История развития конструкции оконного профиля

Федотов Олег Игоревич ORCID: 0009-0006-9556-6147 бакалавр, кафедра Проектирования зданий и экспертизы недвижимости, Сибирский Федеральный Университет (Инженерно-строительный институт) 660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82, а Fedotov Oleg Igorevich Bachelor's Degree, Department of Building Design and Real Estate Expertise, Siberian Federal University (Institute of Civil Engineering) 660041, Russia, Krasnoyarsk Territory, Krasnoyarsk, 82 Svobodny Ave., a onefedya@gmail.com

2 Введение

Наличие светопрозрачных конструкций в современном доме является обязательным требованием при проектировании. Окна могут быть разных размеров, использовать несколько стеклопакетов, выполняться на раме из алюминиевого, пластикового или деревянного профиля. Критериями для рамных элементов окна являются: прочность, защита помещения от проникновения атмосферных осадков, образование законченного архитектурного облик здания. Главным образом, для климатических условий Сибири ограждающая конструкция в целом и отдельные ее элементы должны иметь низкую теплопроводность для предотвращения утечки теплового потока из здания.

3 Основная часть

Окно – это светопрозрачная ограждающая конструкция, являющаяся элементом стеновой конструкции здания или сооружения. Предназначена данная конструкция для сообщения внутренних помещений с окружающим пространством, обеспечивает естественное освещение и вентиляцию помещений и защиты от внешних климатических и других воздействий ^[1]. Современный оконный блок состоит из следующих элементов:

- Оконный профиль (оконная рама, створка, импост);

- Заполнение (стеклопакет или ПВХ-плита);

- Система уплотнителей;

- Фурнитура.

При сравнении оконных блоков исследуемых периодов, применяемых в Сибири, была выделена хронологическая последовательность развития конструкций, разделенная на несколько этапов.

1 этап – XVII-XVIII века

Освоение Сибири началось c присоединения к Российскому государству народов Западной Сибири на протяжении первой половины XVII в., территории востока, северо-востока и юга Сибири вошли в состав России во 2-й половине XVII в. Результатом освоения новых территорий стали первые капитальные строения – остроги. Внутри них располагались воеводская и таможенная избы, амбары, церковь, тюрьма, гостиный двор. ^[2]

Все дома были построены из дерева. На высоте приблизительно 60-70 см прорубалось несколько видов окон: глухие и волоковые окна.

Глухие окна имели размеры от 50 до 70 см квадратной или круглой формы. Деревянные рамы выполнялись из строганой доски. Элементы плотно вставлялись один в другой за счет вырубленных пазов, а после рама ставилась в проем. Щели затыкали соломой и глиной. Сшитая кручеными волосяными нитками слюда крепилась в раму. В крестьянских домах также применяли рыбий паюс, бычий пузырь, холст и тонкие деревянные пластины, а зимой вставляли даже лед.

Волоковые окна имели задвижную конструкцию доской изнутри. Специальная доска «заволакивала» оконный проем, двигаясь между рамой и оконным проемом. В раме из цельных деревянных брусков прорубалась специальный жёлоб для уменьшения зазора между рамой и проемом. Сама рама была длиннее окна в два раза. Обеспечение светом через такие окна было минимальным. Такие окна служили дымоходами в домах, которые топились «по-черному». Поэтому данная конструкция минимизировала потери тепла из помещения. ^[3]

К XVIII веку конструкция окон не менялась, однако совершенствовалась. Задвижную доску для утепления обивали сукном или мехом.

На рисунке 1 представлены виды окон сибирского поселенца XVII-XVIII веков. На рисунке 2 представлен дом сибирского поселенца XVII-XVIII веков.

а

б

Рисунок 1 - Виды окон сибирского поселенца XVII-XVIII века

(а – глухое окно; б - волоковое окно)

Рисунок 2 - Старинный дом XVII-XVIII века в селе Мальта Иркутскаго уезда ^[4]

Таким образом, оконные рамы выполнялись по простой схеме – «брусок к бруску перпендикулярно», а также служили креплением оконного заполнения и защитных его элементов. Все элементы рам выполнялись из грубообработанного дерева.

2 этап – XIX век

Следующий этап развития оконных конструкций относится к XIX в. В этот период технология строительства жилья заимствовалась из опыта строителей в Европейской части России. Это явление способствовало расширению территорий городов, а также их количества. С учетом этих факторов требования к оконным конструкциям стали меняться: увеличивается высота окна, меняется устройство обвязки, появляется декоративное оформление как косяков и откосов, так и переплетов. Волоковые окна начинают уступать место колодным окнам. Для крепления его в раме стала применяться замазка из смеси глины и конопляного масла. Края брусков стали скошенными для красоты и надежности. Для сохранения тепла зимой в проем начали вставлять вторую раму. Ставни навешивали с наружной стороны распашной конструкции с одной или двумя створками. Крепились они на раме за счет железных петель.

На рисунке 3 изображено колодное окно в жилом доме XIX века.

Рисунок 3 – Колодное окно

Стекло стало широко применяться в строительстве домов с ростом стекольных производств в Сибири с конца XVIII – начала XIX веков, а также ввоза изделий из Предуралья. ^[5] Поэтому толщина рам окон и обвязки уменьшалась, увеличилась площадь светопрозрачного заполнения. Появилась возможность выполнять оконные рамы различной формы.

На рисунке 4 выделены наиболее часто встречающиеся формы оконных проемов в домах XIX века. ^[6]

Рисунок 4 – Формы окон по очертанию

«Профильность» элементов оконных рам стала широко проявляться в России с конца XVIII – начала XIX веков с ростом стекольных производств. Профильная конструкция лучше справлялась с функцией защиты от потерь тепла из-за более плотного прилегания стекла к раме. Это также улучшало архитектурный облик фасада, увеличивая площадь остекления, и соответственно, площадь освещения помещения. ^[7]

Рисунок 5 – Виды профиля горбылька

«В XIX веке зимой в основном жилом помещении рамы затягивались пленкой из хорошо очищенной "брюшины" рогатого скота, а на севере региона – из рыбьего пузыря или "налимьих шкур"» ^[8]. Также на оконных рамах мастерили желобки для сбора талой воды. ^[9]

Для защиты от продувания оконных рам стали применять наличники. Они крепились к рамам и закрывали зазор между рамой и стеной. Изначально они представляли собой простую доску, однако со временем они приобрели также и декоративную функцию, украшая фасад узорами и рисунками местных мастеров во многих городах Сибири.

На рисунках 6 и 7 изображены оконные рамы украшенные резными наличниками и распашными ставнями.

Рисунок 6 – Дом крестьянина XIX века (деревня Базой Томской области)

Рисунок 7 – Дом купца XIX века (город Красноярск)

Во второй половине XIX века у окон появляется функция открывания. На раму крепятся петли, затем вешают створки. В крестьянских домах такая конструкция рам встречалось редко по причине быстрого промерзания избы. В домах богатых представителей сибирских городов окна выполнялись с распашными створками.

В качестве материала для оконных рам в Сибири преобладало дерево по причины доступности и невысокой стоимости. Металлические рамы, которые стали появляться в европейской части России, не были пригодны для климатических условий Сибири, а также были чрезвычайно дорогими и сложными в производстве.

Благодаря запуску производства стеклянных изделий наблюдается развитие конструкции окна – появляются разные формы рам, уменьшаются толщины элементов рамы, совершенствуются узлы примыкания брусков рамы друг к другу и к стене здания. Элементы оконного блока стали украшаться росписью и рисунками.

3 этап – XX век

В начале XX века в Сибири стали строиться многоквартирные дома из камня. Данный тип строений требовал новый подход к проектированию конструкций для нормального функционирования здания.

Конструкции оконных блоков стали стандартизироваться. Размеры оконных проемов стали выполняться идентичными для всего дома. Реже стали применять декоративные элементы рам, исчезли деревянные наличники и ставни. Наиболее распространенной формой окна стала прямоугольник. При этом все окна имели функцию проветривания и двойное остекление. Рамы для оконных проемов делали двойными. Профиль рамы был в виде сложной ступенчатой фигуры для обеспечения защиты от продувания оконного проема. Оконные блоки и отдельные детали стали производиться на фабриках и доставляться в виде готовых элементов. Это способствовало уменьшению допусков в зазорах. Форма брусков в профиле имеет сложную форму.

На рисунке 8 приведен типовой образец оконной рамы деревянной 11 серии согласно ГОСТ 8780 – 58.

Рисунок 8 – Конструкция оконной рамы и деревянных брусков (Серия 11 ГОСТ 8780 – 58)

Для освещения производственных и общественных зданий стало широко применяться ленточное остекление – это непрерывный ряд спаренных оконных рам для обеспечения солнечным светом помещений большой площади. Рамы для данных светопрозрачных конструкций впервые стали изготавливаться из алюминия для повышения прочности. Такая конструкция визуально увеличивала объем помещения, а само здание обретало законченный архитектурный облик. Однако отток тепла через них был очень высоким. На рисунке 9 показан пример ленточного остекления в г. Красноярске - здание кинотеатра Енисей (1978 год).

Рисунок 9 – Ленточное остекление здания

Начиная со второй половины XX века вводятся ГОСТы для оконных блоков ^{[10, 11 и др.]}. До 1991 года оконных блоков установили более двух миллиардов квадратных метров ^[12].

Однако по результатам многочисленных обследований, проведенных в конце XX века и начале XXI века, было установлено, что деревянные окна, периода массового строительства домов находятся в состоянии неремонтопригодности, в значительной степени в сгнившем состоянии. ^[13]

Поиск новых материалов для оконных рам в климатических условиях Сибири был начат с 1980-х годов. В это время в нашей стране появились первые современные светопрозрачные конструкции с использованием поливинилхлорида. Данный материал является полимером. Технология производства ПВХ включает смешивание компонентов, разогрев смеси, выдавливание через экструдер заготовки, прокат ее с постепенным охлаждение и нарезание на бруски. По аналогии с металлургией появляется понятие «оконный профиль» . ^[14]

Новое изделие обладало высокими, в сравнении с деревянными рамами, термоизоляционными и звукоизоляционными качествами. Однако стоимость изделий была высока. ^[13]

Опираясь на представленные данные, отмечается, что в XX веке конструкция становится более простой, стандартизированной. Однако изолирующие свойства и надежность конструкции улучшились за счет механизации производства изделий, создания проектной и нормативной документации, что для климатических условий Сибири является важным аспектом. Стало изучаться направление по использованию алюминия или ПВХ в качестве материала для оконных профилей.

4 этап – XXI век

В XXI веке в России вновь появилась тенденция на массовое строительство нетиповых зданий и сооружений. Появился спрос на оконные блоки с декоративным оформлением, нестандартных форм, различных цветовых решений, а также не требующих дополнительного утепления, что особо важно в регионах Сибири.

В конце 1990-х годов светопрозрачные конструкции стали импортироваться в РФ из Польши, Турции или Германии. Следовательно, конструкции не полностью соответствовали климатическим условиям России. Поэтому с начала 2000-х годов происходит сначала локализация, а затем разработка собственных вариантов конструкций оконного профиля. ^[15,16]

Конструкция современных профилей из ПВХ-пластика представляет собой камеру с наружными пластиковыми стенками, пространство которой внутри разделено на более маленькие камеры в зависимости от типа профиля – трех- или пятикамерный профиль. Внутренняя камера усилена алюминиевым профилем.

Преимущества: стойкость к воздействию агрессивных сред, разные цветовые решения, низкая стоимость изделия в сравнении с аналогами. Недостатки: горючесть, оставляет неперерабатываемые отходы.

Рисунок 10 - Конструкция оконных профилей из ПВХ:

а) трехкамерные рама и створка; б) пятикамерные рама и створка;. I – профиль коробки (рама), II – профиль створки (створка), III – штапик, III’ – штапик сс коэкструдированным уплотнением;

1 – основная камера, 2 – дренажная камера (предкамера), 3 – камера дл крепления фурнитуры, 4 – дополнительная камера для увеличения термического сопротивления, 5 – армирование, 6 – паз для крепления фурнитуры, 7 – пазы для крепления дополнительных профилей, 8 – паз для крепления штапика, 9 – наклонный фальц для отвода воды, 10 – водоотвод, 11 – уплотнение, 12 – подкладка под стеклопакет.

Оконные блоки из ПВХ – профилей стали широко применяться в строительной отрасли. Однако по результатам исследований ^[17] срок службы данных конструкций зависит от климатических условий. Большая амплитуда температур, характерная для Сибири, негативно влияет на долговечность профилей. Поэтому следует учитывать данную особенность при применении изделий в Сибири.

Системы алюминиевых оконных профилей изготавливают из тонкостенных профилей в одно- и многокамерном исполнении (не более двух или трех). Производятся профили методом экструзии. По теплотехническим характеристикам профили делятся на две группы:

– «холодный профиль» – используется для проемов большой площади, в неотапливаемых строениях, для перегородок, балконов и витрин. Преимущества – Долговечность, прочность, негорючесть. Главным недостатком холодного профиля является высокая теплопроводность, что ограничивает его область применения;

– «теплый профиль» – используется для окон отапливаемых помещений. «Тёплый профиль» отличается наличием термоизолирующей вставки из полиамида, разделяющей внутреннюю и внешнюю части профиля. Это уменьшает теплопроводность конструкции. Однако стоимость таких окон значительно выше, чем у «холодных». ^[18]

а б

Рисунок 11 – Системы алюминиевых оконных профилей:

а – холодный профиль; б – теплый профиль

Деревянный оконный профиль выполняется из клееной древесины. В качестве основы применяют лиственные породы (дуб, ясень, клен с плотностью 450 кг/м3 и более) и хвойные породы (сосны, ели, пихты, лиственницы с плотностью не менее 350 кг/м3) древесины. Перед обработкой материала требуется сушка (влажность не превышает более 15%), пропитка антисептиком и защита от влаги. Обработка древесины выполняется высокоточными фрезерными инструментами. После чего выполняется точная подгонка деталей.

Преимущества деревянных профилей: архитектурная выразительность текстуры; экологическая безопасность материала; низкая теплопроводность (0,13 – 0,15 Вт/м*К). Недостатки древесины: низкая стойкость к воздействию агрессивной среды материала без контроля над состоянием изделия, что может привести к разрушению; высокая стоимость производства; требуется высокая квалификация производителя. ^[19]

Рисунок 12 – Оконный профиль из клееной древесины:

1, 2 – стекло толщиной 6 мм и 4 мм; 3 – низкоэмиссионное стекло толщиной 4 мм; 4 – дистанционная рамка; 5 – осушитель; 6, 7 – герметик силиконовый и бутиловый; 8 – опорная пластина; 9 – штапик; 10 –саморасширяющийся пленочный герметик; 11, 15 – нижний брусок створки и коробки; 12 – уплотнитель «Deventer»; 13 – контурная фурнитура; 14 – водоотводной алюминиевый профиль

В настоящее время оконные блоки стали сложными конструкциями, выполненными из различных материалов, таких как древесина, алюминий, ПВХ. Конструкции производятся на высокоточном оборудовании, что обеспечивает изоляцию помещений от шума и пыли. Архитектурная выразительность оконных элементов вновь стала подчеркиваться формой, цветом, размерами, наличниками. При этом теплотехнические характеристики оконных профилей позволяют их использовать в климатических условиях Сибири без применения дополнительной тепловой защиты.

4 Заключение

Развитие оконного профиля на протяжении периода XVII – XXI веков зависело, в первую очередь, от социально-экономического и научно-технического развития регионов.

В XVII – XVIII веках оконные рамы имели примитивную конструкцию из грубообработанной древесины и служили основой для волоковых и глухих окон. Зазоры закрывались подручными материалами – мох, глина.

В XIX веке с ростом населения и развитием промышленности в Сибири оконные рамы дополняются элементами – наличником, ставнями, отливами. Оконный проем приобретает художественную выразительность.

Развитие оконных конструкций в XX веке характерно этапом стандартизации всех несущих элементов, отказом от декоративной функции окна, исследованием применения разных материалов для несущих конструкций окон. В массово стало применяться ленточное остекление. Появилось понятие «оконный профиль».

К XXI веку оконные профили стали не только изготавливаться из разных современных материалов, иметь разные конструкции, формы и цвета, но и эксплуатироваться в климатических условиях Сибири без снижения срока службы.