1 стр. из 1

Влияние характера воздействия нагружающих факторов и особенностей краевых зон стеклопакетов на их напряженно-деформированное состояние.

Применение стекла в качестве строительного материала имеет давнюю традицию, в первую очередь благодаря такому замечательному свойству, как прозрачность. Проблема использования силикатного стекла в больших объемах при строительстве в настоящее время возникла в связи с имеющими место тенденциями в архитектуре, связанными с приданием зданиям современного вида. К конструкциям с применением силикатного стекла, в первую очередь, следует отнести оконные и дверные блоки в зданиях и сооружениях, светопрозрачные фасады зданий, полы, ступеньки, ограждения лестниц, эскалаторов, траволаторов, лифтовых кабин и шахт, крыш и козырьков.

Особое развитие в настоящее время получило применение стеклянных конструкций для оформления внешних фасадов и стеклопакетов значительных размеров, применяемых как в обычных, так и в высотных зданиях (высотой 100 м и более), возводимых во многих городах страны. Существенному внедрению стекла в строительство способствовали успехи в современной стекольной технологии производства и способов упрочнения стекла, позволяющие получать стекла, которые по своей прочности не уступают многим металлам и сплавам.

Этому также способствовало придание стеклу ряда особых свойств, связанных с использованием теплоотражающих покрытий, тонирования стекла, не пропускающих в помещение прямые солнечные лучи и т. д. Интерес к использованию стекла в строительстве увеличивается с каждым годом, а масштабы его внедрения непрерывно растут. Особенно это видно на примере Москвы.

Строительство зданий повышенной этажности —это не только техническая проблема, но и экономическая, связанная, в первую очередь, с недостатком свободной земли в центре крупнейших городов. К таким городам относится и Москва. При этом следует отметить, что отсутствие соответствующей нормативной базы для таких зданий существенно сдерживает строительство многоэтажных зданий с использованием стекла как материала будущего. По мнению специалистов, естественным выходом из такого положения может послужить программа строительства зданий повышенной этажности высотой 35–50 и более этажей на основе всестороннего изучения влияния природно-климатических условий на элементы конструкций из стекла в зоне их строительства. К таким факторам, в первую очередь, следует отнести вопросы, связанные с проведением комплексных исследований метеорологических данных по ветровым нагрузкам и температурным воздействиям внешней среды, учитывающих их изменения по высоте в соответствии с этажностью зданий в зоне их строительства и ряд других факторов. По некоторым параметрам внешнего воздействия такие данные имеются, но в целом проблема в настоящее время остается до конца не решенной.

Как отмечалось выше, в остеклении высотных зданий необходимо учитывать изменение давления с высотой. Так, например, в стеклопакете для квадратной пластины 1,5х1,5 м толщиной 4 мм прогиб стекла в ее центре в случае шарнирного опирания края на высоте 100 м составит 6,8 мм, что достаточно много, особенно для стеклопакетов, учитывая небольшие расстояния между стеклами. Для пластины толщиной 8 мм такой прогиб будет составлять 0,85 мм, а для прямоугольной пластины 1х2 м прогиб будет составлять 3 мм для пластины толщиной 4 мм и 0,38 мм для пластины толщиной 8 мм. Установлена шкала изменения атмосферного давления для региона г. Москвы. Барическая ступень составляет 8 м/гПа (1 гПа (гектопаскаль) = 102 Па), т. е. при 0 0С и давлении 1 000 гПа (на высоте 0 м) при увеличении высоты на 8 м атмосферное давление падает на 1 гПа.

С ростом температуры барическая ступень растет примерно на 0,4 % на каждый градус. В теплом воздухе давление с высотой падает медленнее, чем в холодном. При подъеме на 80 м давление падает на 10 гПа, соответственно при подъеме на 100 м давление падает на 13 гПа и т. д. Суточные колебания в Москве — 9 гПа. При больших размерах стекол перепады давления с высотой могут оказывать существенное влияние на рост напряжений и прогибов стекол в стеклопакетах.

Однако более существенное воздействие на напряженно-деформированное состояние остекления, в том числе и стеклопакетов, оказывает ветровое давление. Отмечено, что в Москве реальная скорость ветра для холодного (зимнего) периода года составляет 4,9 м/с. На высоте 200 м от уровня земли при устойчивом состоянии атмосферы она может возрасти до 8 м/с. При порывах ветра 15–20 м/с давление может возрасти до 20–40 кгс/кв. м. Такие нагрузки для стеклопакетов значительных размеров требуют увеличения прочности и жесткости стеклянных пластин. Сильные ветры в последние годы в Москве отмечались в 1960, 1965, 1966, 1973 гг.В 1983 г. порывы ветра достигали 24 м/с, или 90 км/ч,что соответствует давлению 40 кгс/кв. м. При этом отмечалось изменение скорости ветра по высоте. Установлено, что в окрестностях Москвы увеличение ветровой нагрузки на высоте 100 м превышает 5-метровую отметку почти в 3 раза и составляет 0,45 кПа, что существенно ухудшает прочностные параметры стеклопакетов значительных размеров. Такие перепады давления по высоте, по мнению многих специалистов, требуют введения зонирования ветровой нагрузки по этажам конкретно для каждой местности строительства высотных зданий. Недостатки практики при строительстве высотных зданий и слабый учет зависимости величины давления от ветровой нагрузки приводят в ряде случаев к перетяжелению стеклопакетов. Для справки в таблице приведены значения давлений, действующих на остекление, в зависимости от скорости ветра.

Кроме указанных выше факторов, величина атмосферного давления и температурные условия сборки, а также условия эксплуатации стеклопакетов (регион) существенным образом влияют на напряженно-деформированное состояние стекол. Известно, что Москва является самой холодной столицей мира. Эксплуатация западной продукции при низких температурах в условиях российской зимы требует специальной их доработки. Дополнительно требуется оценка количества камер в стеклопакетах, их ширины, а также толщины стекол. Необходимо отметить, что немецкий стеклопакет более чувствителен к перепадам температур, чем обычное остекление. Эксплуатация таких стеклопакетов в условиях российской зимы может привести к их разрушению. Установлено, что снижение температуры с 20 0С, при которой собирался стеклопакет, до минус 25 °С в условиях эксплуатации приводит к понижению давления в камере стеклопакета на величину 0,0153 МПа, что превышает величины ветровых нагрузок и может привести к «схлопыванию» стеклопакета при небольших толщинах воздушных камер, т. е. к его разрушению.

При этом разные температурные условия сборки и эксплуатации (регион, время года) приводят к изменению расчетных схем вследствие изменения жесткостных параметров обрамляющих (герметизирующих) материалов контура. Следует также отметить, что при воздействии как внешней ветровой нагрузки, так и разности температур изготовления и эксплуатации стеклопакета, через воздушную прослойку камеры устанавливается деформационная связь между внешним и внутренним стеклами в составе стеклопакета. Поэтому необходимо проводить прочностные расчеты как внешнего, так и внутреннего стекол, работающих совместно в этих условиях.

Не менее важные проблемы в остеклении зданий возникают и при нагреве стекол в летнее и зимнее время. Специфическая особенность разрушения стекла связана с необходимостью учета ослабления его прочностных свойств из-за возникновения технологических микротрещин на кромках стекла при его резке в процессе производства стеклопакетов. Наличие таких микротрещин приводит к снижению предела прочности стекла. Растягивающие напряжения на краю стекла возникают вследствие разности температур в центральной его части и на краю.

Например, на улице стоят зимние морозы, теплый воздух, идущий из помещений наружу, нагревает поверхность стекла центральной зоны стеклопакета, а температура краевой части стекла, закрытая оконным профилем, остается более низкой. Риск разрушения, который начинается по краям стекол, увеличивается в солнцезащитных стеклах, поглощающих в основной массе тепловое излучение, под действием которого центральная часть пластины сильно нагревается, а края остаются холодными.

Такие обычные (не экстремальные) перепады температуры в ряде случаев могут быть причиной разрушения силикатных стекол. Установлено, что при достижении разности температур между центром и краем стекла 40 °С вероятность разрушения достигает 20 %. При разности температур 55 °С вероятность разрушения приближается к 50 %. При большей разности температур между центром и краем стекла вероятность разрушения может достигать 100 %.

Другим важным направлением в решении проблемы создания надежного в эксплуатации остекления является правильное проектирование условий закрепления краевых зон, позволяющее выбрать оптимальные толщины стекол в нагруженных стеклопакетах. Такой процесс осуществляется в результате проведения предварительных прочностных расчетов стеклопакетов на основе использования современных расчетных схем. В классической механике существуют различные варианты задания граничных краевых условий. Наиболее известными из них являются следующие:
1. Шарнирное опирание края пластины стекла по всему периметру.
2. Жесткое закрепление края стекла, которое осуществляется за счет отсутствия прогибов в заделке стекла и углов поворота.
3. Опирание края пластины стекла по всему периметру на упругие балки конечной жесткости или упруго проседающие прокладки.
4. Закрепление пластины стекла в угловых точках.
5. Различные комбинации вариантов указанных схем.

При этом в схемах 2, 3, 4 отмечается наличие растягивающих напряжений на краю стекла [1, 2]. Необходимо отметить, что использование в расчете той или иной расчетной схемы приводит к различным значениям напряжений и прогибов как в центре пластины, так и на ее краю. Поэтому особенно важно учитывать значение предела кратковременной прочности стекла для края. Случаи длительной прочности (статической усталости) стекла в данной работе не рассматриваются.

Для сравнения приведем некоторые результаты проведенных прочностных расчетов пластин стекла под действием ветровой нагрузки в зависимости от условий закрепления края стекла (краевых условий), сформулированных выше. В этой связи рассмотрим квадратную пластину, выполненную их силикатного стекла с размерами в плане 1,5х1,5 м и толщиной 6 мм. Нагрузка равномерно распределенная — давление от ветра. Скорость ветра принималась равной 80 км/ч. Расчеты проводились для двух вариантов граничных условий.

1. Пластина, шарнирно опертая по контуру на недеформируемую опору.
2. Пластина, опертая в угловых точках (крепление на спайдерах).
В первом варианте максимальные напряжения имеют место в центре пластины и составляют 5,6 МПа.
Во втором варианте напряжения в центре пластины составляют 13 МПа, а максимальные напряжения имеют место на ее краю и составляют 17,8 МПа. Значение прогиба в центре пластины увеличивается более чем в 6 раз по сравнению с первым вариантом.

Как видно, изменение условий закрепления существенным образом влияет на напряженно-деформированное состояние пластины стекла при нагружении.

Заключение

Cледует обратить внимание на то, что при значительных высотах зданий условия для техники безопасности эксплуатируемых стекол должны быть максимально повышенными.
В первую очередь, к ним следует отнести невозможность разрушения стекол от действия случайных непредвиденных факторов внешнего воздействия, малую вероятность травматизма людей в случае разрушения стекла, а также ряд других факторов. При этом травматизм людей значительно снижается при использовании многослойных стекол в случае разрушения отдельных слоев.

Литература
1. Мильков В. Г., Успенский А. А. Расчеты на прочность стеклянного заполнения светопрозрачных конструкций. Оценка влияния характера закрепления краевых зон на напряженно-деформированное состояние нагруженных силикатных стекол // «Строительные конструкции —системы безопасности», 2004, № 3, с. 26–27.
2. Мильков В. Г., Успенский А. А. Особенности поведения стеклянных пластин при изгибе на упруго проседающих опорах при поперечном нагружении // «Строительные конструкции — системы безопасности», 2005, № 4, с. 36–37.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!