Проектирование навесных стен для ветровых нагрузок - детали и расчеты - Строительство и ремонт

Навесные стены являются первым конструктивным элементом, который подвергается ветровой нагрузке. Бывают случаи, когда ветровая нагрузка контролирует конструкцию навесных стен, что может включать в себя анализ аэродинамики тела, использование применимых норм, осторожное определение геометрии и состава материала, а также учет ограничений на производство и размещение.

Элементом конструкции, который оказывает большое влияние на конструкцию навесного фасада, являются плиты перекрытия, которые обеспечивают надлежащее место для крепления системы навесных фасадов.

Таким образом, навесные стены устроены как вертикальные элементы, которые крепятся к плитам перекрытия и непрерывно перемещаются с этажа на этаж.

В этой статье рассматривается и объясняется конструкция навесных фасадов для ветровой нагрузки.

Направление ветра на здание

Навесные стены на здании

Конструкция навесных стен для ветровых нагрузок

Ниже перечислены пункты, которые обсуждаются при проектировании навесных фасадов для ветровых нагрузок:

Заказ на проектирование конструкции навесного фасада и траектория нагрузки
Расчет толщины стекла навесного фасада
Механизмы крепления стеклопакетов к раме
Структурное стекло
Важность масштаба
Соображения по изготовлению и размещению
Порядок расчета расчетной ветровой нагрузки
Комбинации ветровых нагрузок
Безопасное остекление
Аналитические модели навесных стен и детализация, связанная с соединениями, анкерами и крепежом

Порядок расчета конструкции навесной стены и траектории нагрузки

Ветровая нагрузка сначала действует на панели остекления, затем передается панелями остекления на периметральные опоры, после чего элементы каркаса получают ветровую нагрузку от периметральных опор прямо или косвенно.

Часто каркасные элементы имеют ортогональную конфигурацию в виде балочных и колонных муллионов, которые тянутся от этажа к этажу и передают ветровую нагрузку на конструкцию здания, как видно из рисунков 3 и 4.

Горизонтальные элементы между вертикальными муллионами рассматриваются как вторичные элементы, которые передают часть мертвой и ветровой нагрузки на вертикальные элементы.

Наконец, если присутствуют такие отверстия, как большие механические вентиляционные или открывающиеся двери и окна, то путь передачи нагрузки может измениться, и может возникнуть внутреннее давление, которое может гармонировать или не гармонировать с внешним давлением, поэтому при проектировании навесной стены необходимо учитывать эту возможность.

Система навесных стен

Конструкция навесной стены Толщина стекла

Существенными факторами, влияющими на расчет толщины стекла навесных фасадов, являются приложенные нагрузки, величина пролета и, возможно, температурные эффекты затенения, которые могут повлиять на расчет на прочность.

На прочность плоских стекол существенно влияет термическая обработка, применяемая в процессе производства стекла. Требования, установленные промышленностью, определяют пределы напряжений для трех типов стекол, а именно: отожженных, термоупрочненных и полностью фальсифицированных.

Что касается управляющего воздействия нагрузок, то обычно управляющим воздействием являются ветровые нагрузки, но бывают ситуации, когда необходимо учитывать воздействие взрыва или осколков.

Технические характеристики навесного стекла, которые могут включать ограничения на прогиб и другие факторы, которые могут повлиять на конструкцию стекла, устанавливаются архитекторами.

При определении величины прогиба в центре стекла необходимо учитывать удобство для жильцов, влияние соседних материалов и возможные накопленные движения.

Что касается граничных условий стеклянных панелей, которые используются в структурном анализе, то для обычных соединений, например, остекления с сухими прокладками и силиконового остекления, предполагаются просто поддерживаемые края.

Кроме того, считается, что боковое давление на стеклянные панели равномерно распределено по всей поверхности панели.

Наконец, сообщается, что наиболее широко используемая толщина стекла в США для высокоэффективных коммерческих проектов составляет 0,635 см. Кроме того, 2,54 см стеклопакет состоит из 0,635 см внешнего стекла, 1,27 см пустот и 0,635 см внутреннего стекла.

ASTM E1300 предоставляет подробную процедуру определения размеров стекла после получения геометрических параметров и расчетных нагрузок.

Толщина стекла в навесной стене и другие детали системы навесной стены

Механизмы крепления стеклопакетов к раме

Будут рассмотрены два механизма, включая структурное силиконовое остекление и точечное опорное стекло:

Структурное силиконовое остекление

Это метод, используемый для крепления стеклянных плиток к периметру каркаса, детали структурного силиконового остекления показаны на рисунке 6. Резиновый клей является основным компонентом структурного силиконового остекления, который удерживает стеклопакет от воздействия ветра.

По краям стеклопакета нет механического крепления для достижения надлежащей целостности, поэтому опыт инженера-конструктора должен быть объединен с теорией гиперэластичной резины для достижения необходимой целостности.

Наконец, необходимо спроектировать стеклопакет как диафрагму, чтобы противостоять силе ветра в плоскости, так как возможно возникновение силы ветра в плоскости.

Детали структурного силиконового остекления

Стекло с точечной опорой

С тех пор как была разработана эта техника, было разработано несколько средств для удержания стеклянных панелей, например, сначала применяются небольшие прямоугольные зажимы, которые называются накладными фитингами.

После этого для удержания стеклянных панелей в нужном положении используются болты с Т-образной головкой, которые вставляются в готовое просверленное отверстие в стекле.

Затем в стекле делаются потайные отверстия, чтобы предотвратить появление металлической арматуры на внешней поверхности. Следует помнить, что размеры, необходимые для потайного отверстия, влияют на определение толщины стеклянной панели.

Для сбора точечных опор можно использовать различные типы структурных каркасов, например, вместо ортогональной решетки алюминиевого каркаса можно применить спайдерную арматуру на пространственных рамах, кабельные сети и натяжное обрамление.

Точечная опора Стекло

Потайной стеклянный болт

Структурное стекло

Наиболее распространенными типами структурного стекла являются фин-стекла, которые работают аналогично вертикальным муллионам в навесном фасаде. Структурное стекло применяется в строительстве каркасов и ограждающих конструкций, например, в здании магазина Apple.

Следует иметь в виду, что стекло может внезапно и разрушительно выйти из строя, поэтому необходимо провести точную оценку для достижения структурной целостности.

Наконец, надлежащая устойчивость может быть достигнута за счет обеспечения больших коэффициентов безопасности, жертвенных слоев, а также дополнительного или альтернативного пути нагрузки.

Важность масштаба

В отличие от стальных и бетонных конструкций, где часто значения размеров округляются до ближайшего миллиметра, различные компоненты навесных фасадов должны быть определены с большой точностью, поскольку подрядчики навесных фасадов не только хотят минимизировать использование дорогостоящих материалов, но и сложная подгонка деталей узлов требует предельной точности от 2 мм до сотни миллиметров.

Следует знать, что прогиб играет решающую роль в конструкции навесного фасада. Кроме того, прогиб балок по периметру здания под действием живых нагрузок может повлиять на компенсационные швы навесного фасада.

Соображения по изготовлению и размещению

Как правило, желание проектировщика состоит в том, чтобы спроектировать навесную стену, которая эффективно противостоит ветровым нагрузкам. Однако ожидания производителей и монтажников от проектирования заключаются в снижении расхода дорогостоящих материалов и простоте установки компонентов навесного фасада на строительной площадке, соответственно. Таким образом, при проектировании необходимо учитывать требования как производителей, так и монтажников, чтобы в итоге создать успешный продукт.

Для достижения вышеуказанной цели проектировщику необходимо принять удовлетворительное решение во время проектирования, чтобы удовлетворить требования всех сторон, участвующих в строительстве навесной стены.

Следует знать, что правильные решения не могут быть приняты, если нет адекватной информации о методах изготовления и возможностях оборудования в дополнение к пониманию допусков на конструкцию, монтажных приспособлений и уровня квалификации стекольщика.

Процедура расчета расчетной ветровой нагрузки на навесные стены

Расчетная ветровая нагрузка может быть определена в соответствии с ASCE 7-10 (минимальные расчетные нагрузки для зданий и других сооружений). Процедуры расчета ветровой нагрузки разделены на два раздела, а именно: ветровые нагрузки для основных систем сопротивления ветровой силе и ветровые нагрузки на компоненты и облицовку.

Для расчета первых существует четыре различных метода расчета, в то время как для расчета ветровой нагрузки на элементы и облицовку используются два метода: аналитический и метод аэродинамической трубы.

Обычно для расчета расчетной ветровой нагрузки на навесные стены используется аналитическая процедура. Подробные шаги для расчета ветровой нагрузки на навесные стены приведены в ASCE 7-10, глава 30, часть 1 – часть 6.

Комбинации ветровых нагрузок

Комбинации ветровых нагрузок также приведены в ASCE 7-10, и в большинстве случаев применяется следующая комбинация ветровых нагрузок, представленная ниже, поскольку она создает наиболее критические ситуации:

Wu=1 Мертвая нагрузка+1 Ветровая нагрузка (Уравнение-1)

Безопасное остекление

Есть несколько условий, при которых следует изучить безопасность остекления, и есть случаи, когда проектирование безопасного остекления превосходит проектирование навесной стены для ветровой нагрузки. Как правило, необходимые меры и методы безопасности предусмотрены в действующих нормах.

Стекло в огнестойких конструкциях, верхнее остекление, стекло в дверях и открывающихся окнах, а также стекло, примыкающее к пешеходным поверхностям, являются примерами условий, при которых необходимо рассмотреть возможность безопасного остекления.

Аналитические модели навесных стен и детализация, связанная с соединениями, анкерами и крепежом

Визуализация трехмерной навесной стены при воздействии на нее ветровой нагрузки и прогнозирование распределения нагрузки и реакции навесной стены на воздействие ветра является важнейшим ключом к хорошо выполненному проектированию навесной стены.

Для создания модели, имитирующей поведение навесного фасада, необходимо обладать необходимыми знаниями и опытом.

Кроме того, существуют некоторые важные данные, которые должны быть получены, иначе аналитические модели не могут быть созданы, например, нагрузки, геометрические параметры и механические свойства материалов.

Аналитические модели навесных стен и их детализация будут описаны в следующих разделах:

Преобразование динамического давления в эквивалентное статическое давление

Уравнение Бернулли используется для изменения динамического давления ветра на эквивалентное статическое давление, и это давление оказывается на поверхность остекления перпендикулярно. Первичные и вторичные элементы каркаса анализируются с применением местной равномерно распределенной боковой нагрузки и треугольной схемы нагрузки соответственно.

Диаграммы свободного тела

Считается, что это наиболее подходящий метод для представления структурного поведения навесных стен. Обычно вертикальные муллионы (первичные элементы каркаса) анализируются как непрерывные балки, проходящие от этажа к этажу с равномерно распределенной нагрузкой. Если требуется большая точность, каждое пространство или отсек первичной рамы анализируется с использованием трапециевидной или треугольной схемы распределения нагрузки.

Горизонтальные балки (вторичные элементы каркаса) анализируются как просто поддерживаемые балки с трапециевидным или треугольным распределением нагрузки. Вертикальные и горизонтальные элементы каркаса вместе с их диаграммами свободных тел показаны на рисунке 9.

Диаграмма свободного тела навесной стены

Анализ конечных элементов

Трехмерные модели навесной стены могут быть созданы с помощью программ конечных элементов, таких как ANSYS, которые могут точно представить большинство условий навесной стены.

Моделирование граничных условий обычно является наиболее сложной задачей, поскольку периметры часто содержат гибкие опоры и прокладки. Кроме того, следует помнить, что для таких материалов, как стекло или алюминий, необходимо использовать подходящие постоянные физические свойства.

Соединительные узлы

Проектирование соединительных узлов считается самой сложной задачей при проектировании навесных фасадов. Моделирование граничных условий соединительных узлов в большинстве случаев основано на личных убеждениях и ощущениях.

Тем не менее, модели соединительных узлов должны быть созданы для представления передачи нагрузки от одного элемента к другому.

Механические соединения, использующие сварку или крепеж, моделируются как жесткие тела с геометрией смещенных нагрузок для определения кручения и опрокидывания.

Конструкции анкеров и закладных деталей

Существуют различные анкеры и закладные детали, с которыми проектировщик должен быть знаком, чтобы выбрать наилучший тип анкера для конкретных условий. Примерами анкеров являются сварная сталь, болты и щелевые швеллеры.

Щелевые каналы широко используются в высокоэффективных навесных фасадных системах. Широкий спектр устанавливаемых анкеров определяется таким образом, чтобы обеспечить гибкость при отсутствии закладных деталей или допусков.

Необходимо взаимодействие между инженером-конструктором и проектировщиком навесных стен, чтобы уточнить расчетные предпосылки анкеров и определить влияние нагрузок и моментов, накладываемых на конструкцию навесными стенами.

Наконец, необходимо предусмотреть возможность перемещения конструкции на стыке анкера и стены.

Читайте далее: