автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Деформации конструкции стеклопакета под климатической нагрузкой

г

005048175 На правах рукописи

Стратий Павел Васильевич

ДЕФОРМАЦИИ КОНСТРУКЦИИ СТЕКЛОПАКЕТА ПОД

КЛИМАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ

- /

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ЯНВ 2013

Москва 2012 г.

005048175

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный

сотрудник

Плотников Александр Александрович

Официальные оппоненты: Ибрагимов Александр Майорович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

архитектурно строительный университет», заведующий кафедрой «Стандартизация,

качество, сертификация и техническая диагностика в строительстве».

Грановский Аркадий Вульфович

кандидат технических наук, доцент, ОАО НИЦ «Строительство», заведующий лабораторией Центра исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко.

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие г.

Москвы Управление по проектированию общественных зданий и сооружений «Моспроект-2» им. М.В. Посохина

Защита состоится «25» декабря 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 9, «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «ДЗ» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение

В подавляющем большинстве светопрозрачных фасадов современных зданий в качестве заполнения используются стеклопакеты. В отличие от ранее применявшихся светопрозрачных конструкций, в стеклопакетах по причине их герметичности возникает специфическая нагрузка. В европейской строительной практике данная нагрузка получила название «климатической» или, согласно терминологии стандарта ЕЙ 13474, «внутренней нагрузки» в стеклопакете.

Климатическая нагрузка возникает из-за герметичности конструкции стеклопакета. После его изготовления стеклопакет становится подверженным изменению температуры и атмосферного давления воздуха: при нагреве/охлаждении внутренний воздух расширяется/сжимается, возникает разница между внутренним и атмосферным давлениями, деформирующая стекла пакета. Аналогичную разницу создают климатические колебания атмосферного давления, в связи с чем, данная нагрузка получила название климатической (или внутренней).

На протяжении всего срока эксплуатации с момента его герметизации стеклопакет находится в напряженно-деформированном состоянии, создаваемом климатической нагрузкой. Цикличность и знакопеременность климатической нагрузки является основным фактором, определяющим максимальный срок эксплуатации стеклопакета в 25 - 30 лет. Практически действие климатической нагрузки можно наблюдать визуально как оптические искажения на фасадной плоскости остекления из-за деформации стекол пакетов. Данный негативный архитектурный эффект в ряде случаев полностью разрушает эстетический и художественный замысел архитектора. От действия климатической нагрузки в сочетании с ветровой, деформации стекол могут превышать максимально допустимые, что может привести к разрушению стеклопакета. При проектировании структурного остекления данный фактор является важнейшим с точки зрения безопасности.

В европейской практике проектирования стеклопакетов климатической нагрузке уделяется серьезное внимание в нормативной документации, расчетным является сочетание ветровой и климатической нагрузок, и расчет ведется по 1-му предельному состоянию, не учитывая нарушения архитектуры. В нашей стране в силу специфики данной нагрузки, не характерной для иных светопрозрачных конструкций (далее — СПК), климатическая нагрузка не учитывается при проектировании, информация о ней отсутствует в нормативной документации.

Актуальность работы.

Возрастающая тенденция к массовому использованию пакетного остекления в современном строительстве заставляет обратить внимание на особенности формирования напряженно-деформированного состояния в

ограждающих конструкциях наружной оболочки, изучить различные составляющие внутренней нагрузки и выбрать принципы проектирования СПК с учетом сохранения архитектурного облика зданий.

Климатическая нагрузка является основным фактором, определяющим максимальный срок эксплуатации стеклопакета в 25 — 30 лет.

Климатическая нагрузка в сочетании с ветровой может привести к разрушению стеклопакета. При проектировании структурного остекления данный фактор является важнейшим с точки зрения безопасности.

Климатическая нагрузка приводит к оптическим искажениям на фасадной плоскости остекления из-за деформации стекол пакетов. Данный негативный архитектурный эффект в ряде случаев полностью разрушает эстетический и художественный замысел архитектора.

Цели и задачи работы.

Целью работы является уменьшение деформаций, искажающих архитектурный облик фасада и снижающих срок службы стеклопакета. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать физико-математическую модель и метод расчета стеклопакета на климатическую нагрузку;

2. Проверить достоверность предложенной физико-математической модели лабораторными экспериментами;

3. Сформулировать методику определения исходных данных для расчета климатической нагрузки;

4. Изучить зависимость деформации стеклопакета от его конструктивных характеристик и разработать рекомендации по проектированию и оптимизации конструкции стеклопакетов для снижения деформаций.

Научная новизна работы.

1. Разработана физико-математическая модель пространственной работы стеклопакета под действием климатической нагрузки;

2. Сформулирована и обоснована группа исходных данных для расчета климатической нагрузки, проведена оценка величины климатической нагрузки применительно к климатическим условиям г. Москвы;

3. Экспериментально подтверждена работоспособность физико-математической модели, установлено, что влияние воздушной прослойки в работе стеклопакета под климатической нагрузкой является основным фактором.

Практическая значимость работы.

1. Сформулирован перечень исходных данных и принцип их сочетания для расчета максимальной климатической нагрузки;

2. Предлагается инженерный метод расчета стеклопакета на климатическую нагрузку, позволяющий рассчитать деформации стекол пакета;

3. Составлены рекомендации для проектирования, позволяющие снизить деформации стекол пакета, что приведет к увеличению срока службы стеклопакета, снижению вероятности его разрушения.

На защиту выносится:

1. Физико-математическая модель пространственной работы стеклопакета под действием климатической нагрузки;

2. Метод подготовки исходных данных для расчета климатической нагрузки и различные сочетания нагрузок, учитывающие работу стеклопакета в зимнее и летнее время;

3. Результаты лабораторных и теоретических исследований;

4. Инженерный метод расчета деформаций стекол стеклопакета на климатическую нагрузку.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности», Москва (2010 г.);

- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (2011 г.).

Структура н объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы. Работа имеет общий объём в 158 страниц машинописного текста, содержит 41 таблицу, 50 рисунков, библиографический список использованной литературы из 52 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяется цель, и устанавливаются задачи исследований.

Первая глава посвящена состоянию вопроса и задачам исследования.

С начала производства стеклопакетов и до настоящего времени при их изготовлении за основу был принят принцип герметичной камеры, ограниченной двумя стёклами с заполнением межстекольного пространства осушенным воздухом (рис. 1). Осушенный воздух внутри камеры используется для снижения точки росы, препятствуя выпадению конденсата и образованию изморози внутри стеклопакета. Герметичность стеклопакета предотвращает

попадание влаги и пыли во внутреннюю камеру, а также объединяет стекла в совместно работающую пространственную конструкцию.

Началом производства современного стеклопакета считаются 70-е годы XX столетия, когда энергетический кризис поставил европейцев перед необходимостью резкого снижения энергозатрат на отопление зданий. Очевидно, что это могло быть сделано, в первую очередь за счёт совершенствования светопрозрачных конструкций, повышения их теплозащитных качеств и показателей эксплуатационной надёжности. На сегодняшний день доля стеклопакетов с двойным контуром герметизации составляет около 90% всего мирового производства стеклопакетов.

Как и любой герметичный объем газа, воздух внутри стеклопакета расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, деформируя стекла. Практически это может наблюдаться визуально почти повсеместно как искажения на фасадной плоскости. В европейских нормативных документах стекла пакетов предлагается рассчитывать по 1-му предельному состоянию, без учета степени прогиба стекол. Расчеты стеклопакета по 1-му предельному состоянию сопряжены с проблемой малой изученности стекла как материала. В данной диссертации в качестве основного критерия предлагается ввести расчет деформаций стекол стеклопакетов.

Использование данного принципа расчета позволит решить ряд проблем с пакетным остеклением, которые условно можно разделить на инженерные и архитектурные:

1. Ограничение срока службы стеклопакета за счет разгерметизации: сезонные и суточные температурные перепады, а также колебание атмосферного давления воздействуют циклически деформируя стеклопакет, способствуя разрушению герметизирующего контура;

2. Разрушение стеклопакетов от действия климатической нагрузки совместно с ветровой: такое сочетание может создать напряженно-деформированное состояние, при котором велика вероятность разрушения стекол; это особенно важно для структурного остекления, где стеклопакет закрепляется не механически, а приклеивается по периметру к несущей раме структурным клеем-герметиком;

3. Архитектурная проблема прогибов стекол: оптические искажения на деформированных стеклах разрушают архитектурный вид здания. Стекло должно быть управляемым инструментом архитектора при формировании облика современного здания.

Данная архитектурная проблема сегодня не имеет инженерного решения и не рассматривается как актуальная. Существующие методы борьбы с оптическими искажениями на стеклопакетах неэффективны. Таким образом, в большинстве случаев инженерная реализация «стеклянного здания» практически противопоставляется архитектурной идее такового.

Рис. 1. 1) Общественное здание, г. Москва, Россия; 2) Здание банка г. Розенхайм, Германия; 3) Штаб-квартира фирмы Adidas г. Херцогенаурах, Германия; 4) Здание дворца спорта «Янтарь», г. Москва, Россия.

Опыт исследования проблемы климатической нагрузки в стеклопакетах имеется как за рубежом, так и в нашей стране. Основные исследования в Европе были проведены в 60-80х годах 20-го века. Сегодня эти исследования являются труднодоступными. Результатом исследований являются европейские строительные нормы (ЕМ), содержащие краткое описание принципа действия климатической нагрузки, исходные данные, необходимые для расчета, а также простой инженерный способ расчета. В качестве основного механизма работы стеклопакета под климатической нагрузкой приводится краткая, но принципиальная информация: климатическая нагрузка как внутреннее изохорное давление в стеклопакете снижается за счет гибкости стекол и частично за счет деформативности герметика. Стекла прогибаются до достижения баланса внешних и внутренних давлений. Данные прогибы стекол вызывают напряжения в стекле и должны учитываться при проектировании стеклопакетов.

Большее внимание в ЕЫ'ах уделено величине климатической нагрузки, а также необходимости ее учету в различных случаях. Согласно ЕЫ 13474-1 климатическая нагрузка может достигать +20,4 кПа и -23,4 кПа. Эти данные рассчитаны для более мягких, относительно РФ, европейских климатических условий. Принципы расчета климатической нагрузки не обоснованы.

Пик отечественных исследований проблемы внутренней нагрузки в стеклопакете приходится на 75-78 годы. Главным образом данной проблемой занимались в ЦНИИПромзданий: проблема расчета стеклопакета рассматривалась комплексно - на различные как внешние, так и внутренние нагрузки. Исследования носили характер базовых. Физико-математическая модель работы стеклопакета под климатическими нагрузками не достаточно проработана. Понятие климатической нагрузки получило название «пневмоэффекта», который возникал в герметичной камере стеклопакета при изменении атмосферного давления и температуры. В результате проведенных исследований был описан механизм действия «пневмоэффекта» на стеклопакет, предложен инженерный метод расчета основанный на матричном исчислении и графиках-номограммах.

Рассмотрены также современные программные расчетные комплексы, основанные на МКЭ.

Исследование состояния вопроса по данной проблеме выявило:

- Отсутствие полностью обоснованной физико-математической модели работы стеклопакета под климатической нагрузкой, позволяющей рассчитывать и проектировать прогибы стекол:

- Отсутствие методики сбора нагрузок и определения критических сочетаний климатических нагрузок для климатических условий РФ:

- Отсутствие метода проектирования стеклопакета с учетом прогибов стекол, что не позволяет прогнозировать деформации и регулировать оптические искажения стеклянных фасадов зданий.

Вторая глава посвящена разработке физико-математической модели работы стеклопакета под климатической нагрузкой.

Под термином «климатическая» (внутренняя) нагрузка понимается избыточное или недостаточное давление во внутренней герметичной камере стеклопакета, возникающее при изменении атмосферного давления и температуры окружающей среды (рис. 2). Возникает климатическая нагрузка в момент герметизации стеклопакета и действует на него в течение всего дальнейшего срока эксплуатации.

Для объяснения природы возникновения климатической нагрузки необходимо кратко обратиться к теоретической физике. Т.к. стеклопакет герметизируется, газ внутри, находясь в изолированном состоянии, становится полузакрытой термодинамической системой. Герметизация сохраняет неизменное количество воздуха внутри, однако температура газа, его давление и объем могут взаимосвязано изменяться. Термодинамическое состояние описывается уравнением идеального газа Менделеева-Клапейрона:

і _

= const

где:

Ро и Р\ — начальное и конечное давление газа;

К0 и \\ — начальный и конечный объем газа;

Г0 и Т\ — начальная и конечная абсолютная температура газа.

Р> Р„

, = Р.,

Рис. 2. Деформации

стеклопакета под действием внутренней нагрузка.

При рассмотрении

физической модели

стеклопакета как герметичной газовой камеры, конструкции можно разделить на два типа.

Первый тип конструкций представляет собой

пространственные оболочки, которые отличаются большей жесткостью и малыми деформациями и работают на Разница в давлении наружного атмосферного

, <Р„.

изгиб и сжатие-растяжение давления и внутреннего воспринимается за счет напряжений в конструкциях. К ним относятся такие конструкции как телевизионные трубки, электрические лампочки, стеклоблоки. Для проектирования таких конструкций можно не учитывать физические законы поведения газов, т.к. работа данных конструкций основана на сопротивлении стекла как материала.

Если АУ= О и Г, = Г0, то АР = Р0-Рі

Второй тип конструкций представляют собой весьма гибкие оболочки минимальной жесткости, работающие только на растяжение. Равновесие наружного атмосферного давления и внутреннего выравнивается за счет изменения объема камеры. Приблизительно такая схема применима для мыльных пузырей или воздушного шарика в начальный период его наполнения. Жесткость их стенок весьма мала и не оказывает влияния на внутреннее давление, которое практически равно атмосферному. Для их расчета допустимо использовать только законы газодинамики, т.к. сопротивление стенок незначительно.

Если АР = 0 и Р, =Р„, то AV=V0- V,

Данные два типа являются краевыми условиями по принципу работы конструкций под климатической нагрузкой. Но обычные стеклопакеты по типу своей работы под климатической нагрузкой имеют промежуточную схему, но фактически весьма близки ко второму типу конструкций - с гибкими стенками. Но есть существенные отличия, которые не позволяют применить методы расчета, подходящие для конструкций с гибкими стенками. Особенностью стеклопакета является переменная жесткость стекол, которая зависит от величины прогиба. В начальный момент времени стекла пакета представляют собой тонкие плоские пластины, и могут рассчитываться на изгиб. С увеличением кривизны стекла будет работать не как плоские пластины, а как пространственная оболочка и должны рассчитываться на изгиб и сжатие-растяжение. Так для расчета прогибов стекол стеклопакета под климатической нагрузкой в физической модели необходимо учитывать и законы поведение газа в замкнутом объеме, и законы сопромата.

В данный момент времени деформированные стекла находятся в состоянии статического равновесия, когда внутреннее давление почти равно внешнему. В силу упругости стекол внешнее и внутреннее давления не будут абсолютно равны. Небольшая часть внутреннего давления, как равномерно распределенная нагрузка, создает напряженно-деформированное состояние стеклянных пластин. Так необходимо различать климатическую нагрузку (внутреннее изохорное давление) и фактическое внутреннее давление (остаточное), деформирующее стекла. Нахождение баланса скомпенсированного изохорного давления и остаточного внутреннего давления, деформирующего стекла, является ключевым для вычисления прогибов стекол и напряжений в них. Согласно проведенным расчетам, около 93-97% внутреннего давления компенсируется изменением объема. Оставшиеся 3-7% климатической нагрузки воспринимается за счет работы стекол (рис. 3).

Рас. 3. Схема изменения внутреннего давления с изменением объема, где Р Р — изменение вн. давления под климатической нагрузкой; V — изменение вн. объема под климатической нагрузкой.

%

На основе данной физической модели, был создан метод расчета, позволяющий вычислять прогибы и напряжения различных стекол пакета.

Величина климатической нагрузки определяется как разница внутреннего давления, зафиксированного при герметизации, и максимально возможного изохорного давления внутри при эксплуатации. После определения климатической нагрузки необходимо определить, насколько прогнутся стекла

Примерный диапазон работы стекол пакета

жесткость стенок

701

пакета при достижении напряженно-деформированного состояния равновесия

внутреннего и внешнего давлений с учетом работы самих стеклянных пластин.

Вычисления целесообразно проводить методом итерирования.

Методика расчета

1. Ввод начальных данных:

1.1. Задается исходное состояние стеклопакета при его герметизации на производстве: атмосферное давление -Р0, температура - Г0 и объем - Уа;

1.2. Задается расчетное состояние стеклопакета при эксплуатации: атмосферное давление — Р0, температура — 7Т();

1.3. Ввод конструктивных параметров стеклопакета (геометрические, а также жесткость краевого герметика);

2. По исходным данным вычислим максимальную климатическую нагрузку Ь исходя из уравнения (1);

2.1. В соответствии с моделью стеклопакета с идеально жесткими стенками, вычисляется первое критическое значение климатической нагрузки -суммарный перепад давления Р (Па) внутри и снаружи стеклопакета;

2.2. В соответствии с моделью стеклопакета с идеально гибкими стенками, вычисляется второе критическое значение климатической нагрузки — максимальное изменение внутреннего объема стеклопакета А V;

3. Порядок итерирования:

3.1. Зададимся первоначальным значением внутреннего давления q, равным 12% от максимального - д„шх = Р;

3.2. По формулам сопромата найдем величины прогибов в центре каждого из стекол /х и /2 от равномерно приложенной нагрузки q, т.к. функция /((7) известна;

3.3. Зная прогибы каждого из стекол /ь /2 и форму прогиба, которая зависит от типа закрепления пластины, найдем соответствующий объем деформаций АУ, и АУ2;

3.4. Найдем суммарный объем деформаций стеклопакета £ЛУ= АУ/+АУ2+У0;

3.5. Вычислим соотношение ц/Р. Приближение данной дроби к единице (<7 = Р) говорит о работе стеклопакета как системы с весьма жесткими стенками, т.е. все внутреннее давление Р будет воспринято стеклами как равномерно распределенная нагрузка ц\

3.6. Вычислим соотношение 1Д1//ДК Приближение данной дроби к единице (£¿4 V = А У) говорит о работе стеклопакета как системы с весьма гибкими стенками, т.е. все внутреннее давление Р (эквивалентное А У) будет скомпенсировано деформациями стекол 2/1V;

3.7. Проверка подлинности равенства (баланса воспринятой и

, а УаV

скомпенсированной климатическои нагрузки) : ^^ =1(100%)

3.8. При невыполнении проверки подлинности, происходит расчет следующей итерации с соответствующим корректированием первоначально заданного значения внутреннего давления на стекло ц\

3.9. При выполнении проверки подлинности данного равенства известны: эквивалентная нагрузка на стекла д, прогибы каждого из стекол Д и /2;

Определение величины климатической нагрузки

Можно выделить 4 наиболее важных фактора, формирующих климатическую нагрузку:

1. Изменение температуры наружного воздуха;

2. Климатические изменения атмосферного давления;

3. Геодезические изменения атмосферного давления (рис. 4);

4. Изменение внутреннего парциального давления.

ш

' ШИТ

Ф

ЩЩщё

■ :•. , ^ ¿Г *

шт

■мр

1Г поиеркноСТИ Ьоироче-ною р«Л|,«фа (м

ПО 120 130 140 150 1*50 170 180 190 200 210 220 230 240 2$0 260

Рис. 4. Карта высот г. Москвы.

Согласно проведенным расчетам, ввиду малой тепловой инерции стеклопакета, за расчетные величины необходимо принимать абсолютные наиболее холодные и теплые температуры. Климатические перепады атмосферного давления необходимо узнавать от метеослужб, необходимая информация отсутствует в строительных нормах. Разницу геодезических высот мест изготовления и эксплуатации стеклопакета необходимо определять с учетом высоты зданий.

Различные факторы могут сочетаться, взаимоусиливая или ослабляя действие друг друга. Прогибу стекол наружу стеклопакета способствует: увеличение температуры, снижение геодезической высоты, снижение атмосферного давления. Обратные изменения условий производства и эксплуатации приводят к прогибу стекол внутрь.

Для г. Москвы был обусловлен и проведен сбор данных нагрузок, определены наиболее опасные их сочетания. Это т.н. «зимние» условия эксплуатации, при которых величина изохорного давления внутри стеклопакета может достигать 31,5 кПа (31,1% от атмосферного давления).

В результате второй главы:

- Разработана физическая модель работы стеклопакетов под климатической нагрузкой как герметичных конструкций, учитывающая возможный диапазон работы конструкций от системы с абсолютно жесткими до системы с абсолютно гибкими стенками:

- Разработан метод расчета прогибов стекол пакета под климатической нагрузкой, что позволяет прогнозировать и проектировать стеклопакет на деформации стекол:

- Сформулирована и обоснована группа исходных данных, формирующих климатическую нагрузку, (на примере г. Москвы), учитывающий различный характер работы стеклопакета в летних и зимних условиях.

В третьей главе диссертации представлены проведенные эксперименты.

Общей целью постановки данной серии экспериментов являлась последовательное выявление влияния различных конструктивных элементов стеклопакета на его работу под климатической нагрузкой для последующего анализа и преобразования в физико-математическую модель. Для достижения данных целей было методически последовательно поставлены 4 эксперимента, так, чтобы каждый последующий мог быть сравнен с предыдущими. Для достижения данных целей было поставлено 4 эксперимента, так, чтобы каждый последующий мог быть сравнен с предыдущими:

- Исследование работы одинарного стекла;

- Работа стекол однокамерного пакета;

- Работа стекол негерметичного однокамерного пакета;

- Нагнетание внутреннего давления (симуляция клим. нагрузки).

В эксперименте №1 была получена зависимость нагрузка-прогиб для одинарного стекла толщиной 4 мм (рис. 7а). Во втором эксперименте идентично (равномерно распределено до 500 Па с шагом 100, выдерживая по времени) (рис. 6) нагружался герметичный однокамерный стеклопакет 4-24-4. В данном случае стеклопакет работал комплексно: 2 стекла работали совместно посредством герметичной воздушной прослойки, плюс влияние краевого герметика. В эксперименте №3 нагружался разгерметизированный однокамерный стеклопакет 4-24-4. В данном случае оба стекла работали без учета герметичной прослойки, связанные только посредством краевого герметика. При сравнении всех трех экспериментов предполагалось вычленить

при работе герметичного стеклопакета степень влияния отдельно стекла, краевого герметика и воздушной прослойки:

Испытание Эксперимент №1 Эксперимент №3 Эксперимент №2

Стекло • • •

Герметик • •

Возд. прослойка •

а ) 101,0 5) ■ИИИ11ИММИ11И в) ИР ^ММИЩ г)

Рис. 5. Расчетная схема испытаний и модель экспериментального стенда. Прогибомеры ДПЛ-10 и ДПЛ-20. Цифровой портативный микроманометр

ЗОНД-! О.

Рис. 6. Этапы равномерного нагружения 100 — 500 Па с шагом 100.

В результате анализа результатов экспериментов №1-3 установлено, что влияние герметичности воздушной прослойки в работе стеклопакета, весьма значительно и вносит самые существенные изменения в прогибах стекол стеклопакета под нагрузкой. Без учета влияния герметичности воздушной камеры невозможно рассчитать и спрогнозировать прогибы стекол стеклопакета, учитывая только работу стекол и влияние краевого герметика, объединяющего стекла. Так разработанная физико-математическая модель работы стеклопакета в первую очередь основана на физических законах поведения газа, а также работы стеклянных пластин.

Эксперимент №4. Нагнетание воздуха внутрь пакета. Цель эксперимента — симулирование климатической нагрузки. Внутрь стеклопакета нагнетался воздух, замерялись прогибы стекол и внутреннее давление. Внутреннее давление достигло величины 1,7 кПа, прогибы стекол - 6 мм.

а)

О 100 200 300 400 500 —верхний датчик Нагрузка, Па —нижний датчик_

б)

0 100 200 300 400 500 Нагрузка, Па -Верхнее стекло герм. СП -Нижнее стекло герм. СП

в)

О 100 200 300 400 500 Нагрузка, Па —Верхнее стекло негерм. СП —Нижнее стекло негерм. СП

Рис. 7. Экспериментальные графики нагрузка-прогиб стекол по результатам экспериментов: а) 1; б) 2; в) 3.

0 200 4

—Одинарное стекло Нагр> —Теор. шарн. —Теор. жестк. —Верхнее стекло герм. СП —-Нижнее стекло герм. СП

2 6 > Ь

а . /

г 4 / /

о /

& 3 //

0 '

0 0,5 1 1,5 2 Давление, кПа

—Верхнее стекло — Нижнее стекло

о г--------

0 0,5 1 1,5 2 Давление, кПа

—Теор. гибк. пластин шарн. —Теор. гибк. пластин жестк. ^—Экспериментальный прогиб —Кривая приблиз. расчета

Рис. 8. а) сравнение результатов экспериментов №1-3 с теоретическими; б) экспериментальные кривые нагрузка-прогиб стекол эксперимента №4; в) сравнение экспериментальных данных с расчетными эксперимента №4.

При сравнении данных о прогибах стекол экспериментально полученная кривая зависимости прогибов от нагрузки укладывается в теоретические рамки и лежит между расчетным шарнирным и жестким закреплением гибких пластин. Это показывает качественную сходимость экспериментальных и теоретических данных, и свидетельствует о принципиальной работоспособности предложенной физико-математической модели, учитывающей влияние воздушной прослойки и работу стекол. Дальнейшая проработка математической модели путем введения таких неучтенных факторов, как работа герметизирующего слоя, позволит увеличить сходимость результатов до необходимого уровня. В рамках действующей модели введением поправочного коэффициента можно построить кривую приблизительного расчета, имеющую хорошую сходимость с экспериментальными результатами при нагрузке до 1 кПа.

Выводы из главы 3:

- Герметичность стеклопакета является основным определяющим фактором работы стеклопакета под климатической нагрузкой;

- Разработанная физико-математическая модель была качественно подтверждена проведенной серией экспериментов.

Глава 4 посвящена исследованию работы стеклопакета под климатической нагрузкой.

Замечено, что различные стеклопакеты могут по-разному воспринимать действие климатической нагрузки. Многолетний опыт проектирования и эксплуатации показал, что некоторые конструктивные решения могут оказывать отрицательное влияние на работу стеклопакета под климатической нагрузкой. Некоторые из них описаны в современных российских нормах, такие как: запрет проектирования стеклопакетов с соотношением длин сторон более 5/1; нежелательность использования жестких герметиков и др. Эти меры в той или иной степени способствуют снижению влияния климатической нагрузки на стеклопакет, однако систематизированные исследования в данной области отсутствуют. Также остается неясным, насколько действенными являются те или иные меры.

На основании разработанной физико-математической модели были проведены исследования различных конструктивных параметров стеклопакетов, влияющих на его работу под климатической нагрузкой. Были исследованы 5 различных параметров (см рис. 9):

- площадь остекления;

- соотношения сторон;

- межстекольное расстояние;

- степень жесткости герметика;

- толщина стекол (одинаковые и различные по толщине стекла).

Параметрами, наиболее влияющими на работу стеклопакета под климатической нагрузкой, оказались геометрические, а также использование несимметричных по толщине стекол в составе стеклопакета. А симметричное увеличение толщины стекол, вопреки распространенному мнению, оказывает весьма малое позитивное влияние. При комплексном использовании данных конструктивных мер возможно значительно снизить кривизну стекол в пакетах.

На основании полученных результатов исследования можно выдать рекомендации по проектированию стеклопакетов на климатическую нагрузку. Проведем сравнение «неудачно» спроектированного стеклопакета, среднестатистического, применяемого в жилищном строительстве, и оптимизированного согласно проведенным исследованиям.

Под «неудачно» спроектированным стеклопакетом можно принять стеклопакет малых габаритных размеров с сильно вытянутой прямоугольной формой (2x0,5 м), установленный на первом этаже общественного здания. Внутреннее стекло такого стеклопакета обычно выполняется из высокопрочного стекла повышенной толщины (10 мм), что связано с мерами безопасности остекления общественных зданий. Межстекольное расстояние может быть составлять 18-24 мм в целях увеличения энергоэффективности.

а)

площадь, м2

, 4 6 8 10 12 ч „ „ „ „ ч

Сим. толщина стекол, мм д\ Несим. толщ, стекол, ММ \

Рис. 9. Зависимости кривизны стекол с изменением различных параметров стеклопакета: а) площади; б) соотношения длин сторон; в) межстекольного расстояния; г) сшт. утолщения стекол; д) иесшш. утолщение одного из стекол; е) жесткости закрепления стекол.

б)

4 6 8 10 12 Несим. толщ, стекол, мм

Среднестатистический стеклопакет имеет прямоугольную форму, габаритами соответственно стандартным оконным проемам в жилых домах (1x1.5 м). Толщина обоих стекол 4 мм. Межстекольное расстояние — 12 мм.

Оптимизированный стеклопакет должен иметь как можно большую площадь. Внешнее стекло более толстое (8 мм), нежели внутреннее (4 мм). Межстекольное расстояние снижено до возможного минимума (8 мм). Жесткость соединения стекол также должна быть минимальна.

В результате проведенных расчетов стеклопакетов на одинаковую климатическую нагрузку с предложенными конструктивными параметрами, были получены данные, представленные на рис 10. Деформации стекол (//Г) «неудачно» спроектированного с точки зрения климатической нагрузки, обычного оконного стеклопакета жилого дома и оптимизированного стеклопакета составляют соответственно 0,0212 (1/50), 0,0045 (1/220), 0,0031 (1/320). Как видно, путем только оптимизации конструктивных параметров стеклопакетов можно добиться снижения деформаций в 1,5 — 10 раз.

Рис. 10. Деформация стекпопакетов с различными конструктивными параметрами при одинаковой климатической нагрузке.

По результатам данной работы очевидно, что климатическая нагрузка представляет собой серьезный фактор влияния на конструкцию стеклопакета, который необходимо учитывать при проектировании остекления. В этой связи рекомендуется внести исправления, дополнения и поправки в следующие нормативные документы: СНиП 201-07 «Нагрузки и воздействия», СНиП 23-01 «Строительная климатология», ГОСТ 24866 «Стеклопакеты клееные».

Выводы из главы 4:

- Стеклопакеты с различными геометрическими параметрами по-разному работают под климатической нагрузкой. Этот фактор имеет большое влияние на прогибы стекол стеклопакетов;

- Проведены исследования различных конструктивных параметров стеклопакета. Получены зависимости деформации стекол пакета от площади остекления, жесткости краевого закрепления, соотношения сторон а/Ь, межстекольного расстояния и толщины стекол:

- Суммарной оптимизацией всех параметров стеклопакета согласно предлагаемому методу можно значительно снизить кривизну стекол.

Общие выводы и результаты работы.

1. Существующий принцип проектирования стеклопакетов по 1-му предельному состоянию ограничивает срок службы стеклопакета, увеличивает вероятность разгерметизации как механически, так и структурно закрепленного стеклопакета, не решает архитектурную проблему оптических искажений на светопрозрачных фасадах;

2. Разработана физическая модель работы стеклопакетов под климатической нагрузкой, учитывающая возможный диапазон работы конструкций как систем с абсолютно жесткими так и с абсолютно гибкими стенками. Данная модель включает переменный характер работы стенки (стекла) стеклопакета, которые могут работать как жесткие, так и как гибкие пластинки;

3. Разработан метод расчета прогибов стекол пакета под климатической нагрузкой, что позволяет прогнозировать деформации стекол и проектировать оптимальные конструкции стеклопакетов.

4. Сформулирована и обоснована группа исходных данных, формирующих климатическую нагрузку, (на примере г. Москвы), учитывающий различный характер работы стеклопакета в летних и зимних условиях;

0,0225 0,02 0,0175 0,015 0,0125 0,01 0,0075 0,005 0,0025 0

б 0,0

0,0045 <

0,0031 ]

1 2 П1.Неудачн. сп ♦ 2. Среднестатист. сп _А 3. Оптимизир. сп

5. Проведенная серия лабораторных экспериментов качественно подтвердила разработанную физико-математическая модель;

6. Стеклопакеты с различными геометрическими параметрами по-разному работают под климатической нагрузкой. Этот фактор имеет большое влияние на прогибы стекол стеклопакетов;

7. Проведены исследования различных конструктивных параметров стеклопакета. Получены зависимости деформации стекол пакета от площади остекления, жесткости краевого закрепления, соотношения длин сторон, межстекольного расстояния и толщины стекол;

8. Суммарной оптимизацией всех параметров стеклопакета согласно предлагаемому методу можно значительно снизить кривизну стекол.

Основные положения диссертационной работы содержатся в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Стратий П.В., Борискина И.В., Плотников A.A. «Климатическая нагрузка на стеклопакеты» журнал «Вестник МГСУ» 2011 №2 Том 2. - М.: МГСУ, 2011. Стр. 262-267.

2. Стратий П.В., Борискина И.В., Плотников A.A. «Исследование прогибов стекол пакета при действии атмосферной составляющей климатической нагрузки» журнал «Жилищное строительство» 2011 №4. - М.: «Стройматериалы», 2010. Стр. 33 — 36.

Статьи, опубликованные в других научных журналах:

1. Стратий П.В., Борискина И.В., Плотников A.A. «Климатическая нагрузка». Сборник докладов 13 Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов "СТРОИТЕЛЬСТВО - ФОРМИРОВАНИЕ СРЕДЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ" - М: МГСУ АСВ, 2010.

2. Стратий П.В., Борискина И.В., Плотников A.A. «Стеклопакет и иллюминатор. Принципы проектирования». Сборник докладов Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М: МГСУ АСВ, 2011.

Изданные книги:

1. Борискина И.В., Плотников A.A., Стратий П.В. и др. «Здания и сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями». Теоретические основы проектирования светопрозрачных конструкций. Под общей редакцией Борискиной И.В. - С-П: изд. «Любавич» 2012 г.

Подписано в печать 23.11.2012г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ № 11529 Тираж: ЮОэкз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru