Прочностной расчет алюминиевых светопрозрачных конструкций

В стоечно-ригельных фасадных системах происходит поэтапная передача нагрузок с элементов остекления на алюминиевый каркас (ригели и стойки) и далее через крепежные кронштейны на несущие конструкции здания. На практике приняты два основных вида крепления стоек к несущим конструкциям: одно- и двухъярусный. При одноярусном способе стойка располагается в пределах одного этажа и крепится к несущим конструкциям в двух точках. При двухъярусном — длина стойки принимается равной высоте двух смежных этажей и имеет три точки крепления.

Независимо от высоты витражей важно помнить, что неподвижным (воспринимающим нагрузки как от собственного веса конструкции, так и ветровые) может быть только одно крепление стойки. Второе и третье крепления (для двухпролетной стойки) должны быть выполнены скользящими (шарнирно-подвижными), т.е. способными воспринимать ветровую нагрузку, но не препятствующими тепловому изменению длины стоек. Соответственно, в качестве расчетной схемы принимается одно- или двухпролетная балка, равномерно нагруженная распределенной ветровой нагрузкой (см. рис. 1).



Рис. 1. Соединение стоек по высоте и их расчетная схема

При необходимости сопряжения стоек по высоте также следует соблюдать принцип создания возможности свободного изменения их длины при температурных перепадах для предупреждения возникновения дополнительных напряжений в системе. В этом случае стыковка стоек осуществляется посредством специальных профилей, которые крепятся только к одной из соединяемых стоек в месте расположения неподвижного кронштейна.

Горизонтальные элементы системы (ригели) находятся под воздействием как ветровой нагрузки, так и нагрузок от веса опирающихся на них заполнений (стеклопакеты и др.) и собственного веса. Передача нагрузки от заполнения на ригель происходит через специальные опорные под- ставки. Следовательно, расчетная схема ригеля имеет вид однопролетной балки, нагруженной в горизонтальной плоскости ветровой нагрузкой, а в вертикальной — сосредоточенными нагрузками от веса заполнения и равномерно распределен- ной от собственного веса (см. рис. 2). На рисунке приняты следующие условные обозначения: Lt — длина ригеля; h0 — расстояние между ригелями; G — масса заполнения; a — расстояние от стойки до оси подставки под стеклопакет. Расчет на прочность заключается в определении возникающих в элементах конструкции напряжений. При этом, полученные значения не должны превышать величины расчетного сопротивления материала.



Рис. 2. Схемы нагружения ригеля:
а – ветровой нагрузкой при Lt/h0 ≤1
б – ветровой нагрузкой при Lt/h0> 1
в – нагрузкой от веса заполнения

Расчет по предельным деформациям сводится к определению требуемых моментов инерции несущих элементов (стоек и ригелей) каркаса конструкции, при которых прогибы этих элементов под воздействием приложенных нагрузок не превышают некоторых предельных значений. Так, в соответствии с уже упоминаемым СНиП 2.03.06-85, относительный прогиб элементов (к пролету L) не должен превышать для вертикальных и горизонтальных элементов ограждающих конструкций (стойки, ригели, импосты) при остеклении:
— листовым стеклом 1/200;
— стеклопакетами 1/300.

При этом, для конструкций, остекленных стеклопакетами, максимальный прогиб от действия ветровой нагрузки не должен превышать 8 мм. Максимальный же прогиб горизонтальных элементов от действия статических нагрузок от веса заполнения и собственного веса должен быть меньшим 3 мм.

Следует заметить, что при недостижении элементами конструкции приведенных выше значений прогибов, их работа протекает в пределах упругой стадии деформации, что позволяет в большинстве случаев не выполнять прочностного расчета.

Процедуру определения геометрических характеристик сечений основных несущих профилей можно представить в виде блок-схемы, изображенной на рисунке 3.



Рис. 3. Порядок расчета несущих элементов стоечно-ригельного фасада

Эта схема реализована в расчетной программе “ETEM STATICS” (см. рис. 4), разработанной одним из ведущих производителей архитектурных алюминиевых профилей и композитных панелей на Балканском полуострове греческой компанией ЕТЕМ.

При расчете элементов заполнения одним из вопросов, интересующих проектировщика, является определение требуемой толщины стекла. Методика расчета стеклопакетов на прочность изложена в СН 481-75 “Инструкция по проектированию, монтажу и эксплуатации стеклопакетов”. Данные по минимальной толщине стекла в зависимости от его габаритов и класса из- делия по сопротивлению ветровой нагрузки можно получить также из приложения Б к ДСТУ Б В.2.7-107- 2001 (ГОСТ 24866-99) “Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия”. К сожалению, в последнем документе приведены данные для стеклопакетов с габаритными размерами, не превышающими 1000х1800 мм.



Рис. 4. Скриншот программы «ETEM STATICS»

Для ориентировочной оценки требуемой толщины листового стекла компания ЕТЕМ предлагает использовать следующие расчетные зависимости:
а) для Hg/Lg ≤ 3

б) для Hg/Lg > 3


где Hg — больший размер стекла, м; Lg — меньший размер стекла, м; δ — минимальная требуемая толщина стекла, мм; р — расчетная ветровая нагрузка, кг/м2.

Расчет узлов крепления конструкции к несущим элементам зданий и сооружений подразделяется на три отдельных расчета:
— проверка прочности крепления стойки к монтажному кронштейну;
— проверка прочности кронштейна;
— проверка прочности крепления кронштейна к стене.

Как видно из приведенного перечня, полный расчет узлов крепления как конструкции в целом к несущим элементам здания, так и отдельных конструктивных элементов между собой достаточно объемный и трудоемок. И здесь известную помощь инженеру-конструктору оказывают данные о несущей способности монтажных кронштейнов и различных вариантов креплений ригелей к стойкам, предоставляемые фирмами-разработчиками профильных систем. Например, в компании ЕТЕМ данные о расчетной несущей способности кронштейнов дополнительно базируются на результатах лабораторных испытаний.

В заключение хочу заметить, что тема прочностных расчетов алюминиевых светопрозрачных конструкций очень обширна и многогранна, и в рамках данной статьи автор смог осветить ее лишь в самых общих чертах. Так, например, свои особенности присущи расчетам наклонных элементов стоечно-ригельных фасадов и тем более профильных систем, используемых для навесных фасадов с воздушным зазором. Но, в любом случае важно помнить, что основные требования, предъявляемые к проектируемым конструкциям, изложены в нормативной документации, а любой расчет базируется на известных формулах сопротивления материалов.

Сергеев А.М., к.т.н., технический директор ООО “ЭТЕМ СИСТЕМЗ”