ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ НА СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ СТРУКТУРЫ

​АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются ключевые аспекты проектирования и статического расчета светопрозрачных фасадов и покрытий с самонесущим каркасом из алюминиевых профилей. Проектирование таких конструкций требует не только креативного подхода, но и строгого инженерного расчета, особенно учитывая пиковые значения ветровых нагрузок. Рассмотрены примеры и анализ различных вариантов расчетных схем, что помогает глубже понять принципы проектирования и оптимизации светопрозрачных конструкций с алюминиевым каркасом. С учетом развития строительной отрасли и новых нормативных документов, стандарты становятся более детализированными, что позволяет инженерам и архитекторам обеспечивать высокий уровень безопасности и надежности светопрозрачных конструкций.

ABSTRACT.

This article discusses the key aspects of designing and statically calculating translucent facades and roofing with a self-supporting framework made of aluminum profiles. Designing such structures requires not only a creative approach but also strict engineering calculation, especially considering peak wind load values. Examples and analyses of various calculation schemes are presented to provide a deeper understanding of the principles of designing and optimizing translucent structures with an aluminum frame. With the development of the construction industry and the emergence of new regulatory documents, standards become more detailed, allowing engineers and architects to ensure a high level of safety and reliability of translucent structures.

Ключевые слова: светопрозрачные фасады, проектирование, статический расчет, ветровые нагрузки, инженерный расчет.

Keywords: translucent facades, design, static calculation, wind loads, engineering calculation.

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование светопрозрачных фасадов и покрытий с самонесущим каркасом из алюминиевых прессованных профилей требует не только творческого подхода, но и строгого инженерного расчёта. В данной статье мы рассмотрим некоторые ключевые особенности проектирования и статического расчёта таких конструкций, учитывая пиковые значения ветровых нагрузок. Представленные примеры и анализ различных вариантов расчётных схем позволят более глубоко понять принципы проектирования и оптимизации светопрозрачных конструкций с алюминиевым каркасом.

С учётом развития строительной отрасли и появления новых нормативно-технических документов, таких как СП 426.1325800.2018 "Конструкции фасадные светопрозрачные зданий и сооружений. Правила проектирования", стандарты становятся более детализированными, что позволяет инженерам и архитекторам обеспечивать высокий уровень безопасности и надёжности светопрозрачных конструкций.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С САМОНЕСУЩИМ КАРКАСОМ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОФИЛЕЙ

Согласно п.11.2 СП 20.13330 при расчете необходимо учитывать пиковые положительные и отрицательные воздействия ветровой нагрузки, нормативные значения которых определяются по формуле:

                                                         (1),

где  – эквивалентная высота, зависящая от габаритов здания,

 – коэффициенты, учитывающие, соответственно, изменение давления и пульсации давления ветра на высоте ;

 – коэффициент корреляции ветровой нагрузки, соответствующий положительному давлению (+) и насосу (-) в зависимости от площади ограждения А, с которой собирается ветровая нагрузка;

 – пиковые значения аэродинамических коэффициентов положительного давления (+) или отсоса (-), определяемые в зависимости от местоположения конструкции.

Пиковая ветровая нагрузка учитывает возможные кратковременные порывы ветра, которые действуют не на всей площади рассматриваемой конструкции, а на отдельных участках непредсказуемого размера, формы и количества, как на Рисунке 1.

Рисунок 1. Общая схема распределения ветровой нагрузки по стенам здания (слева) и вероятные участки воздействия порыва ветра (справа)

Важно отметить, что пиковые ветровые нагрузки значительно выше, а иногда даже в несколько раз, чем их средняя составляющая. При расчете здания в целом пиковые значения не учитываются, так как они возникают в отдельных точках фасадов в разное время.

Проектирование навесных вентилируемых фасадов и светопрозрачных конструкций требует тщательного учета ветровых нагрузок. Для этого обычно используется расчетная схема непрерывной многопролетной балки. Пиковые ветровые нагрузки могут быть значительно выше их средней составляющей, но они не учитываются при общем расчете здания, так как возникают в отдельных точках фасадов в разное время. Поэтому при проектировании навесных вентилируемых фасадов и светопрозрачных конструкций крайне важно учитывать потенциальное воздействие пиковых ветровых нагрузок на отдельные участки фасада. Правильный анализ и учет ветровых нагрузок поможет обеспечить безопасность и долговечность этих конструкций.

При расчете элементов рамы на прочность (по первой группе предельных состояний) и жесткость (по второй группе предельных состояний) требуемое сечение обычно выбирается по допустимым деформациям, так как по прочности имеется значительный запас прочности. В многопролетных схемах нагрузки в смежных пролетах уравновешивают друг друга и уменьшают деформации элемента, что позволяет использовать вертикальные профили с меньшими геометрическими характеристиками сечения по сравнению с однопролетной схемой.

Поэтому при расчете элементов рам на прочность и жесткость выбор необходимого сечения обычно основывается на допустимых деформациях с учетом значительного запаса прочности. В многопролетных схемах смежные пролеты уравновешивают нагрузки и уменьшают деформации элемента, что позволяет использовать вертикальные профили с меньшими геометрическими характеристиками сечения по сравнению с однопролетной схемой. Правильный выбор сечения с учетом допустимых деформаций и запаса прочности позволяет обеспечить безопасное и эффективное проектирование рамных конструкций.

ВАРИАНТЫ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РАСЧЕТНЫХ

СХЕМАХ

Рассмотрим различные варианты нагружения при различных расчетных схемах, при прочих равных условиях.

Исходные данные для расчета:

-район строительства – г. Тула

-тип местности – В;

-высота здания – 69 м.;

-высота установки конструкции – 65 м.;

-размеры здания в плане – 20х35 м.;

-зона установки конструкции – угловая;

-шаг стоек – 1,5 м.;

-высота этажа – 3 м.;

Пиковые ветровые нагрузки были рассчитаны на основании нормативных значений ветрового давления и требований СП 20.13330-2016, в котором указаны нагрузки и воздействия, которые необходимо учитывать при проектировании сооружений. Нормативное значение ветрового давления для второго ветрового района составляет 0,3 кПа, согласно таблице 11.1 СП 20.13330.2016. Правильный учет этих нормативных значений и требований поможет обеспечить безопасное и эффективное проектирование конструкций, подверженных ветровым нагрузкам.

Воспользуемся формулой (1):

Коэффициент изменения давления ветра:

Коэффициент пульсации давления ветра:

Пиковый аэродинамический коэффициент для зданий с прямоугольной формой плана указан в Приложении В.1.17, раздел а) СП 20.13330.2016. Этот коэффициент является важным фактором при расчете ветровой нагрузки на здания, так как учитывает форму и ориентацию здания относительно направления ветра. Правильный учет пикового аэродинамического коэффициента, как указано в СП 20.13330.2016, может помочь обеспечить безопасное и эффективное проектирование зданий, подверженных ветровой нагрузке.

Коэффициент корреляции ветровой нагрузки по таблице 11.8 СП 20.13330.2016:

Расчетное значение пиковой ветровой нагрузки:

Каркас башни выполнен из алюминиевого экструдированного профиля ТП-50313 Геометрические характеристики профиля представлены на Рисунке 2.

Рисунок 2. Характеристики сечения стойки

Так же были произведены расчеты стойки при разных схемах, результаты которых предоставлены в Таблице 1.

Таблица 1

Расчеты

Из анализа наших расчетов (смотри Таблицу 1) следует несколько важных выводов:

-Когда нагрузка равномерно распределена по всему элементу, деформации практически вдвое меньше по сравнению с ситуацией, когда нагрузка приложена только к одной части элемента.

Максимальный изгибающий момент в случае двухпролетной структуры возникает, когда нагрузка равномерно распределена по всему элементу.

-При трехпролетной конструкции наихудшим вариантом распределения нагрузки с точки зрения деформаций является ситуация, когда нагрузка действует только в двух крайних пролетах.

-Максимальный изгибающий момент в трехпролетной конструкции возникает, когда нагрузка равномерно распределена в двух смежных пролетах элемента.

Таким образом, оптимальное распределение нагрузки важно для минимизации деформаций и оптимизации работы конструкции.

При разработке проекта стоек и ригелей каркаса необходимо углубленно анализировать размеры ячеек заполнения. Это важно, так как максимально допустимые деформации светопрозрачных элементов составляют 1/250 короткой стороны. Понимание этого критерия является фундаментальным для правильного расчета прочности и устойчивости конструкции.

При этом следует особенно обратить внимание на деформации ригелей под воздействием ветровых нагрузок. Это важно для всех вариантов схем, поскольку каждому ригелю, как правило, соответствует одна ячейка остекления. Такое взаимосвязанное действие требует внимательного анализа и рассмотрения. Также учитывать ограничения по деформациям ригелей от постоянных нагрузок. Они не должны превышать 1/200 длины ригеля. Это важное требование, которое следует учитывать вместе с другими системными ограничениями. И стоит учитывать, что для ригелей, находящихся над створкой, допустимая деформация составляет 2,5 мм. Это связано с особенностями работы фурнитуры, которая требует более осторожного подхода.

В итоге, при разработке проекта необходимо внимательно анализировать и учитывать все указанные факторы, чтобы обеспечить надежность, безопасность и долговечность конструкции.

ВЫВОДЫ

Исходя из проведенного анализа исследований по расчету каркасов светопрозрачных конструкций, ключевыми выводами являются следующие:

1. При применении многопролетной расчетной схемы необходимо учитывать наименее благоприятный вариант нагружения ветровой нагрузкой. Это обеспечит более надежные результаты при проектировании и расчете конструкций, что подтверждается исследованиями, проведенными в работе "Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация".

2. При расчете по первой группе предельных состояний для двух- и трехпролетных расчетных схем необходимо учитывать нагрузку в двух смежных пролетах элемента. Это обеспечивает адекватное представление о нагрузках и позволяет корректно оценить прочностные характеристики конструкции.

С учетом вышеизложенного, следует подчеркнуть следующие ключевые тезисы, которые важно учитывать при проектировании фасадных конструкций:

1. Определение эквивалентной высоты должно основываться на соответствующих нормативах.

2. Коэффициент корреляции ветровой нагрузки должен назначаться исходя из площади рассчитываемого элемента и нагрузки, которая на него действует.

3. Рекомендуется провести временное усреднение значений пикового ветрового воздействия для более точного анализа.

4. При расчете по первому предельному состоянию следует учитывать наиболее неблагоприятное воздействие, распределенное равномерно на два смежных пролета многопролетной конструкции.

Таким образом, учет этих выводов и рекомендаций сделает процесс проектирования более точным и эффективным, обеспечивая надежность и устойчивость фасадных конструкций.

Список литературы:

1. Gumbel, E.J. (1958). Statistics of Extremes. Columbia University Press.
2. Barshteyn M.F. Dinamicheskiy raschet vysokikh sooruzheniy na deystviye vetra [Dynamic calculation of high structures to the action of the wind] // Spravochnik po dinamike sooruzheniy [Dictonary on the dynamics ostructures]. M.: Stroyizdat, 1972. Pp. 286-321. (rus)
3. SP 20.13330.2011. Nagruzki i vozdeystvia. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.01.07-85. (rus)
4. Simiu E., Skanlan R. Vozdeystviye vetra na zdaniya i sooruzheniya [Wind effects on structures]. M.: Stroyizdat, 1984. 360 p. (rus)
5. Retter E.I., Strizhenov S.I. Aerodinamika zdaniy [Aerodynamics of buildings]. M.: Stroyizdat, 1968. 240 p. (rus)
6. Retter E.I. Arkhitekturno-stroitelnaya aerodinamika [Architectural and construction aerodynamics]. M.: Stroyizdat. 1984. 296 p. (rus)
7. Savitskiy G. A. Vetrovaya nagruzka na sooruzheniya [Wind load on structures]. M.: Stroyizdat, 1972. 112 p. (rus)