Экспериментально-теоретический анализ деформирования несущих кронштейнов в фасадной системе с вентилируемым воздушным зазором

7. Михайлов, Б.К. Пластины и оболочки с разрывными параметрами / Б.К. Михайлов. -Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. - 196 с.

L.N. KONDRATIYEVA, I.B. POVAROVA

STABILITY OF SHALLOW FOLDED SHELLS

The analytical solution and investigation of stability in geometrically non-linear setting of folded shells under the lateral distributed loading are considered in the paper.

УДК 692.23

Л.В. ЕНДЖИЕВСКИЙ, докт. техн. наук, профессор, чл.-корр. РААСН,

А. В. ТЕРЕШКОВА, аспирант,

Сибирский федеральный университет, Красноярск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НЕСУЩИХ КРОНШТЕЙНОВ В ФАСАДНОЙ СИСТЕМЕ С ВЕНТИЛИРУЕМЫМ ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ

Выполнен экспериментально-теоретический анализ с иллюстративными изображениями деформирования несущих кронштейнов в фасадной системе с вентилируемым воздушным зазором. Представлена методика расчета кронштейнов по II группе предельных состояний с учетом сдвига.

Фасадные системы с вентилируемым воздушным зазором являются одним из решений задачи в направлении развития и применения на рынке строительства энергоэффективных зданий и их конструкций, реконструкции и улучшения потребительских качеств и архитектурного облика домов. К тому же, мировая практика показывает, что для повышения теплозащиты здания самым эффективным методом является наружное утепление стен.

Все системы утепления имеют принципиально одинаковое конструктивное решение, которое заключается в том, что на несущие ограждающие конструкции с внешней стороны устанавливают и фиксируют сплошной слой утеплителя и элементы несущего каркаса, посредством которого на стене, с определенным зазором относительно слоя утеплителя, монтируется листовой отделочный материал. Отличительными особенностями систем являются различные способы крепления плит утеплителя на несущих конструкциях наружной стены, материалы и геометрия отдельных элементов подконструкции, а также схемы их расположения на поверхности основания, выбор материалов и способы их крепления к несущему каркасу.

Нами проведены экспериментальные исследования и выполнена серия расчетов элементов несущего каркаса фасадной системы с вентилируемым воздушным зазором. Особое внимание обращено на кронштейны, которые

© Л.В. Енджиевский, А.В. Терешкова, 2007

обеспечивают соединение остальных элементов несущего каркаса к несущим ограждающим конструкциям.

В исследовании рассматривались кронштейны из оцинкованной стали и алюминиевых сплавов со следующими формами поперечного сечения: прямоугольное («Краспан»), замкнутое коробчатое (предлагаемый вариант [1]) и П-образное («Волна»).

Конструктивные решения рассматриваемых кронштейнов принципиально аналогичны друг другу (рис. 1-2). Они состоят из двух частей: неподвижной и подвижной, соединенных между собой болтовым соединением. В опорных частях неподвижной части расположены отверстия под анкерные крепители, при помощи которых кронштейн крепится к несущим ограждающим конструкциям. В месте примыкания кронштейна к стене устанавливают усиливающую шайбу вплотную к его опорной части. К подвижной части при помощи заклепочного соединения крепятся вертикальные несущие профили для крепления к ним облицовочного материала. При этом несущие элементы имеют следующие отличительные особенности.

Неподвижная часть кронштейна фасадной системы типа «Краспан» (рис. 1, а) выполняется Г-образной формы. Подвижная часть выполнена с овальным отверстием для возможности регулирования вылета кронштейна. Кронштейн выполняется с продольными ребрами жесткости по краям.

Предлагаемый вариант кронштейна (рис. 1, б) - замкнутая коробчатая форма поперечного сечения с минимальным зазором между подвижной и неподвижной частями для возможности телескопического перемещения подвижной части относительно неподвижной. Крепление каркаса к кронштейну и закрепление его к несущим ограждающим конструкциям осуществляется через верхний и боковые отгибы.

Рис. 1. Общий вид кронштейнов:

а - типа «Краспан»; б - коробчатого сечения

Кронштейн типа «Волна» (рис. 2) выполнен П-образной формы поперечного сечения также с минимальным зазором между неподвижной и подвижной частями.

Рис. 2. Общий вид кронштейна типа «Волна»

При проведении экспериментальных исследований получено, что все типы кронштейнов имеют существенные прогибы. При этом в прочностных расчетах в рекомендациях по проектированию и применению фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором [2] вертикальные несущие профили рассчитываются по I и II группам предельных состояний. А расчет несущего кронштейна только по I группе.

Максимальные прогибы кронштейнов с использованием расчетной схе-

Pl3

мы (рис. 3) и вычисленные по формуле y =------ оказываются заниженными

3EI

по отношению к экспериментальным и численным значениям, полученным расчетом по МКЭ (программный комплекс SCAD) по плоской и пространственной схемам.

Для балочных элементов в [3] показано, что при l / h < 10 неучет влияния сдвига приводит к существенным расхождениям по максимальному прогибу.

Используем методику вычисления прогиба с учетом сдвига методом начальных параметров (МНП) балочных конструкций [3] применительно к рассматриваемым элементам несущего каркаса фасадных систем.

Для данного случая закрепления и загружения:

Р

/

/

/

Рис. З. Расчетная схема кронштейна

3EI GA

Здесь

Для прямоугольной формы поперечного сечения k = 1,2 . Для коробчатой формы поперечного сечения

k=А

(h5

4 h 2h23

+

60 16

2

+

+

Ь}1:/^h2 + "3Ь/t/h1 (2tw ^2 +

2

5 Л 2

15

Для кронштейна типа «Волна»

k=А

Ь

/1

5

15

+

+

/2

5

2^^33 h35

15

+

hз

Г-2 (2tw )2 h15 +1 (2tw )/ 1h13 (^

3

+ 3

I2 °/2

^ )

Л2)+15.(2tw) h3

+

а)

б)

2

6

5

I

1

2

4

2

5

Рис. 4. Геометрические размеры поперечного сечения кронштейнов: а - коробчатая форма; б - типа «Волна»

В качестве примеров рассмотрим:

- кронштейн типа «Краспан» [4] - высота 65 мм, толщина 2мм (из оцинкованной стали Е = 2,06 • 105 МПа, ц = 0,24) и 3 мм (из алюминиевых сплавов Е = 0,7 • 105 МПа, ц = 0,32), вылет - 180 мм;

- кронштейн коробчатого сечения (оцинкованная сталь) - высота неподвижной части - 60 мм (по внешнему контуру), ширина - 45 мм, толщина -1 мм, вылет - 115 мм;

- кронштейн типа «Волна» (оцинкованная сталь) - высота 45 мм, ширина - 60 мм, толщина - 2 мм, вылет - 115 мм.

Расчетная нагрузка (35 кг) на кронштейн подсчитана от собственного веса наиболее тяжелого облицовочного материала - гранитные плиты.

Численные исследования рассматривались в упругой стадии работы материалов (не учитывались физическая и геометрическая нелинейность).

На рис. 5 представлены этапы деформированного состояния оцинкованного кронштейна типа «Волна».

Рис. 5. Этапы деформированного состояния оцинкованного кронштейна типа «Волна»: а - до начала испытаний; б - разрушение, вид сбоку; в - отходит опорная часть от несущей ограждающей конструкции

б)

в)

а)

Результаты экспериментальных и численных исследований приведены на рис. 6 в виде графиков зависимости «нагрузка - прогиб» и в табл. 1.

Рис. 6. Графики зависимости «нагрузка-прогиб» кронштейнов:

1-2 и 3-4 - для оцинкованного и алюминиевого типа «Краспан» при I = 180 мм; 5-6 - для оцинкованного коробчатого сечения I = 115 мм; 7-8 - для оцинкованного типа «Волна» I = 115 мм. Нечетные цифры соответствуют численным решениям с учетом сдвига, четные - экспериментальным данным

В инженерной практике с целью устранения «мостика холода» в местах крепления несущих элементов каркаса фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором анкерным крепителем к несущим ограждающим конструкциям ставятся паронитовые прокладки. При этом, ввиду отсутствия контроля за натяжением анкерного крепителя и недостаточной плотности примыкания прокладки к стене и кронштейну, а также ее пониженной жесткости, в экспериментах наблюдаются увеличения прогибов более чем на порядок. В большей степени это проявляется для кронштейнов с увеличенным плечом закрепления их опорной части. Именно такой случай должен быть учтен при оценке прогиба по II группе предельных состояний. Ввиду того, что обобщенных теоретических исследований на данный момент нет, то в каждом конкретном случае необходимо проводить дополнительные экспериментальные исследования. В табл. 2 приведены эмпирические формулы для определения прогибов в конкретных случаях, полученные в результате обработки экспериментальных данных, а также значения прогибов при расчетной нагрузке 35 кг.

Оцинкованный типа Оцинкованный коробча- Алюминиевый типа Оцинкованный типа Тип крон-

«Волна» того сечения «Краспан» «Краспан» штейна

и\ 25 и\ и\ 25 и\ 25 и\ и\ 25 и\ Нагрузка Р, кг

о О о о о о о О о О о о

о О О ^1 о о 4-- о к> о о 00 о о и\ 40 О 00 о о ^1 о о о £ 2 ^ к, ЕЭ г2 '“-и ы

0,013 О о О о о о о 0,012 о о о ^1 0,131 0,094 0,057 о о ^1 00 0,056 0,033 V о 03 8 Я С учетом

О о о о о О О О о о о Ч: я о

о 4^ о о о о 00 о о о 00 ю о 40 4-- о ^1 о ^1 00 о о 4-- 8 8 £ я

0,015 о о о о о 0,019 0,013 о о о 00 0,15 0,103 0,06 о о 00 00 0,061 0,035 Экспе- римент У 4 > мм

1 ^1 1 1 и> и> 1 4-- 1 4-- ю 1 ^1 1 ю о 1 1 и\ 1 40 1 і і 4^ о о чг Ч; 1 Ч:

и\ 4-- и> и\ 00 и\ ^1 и\ о 4-- 5?

о ч;

1 0° Ъо 1 V.40 о -22,7 -14,3 -12,5 -12,7 -8,7 -5,0 -11,4 -8,2 -5,7 о чГ -Ь. 1 Ч: -Ь. 5?

£

к

-к

Б

116______________________________________________________________________________________________________Л.В. Енджиевский, А.В. Терешкова

Таблица 2

Описание несущего элемента каркаса фасадной системы Эмпирическая формула при наличии прокладки толщиной 5 мм Значения у (мм) при Р = 35 кг

Оцинкованный кронштейн типа «Краспан» у = 0,0008 • Р 2Д02, R 2 = 0,9979 i,44

Алюминиевый кронштейн типа «Краспан» у = 0,002i • Р1,9625 , R2 = 0,999 2,2

Оцинкованный кронштейн коробчатого сечения у = 0,0032 • р1,0502 , R2 = 0,9994 0,i3

Оцинкованный кронштейн типа «Волна» у = 0,0026 • Р1,0646 , R 2 = 0,9993 0,ii

Выводы

1. Для определения прогиба кронштейна без применения паронитовой прокладки необходимо выполнять расчет по формуле (1) с учетом сдвига (расчетная схема - жестко защемленный консольный стержень).

2. При применении паронитовой прокладки в каждом конкретном случае прогиб следует определять по контрольным испытаниям.

Библиографический список

1. Положительное решение на выдачу патента на полезную модель по заявке, 7 E 04 F 13/00. Кронштейн для крепления навесной панели облицовки здания / Енджиевский Л.В., Щербаков Л.В., Терешкова А.В.; Заявитель и патентообладатель Красноярская государственная архитектурно-строительная академия. - №2006142291/046175; заявлено

29.11.2006. - 7 с.

2. Рекомендации по проектированию и применению для строительства и реконструкции зданий в г. Москве фасадной системы с вентилируемым воздушным зазором «КРАСПАН ВСт о(н)». - М. : ЦНИИЭП жилища, 2003. - 72 с.

3. Енджиевский, Л.В. Анализ алгоритмов определения прогибов стальных составных двутавровых балок с учетом сдвига / Л.В. Енджиевский, А.А. Юрченко // Известия вузов Строительство. - 2002. - № 10.

4. Пат. 54383. Российская Федерация, МПК E 04 F 13/00. Комплект крепления фасадной подвески (варианты) / Енджиевский Л.В. № 2005134758/22; заяв. 09.11.2005; опубл.

27.06.2006.

L.V. ENDJIEVSKY, A.V. TERESHKOVA

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL ANALYSIS OF CARRYING BRACKETS DEFORMATION IN THE FACADE SYSTEM WITH VENTILATED AIR-GAP

Experimental and theoretical analysis with illustrative images of the deformations of the carrying brackets in the facade system with ventilated air-gap has been performed. The method of brackets calculation according to Group II of maximum conditions taking into account the shear is presented.