CC BY
27
вестник 3/2012
S.A. Golunov
PECULIARITIES OF DESIGN OF CURTAIN WALL SYSTEMS TO ASSURE THERMAL
INSULATION
Power efficiency of residential houses requires the application of varied thermal insulation systems, including curtain walls. Peculiarities of their design that can produce a substantial impact on their durability and operational reliability are discussed in the article.
A standard curtain wall system represents a structure composed of one layer of thermal insulation made of mineral cotton attached to the bearing wall by dish-shaped dowels, a bearing frame (a subsystem) attached to the wall by anchors, and outer lining materials (panels, boards or sheets) that are mounted in such a manner so that the spacing between the outer lining and the layer of thermal insulation is 0.4 to 0.8 m.
Evidently, strength analysis of structural and fixture elements (anchors) must be completed in the course of the building design (new project) or as a supplementary pre-repair stage in the event of extensive repairs, to assure reliable and safe operation of curtain wall systems. Any analysis is to be based on the most complete information about the materials and elements of the curtain wall system, its structural peculiarities, and the whole variety of loads and impacts that the building may be exposed to, including dynamic loads associated with its height. The quality of the analysis depends upon proper identification of the forces that the structure of the wall system is exposed to, and proper selection of design models of elements (namely, with the account for the kinematic analysis) of the structure of the curtain wall system being designed.
Evidently, many factors of strength of structural details, elements and joints must be substantiated by tests that may be specified as procedures of identification of structural reliability of a curtain wall system. Besides, the analysis-related section of the design project must be based on a set of tests (of separate elements and joints) performed in the environment close to the natural conditions of the curtain wall maintenance (field tests).
The results of laboratory tests (given the adjustments for permissible tolerances) may be regarded as the principal criteria in the assessment of applicability of a curtain wall system in the course of a major building repair project or a new construction to assure the required reliability and durability.
Key words: curtain wall systems, thermal insulation system, system design, anchor, testing method.
References
1. STO FCS - 44416204-010—2010. Krepleniya ankernye. Metod opredeleniya nesuschey spo-sobnostipo rezul'tatam naturnyh ispytaniy [Standard of Organization (FGU FCS- 44416204-010-2010). Anchors. Method of Testing for Determination of the Bearing Capacity as a Result of Field Tests], Moscow, 2010.
2. MDS 20-1.2006. Vremennye rekomendacii ponaznacheniyu nagruzok i vozdeystviy, deystvu-juschih na mnogofunkcional'nye vysotnye zdaniya i kompleksy v Moskve. [Local Moscow Construction Code.Temporary Recommendation for Fixing of Loads and Influences on Multifunctional High-Rise buildings in Moscow], Moscow, 2006.
About the author: Golunov Sergej Anatol'evich — Deputy Director, Scientific and Research Institute of Construction Materials and Technologies, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoeshosse, Moscow, 129337, Russia; golunoff@gmail.com; 8 (495) 789-16-49.
For citation: Golunov S.A. Nekotorye osobennosti proektirovaniya teploizolyatsionnykh navesnykh fasadnykh sistem [Peculiarities of Design of Curtain Wall Systems to Assure Thermal Insulation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 51—56.
УДК 624.04
Н.Н. Шапошников, И.В. Нестеров
ФГБОУ ВПО «МИИТ»
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВЕКТОРА УЗЛОВЫХ СИЛ ОТ НАГРУЗОК, ЗАДАННЫХ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ, ДЛЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА
Изложена концепция формирования вектора узловых сил от нагрузок, заданных произвольной пространственной поверхностью, для программ прочностного анализа, использующих в качестве препроцессора инженерные CAD-системы.
Ключевые слова: вектор узловых сил, поверхностная нагрузка, интенсивность нагрузки, виртуальная плоскость, прочностной анализ.
При решении задач прочностного анализа с помощью метода конечных элементов [1] постоянно возникает локальная задача о приведении распределенной нагрузки к узловой. В большинстве систем прочностного анализа эта процедура автоматизирована на уровне препроцессорных блоков. В случае нестандартных нагрузок с нелинейной функцией распределения интенсивности или заданных численно произвольной пространственной поверхностью (рис. 1), алгоритмы формирования векторов нагрузки значительно усложняются.
Рис. 1. Расчетная схема аэровокзального комплекса «Внуково-1»
Причиной тому большое количество методов формирования нагрузки, усложняющих интерфейс программы, отягощая его излишними подробностями по описанию свойств поверхности нагрузки. На рис. 2 показано окно описания нестандартных нагрузок в системе NASTRAN.
3/2012
Load Set 3 Body+Q=10 X
Title J Coord Süs jo..Basic Rectangular
Color 110 Palette... | Layer 11
Pressure Direction On Element С Vector С Along Curve Method С Constant
Temperature С Variable
Heat Flux Convection Radiation Heat Generation
С Normal to Surface ¡ Advanced...
Value Time/Freq Dependence Data Surface i
Load-End В |0, ^^ — U l I r ' ...... 1 Along Coordinates Data Surface^^^ Between Coordinates Data Surface Output Map Data Surface Mesh Data Surface .j
Phase |0. ^^^ Equation Data Surface
Рис. 2. Интерфейсное окно описания нестандартных нагрузок в системе Nastran
При этом каждый из пунктов раздела Data Surface вызывает собственное окно настройки параметров нагрузки.
Для решения этой проблемы целесообразно использовать единый подход, не усложняя интерфейс и базовые алгоритмы прикладной программы. В основе разработанной методики лежит представление исходной поверхности нагрузки в виде геометрического объекта, заданного набором стандартных графических примитивов. Эту технологию удобно применять, когда препроцессорный блок системы прочностного анализа функционирует в среде инженерной CAD-системы. Для решения комплексных проблем автоматизации прочностных расчетов на кафедре САПР транспортных конструкций и сооружений Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) была разработана и апробирована система прочностного анализа открытой архитектуры «КАТРАН». Особенностью этой системы является то, что она полностью интегрирована в среду графического редактора AutoCAD [2]. Вся информация по задаче, в т.ч. описание нагрузок, физических и геометрических характеристик элементов и т.д., хранится только в чертеже AutoCADа, без привлечения внешних информационных структур. Вектора узловых нагрузок описываются с помощью графического примитива _INSERT (точка вставки блока (рис. 3).
Рис. 3. Меню нагрузок в системе «КАТРАН»
Для описания свойств и параметров распределенных нагрузок (см. рис. 3) в системе «КАТРАН» предусмотрено одно интерфейсное окно (рис. 4).
Загружение поверхностной нагрузкой выполняется после нажатия соответствующей клавиши в диалоговом окне параметров распределенных нагрузок (рис. 4). Поверхность, описывающая нагрузку, предварительно должна быть сформирована средствами системы AutoCAD. Формировать координатные поверхности с помощью системы AutoCAD значительно удобней, чем в системе NASTRAN и подобных ей программах. При этом обеспечивается полный визуальный контроль сформированной поверхности (рис. 5), что зачастую отсутствует в препроцессорах универсальных систем прочностного анализа.
Рис. 4. Интерфейсное окно распределенных нагрузок системы «КАТРАН»
Рис. 5. Расчетная схема для промежуточной монтажной стадии купола Московского планетария
Загружение нагрузкой, заданной произвольной поверхностью, в программе «КАТРАН» отчасти напоминает процедуру редактирования графических примитивов в системе AutoCAD и выполняется следующим образом. Сначала выбирается поверхность, моделирующая произвольную нагрузку (см. рис. 5), далее на поверхности необходимо указать точку с интенсивностью, указанной в поле «Распределенная нагрузка Q» диалогового окна «Распределенные нагрузки» (см. рис. 5), и точку с нулевой интенсивностью нагрузки. На основании этих данных вычисляется масштабный коэффициент перехода от линейных расстояний к реальной величине интенсивности нагрузки, взятой с координатной поверхности:
3/2012
^са1е= ц / (COORg - COORq0), где ц — интенсивность нагрузки в точке на поверхности нагрузки, указанной пользователем; COORq — проекционная координата точки с интенсивностью ц на поверхности нагрузки (для схемы на рис. 5 это координата У, для точки с Qy = 112,15); COORq0 — проекционная координата точки с нулевой интенсивностью нагрузки ц0 (для схемы на рис. 5 это координата У, для точки с Q = 0).
Точка с нулевой интенсивностью нагрузки определяет виртуальную плоскость нулевых значений распределенной нагрузки. Положение в пространстве этой плоскости задается нормалью, соответствующей направлению нагрузки, взятой из поля «Направление и тип» диалогового окна «Распределенные нагрузки» (см. рис. 4). После выбора и настройки параметров нагрузки, выбираются конечные элементы, которые необходимо загрузить этой нагрузкой. На этом работа внешней, подготовительной части программы заканчивается и начинает свою работу вычислительный блок приведения распределенной нагрузки к узловой. Более подробно основные этапы этой процедуры представлены на блок-схеме (рис. 6) .
Рис. 6. Блок-схема алгоритма приведения произвольной поверхностной нагрузки к узловой
Для облегчения процедуры поиска поверхность распределенной нагрузки предварительно преобразуется в виртуальный набор локальных плоскостей. После чего задача определения значения интенсивности нагрузки в центре тяжести конечного элемента сводится к вычислению расстояния между координатами проецирования точек пересечения нормали к плоскости нулевой интенсивности нагрузки, проходящей через центр тяжести конечного элемента, с локальной плоскостью на поверхности распределенной нагрузки и плоскостью нулевой интенсивности нагрузки (рис. 7).
Рис. 7. Схема проецирования поверхности распределенной нагрузки
Полученная локальная интенсивность нагрузки q = Kscale (COORg - COORg0) прикладывается на поверхность конечного элемента как распределенная, с постоянным законом распределения. Далее выполняется приведение этой нагрузки к узловой обычными методами, реализованными в препроцессоре системы «КАТРАН».
В заключение следует отметить, что разработанный программный блок приведения произвольной пространственной распределенной нагрузки к узловой достаточно компактен и при желании может быть оснащен модулями экспортирования узловой нагрузки в другие системы прочностного анализа, функционируя при этом как проблемно-ориентированная геометрическая утилита системы AutoCAD.
Библиографический список
1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. : Мир, 1975.
2. Вернер Зоммер. AutoCAD 2008. Руководство чертежника, конструктора, архитектора. М. : Бином-Пресс, 2008. 816 с.
Поступила в редакцию в январе 2012 г.
Об авторах: Шапошников Николай Николаевич — доктор технических наук, профессор, член-корр. РААСН, профессор кафедры САПР транспортных конструкций и сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей и сообщения», Москва, Минаевский пер., д. 2, ауд. 7720, acad_miit@mail.ru;
Нестеров Иван Владимирович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой САПР транспортных конструкций и сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей и сообщения», Москва, Минаевский пер., д. 2, ауд. 7720, acad_miit@mail.ru.
Для цитирования: Шапошников Н.Н., Нестеров И.В. Технология формирования вектора узловых сил от нагрузок, заданных произвольной пространственной поверхностью, для универсальных систем прочностного анализа // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 57—62.
N.N. Shaposhnikov, I.V. Nesterov
GENERATION OF A VECTOR OF NODAL FORCES PRODUCED BY LOADS PRE-SET BY THE ARBITRARY SCULPTED SURFACE DESIGNATED FOR UNIVERSAL STRESS ANALYSIS SOFTWARE
The subject matter of the article represents the concept of a vector of nodal forces produced by loads pre-set by the arbitrary sculpted surface. The concept in question may be integrated into engineering CAD systems in the capacity of a preprocessor.
Pursuant to the proposed methodology, the initial surface load represents a geometric object pre-set as a selection of standard graphic primitives. This technology is easy to use if the preprocessing constituent of the strength analysis system operates within CAD media. Multi-factor strength-related problems were resolved by Department of Computer-Aided Design of Moscow State University of Roads. Researchers have developed and tested KATRAN open architecture strength analysis software programme that may be integrated into AutoCAD processor.
A user may select the surface accommodating any simulated arbitrary load; further, a point of the pre-set load intensity specified in the "Distributed Load Q" field of interface window "Distributed Loads", and the point of zero intensity load are to be specified. The above source data are used to calculate the scale coefficient of transition from linear distances to the real value of the load intensity generated within the coordinate surface. The point of zero load intensity represents a virtual plane of zero distributed load values.
The proposed software designated for the conversion of arbitrary distributed loads into the nodal load is compact; therefore, it may be integrated into modules capable of exporting the nodal load into other systems of strength analysis, though functioning as a problem-oriented geometrical utility of AutoCAD.
Key words: vector of main forces, surface load, load intensity, virtual plane, strength analysis.
BECTHMK 3/2012
References
1. Zienkiewicz O. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Method of Finite Elements in the Engineering Science]. Moscow, Mir, 1975.
2. Werner Zommer. AutoCAD 2008. Rukovodstvo chertezhnika, konstruktora, arkhitektora [AutoCAD 2008. Guide for Draftsman, Designer, Architect]. Moscow, Binomial Press, 2008, 816 p.
About the authors: Shaposhnikov Nikolay Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Associate Member of the Russian Academy of Architectural and Civil Engineering Sciences, Professor, Department of Systems of Computer-Aided Design of Transportation Structures and Constructions, Moscow State University of Roads (MSUCE), Office 7720, 2 Minaevskiy pereulok, Moscow, Russia; email: acad_miit@mail.ru; phone: 8 (903) 786-53-64;
Nesterov Ivan Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Head of Department of Systems of Computer-Aided Design of Transportation Structures and Constructions, Moscow State University of Railroad Engineering (MSURE), Office 7720, 2 Minaevskiy pereulok, Moscow, Russia; email: acad_miit@mail.ru; phone: 8 (903) 226-90-98.
For citation: Shaposhnikov N.N., Nesterov I.V. Tekhnologiya formirovaniya vektora uzlovykh sil ot nagruzok, zadannykh proizvol'noy prostranstvennoy poverkhnost'yu, dlya universal'nykh sistem proch-nostnogo analiza [Generation of a Vector of Nodal Forces Produced by Loads Pre-set by The Arbitrary Sculpted Surface Designated for Universal Stress Analysis Software]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 57—62.
