CC BY
183
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА ОСТЕКЛЕНИЯ В ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ
THE FEATURES OF THE CALCULATION OF DOUBLE-GLAZED WINDOW IN HIGH-RISE BUILDINGS
А.Ю. Куренкова, А.В. Кузьменко, О.М. Куренкова A. Kurenkova, A. Kuzmenko, O. Kurenkova
НИУПЦ «МИО»
В данной статье описывается методика, позволяющая произвести расчёт формулы стеклопакетов для любой высоты установки светопрозрачных конструкций в любом регионе эксплуатации, что оптимизирует затраты на производство и монтаж оконных блоков.
In the article method which allows calculating equation of double-glazed windows for any height of installation in any region of operation is described. This factor reduces the cost of producing and installation of window units.
В городах нашей страны строится все больше домов высотой более 16 этажей. С переходом на массовое применение стеклопакетов в оконных блоках становится актуальным расчет формулы стеклопакета для новых высотных зданий.
Почему проблема расчёта формулы стеклопакета не рассматривалась ранее? На начальном этапе производства (в советский период) расчёт производился по СН-481-75 [1] «Инструкция по проектированию, монтажу и эксплуатации», но на оборудовании того времени не могли изготавливаться стеклопакеты больших размеров, поэтому особой актуальности такие расчёты не имели. С приходом в нашу страну в 90-х годах XX века новых технологий изготовления стеклопакетов для установки в оконные и фасадные конструкции появилась возможность значительно увеличить габаритные размеры стеклопакетов. Однако их монтаж осуществлялся, главным образом, на высотах до 40 м, что также не вызывало потребности в расчётах толщины наружного стекла или величины межстекольного расстояния.
Однако увеличение доли светопрозрачных конструкций на фасадах и повышение этажности жилых домов поставили новые задачи и потребовали учитывать в расчёте формулы стеклопакета не только ветровые нагрузки, указанные в СНиП 2.01.07-85* [2] «Нагрузки и воздействия», но и конкретные условия их эксплуатации.
В отличие от европейских, в российских климатических условиях стеклопакет испытывает гораздо большие температурные перепады, особенно в весенний период. В течение года температура меняется от -50 до 80 °С на южных фасадах, а весной в течение суток изменение температуры может быть до 40 °С. Такие температурные воздействия требуют увеличения толщины стекла для обеспечения нормальной эксплуатации при резких изменениях нагрузок. Помимо этого с увеличением высотности строительства увеличивается теплосъем с поверхности стеклопакетов, расположенных на верхних уровнях здания. Кроме того, продолжительность строительства высотных
7/)П11 ВЕСТНИК
_Z/20ll_мгсу
объектов в России превышает один год, что ставит стеклопакет в период производства строительных работ в особые условия эксплуатации, отличные от проектных. Эти и другие особенности эксплуатации стеклопакетов в России изложены в работах [5, 916].
Для объектов многоэтажного и высотного строительства определение ветровых нагрузок, действующих на стеклопакет, играет важную роль. Кроме того, разрушение стеклопакетов может быть обусловлено воздействием перепадов температуры и атмосферного давления на стадии зимнего монтажа, а также в период эксплуатации стеклопакетов, особенно в период незавершённого или замороженного строительства.
Компенсация повышенных нагрузок и теплопотерь с помощью увеличения толщины стекла влечёт за собой не только рост цены стеклопакета, но и всего окна в целом, т.к. увеличение веса может потребовать дополнительных затрат как на фурнитуру, так и на элементы несущей конструкции оконного блока. Поэтому расчёт формулы стеклопакета является также финансовым инструментом.
Постановка задачи
Учитывая тот факт, что сегодня предстоит гармонизации российских нормативов с европейскими, целью работы является анализ норм, применяемых в Европейском Союзе, и расчёт по этим нормам формулы стеклопакета для жилых зданий в условиях Санкт-Петербурга с учётом кратковременных нагрузок в период возведения и нагрузок, возникающих на стадии эксплуатации здания.
Необходимо отметить, что в нашей стране методика расчёта прочностных свойств стеклопакета существует с 1975 г. в [1], однако расчёт по данной методике довольно сложен и крайне редко применяется при проектировании.
Европейские нормативные документы включают в себя: DIN 1055 -4-2005 Action on structures - Part 4: Wind loads; DIN 1249 «Glass for use in building construction; chemical and physical properties»; DIN 18516 «Cladding for external walls, ventilated at rear -Part 1: Requirements, principles of testing».
По методике, изложенной в европейских нормах, после предварительного теплотехнического расчёта оконного блока и выбора стеклопакета происходит уточнение и корректировка формулы стеклопакета с учётом монтажных и эксплуатационных нагрузок. Прочностные расчёты стеклопакетов проводятся из условия совместного воздействия ветровой и климатической нагрузок (перепады температуры и давления во внутренней полости стеклопакета) и сводятся к определению необходимой толщины стёкол и величины межстекольного расстояния для стеклопакета по заданной ширине и высоте стеклопакета и высотной отметке его установки.
Предлагаемая методика
При расчёте принимаем, что наибольшую нагрузку испытывает наружное стекло стеклопакета. Цилиндрическую жесткость стекла считаем не зависящей от температуры, атмосферное давление в период производства и давление при эксплуатации одинаковы.
По европейской методике полная нагрузка, действующая на наружное стекло, определена как:
Р = Рв + ^ , (1)
где: Pg — собственный вес стекла и снега на единицу площади, кН/м2; Wt — ветровая нагрузка, — климатическая нагрузка от перепадов атмосферного давления и
температуры, кН/м2.
Для стеклопакета, установленного вертикально, Pg=0 (оконные и фасадные конструкции), соответственно, формула (1) запишется в виде:
P = Wt. (1.1)
Аналогично статическим расчётам профильных элементов, расчётное значение ветрового давления принимается согласно [3].
Значение климатической нагрузки ДР определяется согласно DIN 1055 по форму-
Po = 0,34АГ -АРмет + 0 , (2)
где: AT = Tt - T„p — разница температуры эксплуатации и производства стеклопакета (разница температуры в воздушной полости стеклопакета во время производства и в данный момент эксплуатационного периода), К; ДРмет = Pt - Р„р — разница атмосферных давлений во время эксплуатации и во время производства стеклопакета, кН/м2; Ah = ht - h — разница геодезических высот места эксплуатации и места производства стеклопакета, м, (не более 500 м).
При условии производства и эксплуатации стеклопакетов в одном климатическом регионе и при относительно постоянном атмосферном давлении уравнение (2) запишется в виде:
P0 - 0,34АГ . (2. 1)
При этом расчётное значение климатической нагрузки может быть приближённо определено из соотношения:
P0 - 0,34аМ , (3)
где а — коэффициент, определяющий жёсткость стеклопакета и зависящий от его габаритных размеров и толщины стёкол и воздушной прослойки [5].
Однако в этом расчете не учитывается повышенный теплосъем с поверхности наружного стекла, что приводит к увеличению теплопотерь помещений, расположенных на верхних уровнях высотных зданий. Для компенсации теплопотерь предлагается ввести поправочный коэффициент, зависящий от высоты расположения оконного блока и величины светопропускающей составляющей.
Прогиб стекол
Вероятность разрушения стеклопакета под действием неблагоприятного сочетания климатических и ветровых нагрузок оценивается величиной максимально допустимого прогиба в центральной зоне, зависящего от величины расчётного сопротивления листового стекла на растяжение при изгибе. Согласно рекомендациям [4], эту величину рекомендуется принимать Сиз = 15 МПа = 150 кгс/см2 = 0,15 кН/м2 = 15
Н/мм2. В европейских документах это значение намного выше российских нормативов. Так, согласно DIN 1249-10 Glass for use in building construction; chemical and physical properties, расчётное сопротивление листового стекла на растяжение при изгибе принимается равным Сиз = 30 Н/мм2 и закалённого стекла <г = 50 Н/мм2.
7/)П11 ВЕСТНИК _1/2011_МГСУ
Согласно рекомендациям [3], величину максимально допустимого прогиба при изгибе принимаем равной Г изг < Ь/100, где Ь — длинная сторона стеклопакета, мм.
Фактический прогиб стёкол в реальных условиях эксплуатации не является постоянным и зависит как от температуры воздуха в воздушной прослойке стеклопакета в текущий момент времени, так и от жёсткости стёкол, определяемой их толщиной и габаритами.
Пример расчета
С использованием данной методики были рассчитаны формулы стеклопакетов для здания, имеющего следующие характеристики:
- место строительства - Санкт-Петербург;
- район строительства - II согласно [2];
- тип местности - С: согласно п. 6.5 [2];
- высота здания Н - 81 м;
- аэродинамический коэффициент с - 1,2 (определён генпроектировщиком). Приведём расчёт стеклопакета размером 637x1290 мм.
На основании теплофизических требований для Санкт-Петербурга
А М2
(К = 0,51- согласно требованиям [6]) задаётся предварительная формула
г Вт
стеклопакета 4М1-16-И4М1. Пункт 5.11 СНиП 23-02 от степени остеклённости фасада Интервал эксплуатационных температур задаётся на основании [6] от -30 до 22
°С.
Максимальная высота отметки фасада 81 мот поверхности земли.
=1,435 кН/
2 М
Наихудшие условия для стеклопакета создаются в крайней зимней температурной точке (-30 °С):
гй + ,„ +20 - 30
t = -—- =-= -5 °С , (4)
расч 2 2
где: , - температура воздуха помещения (20 °С); tн - температура наружного воздуха (-30 °С).
Эксплуатационная климатическая нагрузка:
Р0 = 0,34АГ - 0,34 (г{ - Тпр) = 0,34 ((-5 + 273) - (+18 + 273)) = -7,82. (2.1)
Величина климатической нагрузки:
Р0 = 0,34АГ - 0,34[т, - Тпр) = 0,34((^30 + 273)-(+18 + 273)) ^ -16,32 (2.]
Коэффициент жёсткости стеклопакета:
1
а=——--4, (5)
1 + (К/К *)
где: К - короткая сторона стеклопакета, мм; К* - «характеристическая длина» стеклопакета, [мм], определяемая как:
К -
• 4
4
—(—^— . (6) рп (д + А )лп
Для стеклопакета с одинаковыми стёклами уравнение (6) запишется в виде: К = 4 - = 41
2 БРА,
'2 РА.
(6.1)
где: Б- ширина межстекольного пространства (воздушной прослойки) стеклопакета, мм; Рп - нормальное атмосферное давление, принимаемое равным Рп=0,1Н/мм2; Б1, Б2 - цилиндрические жесткости стёкол, определяемые как:
Е83
О - П(Г7) ■ <7)
где: Е - модуль упругости стекла Е=70000 Н/мм2; 8 - толщина стекла, мм; ¡Л - коэффициент Пуассона (для стекла ¡л = 0,23 ). Следовательно:
Е8Ъ 7000083
О =
12 (1 - 0,232) 11,37
■ = 61568 .
Ау - безразмерная величина, зависящая от соотношения короткой стороны стеклопакета и длинной, 637x1290, это соотношение составит К/Ь=637/1290=0,49; тогда Ау=0,00447 для 8 - предварительная толщина стекла, 4 мм.
Таблица 1
Соотношение сторон (К/Ь) Ау
1:2 0,0044
0,45 0,00478
О - . Ед-^- 6156 X 43 - 393 984.
12 (1 - 0,232)
Предварительная величина воздушной прослойки 16 мм
К = 4- = 4
\2РпАп ^
16 х 393984
= 286 ;
2 х 0,1 х 0,0047
а--1-г--1-г ^ 0,039.
1 + (К/К *)4 1 + (637/286)4
При учёте коэффициента жёсткости стеклопакета расчётные климатические нагрузки составят:
эксплуатационная нагрузка
АР - аР0 = 0,039х 7,82 - 0,3 кН/м2- (8.1)
монтажная нагрузка
АР = аР0 = 0,00241x16,32 - 0,039 кН/м2 ; (8.2)
АР = аР0 = 0,039 х16,32 - 0,64 кН/м2 .
7/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
Суммарные расчётные нагрузки на наружное стекло: эксплуатационная нагрузка
Р = Щ + АР = 1,435 + 0,019 -1,454 кН/м2 ; Р = Щ + АР =1,435 + 0,3 -1,735 кН/м2 ;
монтажная нагрузка
Р = Щ + АР =1,435 + 0,039 -1,474 кН/м2 ; Р = Щ + АР =1,435 + 0,64 - 2,075 кН/м1;
8 =
шР (К/2)2 1 03 2,45 х 1,735 (0,637/2 Г 103
- '-----= *-----= 5,36 мм,
\ 15
где аиз - прочность стекла при изгибе [Н/мм2], принимается согласно [4],
^ -15 Я/у
'мм2.
Таким образом, необходимая толщина наружного стекла 6 мм. Эксплуатационный прогиб наружного стекла:
И . Л9
¥Р (К/2)4109 < г
«/ л с»3 ^ из
Ед
где (р, у/ - соотношение Ь/К .
(9)
Таблица 2
Ь/К Ф ¥
1,36 1,76 1,19
1,38 1,79 1,22
/ -
1,78 х 1,474 (0,637/2 )4109
70000х 63
Эксплуатационный прогиб внутреннего стекла:
= 2,51 мм.
, 1,78 х 2,075 (0,637/2) 109 / =----—--= 8,48 мм .
70000х 63
Суммарный «встречный» прогиб обоих стёкол составит 8,48+2,51=10,99 мм.
Таким образом, воздушная прослойка должна быть не менее 11 мм, что исключает применение в стеклопакетах межстекольной рамки толщиной 10 мм. Кроме того, прогиб внутреннего стекла превышает действующие нормативы, что потребует также увеличения толщины внутреннего стекла.
Сопротивление теплопередаче стеклопакетов 6 - 12 - И 6 по данным таблицы 1, ГОСТ 24866 будет не менее 0,59 м2 °С/Вт, что выше требования п. 5. 11 СНиП 23-022003, но не отвечает требованиям энергоэффективности. Поэтому предлагается ввести коэффициент 1,1 для светопрозрачных конструкций, устанавливаемых в зданиях выше
50 м. по сравнению с вводимыми нормативами по энергосбережению, для учета повышенного стока тепла в конструкциях, устанавливаемых в высотном домостроении.
Выводы
1. Применение европейских норм позволяет в расчете формулы стеклопакета учесть не только ветровые нагрузки, но и температурные климатические воздействия с учётом конкретного места установки оконного блока.
2. Расчёты свидетельствуют о необходимости использования данной методики, проведения таких расчётов для всех зданий повышенной этажности. Обязательность таких расчётов повысит безопасность эксплуатации стеклопакетов и практически исключит вероятность растрескивания стекла в стеклопакете. Расчёт с использованием европейских подходов, приведённый в данной статье, позволяет получить наиболее точную формулу стеклопакета, рассчитать не только толщину наружного и внутреннего стекла, но и величину межстекольного расстояния, что ранее в расчётах не практиковалось.
3. Для конкретных условий расчёта при высоте установки оконного блока более 80 м максимальный расчетный «встречный» прогиб обоих стёкол с учетом всех нагрузок и воздействий составил 11 мм, что исключает применение для данной и большей высотности наиболее распространенной межстекольной рамки толщиной 10 мм. Кроме того, толщина внутреннего стекла по результатам расчета должна быть увеличена до 5 мм для обеспечения требований [4].
4. Введение коэффициента 1,1 для высотного строительства при расчете сопротивления теплопередаче оконного блока, дает возможность при незначительном увеличении стоимости повысить комфортность проживания в квартирах, расположенных на верхних этажах жилых зданий повышенной этажности.
Литература
1. СН 481-75 "Инструкция по проектированию, монтажу и эксплуатации стеклопакетов- М: ГУП ЦПП, 1975.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия- М: ГУП ЦПП, 1985.
3. DIN EN 12210-2003: Windows and doors - Resistance to wind load - Classification (includes Corrigendum AC: 2002). Publication Date: Aug 1, 2003.
4. ГОСТ 24866-99 Стеклопакеты клеёные строительного назначения- М: ГУП ЦПП, 1999.
5. Борискина И.В., Щуров А.Н., Плотников A.A. Окна для индивидуального строительства. Техническое руководство по проектированию современных окон из ПВХ для объектов коттеджного строительства и зданий малоэтажной застройки // Москва, 2010. - 320 с. (с. 146-151).
6. СНиП 23-01-99 "Строительная климатология". - М: ГУП ЦПП, 2004.
7. СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий". - М.: ГУП ЦПП, 2003.
8. ГОСТ 111-2001. Стекло листовое. Технические условия - М: ГУЛ ЦПП, 2001.
9. Щуров А.Н. Прочностные расчёты стёкол в стеклопакете // Свегопрозрачные конструкции
2005 № 6 (44) 2005. - с.33.
10. Щуров А.Н// Прочностные расчёты стёкол в стеклопакете Светопрозрачные конструкции
2006 №1 (45) 2006 - с. 48-49.
11. Миков В.Л. Внимание высота // Светопрозрачные конструкции 2003 № 6 (32), 2003. - с. 51-52.
12. Борискина И.В., Шведов Н.В., Плотников A.A. Современные светопрозрачные конструкции гражданских зданий. Справочник проектировщика. Том II Оконные системы из ПВХ // Санкт-Петербург: НИУПЦ «Межрегионального института окна» 2005. - 320 с. (с. 215-218).
13. Борискина И.В., Плотников A.A., Захаров A.B. Проектирование оконных систем гражданских зданий: Учебное пособие. - Санкт-Петербург: Изд. «ВЫБОР», 2008г. - 360 с. (с. 206-116).
7/)П11 ВЕСТНИК _^/2OTT_МГСУ
14. Кондратьева Н. Прочность листового стекла в фасадных системах, покрытиях и перекрытиях зданий и сооружений // Стекло и бизнес 2010 № 2. - с. 40-42.
15. Лаутер К., Веер Ф. Экспериментальное исследование армированной стеклянной балки длинной 18 мв масштабе 1:4 Часть I // Стекло и бизнес 2009 № 3. - с. 40-45.
16. Мильков В.Г., Успенкий A.A. Создание стеклопакетов для зданий повышенной этажности // Стрйпрофиль 2006 № 3 (49). - с. 72-74.
Literarature
1. Sanitary standard 481-75 "The instruction for designing, installation and operation of double-glazed windows".
2. Russian building code - SNiP 2.01.07-85* "Loadings and influences".
3. DIN EN 12210-2003: Windows and doors - Resistance to wind load - Classification (includes Corrigendum AC: 2002). Publication Date: Aug 1, 2003.
4. Russian state standard specification 24866-99 "Double-glazed glued windows with building purpose".
5. Boriskina, I.V., Schurov, A.N., Plotnikov, A.A., "Windows for individual building. A technical manual for designing of modern windows from PVC for objects of cottage building and buildings of low building".
6. Russian building code - SNiP 23-01-99* «Building Climatology». - M.: GUP CPP, 2004.
7. Russian building code - SNiP 23-02-2003 «Thermal Protection of the Buildings». - M.: GUP CPP, 2003.
8. Russian state standard specification 111-2001 "Glass sheet. Specifications".
9. Schurov, A.N., Strength calculations of glasses in a double-glazed window // Translucent constructions. - 2005 - №6 (44) 2005 - p. 33.
10. Schurov, A.N., Strength calculations of glasses in a double-glazed window // Translucent constructions. - 2006 - №1 (45) 2006 - p. 48-49.
11. Mikov V.L. Attention height // Translucent constructions. - 2003 - №6 (32) 20063- p.51-52
12. Boriskina, I.V., Shvedov N.V., Plotnikov, A.A., Modern translucent constructions of civil buildings. Designer guidebook. Part II. Window systems from PVC // Saint-Petersburg: Inter-regional window Institute 2005. - 320 p. (p. 215 - 218).
13. Boriskina, I.V., Plotnikov, A.A., Zaharov A.V. Designing of window systems of civil buildings: the manual. - Saint-Petersburg: "VUBOR", 2008. - 360 p. (p. 106-116).
14. Kondrativa N. Strength of sheet glass in front systems, coverings and floors of buildings and constructions // Glass and business - 2010 - № 2. - p. 40 - 42.
15. Lauter K., Veer F., Experimental research of the reinforced glass beam long 18 m in scale 1:4 Part I // Glass and business - 2009 - № 3. - p. 40 - 45.
16. Milkov V.G., Uspencky A. A., Creation of double-glazed windows for high-rise buildings //Stroyprofil 2006 №3 (49). - p. 72-74.
Ключевые слова: светопрозрачные конструкции, формула стеклопакета, здания повышенной этажности, толщина наружного стекла, метод расчёта, эксплуатационная нагрузка, монтажная нагрузка, ветровая нагрузка, оконные блоки, дверные блоки, гармонизация норм
Key words: double-glazed window, the calculation of double-glazed window, high-rise building, the thickness of external glass, calculation method, operational load, assembly load, wind load, window unit, door unit, harmonization of standards
E-mail: Куренкова Александра Юрьевна [email protected] Куренкова Ольга Мирославовна [email protected] Кузъменко Анна Викторовна [email protected]
