Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования .13
1.1. Анализ конструктивных решений навесных вентилируемых фасадных систем 13
1.2. Отечественный и зарубежный опыт проектирования навесных фасадных систем .28
1.3. Цель и задачи исследования 42
Глава 2. Экспериментальные и теоретические исследования несущей способности вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей 43
2.1. Конструктивные особенности вентилируемой фасадной системы с зубчатым узловым креплением облицовки 43
2.2. Конструирование зубчатых узлов крепления облицовки на основе испытаний тестовых образцов 55
2.3. Экспериментальные исследования несущей способности зубчатых узлов крепления облицовки.
2.3.1. Экспериментальное моделирование работы зубчатых узлов крепления облицовки... 59
2.3.2. Анализ результатов экспериментального исследования несущей способности зубчатых узлов крепления облицовки .61
2.4. Экспериментальные исследования прочности и деформативности заклёпочного соединения узловых элементов с учетом влияния температурных воздействий 63
2.4.1 Постановка эксперимента 63
2.4.2 Анализ результатов испытания .66
2.5. Анализ напряженно-деформированного состояния и несущей способности фасадной системы с зубчатыми узлами с использованием нормативной методики расчета .68
2.5.1 Расчет фасадной системы на действие статических нагрузок с учетом температурных воздействий .68
2.5.2 Расчёт фасадной системы на действие ветровых нагрузок 76
2.6. Исследование напряженно-деформированного состояния зубчатых узлов крепления облицовки на основе конечно-элементного моделирования с использованием программного комплекса «ЛИРА» .82
2.6.1. Конечно-элементная модель зубчатого узлового крепления облицовки 82
2.6.2. Результаты численного расчета 86
2.7. Сравнительный анализ результатов аналитического, численного расчётов и данных экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния и несущей способности фасадной системы 91
2.8. Технико-экономические показатели вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки 96
Выводы по главе 2 .101
Глава 3. Экспериментальные исследования фасадной системы с зубчатым узловым креплением облицовки на действие динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия 103
3. 1. Методика эксперимента 103
3.2. Анализ результатов эксперимента 112
Выводы по главе 3 132
Глава 4. Разработка методики расчёта вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей 133
4.1. Анализ методики расчёта типовых фасадных систем 133
4.2. Методика расчета вентилируемых фасадных систем с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей
4.2.1 Определение количества узлов несущей конструкции с учетом конструктивных особенностей системы .135
4.2.2 Определение шага узлов несущей конструкции фасада с учетом прочности крепления облицовки 136
4.2.3 Определение шага узлов несущей конструкции фасада, исходя из прочности кронштейнов 143
Выводы по главе 4 .144
Заключение .145
Список литературы
- Отечественный и зарубежный опыт проектирования навесных фасадных систем
- Конструирование зубчатых узлов крепления облицовки на основе испытаний тестовых образцов
- Анализ результатов эксперимента
- Методика расчета вентилируемых фасадных систем с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в строительстве вновь возводимых и реконструируемых зданий широко применяются навесные вентилируемые фасадные системы. Их конструкции позволяют эффективно решать задачи энергосбережения, а наличие большого количества материалов разнообразного цвета и фактуры, используемых для выполнения внешнего отделочного слоя – подчеркивать архитектурную выразительность зданий.
Одним из наиболее распространенных видов облицовки, используемой в навесных фасадных системах, являются панели, изготовленные из алюминиевых композитных материалов. Однако эффективное применение таких систем для зданий повышенной этажности, возводимых в нашей стране, в том числе в сейсмоопасных районах, ограничено отсутствием данных о несущей способности их с учетом совместного влияния динамических (сейсмических нагрузок) и температурных воздействий. В этом аспекте исследование несущей способности разработанной навесной фасадной системы с зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей представляется актуальной задачей.
Степень разработанности темы диссертации. Исследованиями,
направленными на оптимизацию конструктивных решений ограждающих
конструкций, с целью повышения их несущей способности и
эксплуатационных качеств занимались такие отечественные и зарубежные ученые как: Я.М. Айзенберг, А.В. Грановский А.Н., С.М. Гликин, А.Ю. Кудряшов, Э.Н. Кодыш, П.В. Леденв, А.Н. Машенков, А.В. Сусаров, Е.В. Чебурканова, Г.Н. Шмелев, Л.Р. Хайруллин, M. Z. Rousseau, Christoph Tanner, Christoph Zrcher и др.
Следует отметить что, несмотря на существующие исследования
работы навесных вентилируемых фасадных систем с различными типами
облицовки, вопрос повышения несущей способности системы со скрытым
креплением алюминиевых композитных панелей с учетом температурных
воздействий и динамических, в том числе сейсмических, нагрузок на
сегодняшний день остается не решенным
Научно-техническая гипотеза диссертации заключается в
возможности повышения несущей способности навесной вентилируемой фасадной системы за счт применения узлового зубчатого крепления облицовки из алюминиевых композитных панелей.
Цель диссертационной работы. Разработка конструкции навесной вентилируемой фасадной системы с зубчатым узловым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей, обладающей повышенной несущей способностью при неизменной материалоемкости в сравнении с существующими системами.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Анализ существующих конструктивных решений систем навесного вентилируемого фасада с облицовкой алюминиевыми композитными материалами.
-
Конструирование зубчатых узлов крепления облицовки на основе испытаний тестовых образцов.
3. Экспериментальные исследования прочности и деформативности
разработанной конструкции.
4. Конечно-элементное моделирование работы системы навесного
вентилируемого фасада с зубчатым узловым креплением облицовки.
5. Анализ напряженно-деформированного состояния и несущей
способности фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки,
с использованием нормативной методики расчета.
6. Испытания фасадной системы с узловым зубчатым креплением
облицовки на действие динамических нагрузок, моделирующих
сейсмические воздействия.
7. Разработка методики расчта вентилируемой фасадной системы с
узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных
панелей.
Объект исследования. Навесная вентилируемая фасадная система с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей.
Предмет исследования. Несущая способность навесной
вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением алюминиевых композитных панелей.
Научная новизна работы:
– теоретически и экспериментально установлена повышенная несущая
способность разработанной конструкции (в сравнении с существующими
системами) в условиях повышенных ветровых и динамических
(сейсмических) нагрузок;
– установлено влияние зубчатого узлового крепления облицовки на несущую способность и материалоемкость навесной фасадной системы;
– впервые экспериментально получены данные о прочности и деформативности заклпочного соединения узловых элементов фасадной системы с учетом влияния температурных воздействий;
– экспериментально определены оптимальные геометрические
параметры конструктивных элементов зубчатого крепления облицовки, повышающие экономичность и технологичность изготовления и монтажа разработанной навесной фасадной системы.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе использованы: фундаментальные принципы строительной механики и общеизвестные методы расчета строительных конструкций; научные работы отечественных и зарубежных ученых; метод конечно-элементного моделирования. Работа выполнена с использованием экспериментальных и теоретических методов исследования.
Теоретическая значимость работы заключается в получении данных
о влиянии зубчатого узлового крепления облицовки на несущую
способность и материалоемкость навесной фасадной системы,
подтвержденных экспериментально-теоретическими исследованиями.
Практическая значимость работы:
– разработана новая конструкция с зубчатым узловым креплением панелей из композитного материала, характеризующаяся повышенной несущей способностью и меньшей материалоемкостью в сравнении с существующими фасадными системами, с аналогичным типом облицовки;
– получены данные о несущей способности навесной вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей при действии статических, а также динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия;
– разработана методика расчета вентилируемых фасадных систем с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается:
использованием общепринятых методов проведения эксперимента с применением аттестованных испытательных машин и инструментов; проведением численных расчетов на апробированном вычислительном комплексе «Лира»; проведением исследований, основанных на положениях строительной механики; сравнительным анализом результатов численных и теоретических исследований с экспериментальными данными.
Реализация результатов работы:
Результаты работы использованы ООО «СК Современный дом» при
проектировании и монтаже навесных вентилируемых фасадных систем с
облицовкой из алюминиевых композитных панелей. Эффективность
применения разработанной конструкции фасадной системы с узловым
зубчатым креплением облицовки, характеризующейся малой
материалоемкостью и низкой трудоемкостью монтажа в сравнении
аналогичными системами, подтверждена на практике.
На защиту выносятся:
– результаты экспериментально-теоретического обоснования
конструктивного решения навесной вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей;
– результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния и несущей способности навесной вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей;
– разработанная методика расчта вентилируемой фасадной системы с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей.
Личный вклад автора диссертации заключается в разработке
методики расчета конструкции вентилируемой фасадной системы с узловым
зубчатым креплением алюминиевых композитных панелей, проведении
экспериментальных исследований, анализе результатов экспериментальных
и теоретических исследований и в формулировке заключений,
определяющих практическую значимость и научную ценность работы.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертационной работы представлены на научно-практических конференциях:
– Пятнадцатая Международной межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2012 г.;
– Семнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2014г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе пять статей в научных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ и одна статья в журнале, входящем в международную базу цитирования Scopus.
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (189 наименования), двух приложений и содержит 189 страниц машинописного текста, 94 рисунка и 15 таблиц.
Отечественный и зарубежный опыт проектирования навесных фасадных систем
Около 74% строительных организаций предлагают системы НВФ с вертикальными направляющими. Остальные компании имеют либо только комбинированные системы, либо системы в двух конструктивных вариантах исполнения (с вертикальными направляющими и систему с вертикальными и горизонтальными направляющими – комбинированную).
Система с вертикальными направляющими является наиболее дешёвой по сравнению с комбинированной системой. Стоимость системы с несущей конструкцией, выполненной из оцинкованной стали с полимерным покрытием, составляет от 460руб (Декот) до 900 руб (ZIAS) за м2 глухой стены. Стоимость системы из алюминиевого сплава составляет от 280 руб (A-vent) до 1500 руб (Каптех-строй) за м2 глухой стены. Стоимость системы из нержавеющей стали составляет от 800руб (Генпромтех-монтаж) до 3000 руб (Генпромтех-монтаж) за м2 глухой стены.
Комбинированная система является наиболее дорогой по сравнению с вертикальной системой. Стоимость такой конструкции (для одного квадратного метра глухой стены) из оцинкованной стали с полимерным покрытием составляет от 800 руб. (Вектор) до 1000 руб. (Ронсон), из алюминиевого сплава - от 320 руб. (NordFox) до 2400 руб. (Каптех-строй), из нержавеющей стали - от 1500 руб. (Ронсон) до 4000 руб. (Диат).
По характеру восприятия нагрузки системы НВФ принято разделять на два вида. Первый вид – это НВФ с несущими кронштейнами (воспринимающими как ветровые, так и весовые нагрузки) и опорными кронштейнами имеющими шарнирное соединение с направляющей для возможности её свободных температурных деформаций. Второй вид – это НВФ, имеющие только несущие кронштейны. Такой вид НВФ не предусматривает свободных температурных деформаций направляющих. В РФ используется примерно одинаковое количество НВФ первого и второго вида. Существует ещё и третий вид НВФ – это системы, крепление направляющих которых через кронштейны к стене осуществляется только в межэтажные перекрытия. Подобные системы НВФ получили небольшое распространение ввиду массивности элементов и следовательно большой материалоёмкости.
В НВФ в качестве облицовки могут применяться АКП, кассеты из медных листов, керамогранитная плитка, терракотовые панели, асбестоцемент-ные и фиброцементные плиты, натуральный камень, керамические материалы и др. Самыми дешёвыми из них являются асбестоцементные и фиброце-ментные плиты. Промежуточное положение занимает облицовка керамогра-нитными плитками и АКП. Наиболее дорогими облицовочными материалами являются натуральный камень и керамические материалы. Выбор облицовочного материала в значительной мере зависит от типа здания и архитектурной идеи решения его внешнего облика.
Доля НВФ с облицовкой из АКП составляет 28% от общего количества монтируемых облицовочных материалов (доля НВФ с облицовкой керамо-гранитом – 31%). Основная область применения этого вида облицовки – общественные здания. С использованием этого типа облицовки можно создавать яркие, выразительные экстерьеры зданий в стиле high tech.
Монтаж НВФ с облицовкой АКП значительно сложнее, чем из керамо-гранита из-за необходимости изготовления кассет (в случае кассетного метода монтажа облицовки). Их изготовление производится в заводских условиях или же непосредственно на объекте.
АКП (типа Alucobond, Alpolic и т.д.) представляют собой облицовочный композитный материал, состоящий из двух алюминиевых пластин с пластиковой или минеральной прослойкой. Легкость, жесткость и гладкая поверхность АКП обеспечивают минимальную стоимость обслуживания. В случае возгорания данного облицовочного материала не происходит выделения токсичных газов (для негорючих АКП).
Существует два основных, наиболее часто используемых вида АКП в зависимости от его толщины: 4/04 мм (4 – толщина панели в мм, 04 – толщина алюминиевого слоя) и 4/05 мм. АКП имеет степени горючести в зависимости от вида прослойки, находящейся между двумя пластинами из алюминиевого сплава. Китайские производители обычно предлагают АКП с пластиковой прослойкой. Она имеет ярко чёрный цвет в поперечном сечении и является горючей. Такие АКП имеют более дешёвую цену по сравнению с негорючими АКП, но запрещены для монтажа на фасадах в РФ. Существуют АКП с комбинированной прослойкой, состоящей из пластикового наполнителя и алюминиевой стружки. Она имеет серебристый окраску в поперечном сечении и является менее горючей по сравнению с пластиковой.
Анализ современных технических решений фасадных систем применяемых в РФ [1 20] позволяет заключить, что в настоящее время существует шесть типовых конструктивных решений систем НВФ с облицовкой алюминиевым композитным материалом.
Наиболее широко применяемыми сегодня в строительстве являются системы со скрытым креплением АКП, которое осуществляют с помощью соединительных элементов, называемых иклями (угловых усилителей кассеты) или предусмотренных специальных вырезов в бортах кассет. Кассета в таких системах навешивается на неподвижные салазки со штифтом или на скользящие каретки. При этом АКП дополнительно крепится с помощью двух вытяжных заклёпок верхним «язычком» к вертикальной направляющей. Одно из отверстий под заклёпку имеет овальную конфигурацию для возможности свободных перемещений от температурных деформаций облицовки. Заклёпки крепления отгиба кассеты воспринимают нагрузку от собственного веса кассеты. Ветровая нагрузка передаётся через икли (угловые усилители кассеты) или вырезы в бортах кассет на каретку (салазку), закреплённую в направляющей. Такой вид крепления АКП называется кассетным.
Конструирование зубчатых узлов крепления облицовки на основе испытаний тестовых образцов
Для экспериментального исследования конструкции зубчатого узлового соединения системы были изготовлены следующие элементы: зубчатая икля, зубчатый кронштейн каретки, каретка, обратная часть удлинителя, удлинитель и кронштейн [67]. Все элементы изготавливались гибкой, сваркой и фрезерованием.
Зубчатая икля для эксперимента была изготовлена методом вырезания её из заготовки и фрезерования. Этот способ не экономичен при массовом производстве элементов (наиболее экономичным является изготовление экс-трузионным методом), но наименее затратный при изготовлении малой партии. В качестве материала зубчатой икли был принят алюминиевый сплав АМг6.
На первой стадии предполагалось изготовление зубчатой икли толщиной 3мм основного металла и величиной зубьев 1 мм, в количестве 24 шт. – располагаемых под углом 400.
После изготовления опытной партии производилась сборка элементов зубчатого соединения, которая осуществлялась пошаговой установкой зубчатой икли в зубчатый кронштейн каретки с усилием 5 10 кг. Поэтапная установка зубчатой икли в зубчатый кронштейн каретки показала следующее: после установки элементов зубья обоих не имели видимых дефектов (не обламывались и не стёсывались). Необходимо отметить, что на начальной стадии установки была выявлена плохая фиксация икли в теле кронштейна. Появилась необходимость создания входной части на торце икли для лучшей фиксации её перед установкой в кронштейн, во избежание возможных перекосов. Поэтапно срезались симметричные зубья икли, для создания необходимой величины входной части для первоначальной фиксации её в кронштейне и производилось повторная установка икли в кронштейн соединения. Необходимая величина входной части составила 3,58 мм (3 зуба). На рис. 2.8 слева показана икля до эксперимента, справа – икля после эксперимента ( с входной частью).
Зубчатый кронштейн для эксперимента был изготовлен методом вырезания его из заготовки с последующим фрезерованием. В качестве материала зубчатого кронштейна каретки был использован алюминиевый сплав АМг6.
На первой стадии разработки конструктивного решения предполага-лось изготавливать зубчатый кронштейн каретки с количеством зубьев ана-логичном икли. До эксперимента толщина основного металла составляла 3 мм, а величина и форма зубьев была аналогична икли.
После изготовления опытной партии производилась поэтапная установка зубчатой икли в зубчатый кронштейн каретки. При этом, была выявлена невозможность проникновения икли в кронштейн в результате малой гибкости полок кронштейна, имеющих толщину 3 мм. Экспериментально определялась необходимая толщина основного металла полок кронштейна. По-этапно срезалась толщина полок кронштейна на величину 1 мм и проверялась возможность установки зубчатой икли в кронштейн. Необходимая величина основного металла полок кронштейна по результатам эксперимента составила 1 мм. После чего производилось несколько повторных установок зубчатой икли в зубчатый кронштейн каретки с усилием 5 10 кг. В результате чего, было выявлено переклинивание икли при прохождении 8 10 зубьев кронштейна. Это объясняется гибкостью полок кронштейна (при установке по мере приближения зубчатой икли к основанию уменьшается свободная длина полок кронштейна). Появилась необходимость уменьшения ко-личества зубьев. Все зубья после 8-го срезали и производилась повторная установка зубчатой икли в кронштейн, после чего – переклинивания икли не наблюдалось. На рис. 2.9 слева показан зубчатый кронштейн каретки до экс-перимента, справа – зубчатый кронштейн каретки после эксперимента.
В качестве материала каретки был выбран алюминиевый сплав АМг6. Каретки экспериментальной партии были изготовлены гибкой из листового материала толщиной 3 мм. Общий вид каретки см. на рис. 2.10 (а). Дренажный профиль изготовливался из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 1 мм гибкой из листового материала. Общий вид дренажного профиля см. на рис. 2.10 (б).
Для экспериментальной партии обратная часть удлинителя была изго-товлена гибкой и сваркой двух элементов толщиной 2мм из алюминиевого сплава АМг6. Общий вид обратной части удлинителя см. на рис. 2.10 (в).
Работа зубчатого узла крепления облицовки в вентилируемой фасадной системе моделировалась с использованием изготовленных специально для испытаний 5 образцов разработанной конструкции узла, включающих каретку, зубчатый кронштейн каретки и зубчатую иклю, а также крепежные элементы для захватов испытательной машины (болтов, гаек и шайб).
Испытание производилось на испытательной машине Instron 3382. Общий вид установки с образцом испытания показан на рис. 2.12. Испытательная машина Instron 3382 предназначена для измерения силы и линейных деформаций.
Узловое соединение испытывалось на растяжение [69]. Имитировалось воздействие от ветровой нагрузки «отсоса». При растяжении узлового соединения моделировалась действующая нагрузка, приложенная вдоль оси перпендикулярной плоскости фасада.
Во время эксперимента скорость передвижения траверсы составляла 30 мм/мин. Пределы допускаемой относительной погрешности датчика перемещений составляет ±0,05 % от фактического результата измерений. Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений датчика перемещений ±0,015 мм. Управление испытательной системой осуществлялось с помощью вспомогательной программы компании Instron, разработанной специально для испытания материалов.
Анализ результатов эксперимента
Для оценки напряжённо-деформированного состояния системы выполнен численный расчёт в программном комплексе «ЛИРА» версии 9.6 [70 161]. Узел крепления подсистемы формировался универсальными линейными треугольными и четырехугольными конечно-элементными оболочками. Расчётная модель узлового соединения приведена на рис. 2.27.
Для обеспечения достоверности численных исследований были проведены тестовые расчёты по определению оптимальной сетки разбиения модели на конечные элементы. Рассматривались сетки разбиения: 5 5 мм, 2,5 2,5 мм, 1,25 1,25 мм (максимальная сетка разбиения конечно-элементной модели 5 5 мм соответствует размеру отверстиям под заклёпки в элементах системы НВФ).
Значения величин напряжений и деформаций полученных в результате расчёта при различных сетках разбиения конечно-элементной модели для двух элементов системы (кронштейна и икли) приведены в табл. 2.5, 2.6, 2.7. На основе полученных данных, приведённых в табл. 3.5, 3.6 и 3.7 построены графики (рис. 2.28, 2.29 и 2.30) зависимости значений напряжений и дефор-маций (полученных в результате расчёта) от выбранного варианта сетки раз-биения конечно-элементной модели.
Асимптотическое приближение кривой к линии параллельной оси Х доказывает сходимость результатов при различной сетки разбиения конечно-элементной модели к определённому пределу. Значения расчётов находящихся на линии параллельной горизонтальной оси можно принять за достоверный результат.
Для получения достоверного результата было принято решение о применении сетки разбиения конечно-элементной модели 2,5 х 2,5 мм. Относительная разница между результатами, полученными при сетке 1,25 1,25 мм и 2,5 2,5 мм, не превышает 3,93 %, что достаточно для оценки достоверности полученных результатов.
Картина напряжённо-деформированного состояния исследуемой системы, характеризующаяся изополями напряжений и перемещений, возникающих в системе при действии статических нагрузок, изображена на рис. 2.31, 2.32, 2.33, 2.34, 2.35, 2.36, 2.37.
На рис. 2.33 приведены изополя перемещений по оси Y узла системы. Наибольшие перемещения по оси Y возникают в зубчатом соединении икли и кронштейна, а так же в удлинителе. Нижняя часть узлового соединения является сжатой, а верхняя - растянутой от действия нагрузки от веса подкон-струкции и облицовки.
На рис. 2.34 показаны изополя нормальных напряжений по оси Х кронштейна системы. Максимальные растягивающие напряжения возникают в нижней части лапок кронштейна. Максимальные сжимающие напряжения возникают в верхней части лапок кронштейнов. -336.3-279.9-224 -168 -112-55.99-3.323 3.323 55.99 112 168 224 279.9 332.6 Изополя на пр я же ний по Ny Единицы из мер ения - Н/см Z Рисунок 2.35 - Изополя напряжений по Nу кронштейна системы. На рис. 2.35 показаны изополя нормальных напряжений по оси Y в кронштейне системы. В кронштейне преимущественно возникают растяги 89 вающие напряжения от ветровой нагрузки. Концентраторами напряжений в кронштейне являются отверстия под анкерные дюбеля и заклёпки.
Погонное усилие действующее в направлении оси Y (Н/м) в каретке 51173,00 36062,00 Значения максимальных погонных усилий, моментов и перемещений возникающих в кронштейне приведены в табл. 2.8. Кронштейн и удлинитель кронштейна воспринимает горизонтальную ветровую нагрузку и изгибающий момент от вертикальной нагрузки конструкции фасада. Максимальное значение момента возникающего в кронштейне составляет 78,70 Нм, что не превышает допустимого значения 858,44 Нм. Максимальное значение силы возникающей в кронштейне составляет 0,159 кН, что не превышает допустимого значения 2,539 кН. Максимальное значение перемещений по оси Z, возникающих в узле крепления, составляет 3,93 мм, что не превышает допустимого значения, равного 4,20 мм. Каретка воспринимает ветровую нагрузку через икли, и изгибающий момент от весовой нагрузки конструкции облицовки фасада.
Проанализировав результаты расчёта системы численным методом, можно сделать вывод, что кронштейны являются наиболее нагруженными элементами и испытывают максимальные напряжения от ветровой нагрузки и от веса АКП.
Сравнительный анализ результатов аналитического, численного расчётов и данных экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния и несущей способности фасадной системы
Для определения границ области применения разработанного конструктивного решения в различных ветровых районах в зависимости от высоты зданий была определена максимально возможная расчётная нагрузка на узловое соединение для различных зон фасада. Здание делилось на рядовую и угловую зоны по [135] в зависимости от ветровой нагрузки. (рис.2.38).
Так как, расчётная ветровая нагрузка на соединение меньше предельно допустимой, полученной в результате эксперимента, можно сделать вывод о том, что конструкция выдерживает ветровую нагрузку «отсоса» соответствующую VII ветровому району при высотности здания до 75 м. Анализ результатов расчета и эксперимента позволяет заключить, что разработанная система навесного фасада может применяться в зданиях высотой до 75 м для I - VII ветровых районов России [69].
По результатам эксперимента и численного расчета системы можно сделать вывод, что при использовании разработанного узлового соединения в НВФ (при высоте здания до 75м во всех ветровых районах), крепление АКП к несущей конструкции в рядовой зоне допустимо выполнять в 4 узловых точках при размерах АКП до 1200 х 1200 мм. Следует отметить, что во всех существующих конструктивных решениях НВФ крепление АКП с размерами 1200 х 1200 мм (при соответствующих значениях ветровой нагрузки) осуществляется в 6 узловых точках. Разработанное конструктивное решение системы позволяет сократить количество точек крепления АКП при сохранении необходимых прочностных и эксплуатационных характеристик системы, снизив тем самым трудоемкость монтажа и материалоемкость конструкции.
Методика расчета вентилируемых фасадных систем с узловым зубчатым креплением облицовки из алюминиевых композитных панелей
Существующая методика проектирования навесных фасадных систем [108, 110] по назначению шага несущих кронштейнов основана на выполнении следующих расчетов: – расчета прочности анкерного крепления системы к несущим конструкциям здания; – расчета несущей способности вертикальных направляющих при их работе на растяжение с изгибом от действия ветровой нагрузки и нагрузки от веса облицовки; – расчета несущей способности кронштейнов при работе их на растяжение с изгибом от действия эксплуатационных нагрузок (ветровая нагрузка, нагрузка от веса облицовки и несущей конструкции).
Прочность анкерного крепления конструкции определяется по результатам натурных испытаний на объекте.
Прочность и деформативность вертикальных направляющих напрямую зависит от свойств материала, геометрических характеристик поперечного сечения профиля, грузовой площади, ветровой нагрузки и нагрузки от веса облицовки. Грузовая площадь направляющих зависит от их шага и расстояния между опорами (кронштейнами). Шаг вертикальных направляющих зависит от размеров облицовки и совпадает с вертикальными швами между АКП.
Прочность и деформативность кронштейнов зависит от свойств материала, геометрических характеристик поперечного сечения, вылета консоли, ветровой нагрузки, веса облицовки и гололёдной нагрузки.
В типовых конструктивных решениях НВФ количество кронштейнов не зависит от прочности крепления облицовки к несущей конструкции. Крепление кассет осуществляется с помощью иклей к кареткам, установленным в вертикальных направляющих. По результатам анализа альбомов технических решений [1 19] шаг расстановки узлов крепления кассет к вертикальным направляющим для зданий до 75 метров составляет 400мм.
В разработанной системе шаг кронштейнов совпадает с шагом узлов крепления облицовки к несущей конструкции. Поэтому, шаг кронштейнов напрямую зависит от прочности узлов крепления облицовки к несущей конструкции. Кроме того, в системе отсутствуют вертикальные направляющие и поэтому шаг кронштейнов не привязан к прочности направляющей, работающей на растяжение с изгибом. В связи с чем, использовать существующую методику расчета для разработанной конструкции с зубчатым узловым креплением облицовки не представляется возможным.
Сравнительный анализ результатов эксперимента и численных расчетов позволил разработать инженерную методику расчета и проектирования навесной вентилируемой фасадной системы с зубчатым узловым креплением облицовки из АКП [71].
Определение количества узлов несущей конструкции фасада с учетом конструктивных особенностей системы
Количество узлов несущей конструкции фасада (шаг несущих кронштейнов) зависит от габаритных размеров облицовки и от нагрузок, действующих на фасад (ветровая нагрузка, нагрузка от веса облицовки и несущей конструкции системы). Наибольшее влияние в определение количества узлов несущей конструкции фасада вносит ветровая нагрузка.
Анализ конструктивного решения типовой облицовочной кассеты и крепления её к несущей конструкции позволил сделать вывод, что количество узлов (количество кронштейнов) для одной облицовочной кассеты зависит от её габаритных (лицевых) размеров (А и В) и от шага расстановки узловых точек (рис. 4.1). При проектировании лицевые размеры кассет назна 136 чают, исходя из архитектурной идеи фасада, на основе прочностных расчётов. Шаг узловых точек крепления облицовки (с) определяется исходя из прочности собственно узлового крепления кассеты к конструкции и прочности самой несущей конструкции фасадной системы. Таким образом, формулу по расчету количества узлов несущей конструкции для одной облицовочной кассеты можно представить в следующем виде: 2-(A-0,037) n = c (шт.) (4.1) где: A- геометрический размер облицовочной кассеты (высота); 0,037 - расстояние от края борта кассеты до центра икли крепления кассеты; c- шаг узлов несущей конструкции (для одной облицовочной кассеты). Шаг узлов определяется в зависимости от геометрических размеров кассеты и прочности несущей конструкции, зависящей от величины ветровой нагрузки. Для одной облицовочной кассеты шаг узлов несущей конструкции (с) следует принимать минимальным исходя из прочности крепления облицовки (сі) и прочности кронштейнов системы (с2). Как показали результаты экспериментальных исследований прочности узлового крепления облицовки, наибольшие деформации и напряжения при действии ветровой нагрузки возникают в зубчатом кронштейне каретки, работающем на внецентренное растяжение.