CC BY
33Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 692.49 DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-1-2-14-17
А.П. КОНСТАНТИНОВ, канд. техн. наук (apkonst@yandex.ru), А.М. ИБРАГИМОВ, д-р техн. наук (igasu_alex@mail.ru)
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Комплексный подход к расчету и проектированию светопрозрачных конструкций
В работе проведен анализ существующего подхода к расчету и проектированию современных типов светопрозрачных конструкций, используемых при устройстве гражданских зданий различного функционального назначения. Проанализированы существующие требования нормативной документации. Выполнен обзор проведенных научных работ, посвященных исследованию требований к светопрозрачным конструкциям как конструктивным элементам здания, а также отдельных технических характеристик светопрозрачных конструкций и методов их расчета. Установлено, что существующий подход, а также положения действующих нормативных документов не учитывают всего комплекса требований к светопрозрачным конструкциям; для некоторых эксплуатационных характеристик светопрозрачных конструкций при этом отсутствуют необходимые инженерные методики расчета. Представлена концепция комплексного подхода к расчету и проектированию светопрозрачных конструкций, а также намечены направления дальнейших научных исследований, касающихся данного вопроса.
Ключевые слова: светопрозрачные конструкции, окна, наружное балконное остекление, светопрозрачные фасады, светопрозрачные кровли.
Для цитирования: Константинов А.П., Ибрагимов А.М. Комплексный подход к расчету и проектированию светопрозрачных конструкций // Жилищное строительство. 2019. № 1-2. С. 14-17. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-1-2-14-17
A.P. KONSTANTINOV, Candidate of Sciences (Engineering) (apkonst@yandex.ru), A.M. IBRAGIMOV, Doctor of Sciences (Engineering) (igasu_alex@mail.ru) Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (26, Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation))
Complex Approach to Calculation and Design of Translucent Structures
The analysis of the existing approach to calculation and design of the modern translucent structures, used when constructing civil buildings of various functional purposes, is presented in this work. The existing requirements of regulatory documents were analyzed. The review of the conducted scientific works devoted to the study of requirements for translucent structures as structural elements of the building, as well as different technical characteristics of translucent structures and methods of their calculation, was performed. It is established that the existing approach and the provisions of the existing regulations don't take into account the entire complex of requirements for translucent structures, and for some performance characteristics of translucent structures, at that the necessary engineering methods of calculation are not available. The concept of a complex approach to the calculation and design of translucent structures is presented, as well as the directions of further research relating to the issue under consideration are outlined.
Keywords: translucent structures, windows, window structures, external balcony glazing, translucent facades, translucent roofs.
For citation: Konstantinov A.P., Ibragimov A.M. Complex approach to calculation and design of translucent structures. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 12, pp. 14-17. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-1-2-14-17 (In Russian).
Светопрозрачные конструкции (далее СПК) являются неотъемлемым элементом наружной оболочки любого жилого или общественного здания. При этом,благодаря влиянию современных тенденций архитектуры и строительства объемы использования СПК в проектах неизменно растут [1]. В настоящее время это проявляется в значительном увеличении доли применения крупноформатных оконных блоков и панорамного наружного балконного остекления не только в индивидуальных, но и в типовых проектах многоэтажных жилых зданий [2] (см. рисунок); в повсеместном внедрении технологий фасадного и кровельного остекления при строительстве административно-офисных зданий, торгово-развлекательных центров,
14| -
общеобразовательных школ и дошкольных образовательных учреждений [3]; в широком использовании современных типов СПК при реконструкции гражданских зданий, а также зданий исторической застройки [4].
Как показывает практика применения современных типов СПК в проектах гражданских зданий различного функционального назначения, при их проектировании, монтаже и эксплуатации возникает значительное количество типовых проблем. Среди наиболее распространенных можно выделить следующие: зачастую низкая осведомленность архитекторов и проектировщиков о технологических особенностях устройства современных типов СПК, что приводит во многих случаях к тому, что уже на ранних
М-2'2019
Научно-технический и производственный журнал
Structural calculations
Примеры применения современных типов светопрозрачных конструкций в гражданских зданиях различного функционального назначения: а — крупноформатные оконные блоки в многоэтажных жилых зданиях; б — фасадное остекление в административном здании; в — оконные блоки в здании исторической застройки
стадиях архитектурно-строительного проектирования объекта закладываются некорректные технические решения; нарушение нормальной конкурентной среды среди производителей СПК, вызванное отсутствием единых критериев и методов расчета фактических технических характеристик изделий; отсутствие привязки заложенных в проект технических решений и технологий монтажа СПК к фактическим условиям монтажа; сложности в приемке работ по монтажу СПК, вызванные отсутствием единых алгоритмов подтверждения фактических технических характеристик СПК требованиям проекта; нарушение нормального температурно-влажностного режима эксплуатации помещений; сложности с обеспечением безопасной эксплуатации и обслуживания СПК.
Одной из основных причин вышеуказанных проблем является отсутствие в настоящее время на территории РФ единой нормативной базы в области СПК. При этом наблюдается общее несоответствие между нормативными документами различного статуса в части технических требований к СПК, что проявляется в отсутствии взаимной увязки между положениями сводов правил, рассматривающих проектные требования к СПК как конструктивным элементам здания, а также национальными, межгосударственными и международными стандартами, рассматривающими технологические и технические требования к СПК как к изделиям; отсутствие необходимых исходных данных для расчета ключевых характеристик СПК в действующих нормативных документах.
В настоящее время еще не разработан базовый нормативный документ, регламентирующий ключевые вопросы проектирования СПК, который бы совместно с уже действующими и разрабатываемыми нормативными документами, регламентирующими
специфические технические и технологические требования к отдельным видам СПК, а также стандартами на методы их испытаний сформировал комплексную нормативную базу в данной области.
Базовый стандарт на проектирование должен содержать:
- общие технические требования к СПК как конструктивным элементам здания в привязке к функциональному назначению и конструктивным особенностям объекта строительства, а также к технологическим особенностям устройства СПК;
- инженерные методики расчета фактических технических характеристик СПК с учетом требований проекта и действующей нормативной документации.
Одной из причин сложившейся ситуации в области нормативной базы СПК (наряду с отсутствием у производителей СПК единого консолидированного мнения по ее структуре и направлению развития) является недостаточное количество научных исследований данных конструкций. В настоящее время наибольшее количество исследований в области СПК посвящено изучению их теплотехнических характеристик и влиянию на энергоэффективность зданий [5, 6]. В то же время в этих работах рассматривается преимущественно зимний режим эксплуатации СПК. Исследования, посвященные рассмотрению особенностей работы СПК исходя из летних условий эксплуатации с точки зрения влияния не только на микроклимат помещений, но и их напряженно-деформированное состояние, в настоящее время практически не производились. Значительно меньшее количество работ посвящено изучению других эксплуатационных характеристик СПК - звукоизоляции, воздухопроницаемости, долговечности и пр. [7-9]. Исследованию прочностных характеристик, критериев и методов прочностного расчета СПК и их
Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
отдельных конструктивных элементов также посвящено лишь ограниченное количество работ [10-13]. Таким образом, в настоящее время наибольший акцент в научных исследованиях СПК делается на изучении их теплотехнических характеристик, исследованию же других технических характеристик СПК уделяется недостаточное внимание. Подобная тенденция сказывается и на области нормирования СПК, где наибольшее внимание уделяется вопросам нормирования теплозащитных характеристик СПК. Требования к другим техническим характеристикам СПК представлены в действующих стандартах в виде общих положений, без конкретизации для различных условий строительства и эксплуатации, а инженерные методики их расчета зачастую отсутствуют. В конечном счете это приводит к описанным выше проблемам на стадиях проектирования, монтажа и эксплуатации СПК.
Выходом из сложившейся ситуации является формирование комплексного подхода к расчету и проектированию СПК, который базируется на их одновременном и совместном рассмотрении как с точки зрения несущих, так и ограждающих конструкций, а также на перечисленных ниже предпосылках.
1. Технические требования к СПК должны формироваться на начальной стадии проектирования объекта с учетом положений действующих нормативных документов и специфических требований объекта. Назначение требуемых эксплуатационных характеристик СПК необходимо производить, рассматривая их как неотъемлемый конструктивный элемент здания, учитывая его конструктивные особенности (прежде всего конструкцию и технологию устройства наружных стен, климатические параметры района строительства, нормируемых показателей микроклимата помещений) и режим эксплуатации объекта.
2. Фактическое конструктивное решение СПК должно назначаться на основе поиска наиболее рационального решения для заданных условий строительства, обеспечивающих требования проекта в части выполнения ключевых функций СПК (теплозащитные характеристики исходя из зимних и летних условий эксплуатации, воздухо- и водопроницаемость, сопротивление ветровой нагрузке, долговечность), а также обеспечения их безопасной эксплуатации и обслуживания. Фактическое конструктивное решение СПК должно назначаться с использованием инженерных методик расчета их ключевых технических характеристик. При этом прочностной расчет СПК и его отдель-
Список литературы
1. Плотников А.А. Архитектурно-конструктивные принципы и инновации в строительстве стеклянных зданий // Вестник МГСУ. 2015. № 11. С. 7-15.
2. Исайкин А., Борискина И., Борискина П. «Стеклянные балконы» в архитектуре многоэтажных
1б| -
ных конструктивных элементов должен производиться с учетом того, что расчетные нагрузки на СПК (и их сочетания) должны назначаться с учетом их работы как неотъемлемого конструктивного элемента здания, а также конструктивных особенностей их устройства; расчетные схемы СПК должны назначаться с учетом условий их закрепления к конструктивным элементам здания, а также с учетом пространственной работы СПК как многокомпонентной конструктивной системы, состоящей из профильных элементов, светопроз-рачного заполнения и элементов фурнитуры; критерии прочностного расчета СПК должны назначаться исходя из особенностей их работы как ограждающих конструкций здания и необходимости обеспечения ими при действии расчетного сочетания нагрузок проектных требований по тепловой защите, воздухо- и водопроницаемости, исключения аварийных состояний (разрушения) в процессе эксплуатации.
Очевидно, что введение подобного подхода к расчету и проектированию СПК в строительную практику требует проведения комплексных исследований и апробаций. Уже проведенные исследования показывают правомерность подобного подхода [14-16].
Внедрение комплексного подхода к расчету и проектированию СПК в строительную практику, а также законодательное закрепление в действующих и вновь создаваемых нормативных документах позволит:
- произвести унификацию применяемых проектных решений СПК для объектов массового типового строительства;
- повысить эксплуатационную надежность и безопасность СПК при одновременном снижении их материалоемкости и себестоимости изготовления;
- сформировать нормальную конкурентную среду среди производителей СПК.
В настоящее время коллектив кафедры «Проектирование зданий и сооружений» занимается исследованием вышеуказанных вопросов на базе испытательной лаборатории «Светопрозрачные конструкции и фасадные системы» (ИЛ СПКиФС НИУ МГСУ). В распоряжении специалистов находится современное испытательное оборудование для определения ключевых эксплуатационных характеристик СПК -воздухо- и водопроницаемости, сопротивления ветровой нагрузке, их прочностным характеристикам и пр.
Авторы не претендуют на полноту охвата рассматриваемого вопроса и приглашают всех заинтересованных лиц к дискуссии и сотрудничеству.
References
1. Plontikov A.A. Architectural and engineering principles and innovations in the construction of glass-facade buildings. VestnikMGSU. 2015. No. 11, pp. 7-15. (In Russian).
2. Isaykin A., Boriskina I., Boriskina P. "Glass balconies" in architecture of multystoried residential buildings.
|l-2'2019
Structural calculations
Научно-технический и производственный журнал
жилых зданий // Технологии строительства. 2015. № 6 (110). С. 28-31.
3. Борискина И.В. Здания и сооружения со светопро-зрачными фасадами и кровлями. Теоретические основы проектирования светопрозрачных конструкций. СПб.: Любавич, 2012. 396 с.
4. Konstantinov А. and Mukhin А. Architectural possibilities of using PVC window units in historical buildings. MATEC Web of Conferences. Volume 193 (2018). International Scientific Conference Environmental Science for Construction Industry - ESCI2018. Ho Chi Minh City, Vietnam, March 2-5, 2018.
5. Савин В.К., Савина Н.В. Архитектура и энергоэффективность окна // Строительство и реконструкция. 2015. № 4 (60). С. 124-130.
6. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Верховский А.А., Чеботарев А.Г. Требования к теплозащите наружных ограждающих конструкций высотных зданий // Жилищное строительство. 2016. № 12. С. 7-11.
7. Шеховцов А.В. Воздухопроницаемость оконного блока из ПВХ-профилей при действии отрицательных температур // Вестник МГСУ. 2011. № 3-1. С. 263-269.
8. Умнякова Н.П., Верховский А.А. Оценка воздухопроницаемости ограждающих конструкций здания // АВОК. 2013. № 5. С. 48-53.
9. Алекперов Р.Г., Потапова Т.В. К вопросу о долговечности светопрозрачных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 9. С. 30-34.
10. Плотников А.А., Стратий П.В. Численно-аналитическая методика расчета прогибов стекол герметичного стеклопакета от климатической (внутренней) нагрузки // Вестник МГСУ. 2014. № 12. С. 70-76.
11. Галямичев А. В. Ветровая нагрузка и ее действие на фасадные конструкции // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 9 (60). С. 44-57.
12. Калабин В.А. Оценка величины тепловой деформации ПВХ-профиля. Ч. 1. Зимние поперечные деформации // Светопрозрачные конструкции. 2013. № 1-2. С. 6-9.
13. Калабин В.А. Оценка величины тепловой деформации ПВХ-профиля. Ч. 2. Летние поперечные деформации // Светопрозрачные конструкции. 2013. № 3. С. 12-15.
14. Верховский А.А., Зимин А.Н., Потапов С.С. Применимость современных светопрозрачных ограждающих конструкций для климатических регионов России // Жилищное строительство. 2015. № 6. С. 16-19.
15. Константинов А.П. Вопросы расчета оконных блоков из ПВХ на ветровую нагрузку // Перспективы науки. 2018. № 1 (100). С. 26-30.
16. Кonstantinov А., Ratnayake L. Calculation of PVC windows for wind loads in high-rise buildings. MATEC Web of Conferences. Volume 193 (2018). International Scientific Conference Environmental Science for Construction Industry - ESCI2018. Ho Chi Minh City, Vietnam, March 2-5, 2018.
Tekhnologii stroitel'stva. 2015. No. 6 (110), pp. 28-31. (In Russian).
3. Boriskina I.V. Zdaniya i sooruzheniya so svetoproz-rachnymi fasadami i krovlyami. Teoreticheskie osnovy proektirovaniya svetoprozrachnyh konstrukcij [Buildings and Structures with Translucent Facades and Roofs. Theoretical Bases of Designing of Glass Constructions]. Saint-Petersburg: Lyubavich. 2012. 396 p.
4. Konstantinov A. and Mukhin A. Architectural possibilities of using PVC window units in historical buildings. MATEC Web of Conferences. Volume 193 (2018). International Scientific Conference Environmental Science for Construction Industry - ESCI 2018. Ho Chi Minh City, Vietnam, March 2-5, 2018.
5. Savin V.K., Savina N.V. Architecture and energy efficiency of a window. Stroiteistvo i rekonstrukciya.
2015. No. 4 (60), pp. 124-130. (In Russian).
6. Umnyakova N.P., Butovsky I.N., Verkhovsky A.A., Chebotarev A.G. Requirements to heat protection of external enclosing structures of high-rise buildings. Zhilishchnoe Stroiteistvo [Housing Construction].
2016. No. 12, pp. 7-11. (In Russian).
7. Shekhovtsov A.V. Air permeabillity of an PVC-win-dow when exposed to freezing temperatures. Vestnik MGSU. 2011. No. 3-11, pp. 263-269. (In Russian).
8. Umnyakova N.P., Verkhovsky A.A. Assessment of air permeability of building envelopes. AVOK. 2013. No. 5, pp. 48-53. (In Russian).
9. Alekperov R.G., Potapova T.V. The issue of durability of translucent structures. Promyshlennoe i grazhdan-skoe stroiteistvo. 2017. No. 9, pp. 30-34. (In Russian).
10. Plotnikov A.A., Stratiy P. V Numerical-analytical method of calculating insulated double-glazed units deflection under climatic (internal) load. Vestnik MGSU. 2014. No. 12, pp. 70-76. (In Russian).
11. Galyamichev A.V. Wind load and its action on facade structures. Stroiteistvo unikainyh zdanij i sooru-zhenij. 2017. No. 9 (60), pp. 44-57. (In Russian).
12. Kalabin V.A. Assessment of PVC profile thermal deformation. Part 1. Winter transverse deformations. Svetoproz-rachnye konstrukcii. 2013. No. 1-2, pp. 6-9. (In Russian).
13. Kalabin V.A. Assessment of PVC profile thermal deformation. Part 2. Summer transverse deformations. Svetoproz-rachnye konstrukcii. 2013. No. 3, pp. 12-15. (In Russian).
14. Verkhovsky A.A., Zimin A.N., Potapov S.S. The applicability of modern translucent walling for the climatic regions of Russia. Zhilishchnoe Stroiteistvo [Housing Construction]. 2015. No. 6, pp. 16-19. (In Russian).
15. Konstantinov A.P. Calculation of PVC window blocks for wind load. Perspektivy nauki. 2018. No. 1 (100), pp. 26-30. (In Russian).
16. Konstantinov A., Ratnayake L. Calculation of PVC windows for wind loads in high-rise buildings. MATEC Web of Conferences. Volume 193 (2018). International Scientific Conference Environmental Science for Construction Industry - ESCI 2018. Ho Chi Minh City, Vietnam, March 2-5, 2018.
