Методика статических расчетов фасадных конструкций

Термины и определения

Окно - светопрозрачная конструкция, устанавливаемая в подготовленные проемы стен зданий и сооружений и предназначенная для обеспечения естественного освещения внутренних помещений, возможности их проветривания, а также изоляции от внешних воздействий.

Современная архитектура предъявляет высокие требования к оконным конструкциям, в особенности для жилых зданий:

• увеличиваются размеры окна;

• стираются границы между окном и витражом;

• благодаря инновациям в фурнитуре появляются новые типы открывания створок;

• увеличивается размер самих створок.

Поэтому статика для оконной конструкции приблизилась к статике фасадных конструкций.

В ГОСТ 21519-2003 «Блоки оконные из алюминиевых сплавов. Технические условия» изложены основные требования и параметры конструкции окна, которые при расчетах и проектировании должны быть использованы и соблюдены. Для однозначного понимания в статических расчетах оконных конструкций используют следующие термины:

• рама окна - стационарная контурная обвязка;

• вертикальный импост – неподвижный элемент, разделяющий проем в раме окна по вертикали;

• горизонтальный импост – неподвижный элемент, разделяющий проем в раме окна по горизонтали;

• створка – открываемый элемент окна;

• перемещение – величина изменения положения какой-либо точки элемента оконного блока в направлении нормали к плоскости изделия под воздействием нагрузки;

• прогиб – величина, определяемая как разность перемещения точки, расположенной в центральной точке элемента оконного блока (наиболее перемещаемой точки под воздействием нагрузки), и полусуммы перемещения концов этого элемента;

• предельный прогиб – максимально допустимый прогиб элемента оконного блока, устанавливаемый в нормативной документации.

Рама окна в соответствии с ГОСТ 30971-2002 «Швы монтажные узлов примыканий оконных блоков к стеновым проемам. Общие технические условия» фиксируется в проеме по периметру, и все внешние воздействия передает на несущую конструкцию. Поэтому сечение профиля рамы в большинстве случаев определяют исходя из габаритных размеров рамы окна и оптимального узла примыкания. Вертикальный и горизонтальный импост – элементы наиболее всего подверженные воздействию внешних сил, поэтому статические расчеты по ним наиболее актуальны.

Критерии расчета

Согласно ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований» все строительные конструкции должны быть запроектированы с достаточной надежностью при возведении и эксплуатации. Строительные конструкции следует рассчитывать по методу предельных состояний, основные положения которого направлены на обеспечение безотказной работы конструкций с учетом изменчивости свойств материалов.

Предельные состояния подразделяются на две группы:

• первая группа включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации конструкций или к полной (частичной) потере несущей способности;

• вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций или уменьшающие их долговечность по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

Предельные состояния первой группы характеризуются:

• разрушением любого характера (например, пластическим, хрупким, усталостным);

• потерей устойчивости формы, приводящей к полной непригодности к эксплуатации;

• качественным изменением конфигурации;

• другими явлениями, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (например, чрезмерными деформациями в результате пластичности, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образованием трещин).

Предельные состояния второй группы характеризуются:

• достижением предельных деформаций конструкций (например, предельных прогибов, поворотов);

• образованием трещин;

• потерей устойчивости формы, приводящей к затруднению нормальной эксплуатации;

• другими явлениями, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за неприемлемого снижения их срока службы.

Выполнение статического расчёта алюминиевых конструкций ставит своей целью:

• определение внутренних усилий и перемещений в элементах;

• определение требуемых геометрических характеристик сечений с дальнейшим подбором профилей по каталогу.

Исходные данные к расчету

Исходными данными для расчета является та необходимая информация об объекте, на основе которой производится расчет.

1. Географические координаты объекта, на котором планируется устанавливать и эксплуатировать конструкцию определяются по картам районирования СНиП 3.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».
2. Тип местности, на которой находится объект, устанавливается в соответствии со СНиП 3.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».
3. Высота установки окна над поверхностью земли; за высоту установки принимается расстояние от уровня земли до верхней отметки конструкции.
4. Тип остекления: стеклом в одну нитку или стеклопакетом.
5. Расчётная высота вертикального импоста Lp, см.
6. Расчётный шаг вертикальных импостов tc , см.
7. Расчётный шаг горизонтальных импостов tp , см.

Расчет вертикального импоста по методу предельных состояний 1-ой группы

Данный расчет проводится для определения ответной реакции конструкции на воздействие внешних сил, а именно определение качественных изменений конфигурации и наступления разрушения материала. Основной параметр расчета на прочность – геометрическая характеристика элемента - момент сопротивления Wх, см3.

Расчет прочности импоста от ветровой нагрузки

Критерий расчёта – напряжение от изгибающей нагрузки импоста должно быть меньше расчетного сопротивления материала на растяжение и изгиб. В качестве внешнего воздействия на конструкцию принимается нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки по СНиП 2.01.07-85*.

• 

σ -- напряжение, возникающее от изгибающей нагрузки, кгс/ см2

M -- изгибающий момент, кгс . см.

Wх – момент сопротивления сечения профиля по оси Х, см3

Jt = 1,4 -- коэффициент надёжности по ветровой нагрузке принятый в соответствии с п. 6.11, СНиП 2.01.07-«Нагрузки и воздействия»;

R = 1250 кгс/ см2, -- расчетное сопротивление растяжению, сжатию и изгибу для алюминиевого сплава АД31 Т1 (таб. 6,СНиП 2.03.06-85).

Jc = 1,0 -- коэффициент условий работы, принимается по таблице 15, СНиП 2.03.06-85.

• 

Wm – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки, определяемое по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»;.

tc -- ширина нагрузки, воздействующей на вертикальный импост, см, (показано на рис. 1)

L -- длина вертикального импоста, см.

Расчет вертикального импоста по методу предельных состояний 2-ой группы

Вертикальный импостный профиль окна выбирается по требуемому моменту инерции сечения в направлении действия внешних сил. Основной параметр расчета на деформацию и гибкость – геометрическая характеристика элемента - момент сопротивления, I см4. Требуемый момент инерции профиля определяется для 3-х расчётных случаев. Для простоты расчёта во всех трёх случаях принята схема закрепления стойки как шарнирно-опёртой однопролётной балки.

Момент инерции профиля должен удовлетворять условию:

• 

(1)

Iкат – момент инерции профиля по каталогу;

Iрасч – требуемый расчётный момент инерции профиля.

Расчетный момент инерции профиля определяется по зависимости:

Iрасч= max {I1; I2; I3}, (2)

где I1; I2; I3 – расчётные моменты инерции по первому, второму и третьему расчётным случаям соответственно.

6. Расчет вертикального импоста на деформацию от ветровой нагрузки.

Расчет вертикального импоста в зависимости от ветровой нагрузки проводится по условию жесткости (1-ый расчетный случай). Применяется для всех вертикальных импостов. Критерий расчёта – обеспечение фактического прогиба импоста меньше допускаемого. В качестве внешнего воздействия на конструкцию принимается нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки по СНиП 2.01.07-85*. Расчётная схема приведена на рис. 1.

• 

Рис. 1.

Условие работоспособности по данному критерию может быть записано в виде:

• 

(3)

fфакт - фактический прогиб импоста от действия внешней нагрузки, который может быть определён по формуле:

• 

(4)

q – распределённая нагрузка на импост от действия нормативной ветровой нагрузки;

Е – модуль упругости алюминия, принимаемый по таблице 3 обязательного приложения 1 CНиП 2.03.06-85 в зависимости от температуры эксплуатации.

При температуре эксплуатации от –40 до +50С модуль упругости Е = 0,71•10⁶ кгс/см2.

fдоп - допускаемый прогиб импоста, определяемый по таблице 42 CНиП 2.03.06-85, и равный:

- для одинарного остекления:

• 

(5)

- для остекления стеклопакетами:

• 

(6)

В случае остекления одним стеклопакетом по всей высоте вертикального импоста, допускаемый прогиб импоста должен быть не более 8 мм.

Приравнивая в неравенстве (3) фактический прогиб к допускаемому прогибу, и используя соотношения (4), (5) получаем формулу для определения расчётного момента инерции импоста при одинарном остеклении:

• 

, (7)

Аналогично получаем формулу для определения расчётного момента инерции импоста при остеклении стеклопакетами:

• 

(8)

Распределённая нагрузка на импост при известном шаге определяется по формуле:

• 

(9)

Jf =1,0 – коэффициент надёжности по нагрузке, принятый в соответствии с п. 1.3 СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»;

Wm – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки, определяемое по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»; формула (6).

W0 – нормативное значение ветрового давления, принимается по таблице 5 СНиП 2.01.07-85* в зависимости от принадлежности объекта к ветровому району;

с=0,8 – аэродинамический коэффициент для фронтальной конструкции;

с=2,0 – аэродинамический коэффициент для угловой конструкции;

k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, по таблице 6 СНиП 2.01.07-85*, в зависимости от типа местности и высоты витража над поверхностью земли;

10^-4 – коэффициент перевода wm из [кгс/м² ] в [кгс/см²].

Согласно СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» ветровую нагрузку следует определять как сумму средней и пульсационной составляющих.

• 

Wр --нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки определяемое по формуле 8 СНиП 2.01.07-85.

• 

ζ -- коэффициент пульсаций давления ветра, принимаемый по табл. 7 СНиП 2.01.07-85 в зависимости от высоты и типа местности.

ν - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра, определяемый по таблице 9 СНиП 2.01.07-85 в зависимости от размеров расчётной поверхности.

При этом в расчетах многоэтажных зданий высотой до 40 м и одноэтажных производственных зданий высотой до 36 м при отношении высоты к пролету менее 1,5, размещаемых в местностях типов А и В (см. п.6.5 СНиП2.01.07-85), пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается не учитывать.

В них присутствуют следующие расчеты:

• расчет импоста по условию гибкости;

• расчет импоста на деформацию от сосредоточенной нагрузки;

• расчет горизонтального импоста по методу предельных состояний 1-ой группы;

• расчет прочности импоста от ветровой нагрузки;

• расчет прочности импоста от нагрузки стеклом;

• расчет горизонтального импоста по методу предельных состояний 2-ой группы;

• расчет импоста на деформацию от ветровой нагрузки;

• расчет импоста на деформацию от нагрузки стеклом;

• расчет на деформацию от сосредоточенной нагрузки.

Используемая литература

СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

CНиП 2.03.06-85 «Алюминиевые конструкции»

ГОСТ 21519-2003 «Блоки оконные из алюминиевых сплавов. Технические условия».

ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований»

ГОСТ 30971-2002 «Швы монтажные узлов примыканий оконных блоков к стеновым проемам. Общие технические условия».

Вклад участника

Иконников Алексей