На главную страницу портала Know-House.Ru
Конфереции по строительству
ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ "НОУ-ХАУС.ру" На главную страницу   Карта сайта
Новости от НOУ-ХАУС.ру | Форум по строительству | Объявления | Реклама у нас | Наши координаты | Карта сайта
   Конференции по строительству >> Доклад "Три основных проблемы, возникающих при расчетах конструкций вентилируемых фасадов."

Три основных проблемы, возникающих при расчетах конструкций вентилируемых фасадов.
Фленкин M.H. начальник инженерно-конструкторского
отдела компании "ИСК Каптехнострой"
   Одним из основных критериев надежности навесных фасадных систем (вентилируемых фасадов) (далее – НФС) является необходимая прочность и устойчивость как системы в целом, так и отдельных узлов и элементов конструкции. Об этом много пишут и говорят, оперируя понятиями «выдерживают большие нагрузки», «более прочные, чем…», но точных прочностных расчетов в печатных изданиях не опубликовал никто. (Если такие расчеты имеются, просьба сообщить автору этой статьи – будет тема для беседы). Единственное указание имеется в (п. 6.22. [2]), – только о выборе одной из расчетных схем рамной конструкции, состоящей из вертикальных направляющих и кронштейнов, а также в [5], но там не рассматривается схема расчета элементов крепления облицовки (кляммеров или скоб), а расчетная схема кронштейна - консоль.
   Нагрузки и воздействия на конструкции ФЗС определяются в соответствии с [1, 2]. Многие фирмы имеют собственные методики прочностных расчетов – ничего сложного здесь нет. Достаточно подробно рассчитаны направляющие, кронштейны, соединения, нагрузки на вырыв анкерных дюбелей. Здесь возникает несколько проблем, которые в прочностных расчетах не раскрываются. Рассмотрим три основных момента.
   1. При расчете кляммеров (скоб) выясняется, что при соблюдении п. 6.12. и табл. 3.1 [2] (расчет производится в предположении упругих деформаций по недеформированной схеме) их прочность недостаточна как на рядовых, так и на угловых участках здания. Расчетные ветровые нагрузки (кгс/м2) приведены в табл. 1.
(1.1)
где: с1=1,1 – для средних участков здания; с2=2 – для угловых участков; запас по ветровой нагрузке Yf =1,4
Таблица 1 Ветровые нагрузки в зависимости от высоты сооружения для различных ветровых районов
 Ветровой регион
Iа
I
II
III
IV
V
VI
VII
Высота, м кгс/ м2 17 17 23 23 30 30 38 38 48 48 60 60 73 73 85 85
к (тип В) Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки Средн часть Углов уч-ки
5    1,09 28,5 51,9 38,6 70,2 50,4 91,6 63,8 116,0 80,6 146,5 100,7 183,1 122,5 222,8 142,7 259,4
10 1,34 35,1 63,8 47,5 86,3 61,9 112,6 78,4 142,6 99,1 180,1 123,8 225,1 150,6 273,9 175,4 318,9
20 1,65 43,2 78,5 58,4 106,3 76,2 138,6 96,6 175,6 122,0 221,8 152,5 277,2 185,5 337,3 216,0 392,7
30 1,87 49,0 89,0 66,2 120,4 86,4 157,1 109,4 199,0 138,2 251,3 172,8 314,2 210,2 382,2 244,8 445,1
40 2,04 53,4 97,1 72,3 131,4 94,2 171,4 119,4 217,1 150,8 274,2 188,5 342,7 229,3 417,0 267,0 485,5
60 2,32 60,7 110,4 82,2 149,4 107,2 194,9 135,8 246,8 171,5 311,8 214,4 389,8 260,8 474,2 303,7 552,2
80 2,54 66,5 120,9 90,0 163,6 117,3 213,4 148,6 270,3 187,8 341,4 234,7 426,7 285,5 519,2 332,5 604,5
100 2,72 71,2 129,5 96,3 175,2 125,7 228,5 159,2 289,4 201,1 365,6 251,3 457,0 305,8 556,0 356,0 647,4
120 2,89 75,7 137,6 102,4 186,1 133,5 242,8 169,1 307,5 213,6 388,4 267,0 485,5 324,9 590,7 378,3 687,8
140 3,04 79,6 144,7 107,7 195,8 140,4 255,4 177,9 323,5 224,7 408,6 280,9 510,7 341,8 621,4 397,9 723,5
150 3,10 81,2 147,6 109,8 199,6 143,2 260,4 181,4 329,8 229,2 416,6 286,4 520,8 348,5 633,6 405,8 737,8

   Внеший вид и расчетные схемы скобы и кляммера приведены на рис.1 и 2. Вертикальные нагрузки на кляммеры (скобы) от отвеса облицовки воспринимаются двумя нижними ско-бами (элементами кляммера), горизонтальные (ветровые) нагрузки – четырьмя скобами (элементами кляммера) на одну плитку. Гололедная нагрузка в расчете не учитывалась.
   Вертикальная сосредоточенная нагрузка на одну скобу (кляммер) от отвеса облицовки, (кгс):
(1.2)
   Горизонтальная ветровая нагрузка на одну скобу (кляммер), (кгс):
(1.3)
   где: p =2500 кг/ м2 – плотность керамогранита, t=0,01м – толщина, S – площадь плитки, м2.

Рис.2 Расчетные схемы для скобы и кляммера
   Расчетная нагрузка от веса облицовки принимается как неравномерно распределен-ная, изменяющаяся по закону треугольника с максимальной интенсивностью , (кгс/см):
(1.4)
   где L осн – длина основания скобы (кляммера).

   Типы приложения ветровой нагрузки, передаваемой от облицовки, для скобы и кляммера различны. В кляммере облицовка прижимается лапкой, выполненной в виде пружины, поэтому контакт с плиткой (и передача ветровой нагрузки) осуществляется в одной точке. В этом случае тип приложения нагрузки – сосредоточенный.
   Тогда изгибающий момент в заделке кляммера (кгс•см):

(1.5)
где L приж – длина прижимной части (см. рис. 2). В скобе контакт осуществляется по всей длине лапки (облицовка поджимается уплотни-телем по ее внутренней поверхности), поэтому в этом случае тип приложения нагрузки распределенный, изменяющийся по закону треугольника с максимальной интенсив-ностью (кгс/см):
(1.6)
Тогда изгибающий момент в заделке скобы Мх, (кгс•см):
(1.7)
Из формул (1.5) и (1.7) видно, что первое слагаемое в формуле (1.5) в 3 раза больше, чем в (1.7). Следовательно, можно предположить, что при прочих равных условиях скоба смо-жет выдержать большую нагрузку, чем кляммер. Расчет прочности выполняем согласно условию (50), [3]:
(1.8)
   Данные для расчета : длина основания кляммера L осн = 1,5см, скобы L осн = 1,65 см (при толщине плитки 10-12 мм), длина прижимной части L приж = 1,1 см; принимая во внима-ние индивидуальные поставки для стали 12Х18Н10Т, принимаем Ry = 2500 кгс/см2 (по ГОСТ 5582-75 Ry = 2200 кгс/см2), коэффициенты надежности
толщина стенки скобы или кляммера t и ширина основания H осн (для различных типов систем) приведены в табл 2
   Максимально допустимая высота применения для I-го ветрового региона (согласно при-веденных расчетов) для различных кляммеров и скоб (при креплении облицовки на 4 точки) представлена в таблице 2. При этом усилие прижима облицовки не учитывалось. Если учитывать и эту дополнительную нагрузку, то ситуация станет еще печальнее.
Таблица 2. Предельно допустимые высоты применения кляммеров и скоб.
   2. Заполнение проемов пенобетонными блоками малой плотности (600 кг/м3) даже при толщине 400 мм не выдерживает ветровой нагрузки (опрокидывается наружу), так же возникают аналогичные проблемы в узких простенках между окнами (дополнительно добавляются нагрузки от веса окон и ветровые). Если заполнение проема не работает на изгиб, а удерживается только за счет собственного веса, то должно выполняться условие:
(2.1)
   где - опрокидывающий момент от ветровой нагрузки (кгс/м),(см. рис. 3):
(кгс•м)        (2.2)
и удерживающий опорный момент М удер от собственного веса заполнения проема Nz:
(кгс•м)       (2.2)
и удерживающий опорный момент от собственного веса заполнения проема
(кгс•м)       (2.3)
где p=600 кг/м3 - плотность пенобетона,
L блока =3,3 м – высота заполнения проема,
l – расчетная ширина заполнения проема,
H осн - толщина заполнения проема.
Рис.3 Заполнение проема и действующие на основание нагрузки
   Для I-ого ветрового региона и типа местности B для блока толщиной H осн=400 мм результаты проверки условия (2.1) приведены в таблице 3
Таблица 3 Результаты проверки условия (2.1)
   Как видно из табл. 3 : условие не выполняется и устойчивость данной конструкции не обеспечивается. На практике обычно применяются блоки плотностью 400 - 600 кг/м3 , а толщина стены колеблется от 250 до 400 мм. Комментарии, как говорится, излишни. При установке конструкции вентилируемого фасада часть нагрузки можно передать на несущие конструкции (перекрытия). Также при этом необходимо учитывать дополнительную нагрузку от конструкции фасада. Установка дополнительных кронштейнов проблемы не решает, т.к. при этом ветровая на-грузка, передаваемая через эти дополнительные кронштейны на заполнение проема, сум-марно возрастает. Это видно на примере перехода на 2-х, 3-х и 4-х пролетную схему вертикального размещения кронштейнов (рис. 4).
Рис.4 2-x, 3-х и 4-х пролетная схемы
   Если действующий момент от суммарной ветровой нагрузки через ветровые кронштейны на заполнение проема представить следующим образом:
(кгс•м)       (2.4)
   где Ni – осевая вытягивающая нагрузка в 2-х, 3-х и 4-х пролетных схемах,
   тогда для высоты H=10 м и высоте блока L блока = 3,3 м представленные данные в табл. 4 лишь подтверждают увеличение воздействия ветровой нагрузки с увеличением числа кронштейнов:
   Таблица 4 Осевая вытягивающая нагрузка, действующая на опорные кронштейны и действующий момент согласно (2.4) при ширине грузовой полосы l=0,6 м.

   Возможные решения проблемы устойчивости стенки – это установка дополнительного элемента, препятствующего выпадению наружу (рис 4).
Рис.4 Установка дополнительных элементов
   При этом рекомендуется провести комплекс мероприятий по упрочнению кладки (укладка армирующих сеток и их крепление к несущим конструкциям здания, штукатурка по сетке изнутри и т.д.), или переход к однопролетной схеме (рис.5) направляющей с креплением верхнего и нижнего кронштейна к плитам перекрытий без установки промежуточного кронштейна.
Рис.5 Установка кронштейнов в плиты перекрытия в однопролетной расчетной схеме
   Однако такую схему можно реализовать при креплении на одном кронштейне обеих концов направляющей, при этом размер кронштейна (с учетом точности их установки по вертикали ± 30 мм) получается не менее 200-250 мм. В данном случае возникающие нагрузки на вырыв анкерного дюбеля для высоты 40 м в несущем и нижнем кронштейнах при использовании в качестве облицовки керамогранита 600x600 мм или композитных кассет типа «Alucobond» 1200x600 мм при относе от стены горизонтально на 200 мм следующие (табл. 5):
Таблица 5 Нагрузки на вырыв анкерного дюбеля.
* расчеты приведены с учетом гололедной нагрузки в средней зоне здания
где – расчетное выдергивающее усилие на анкер (рис. 6),
Mz – изгибающий момент, Z – величина опоры, Ny – расчетное горизонтальное усилие (при его приложении по оси кронштейна).
Рис.6 Расчетное выдергивающее усилие на анкер(дюбель).
 
   Как видно из таблицы 5, для керамогранита нагрузка превышает допустимую на углах здания почти в 2 раза, а в средней зоне - в 1,5 раза (согласно табл. 9 [5]) для анкера типа МВR-10 она составляет не более 80 кгс.) Такая же проблема возникает и для облицовки кассетами из композитного материала: здесь нагрузка превышает в средней зоне в 1,7 раза, а на углах здания в 2,3 раза. Можно перейти на стальной анкер для бетона М3 с допускаемой нагрузкой на вырыв 180 кгс. Но он перестает удовлетворять требованиям по допускаемым нагрузкам на вырыв при высоте свыше 40 м на угловых участках здания. К тому же данные анкера имеют цинковое покрытие толщиной 10 мкм, что не удовлетворяет требованиям антикоррозий-ной защиты в слабоагрессивной среде (табл. 4, [4]). Стоимость анкеров из коррозионно-стойкой стали существенно выше, что приводит к увеличению общей стоимости фасада. Также можно перейти на схему крепления с установкой нижнего кронштейна не в перекрытие, а в нижнюю часть кладки (рис 7).
Рис.7 Установка нижнего кронштейна.
   Очевидно, что в этом случае нагрузки на верхний кронштейн снизятся при уменьшении длины пролета направляющей, однако действующие нагрузки в нижнем (ветровом) кронштейне останутся практически неизменными, что в конечном итоге отрицательно повлияет на прочность системы в целом (табл.6), поскольку допустимая для пенобетона нагрузка (согласно табл.9 [5]) составляет не более 50 кгс, (для щелевого кирпича - 60 кгс, для полнотелого кирпича – 80 кгс).
Таблица 6 Нагрузки на вырыв анкерного дюбеля при установке нижнего кронштейна в пенобетон.
* расчеты приведены с учетом гололедной нагрузки в средней зоне здания
   Тогда нагрузки на вырыв анкерного дюбеля: (для высоты H=40 м) для керамогранита для несущего кронштейна из бетона превысят для рядовых и угловых участков соответст-венно в 1,35 / 1,78 и ветрового кронштейна 1,86/2,5 раза из пенобетона. Аналогично, неутешительные результаты получены и для кассет (см. табл.6) Но при этом остается еще одна проблема – при данной величине пролета направляющей (L пр=3,6м,) ее момент сопротивления (Wx) должен быть в средних / угловых зонах, например, для высоты H=10м соответственно не менее 2,84 / 5,17 см 3 - для сплава АlMg0,7Si 6063 Т66 c площадью сечения An=3,40см2, не менее 3,27 / 5,94 см 3 - для сплава АlMgSi0.5 6060 Т6 (по ГОСТ 22233-2001) c площадью сечения An=3,69см2 и не менее 2,24 / 4,08 см 3 - для коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т (по ГОСТ 5582-75) c площадью сечения An=0,21см2. Для справки: моменты сопротивления Wx min, расчетные сопротивления Rp материалов и площади сечения An некоторых типов направляющих для систем различных производителей приведены в табл.7:
Таблица 7 Типы направляющих и их характеристики
 
   Расчетный «минимально допускаемый» момент сопротивления для вертикального профиля из соответствующего сплава определяем по формуле:
где - коэффициенты надежности.
Рис.8 Диаграмма предельных моментов сопротивления для некоторых направляющих длиной 3,6 м при облицовке керамогранитом 600x600
Рис.9 Диаграмма предельных моментов сопротивления для некоторых направляющих длиной 3,6 м при облицовке кассетами 1200x600 (мм) горизонтально
   Так для высоты 10 м (в I-ом ветровом регионе) при длине вертикального пролета 3,60 м и ширине грузовой полосы 0,6мпродольное усилие от веса облицовки керамогранита 600x600мм (в сечениях, в которых изгибающий момент принимает максимальное значение) составляет N = 32,4 кгс; для рядовых / угловых зон изгибающий момент соответственно = 37,5 / 68,2 кгс•м. Предельные высоты (H, м) применения профиля в средних и угловых зонах для керамогранита 600x600мм (рис.8) и и кассет из композитного материала «Алюкобонд» 1200х600 (рис.9) представлены в табл. 8.
 
Таблица 8 Максимально допустимые высоты применения вертикальных профилей
 
Из таблицы 7 видно, что даже наиболее прочные направляющие не могут использоваться в таких однопролетных схемах.
При этом остаются нерешенными проблемы на участках между окон, где все равно надо крепиться в заполнение проема (пенобетон или щелевой кирпич).
   Решение указанных проблем предложено в [3], п.4.10, при этом заполнение стеновых проемов выполняется полнотелым кирпичом или блоками из легких бетонов с плотностью не менее 900кг/м3(п.6.2). На практике такое решение практически не встречается из-за экономии средств.
   3. Нагрузки на вырыв анкерных дюбелей, получаемые при расчетах, не соотносятся с допускаемыми по Техническим Свидетельствам на эти анкера. В лучшем случае в качестве допускаемой нагрузки на вырыв анкера принимается нагрузка по результатам испытаний с коэффициентом запаса 5. Например, если по результатам испытаний анкер выдерживает на вырыв 800 кгс (полнотелый кирпич), то допускаемая нагрузка – 160 кгс. Однако она не должна превышать значений, указанных в
табл. 7-9 (п.5.6. [2]), т.е. например, 80 кгс для полнотелого кирпича. Если для упрощения принять, что в многопролетной схеме на каждый кронштейн действует горизонтальное усилие:
(3.1)
(3.2)
и вся вертикальная нагрузка воспринимается только несущим кронштейном , то максимальная длина пролета
(3.3)
где - общее число кронштейнов на вертикальном профиле (с округлением до большего целого числа),
– длина профиля,
- распределенная ветровая нагрузка на весь профиль,
– нагрузка на анкер,
– допускаемая нагрузка на анкер,
– ширина грузовой полосы.
В табл. 9 даны минимально допустимые расстояния между кронштейнами (шаг по вертикали) при такой расчетной нагрузке на анкер (на высоте 40м, I-ый ветровой регион, облицовка: керамогранит 600х600мм или кассета типа «Алюкобонд» 1200х600мм).
Таблица 9 Максимально допустимый расчетный шаг кронштейнов по вертикали и количество пролетов в зависимости от материала основания на высоте 40м для вертикальной направляющей L=3,6 м

   При расчете нагрузок на анкер не по (3.1), а точно (по формулам табл. 4), нагрузки на вырыв возрастают примерно на 30% с соответствующим уменьшением шага кронштейнов. При таком шаге стена превращается в «решето», а коэффициент теплотехнической неоднородности существенно уменьшается. При этом направляющие имеют существен-ный недогруз (для направляющей ПТ-1 из алюминиевого сплава АlMg0,7Si6063 в системе КТС-1 в 4,8 и 3,2 раза для рядовой и угловой зоны соответственно). В случае, если расчетная схема предусматривает распределение нагрузки от веса облицовки равномерно на все кронштейны, то расчетное усилие вырыва анкера существенно увеличивается, а шаг кронштейнов становится еще меньше.    Такие расчетные схемы в данном случае проигрывают схемам, где вес облицовки воспринимается только верхним (несущим) кронштейном. Как правило, такой кронштейн ставится в несущие конструкции здания, которые обладают повышенной несущей способностью (по сравнению сстр. 12 из 14 заполнением проема).
   При этом промежуточные кронштейны можно применять с минимальным сечением (массой), т.к. они работают только на растяжение (сжатие) от ветровой нагрузки. Существенное влияние на вырывающее усилие верхнего анкера в кронштейне оказывает положение оси действия ветровой нагрузки Ny относительно верхнего анкера и сжатой зоны (нижнего анкера) (рис.10 а):
Рис.10 Схемы распределения нагрузок в несущем кронштейне, где a– расстояние от оси действия ветровой нагрузки Ny до верхнего анкера, и b – то же, до нижнего анкера (сжатая зона).
   При изменении схемы крепления направляющей к кронштейну за счет смещения точки прикрепления направляющей в нижнюю часть кронштейна (рис.10 б), т.е. перемещения линии действия ветровой нагрузки (a>0, b->0), нагрузка на вырыв несколько уменьшается (табл.10):
Таблица 10 Вырывающее усилие для анкера в несущем кронштейне (на высоте 40м) в зависимости от соотношения a / b, где Lкр=a+b( в см) для вертикальной направляющей L=3,60 м (без учета гололедной нагрузки, керамогранит 600х600мм,
Lе= 0,18
м )
   Представленные в таблице 10 данные получены на основании расчетов, когда в несущем кронштейне (рис.10) действуют реакции опор:
(3.5)
где Le - расстояние от полки кронштейна, прилегающего к основанию до точки крепления профиля, Pz – вертикальная нагрузка от веса облицовки.
   Изгибающий момент Мz, передаваемый от веса облицовки на несущий кронштейн:
(кгс м) (3.6)
где p=2500 кг/м3 - плотность керамогранита , t =0,01м – толщина керамогранита, Lпр = 3,6 м– длина профиля, Hпр= 0,6 м– шаг вертикальных профилей, Le – плечо кронштейна.
Изгибающий момент от ветровой нагрузки :
   При условии: т.е. когда момент от ветровой нагрузки превышает момент от веса облицовки, происходит резкое увеличение нагрузки на вырыв верхнего анкера, особенно для легких облицовочных материалов при повышенных ветровых нагрузках. Это необходимо учитывать при определении реакции в нижнем анкере (сжатой зоне) по другой расчетной схеме.
   Таким образом, крепление с помощью анкерных дюбелей в слабонесущие материалы стен приводит к существенному удорожанию конструкции НФС. Возможный выход из этой ситуации – это непосредственное крепление навесной конструкции насквозь с помощью шпилек или оборудование дополнительных поясов (см. рис.4), либо выполнение кладки из полнотелого кирпича. Рассмотренные выше примеры показывают:
1. Отсутствует единая методика определения расчетных схем конструкций НФС;
2. При использовании существующих схем расчета требуемая прочность некоторых элементов НФС не обеспечивается.


По вопросам и замечаниям просьба обращаться к автору статьи: flenkin@kts-stroy.ru
Начальник инженерно-конструкторского отдела
компании «ИСК Каптехнострой» Фленкин М.Н.
Литература.
1. СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия.
2. Фасадные теплоизоляционные системы с воздушным зазором. Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции. Госстрой России. М.,2004.
3. Технические рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации навесных фасадных систем. ГУ Центр Энлаком. М.,2005.
4. Техническое свидетельство № - 07-0809 – 03. Анкерные дюбели МВ-S, МВR-S и стальные анкеры М3.
5. Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем для нового строительства и реконструкции зданий. Москомархитектура. М.,2002.
6. СНиП 2.03.06-85* Алюминиевые конструкции.
7. Техническое свидетельство №ТC-07-0775-03/2. Конструкции навесной фасадной системы с воздушным зазором «Каптехнострой» типа КТС-ПК-ВХ-ВХ-МХ.
 


Подпишитесь на нашу рассылку!
KNOW-HOUSE.RU строительные материалы и технологии
Subscribe.ru
Новости в формате rss:
Строительство:
экспорт новостей
Виджет - новости строительства


  ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ "НОУ-ХАУС" На главную страницу   Карта сайта
Copyright 2000-2017 © www.know-house.ru. All rights reserved.
| конструктивные системы | фундаменты | стены и фасады | перекрытия | крыши | окна | двери и ворота | лестницы | балконы и лоджии | мансарды | полы | потолки | перегородки | зимние сады | гидро- и пароизоляционные материалы | теплоизоляционные материалы | звукоизоляционные материалы | подготовка к отделке | отделочные материалы | Искусственный камень | керамическая плитка и натуральный камень | краски | стекло | огнезащитные материалы | бетоны | отопление зданий | электрическое оборудование | вентиляция и кондиционирование | канализация | лифты и эскалаторы | Маркет строительных товаров | техническая инфотека | конференции по строительству | ГОСТы и СНиПы | строительные выставки | каталог товаров и фирм | программы для проектировщиков | архитектурные конкурсы | центры повышения квалификации | книги по строительству | проекты коттеджей | предыдущая версия сайта | новости от НOУ-ХАУС.ру | Строительные калькуляторы | Проекты домов заводской готовности

Рейтинг@Mail.ru