Блог проектировщика

Статика, раздел А

Для чего необходимы расчеты статики окон?

Слово «статика» пришло из греческого языка и означает науку о равновесии твердых тел в состоянии покоя.

В целом, знание статики окон дает возможность рассчитать несущие конструкции таким образом, чтобы все силы, например, ветровые, переменные нагрузки и собственные силы тяжести воспринимались оконным элементом и передавались на несущие строительные конструкции. Несущие конструкции самого оконного элемента должны быть рассчитаны с запасом, чтобы обеспечить длительную работоспособность (остекление, плотность и свобода хода створок, герметизация объекта и т.д.). Естественно, это должно производиться с учетом допустимых размеров элементов и створок, предоставленных разработчиком.

 

Статика окон рассматривает не все детали окна, а только содержащиеся в нем несущие элементы. Чтобы упростить расчеты, эти элементы представляются в идеализированном виде. В результате получают определенные системы, для которых установились методы расчета, зарекомендовавшие себя положительно в течение многих лет. Подводя итог, исходные данные, необходимые для произведения статического расчета можно сформулировать следующим образом:

  • сведения о внешних силах, воздействующих на оконную конструкцию
  • сведения о свойствах применяемых материалов
  • сведения о методах и методиках расчета

 

Все эти данные должны быть представлены в теоретической части настоящего Очерка, чтобы Вы, — уважаемые специалисты переработчики ПВХ-профиля, имели возможность в любой момент произвести расчет статических нагрузок оконного элемента.

Окна и оконные элементы не предназначены для восприятия нагрузок со стороны строительной конструкции. Для расчетов отдельных частей окна обязательно требуется, чтобы при максимально ожидаемой нагрузке их деформация не превысила допустимого значения.

В связи с тем, что элементы окна из ПВХ обладают невысокой несущей способностью, для улучшения статики используют дополнительные элементы жесткости. Эти стальные или алюминиевые профили вставляются в ПВХ-профиль или привинчиваются снаружи. Стальные или алюминиевые элементы жесткости, благодаря большому модулю упругости, даже при малых сечениях оказывают большее сопротивление прогибу по сравнению с ПВХ. В РАЗДЕЛЕ Б более подробно рассматривается зависимость между модулем упругости, моментом инерции и рассчитываемого на их основе значения предела прочности при изгибе.

 

Крепление оконных элементов.

Как уже упоминалось, при больших заказах может возникнуть критическая ситуация, когда застройщик после окончания работ требует у изготовителя окон подтверждения статических параметров. В отношении оконных элементов это может быть и справедли­вым требованием. Однако статический расчет для крепежных средств и точек крепления не обязательно должен быть задачей изготовителя окон. В большей степени это задача проектировщика. Он должен так рассчитать параметры подоконных стенок и оконных откосов, чтобы при расстояниях между креплени­ями, согласно DIN 18056, гарантирова­лась необходимая прочность откосов. Благодаря правильному выбору крепеж­ных средств и точек крепежа, обеспечи­вается равномерная передача на строительную конструкцию нагрузок, приходящихся на оконный элемент.

В соответствии с разделом Б «нагрузки, возникающие в оконных проемах, необ­ходимо учитывать при проектирований здания». То есть, места для анкерных креплений должны быть определены уже на стадии проектирования строи­тельной конструкции. При этом надо следить за тем, чтобы анкерные крепления не уменьшали несущую способность строительных элементов, примыкающих к оконным проемам.

Для металлопластиковых окон всегда должны выдерживаться расстояния между точками закрепления в соответ­ствии с рис. 1:

draft_5

Расстояния между точками закрепления для металлопластиковых окон Фирмы GEALAN

 

Более подробная информация «Крепление и перенос нагрузки» есть в очерке ” Монтаж“.

(комментарий ном.1: в РФ более “мягкие” условия монтажа, см. ГОСТ 30674-99 Приложение Г, п.7)

Внешние силы, воздействующие на конструкцию окна.

На элементы окна воздействуют различные нагрузки, которые должны восприни­маться профилем рамы и металлическими усилителями и передаваться на элемен­ты строительной конструкции. Их можно подразделить на собственные, переменные и ветровые нагрузки.

Под собственными нагрузками понимается собственный вес отдельных элементов (например, вес стеклопакета), который постоянно воздействует на несущие конструкции.

Переменные нагрузки изменяются в зависимости от размера и точки приложения. Например, они суммируются из собственных нагрузок под воздействием людей и снега.

Ветровые нагрузки также относятся к переменным нагрузкам. Однако, в связи с тем, что они, как правило, представляют собой основные нагрузки при расчете несущей конструкции, то в рамках настоящего практического руководства они должны рассматриваться отдельно.

Собственная нагрузка.

Собственная нагрузка при расчете оконного элемента, как правило, не учитывается. Собственный вес заполнения учитывается только при расчетах фасадных конструк­ций или окон, в которых на импост приходится нагрузка стеклопакета или панели- заполнения.

Собственный вес складывается из веса конструкции (горизонтальный импост) и веса стеклопакета или панели.

Собственные нагрузки обозначаются буквами G (для сосредоточенной нагрузки) и g (для равномерно распределенных и поверхностных нагрузок) как показано на рис. 2.:

Собственная нагрузка G вследствие остекления или заполнения панелями:

draft_6

Собственная нагрузка g вследствие собственного веса для среднеподвесного окна:

draft_7

draft_7a

Далее на примере показано как определяются собственные нагрузки, действующие на горизонтальный импост при глухом остеклении. Собственная нагрузка стеклопакета направляется через несущие колодки на горизонтальный импост или на конструкцию рамы. В результате при идеальном рассмотрении на расстоянии, равном 1,5 длины колодки, отмеренном от правого или левого фальца, возникает сосредоточенная нагрузка G. Ее можно рассчитать согласно уравнению:

G = 0,5 * bv* hv * ∑ Sv 25 кН/м3,

где:

G — сосредоточенная нагрузка в [кН] (комментарий ном.2: 1кН=102кг.=1000Па=1000Н);

bv — ширина стеклопакета в [м];

hv — высота стеклопакета в [м]

∑ SV = сумма толщины всех стекол стеклопакета в [м];

Величина 25 кН/м3 характеризует собствен­ный вес стеклопакета (комментарий ном.3: плотность стекла составляет 2500 кг*м3).

draft_8

Собственный вес импоста, включая сталь­ной элемент жесткости, может в идеальном случае рассматриваться как равномерно распределенная нагрузка. Величина нагрузки зависит от площади поперечного сечения импоста и вставлен­ного вовнутрь или привинченного снаружи стального профиля. Ее можно принять с запасом как 0,05 кН/м (только для импоста со вставленным элементом жесткости) или рассчитать при помощи следующего уравнения:

g = (АПВХ • 14,6 кН/м3 + AStahl• 78,5 кН/м3) • 104, где

g — равномерно распределенная нагрузка в [кН/м];

AПВХ — площадь поперечного сечения профиля ПВХ в [см2];

АStahl — площадь поперечного сечения стального профиля в [см2].

draft_9

 

Переменные нагрузки.

Под переменными нагрузками на оконные конструкции, как правило, понимают нагрузки, вызываемые прислонением или облокачиванием на них людей. Для обозначения используются буквы Р (для сосредоточенных нагрузок) и р (для равномерно распределенных и поверхностных нагрузок ).

В соответствии с DIN 1055 в зданиях, не предназначенных для общественных нужд, например, в жилых зданиях для подоконных стенок в расчет следует принимать горизонтальную распределенную нагрузку, составляющую 0,5 кН/м. Для общественных зданий, таких, например, как школы, церкви, театры или кинотеатры это значение должно быть увеличено до 1,0 кН/м.

(комментарий ном.4: У нас, в РФ, необходимая нагрузка на перила принимается из СП 20.13330.2011 параграф 8.3)

draft_10

Следует учитывать дополнительные вертикальные нагрузки, если на импосты оказывается давление, когда люди высовываются из окна. В этом случае необходимо брать в расчет значение вертикальной равномерно распределенной нагрузки, равное 0,5 кН/м.

(комментарий ном.5: В РФ, правила установки несущих колодок под стеклопакеты указаны в СН 481-75)

 

Ветровые нагрузки

Ветровые нагрузки, как правило, имеют решающее значение для расчета статики окон.

Ветровая нагрузка является поверхностной нагрузкой и обозначается буквой w. Между зоной давления и зоной разряжения ветра при необходимости производится различие с помощью обозначений D и S или знаков «+» (давление) и «-» (разряжение).

При расчете окон и оконных проемов необходимо учитывать ветровые нагрузки согласно DIN 1055 с учетом высоты застройки или формы здания. Величина ветровой нагрузки строения зависит от его формы и высоты. Она складывается из сил давления или разряжения и сил трения:

w = ср • q, где

w — давление ветра на единицу площади поверхности окна [кН/м2];

ср — аэродинамический коэффициент [-];

q — динамический напор (см. таблицу 2.1) [кН/м2].

С учетом того факта, что скорость ветра v зависит от высоты застройки, динами­ческий напор q окна в DIN 1055 указывается для различных диапазонов высот. Если здание, находясь на крутом возвышении относительно прилегающей территории, подвергается особенно сильным ветровым нагрузкам, то динамический напор берется как минимум q = 1,1 [кН/м2].

Таблица 2.1: Динамический напор q в соответствии с DIN 1055 (часть 4, таблица 1)

(комментарий ном.6: В РФ, ветровая нагрузка принимается из СП 20.13330.2011 параграф 11, с обязательным учетом пульсационной составляющей – аналог немецкого “пика разряжения” )

Высота относительно прилегающей территории (монтажная высота) h [м]
Скорость ветра v [м/сек]
Динамический напор q [кН/м2]

0-8

28,3

0,5

9-20

35,8

0,8

21-100

42,0

1,1

Аэродинамический коэффициент давления ср, учитываемый для ветровых нагрузок на окна и фасады, рассчитывают по следующей формуле:

ср    = сpa+сpl. где

ср    — аэродинамический коэффициент давления [-].

сра  — коэффициент давления с внешней стороны[-].

сpl   —  коэффициент давления с внутренней стороны[-].

…коэффициент давления с внешней стороны Сpa

следует выбирать согласно DIN 1055 в соответствии с геометрией здания и положением исследуемой поверхности здания. Из-за того что эти значения усреднены по ширине здания, коэфф-т давления с внешней стороны Сpa для отдельных несущих элементов (например импосты, соединения) должен быть увеличен на 25%.

Для коэфф-тов разряжения такого увеличения не требуется ввиду равномерного распределения нагрузок, или же колебания учтены в величине самого коэфф-та.

При определении ветровых нагрузок проектировщик должен учитывать, что по краям зданий могут возникать увеличенные пики разряжения. Они учтены с помощью коэфф-та для наружной стороны Cpa =2. При длине здания менее 8м., ширина повышенного разряжения составляет 1м. Для здания с длиной более 8м., эта зона составляет 1/8 длины здания. При этом ширина рассчитываемой зоны разряжения не должна превышать 2м.

draft_11

 

…коэффициент давления с внутренней стороны Сpl

В связи с тем, что обычно в здании имеются неплотности и иногда неправильно закрытые оконные или дверные проемы, коэфф-т давления с внутренней стороны должен приниматься как правило Cpl = 0,2.

В табл. 2.2 приведены ветровые нагрузки в зависимости от вида строения, его положения, высоты здания для коэфф-та давления с внешней стороны  Cpa =0,8 или с внутренней стороны Cpl = 0,2.

Аэродинамический коэфф-т давления cp рассчитывается для этих значений с учетом 25% увеличения внешнего коэфф-та давления по следующему уравнению:

Cp= 0,8*1,25+0,2 = 1,2

Таблица 2.2: Ветровая нагрузка w для аэродинамического коэфф-та Cpl = 1,2 при различной высоте застройки.

Высота застройки h [м]

8

> 8…20

> 20…100

> 100

Динамический напор q [кН/м2]

0,5

0,8

1,1

1,3

К направлению ветра
Коэффициент Cp

Ветровая нагрузка w = Cp* q

Прямоугольные  плоскости

1,2

0,6

0,96

1,32

1,56

 

Несущей способности ПВХ-профиля недостаточно даже для оконных конструкций сравнительно небольших размеров. Поэтому для повышения прочности в оконном строительстве используются стальные или алюминиевые элементы жесткости.

Под прочностью в общем случае понимается сопротивление тела любым изменени­ям его формы. В статике различают прочность на растяжение (ЕА) и прочность на изгиб (EI).

В связи с тем, что в оконном строительстве, как правило, применяются только прос­тые статические системы, понятие прочность на растяжение используется не так часто. Поэтому далее будет подробно рассматриваться только прочность на изгиб.

 

Навигация

Предыдущая статья: ←

Следующая статья:

Архивы
Наверх