Если Вы не первый год производите, устанавливаете, продаете ПВХ окна, то наверняка слышали, а может быть и видели, и даже пытались бороться с эффектом коробления створок при высокой разнице температур снаружи и внутри помещения. Такое красивое и безупречное окно на момент установки, вдруг начинает продуваться при морозах и заклинивать при жаре.

Плохой профиль? Плохая резина? Плохая фурнитура?

Возникают любимые вопросы – Кто виноват, и что делать?

Да простят нас праздные читатели, но мы предлагаем окунуться в теорию и немножко вспомнить математику с физикой….

Жесткий ПВХ имеет коэффициент линейного расширения, на порядок выше алюминия и стали. Конечно, у различных марок ПВХ коэффициент отличается, но в очень небольших пределах.

При возникновении разницы температур, особенно зимой, наружная сторона профиля сжимается, это вызывает изгиб профиля внутрь, подобно биметаллической пластине в утюге.

Взглянем на таблицу физических параметров различных материалов*

* при температуре +21С

Современные многокамерные ПВХ профили имеют сложную для расчета конфигурацию, и не менее сложную картину температурных полей, поэтому точное математическое моделирование чрезвычайно непростая задача, однако мы предлагаем провести упрощенный расчет для определения порядка величины прогиба, и потом сверить его с экспериментальными данными.

Как иногда шутят физики-теоретики: представим себе лошадь в форме шара диаметром Х…

Но мы же оконщики, а поэтому:

Возьмем обычный профиль Z-створки, с равной шириной и толщиной наружных стенок. Упростим расчетную модель до двутавра с нулевой толщиной полок. Внутренние стенки имеют почти равномерный градиент температурного поля, что позволяет не учитывать их в расчетной модели (перемычку между полками двутавра). Концы балки считаем свободными.

При разнице температур dT, длинна одной из полок отрезка профиля длинной L изменится на dL=L*K*dT(1)

При этом отрезок профиля примет форму сектора кольца толщиной B и радиусом изгиба R.

Для сектора кольца справедливы следующие равенства:

Длина дуги L= α*Rили α=L/R(2)

По внутренней стороне:

L-dL= α*(R-B)=L/R* (R-B)=L(1-B/R) (3)

Отсюда следует dL=LB/RилиR=LB/dL

Подставив (1) получим изящную формулу для радиуса термического изгиба

R= B/(K*dT) (4)

Допустим на внешней и внутренних лицевых поверхностях профиля, температура -20С и +20С соответственно. Трехкамерный профиль 58 мм, по средней линии внешних стенок приравненный к двутавру 55 мм, стремится выгнуться с радиусом R=55/(0.00007*40)=19643 мм или 19,6 метра.

Прогиб профиля Н, посредине отрезка L называется стрела сегмента

H=R(1-cos α/2 )=B(1- cos α/2 )/KdT  (5)

Например, для балконной двери, с высотой створки L=2000 мм

α= 2000/19643= 0,102 радиан,апрогиб составитH= 25,54 мм !!!

Кошка в эту щель не пройдет, но мышка средней упитанности вполне может…. Конечно, это верно только для отдельностоящего куска профиля при заданной разнице температур лицевых стенок. Но нечто подобное, могли наблюдать многие сервисмены в очень сильные морозы, когда открыв на минутку для осмотра/регулировки створку, не могли ее закрыть из-за жуткого выгиба внутрь.

Для тех, кто с детства не любит косинусы, все же напомним, что:

cos α = 1 - 2 sin² (α/2) или (6)

Угол сектора кольца при малых углах (α → 0) позволяет принять sin α ≈ α (в радианах)

или

Подставив (2) и (4) получим формулу прогиба для малых углов сектора кольца

(7)

Проверим предыдущий пример по этой формуле: Результат: H= 25,45 мм – т.е. погрешность весьма мала.

Таким образом, прогиб прямо пропорционален квадрату длины элемента, разнице температур лицевых стенок и обратно пропорционален толщине профиля (монтажной глубине).

В славном городе Якутске, самая распространенная конструкция окна – 2 «глухаря» с форточкой 500*500 – жизнь научила… такие окна не коробит.

Посчитаем выгиб неармированной по ширине створки 600 мм, что разрешено нашим родным ГОСТом. Как правило, при такой ширине не устанавливаются дополнительные запорные цапфы фурнитуры и брус можно считать балкой со свободно опертыми концами.

Н=600²*0,00007*50/8*55= 2,29 мм.

В большинстве профильных систем, расчетный зазор на уплотнение составляет 3-4 мм с нормированным допуском ±0,5…1,0 мм. Увеличение зазора на 2,29 мм из-за выгиба створки, неминуемо приводит к продуванию.

Насталосамое время, сравнить расчет и натурные испытания. Мороз до -35С, позволил провести замеры при условиях очень близких к расчетным. Выгиб неармированной створки шириной 610 мм по средине составил 1,7 мм, при разнице температурdT=40C. Расчет по формулам дает величину 2,37 мм. Ошибка расчета получилась в 1,4 раза – это очень немного при весьма смелом упрощении расчетной схемы. Тем не менее, выявленная погрешность не отменяет выведенные зависимости. Кроме того, на реальный результат повлияло то, что двухкамерный стеклопакет 32 мм, частично взял на себя роль отсутствующей армировки. По этой же причине, нижний профиль створки балконной двери, где стоит сэндвич имеющий малую жесткость, коробится гораздо сильнее, чем верхний. Это подтвердит любой инженер по гарантии, всю зиму бегающий по обледеневшим заказчикам.

Если провести аналогию термического прогиба с ветровой нагрузкой, и подставить полученные цифры в известную формулу (тем, кто знаком со статическими расчетами), то чтобы получить прогиб 1.7 мм на неармированной полке створки шириной 610 мм, потребуется ветровое давление 6900Па, что соответствует ветру 106 м/сек, или 382 км/час. Такого ветра в наших краях не бывает, и в испытательных камерах даже не моделируется…

Вряд ли у кого-то остались сомнения, что пластику необходим стальной усилитель. В силу высокой теплопроводности, армирование в ПВХ профиле имеет практически одинаковую температуру по сечению, поэтому не подвержено сколь ни будь заметному термическому изгибу и является единственным, что может противостоять термической деформации ПВХ профиля. Полагаться на стеклопакет, по крайней мере, опрометчиво – его жесткость явно недостаточна. Высокий перепад температур создает серьезную механическую нагрузку и на сам стеклопакет, поэтому не стоит перегружать его лишними функциями.

Рассмотрим совместную работу ПВХ профиля и стальной армировки.

Особенностью совместной работы ПВХ профиля и армирования, является то, что при нормальной температуре +20С с обоих сторон, их жесткость складывается, но при термической деформации они работают друг против друга. Хотя модуль упругости ПВХ в 78 раз ниже, чем стали, но результирующие изгибные жесткости находятся в одном порядке.

Из таблицы видно, что для рассмотренных сочетаний профилей, армирование способно уменьшить прогиб в 3-4 раза, что достаточно точно подтверждают мои экспериментальные замеры.

Отсюда следует правило: Армировка должна крепиться не менее чем на 3 самореза. Даже на самых коротких отрезках.

Чрезвычайно важно не только то, чтобы армировка была, но и то чтобы она была правильно закреплена. В идеальном случае, для максимальной передачи усилий на металл, саморезы должны стоять, как заклепки на крыле самолета – одна к одной и зигзагом. Однако существует «принцип разумной достаточности». В различных профильных системах требования к правилам армирования несколько различаются, но лежат в близком диапазоне. Крайний саморез ставится 40-70 мм от края армировки и далее с шагом от 250 до 400 мм. Меньшие значения рекомендованы для цветных профилей. Увеличение дистанции первого самореза от края, приводит к тому, что свободный конец армировки просто не работает (висит в воздухе, работая только на утяжеление и удорожание). Минимальное расстояние от среза армировки должно быть не меньше, чем наибольший размер сечения армировки (здесь 31.5 мм), для устранения «краевого эффекта», однако и не на много больше, для максимальной эффективности ее работы.

Еще одно важное замечание. Обычно армировка располагается в ПВХ профиле с некоторым зазором в 1-1.5 мм. Это необходимо для компенсации допустимых отклонений геометрии самой армировки и внутренних стенок профиля, которые, кстати, не лимитируются стандартами. Если армирование прихвачено всего 2-мя саморезами, то ПВХ профиль свободно изгибается, проворачиваясь на саморезах, как на шарнирах, не передавая усилий на армировку, пока не упрется во внутреннюю перегородку. Тонкие внутренние перегородки не самая надежная опора, да и 1 мм свободного изгиба зачастую достаточно для появления продувания через уплотнения. Крепление армировки по трем точкам устраняют проблему, даже если между саморезами получилось 200 мм и ГОСТ такого не требует.

Отсюда следует правило: Армировка должна крепиться не менее чем на 3 самореза. Даже на самых коротких отрезках.

До сих пор, мы рассматривали термический прогиб незакрепленного профиля, но в реальном окне створка имеет несколько точек крепления через фурнитурные зацепы и петли к раме, которая в свою очередь также выгибается внутрь и имеет собственные точки крепления к проему, который уже можно считать неподвижным. Реальная форма искривления будет иметь волнообразную форму, и размер зазора между рамой и створкой зависит от картины наложения этих волн.

Наилучшее совпадение «волн», а значит постоянство величины зазора на уплотнение, достигается, когда точки крепления рамы в проеме близки к точкам расположения фурнитурных запоров. Если рама жестко заклинена штукатурными откосами, рама остается практически прямой, что ухудшает прилегание створки. Отсюда же вытекает объяснение, почему при обустройстве пластиковых или гипсокартонных откосов, необходимо обеспечить подвижность стыка к раме через приемный F-профиль, и отчего частенько трескаются штукатурные откосы.

Некоторые поставщики профиля, считают панацеей от всех проблем использование «замкнутого армирования». Давайте разберемся….

Во-первых, «замкнутым» можно считать только армирование без разрыва, то есть сварную или горячетянутую трубу любого сечения, но никак не «гнутый профиль прямоугольного сечения». Профиль с разрывом, даже если он «почти» замкнут, не имеет никаких реальных преимуществ перед «Г» или «П» образными профилями. Это же сопромат, 2-й семестр!

Для тонкостенных профилей (а таковыми считаются профили, где внешний габарит сечения в 10 и более раз больше толщины стенки) существенное и бесспорное отличие проявляется только в жесткости на кручение – порядка в 50-200 раз выше, чем для профилей того же сечения, но с разрывом. Также известно, что изгиб разомкнутого профиля, сопровождается кручением, вызванное тем, что центр жесткости не лежит в плоскости приложения силы (точки крепления саморезами), из-за чего возникает крутящий момент. Однако ПВХ профиль имеющий, несомненно замкнутый контур, обладает вполне достаточной приведенной жесткостью на это самое кручение. Кроме того, рама окна, где возможно применение замкнутых армирующих профилей, не испытывает серьезных нагрузок на кручение, а в обычных створках (кроме дверных), ее использование не позволяет такая наука, как «топология». Ну нет в них лишнего места для замкнутой армировки в камере армирования, для современных, элегантных створок…

Расчет показывает, что при равной металлоемкости и внешних габаритах, преимущество имеет профиль №3. Незамкнутый и даже непохожий на замкнутый.

Тут же хотелось бы упомянуть об «альтернативных усилительных вкладышах». В поз. 4 изображено неметаллическое армирование, с толстой 5 мм стенкой и внушительным моментом инерции. Но если мы возьмем, например стеклопластик, лучшие образцы которого имеют модуль упругости ~40-50 ГПа, выяснится, что приведенная изгибная жесткость профиля с теми же внешними габаритами все равно вдвое ниже, чем у стального со стенкой 1.5 мм. А если это не стеклопластик, а нечто менее жесткое? А если еще копнуть (модную нынче в Европе) тему использования вклейки стеклопакетов вместо добротной стальной армировки, да в нашем климате?

Жену обмануть можно, но физику …

Кроме термических деформаций, на систему рама/створка воздействует упругое сопротивление уплотнения. Оно создает дополнительную нагрузку, также действующую на выгиб профиля. Притворные уплотнения, обычно рассчитаны на вполне конкретный зазор между рамой и створкой. При расчетном зазоре, усилие прижатия находится в нормальных пределах для обеспечения легкой работы фурнитуры и обеспечивает достаточную плотность притвора. При попытке уменьшить этот зазор, сила противодействия сжатого уплотнения резко возрастает, и хотя напротив запорных элементов зазор уменьшается, и пресловутый тетрадный листок невозможно выдернуть из защемления, повышенная нагрузка приводит к нерасчетному изгибу профиля, и на полудистанции (между запорными цапфами) зазор наоборот увеличивается. Как же велико бывает удивление инженеров по гарантии, прибывших на рекламацию и отчаявшихся безуспешно крутить прижимы на «зиму», и случайно отпустив их на «лето», через 10 минут обнаружить, что проблема сама собой решена…

Для успешной работы уплотнения, прижим не должен быть лучше – он должен быть правильный!

Углубляться в эту тему можно бесконечно, но предварительные ответы на поставленные вопросы, кажется ясны.

Кто виноват? – Законы физики.

Что делать? – Блюсти!! Изучать и соблюдать до последней буквы технологию производства окон, технологию монтажа, особенно правила закрепления окон в проеме, рекомендации производителей фурнитуры.

Компания «Маядо»
Киевская область, Броварской район,
пгт. Большая Дымерка, ул. Совхозная, 38
тел. (044) 39-37-883,  моб.тел. 050-441-67-69 тел./ф. (04594) 4-70-93,
www.accado.com.ua,  www.wintech.ua