ВПЛИВ ХАРАКТЕРУ ВПЛИВУ навантажувати ФАКТОРІВ І ОСОБЛИВОСТЕЙ КРАЙОВИХ ЗОН склопакетів НА ЇХ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН
Застосування скла в якості будівельного матеріалу має давню традицію, в першу чергу завдяки такому чудовому властивості, як прозорість. Проблема використання силікатного скла у великих обсягах при будівництві в даний час виникла в зв'язку з мають місце тенденціями в архітектурі, пов'язаними з наданням будівлям сучасного вигляду. До конструкцій із застосуванням силікатного скла, в першу чергу, слід віднести віконні та дверні блоки в будівлях і спорудах, світлопрозорі фасади будівель, підлоги, сходи, огородження сходів, ескалаторів, траволаторів, ліфтових кабін і шахт, дахів і козирків.
собое розвиток в даний час набуло застосування скляних конструкцій для оформлення зовнішніх фасадів і склопакетів значних розмірів, що застосовуються як в звичайних, так і у висотних будівлях (висотою 100 м і більше), що зводяться у багатьох містах країни. Суттєвого впровадження скла в будівництво сприяли успіхи в сучасній скляної технології виробництва і способів зміцнення скла, що дозволяють отримувати скла, які по своїй міцності не поступаються багатьом металів і сплавів.
Цьому також сприяло надання склу ряду особливих властивостей, пов'язаних з використанням теплоотражающих покриттів, тонування скла, що не пропускають до приміщення прямі сонячні промені і т. Д. Інтерес до використання скла в будівництві збільшується з кожним роком, а масштаби його впровадження безперервно ростуть. Особливо це видно на прикладі Москви.
Будівництво будинків підвищеної поверховості - це не тільки технічна проблема, а й економічна, пов'язана, в першу чергу, з недоліком вільної землі в центрі найбільших міст. До таких міст належить і Москва.
При цьому слід зазначити, що відсутність відповідної нормативної бази для таких будівель істотно стримує будівництво багатоповерхових будинків з використанням скла як матеріалу майбутнього. На думку фахівців, природним виходом з такого становища може слугувати програма будівництва будинків підвищеної поверховості висотою 35 - 50 і більше поверхів на основі всебічного вивчення впливу природно-кліматичних умов на елементи конструкцій зі скла в зоні їх будівництва. До таких факторів, в першу чергу, слід віднести питання, пов'язані з проведенням комплексних досліджень метеорологічних даних по вітрових навантажень і температурних впливів зовнішнього середовища, що враховують їх зміни по висоті відповідно до поверховістю будівель в зоні їх будівництва і ряд інших чинників. За деякими параметрами зовнішнього впливу такі дані є, але в цілому проблема в даний час залишається до кінця не вирішеною.
Як зазначалося вище, в склінні висотних будівель необхідно враховувати зміну тиску з висотою. Так, наприклад, в склопакеті для квадратної пластини 1,5x1,5 м товщиною 4 мм прогин скла в її центрі в разі шарнірного обпирання краю на висоті 100 м складе 6,8 мм, що досить багато, особливо для склопакетів, з огляду на невеликі відстані між стеклами. Для пластини товщиною 8 мм такий прогин становитиме 0,85 мм, а для прямокутної пластини 1x2 м прогин становитиме 3 мм для пластини товщиною 4 мм і 0,38 мм для пластини товщиною 8 мм. Встановлено шкала зміни атмосферного тиску для регіону р Москви. Барична щабель становить 8 м / гПа (1 гПа (гектопаскалях) = 102 Па), т. Е. При 0 ° С і тиску 1 000 гПа (на висоті 0 м) при збільшенні висоти на 8 м атмосферний тиск падає на 1 гПа.
З ростом температури барическая щабель зростає приблизно на 0,4% на кожен градус. У теплому повітрі тиск з висотою падає повільніше, ніж в холодному. При підйомі на 80 м тиск падає на 10 гПа, відповідно при підйомі на 100 м тиск падає на 13 гПа і т. Д. Добові коливання в Москві - 9 гПа. При великих розмірах стекол перепади тиску з висотою можуть чинити істотний вплив на зростання напруги і прогинів стекол в склопакетах.
Однак більш істотний вплив на напружено-деформований стан скління, в тому числі і склопакетів, надає вітрове тиск. Відзначено, що в Москві реальна швидкість вітру для холодного (зимового) періоду року становить 4,9 м / с. На висоті 200 м від рівня землі при стійкому стані атмосфери вона може зрости до 8 м / с. При поривах вітру 15-20 м / с тиск може зрости до 20 - 40 кгс / кв. м. Такі навантаження для склопакетів значних розмірів вимагають збільшення міцності і жорсткості скляних пластин. Сильні вітри в останні роки в Москві відзначалися в 160, 1965, 1966,1973 рр. У 1983 р пориви вітру досягали 24 м / с, або 90 км / год, що відповідає тиску 40 кгс / кв. м. При цьому зазначалося зміна швидкості вітру по висоті. Встановлено, що в околицях Москви збільшення вітрового навантаження на висоті 100 м перевищує 5-метрову позначку майже в 3 рази і становить 0,45 кПа, що істотно погіршує показники за міцністю склопакетів значних розмірів.
Такі перепади тиску по висоті, на думку багатьох фахівців, вимагають введення зонування вітрового навантаження по поверхах конкретно для кожної місцевості будівництва висотних будівель. Недоліки практики при будівництві висотних будівель і слабкий облік залежності величини тиску від вітрового навантаження призводять в ряді випадків до перетяжеленной склопакетів. Для довідки в таблиці наведені значення тисків, що діють на скління, в залежності від швидкості вітру.
Крім зазначених вище факторів, величина атмосферного тиску і температурні умови складання, а також умови експлуатації склопакетів (регіон) істотно впливають на напружено-деформований стан стекол. Відомо, що Москва є найхолоднішою столицею світу. Експлуатація західної продукції при низьких температурах в умовах російської зими вимагає спеціальної їх доопрацювання. Додатково потрібно оцінка кількості камер в склопакетах, їх ширини, а також товщини стекол. Необхідно відзначити, що німецький склопакет більш чутливий до перепадів температур, ніж звичайне скло.
Експлуатація таких склопакетів в умовах російської зими може привести до їх руйнування. Встановлено, що зниження температури з 20 ° С, при якій збирався склопакет, до мінус 25 ° С в умовах експлуатації призводить до зниження тиску в камері склопакета на величину 0,0153 МПа, що перевищує величини вітрових навантажень і може привести до «хляпанню» склопакета при невеликих товщинах повітряних камер, т. е. до його руйнування.
При цьому різні температурні умови складання і експлуатації (регіон, час року) призводять до зміни розрахункових схем внаслідок зміни характеристик жорсткості параметрів обрамляють (герметизирующих) матеріалів контуру. Слід також зазначити, що при впливі як зовнішньої вітрового навантаження, так і різниці температур виготовлення і експлуатації склопакета, через повітряний прошарок камери встановлюється деформационная зв'язок між зовнішнім і внутрішнім склом в складі склопакета. Тому необхідно проводити розрахунки на міцність як зовнішнього, так і внутрішнього стекол, що працюють спільно в цих умовах.
Не менш важливі проблеми в склінні будівель виникають і при нагріванні стекол в літній і зимовий час. Специфічна особливість руйнування скла пов'язана з необхідністю врахування ослаблення його міцності властивостей через виникнення технологічних мікротріщин на крайках скла при його різанні в процесі виробництва склопакетів. Наявність таких мікротріщин призводить до зниження межі міцності скла. Розтягують напруги на краю скла виникають внаслідок різниці температур в центральній його частині і на краю.
Наприклад, на вулиці стоять зимові морози, тепле повітря, що йде з приміщень назовні, нагріває поверхню скла центральної зони склопакета, а температура крайової частини скла, закрита віконним профілем, залишається нижчою. Ризик руйнування, який починається по краях стекол, збільшується в сонцезахисних стеклах, поглинаючих в основній масі теплове випромінювання, під дією якого центральна частина пластини сильно нагрівається, а краю залишаються холодними.
Такі звичайні (не екстремальним) перепади температури в ряді випадків можуть бути причиною руйнування силікатних стекол. Встановлено, що при досягненні різниці температур між центром і краєм скла 40 ° С ймовірність руйнування досягає 20%. При різниці температур 55 ° C ймовірність руйнування наближається до 50%. При більшій різниці температур між центром і краєм скла ймовірність руйнування може досягати 100%.
Іншим важливим напрямком у вирішенні проблеми створення надійного в експлуатації скління є правильне проектування умов закріплення крайових зон, що дозволяє вибрати оптимальні товщини стекол в навантажених склопакетах. Такий процес здійснюється в результаті проведення попередніх розрахунків на міцність склопакетів на основі використання сучасних розрахункових схем. У класичній механіці існують різні варіанти завдання граничних крайових умов.
Найбільш відомими з них є наступні:
- Шарнірне обпирання краю пластини скла по всьому периметру.
- Жорстке закріплення краю скла, яке здійснюється за рахунок відсутності прогинів в закладенні скла і кутів повороту.
- Спирається краю пластини скла по всьому периметру на пружні балки кінцевої жорсткості або пружно просідають прокладки.
- Закріплення пластини скла в кутових точках.
- Різні комбінації варіантів зазначених схем.
При цьому в схемах 2, 3, 4 зазначається наявність напруг, що розтягують на краю скла [1,2]. Необхідно відзначити, що використання в розрахунку тієї чи іншої розрахункової схеми призводить до різних значень напруг і прогинів як в центрі пластини, так і на її краю. Тому особливо важливо враховувати значення межі короткочасної міцності скла для краю. Випадки тривалої міцності (статичної втоми) скла в даній роботі не розглядаються.
Для порівняння наведемо деякі результати проведених міцності рас четов пластин скла під дією вітрового навантаження залежно від умов закріплення краю скла (крайових умов), сформульованих вище. У зв'язку з цим розглянемо квадратну пластину, виконану їх силікатного скла з розмірами в плані 1,5x1,5 м і товщиною б мм. Навантаження рівномірно розподілена - тиск від вітру. Швидкість вітру приймалася рівною 80 км / год. Розрахунки проводилися для двох варіантів граничних умов.
- Пластина, шарнірно оперта по контуру на недеформівних опору.
- Пластина, оперта в кутових точках (кріплення на слайдерах).
У першому варіанті максимальні напруги мають місце в центрі пластини і складають 5,6 МПа.
У другому варіанті напруги в центрі пластини складають 13 МПа, а максимальні напруги мають місце на її краю і становлять 17,8 МПа. Значення прогину в центрі пластини збільшується більш ніж в 6 разів у порівнянні з першим варіантом.
Як видно, зміна умов закріплення істотно впливає на напружено-деформований стан пластини скла при навантаженні.
Слід звернути увагу на те, що при значних висотах будівель умови для техніки безпеки експлуатованих стекол повинні бути максимально підвищеними.
В першу чергу, до них слід віднести неможливість руйнування скла від дії випадкових непередбачених факторів зовнішнього впливу, малу ймовірність травматизму людей у разі руйнування скла, а також ряд інших факторів. При цьому травматизм людей значно знижується при використанні багатошарових стекол в разі руйнування окремих шарів.