбросы с брызговыми блоками или подземными расширениями несут сток крыши от основания кирпичной стены. В районах с сильными осадками рассмотрим непрерывную систему слива по периметру (французский слив) вокруг подножия.

Вспыхивающие и плачущие дыры

Вспышка устанавливается при каждом горизонтальном прерывании в стене: над окнами и дверями, под подоконниками, на пересечениях стенок крыши и у основания полости. Для долговечности предпочтительны такие материалы, как медь, нержавеющая сталь или ПВХ. Плачущие отверстия (открытые головные стыки или фитиля трубки), размещенные каждые 24 дюйма на дне наружного выемки, позволяют влаге, которая собирается на мигающем, вытекать. Для стен полости необходима система плача; без нее вода может накапливаться и вызывать ухудшение, связанное с влажностью.

Вентиляция и паровые барьеры

В жарком влажном климате кирпичные стены могут улавливать пары влаги внутри здания, если они не спроектированы с надлежащей паропроницаемостью. Общее правило заключается в том, чтобы помещать замедлители пара на теплую сторону изоляции, чтобы предотвратить конденсацию в полости стены. Однако сам кирпич проницаем; добавление внешнего покрытия с низким содержанием влаги может улавливать влагу внутри, что приводит к плесени и разбрызгиванию. Технический примечание 7 [FLT: 1]] Бриковая промышленная ассоциация обеспечивает руководство по контролю пара для кирпичных стен во всех климатических зонах.

Испытания и стандарты

Обеспечение соответствия материалов и сборок строгим стандартам не подлежит обсуждению для экстремальных погодных характеристик.Ознакомление со следующими стандартами помогает дизайнерам с уверенностью определять.

Стандарты ASTM для кирпича

Коды нагрузок на ветер и снег

Большинство юрисдикций принимают Международный строительный кодекс (IBC) или Американское общество гражданских инженеров (ASCE) 7 для минимальных проектных нагрузок. ASCE 7 предоставляет карты скорости ветра, категории воздействия и коэффициенты давления специально для кирпичных стен и конструкций крыши. Для снеговых нагрузок ASCE 7 определяет наземные снеговые нагрузки, факторы крыши и коэффициенты дрейфа. В подверженных ураганам регионах Строительный кодекс Флориды [FLT: 5] и [FLT: 6] Техасская БОКА [FLT: 7] или аналогичные поправки к штату могут устанавливать более строгие требования к ударопрочности и соединениям окна-стены.

Для получения всеобъемлющего ресурса, проконсультируйтесь с Brick Industry Association (BIA) Технические заметки, которые охватывают темы от проектирования ветровой нагрузки до контроля влажности и сейсмической армации.

Техническое обслуживание и долговечность

Даже самая хорошо спроектированная кирпичная конструкция со временем будет разрушаться, если ее периодически не проверять и не поддерживать. Экстремальная погода ускоряет износ, поэтому активное содержание жизненно важно.

Инспекция и ремонт

Расписание ежегодных проверок, особенно после крупных штормов.

Очистка и повторное применение Sealant

Грязь и биологический рост (мос, водоросли) могут удерживать влагу против кирпича. Мягко чистить с помощью промывки водой низкого давления и мягкой щетки - избегать промывки электропитанием, которая может повредить поверхность кирпича. Если водоотталкивающий герметик был применен первоначально, повторно наносить в соответствии с инструкциями производителя после очистки. Всегда сначала проверяйте небольшую незаметную область, чтобы герметик не затемнял кирпич или улавливал влагу.

Заключение

Проектирование кирпичных конструкций для экстремальных погодных условий требует многослойного подхода, который объединяет тщательный выбор материала, надежное структурное подкрепление, тщательное управление влагой и текущее обслуживание. Понимая различные проблемы, связанные с сильными ветрами, циклами замерзания-оттаивания, теплом и сильными осадками, и придерживаясь отраслевых стандартов, таких как ASTM C216 и ASCE 7, архитекторы и инженеры могут создавать кирпичные здания, которые не только эстетически устойчивы, но и способны выдерживать самые сильные штормы и экстремальные температуры. Устойчивое кирпичное строительство является инвестицией в безопасность, устойчивость и долгосрочную ценность, гарантируя, что эти знаковые структуры продолжают укрывать и вдохновлять будущие поколения.