Конструкции планарных фасадов

В последнее время все чаще возникает необходимость создания законченных конструкций из стали, где структура металла и узлы являются элементами дизайна. Наметилась тенденция к минимизации несущих и ограждающих конструкций. Сегодня изящество и прозрачность здания являются свидетельством прогрессивности взглядов заказчика и авторов сооружения, а также отражением демократических идей всеобщей открытости. Все это в совершенстве реализуется в планарном остеклении, которое позволяет отказаться от элементов, преграждающих обзор, затрудняющих инсоляцию помещений, и насытить плоскость фасада ритмом изящных деталей.

Технология планарного остекления была разработана относительно недавно и стала одной из самых совершенных и передовых фасадных технологий, неотделимых от архитектурного стиля HI-TECH. Это направление, родившееся в Англии с первыми постройками архитекторов Лондонской школы Ричарда Роджерса, Нормана Фостера и Ренцо Пиано, эстетизировало фасадную конструкцию как произведение строительного искусства и по сей день остается наиболее перспективным. В России пока не существует лицензированных проектировщиков данных конструкций.

На сегодняшний день существуют две основные технологии планарного остекления.

Система остекления на зажимах состоит из опорных консольных деталей для опирания стекла, которое снаружи фиксируется планками. Такая система не требует сверления стекла, и потому она проста в монтаже и относительно недорога в изготовлении.

Пространственные конструкции планарных фасадов

пирамидальная шпренгельная структура

вантовая или стержневая плита

"Cпайдерная" система является второй, более новой и наиболее применяемой. Понятие "Спайдер" происходит от английского Spyder - паук и отражает паукообразную форму консольного элемента крепления. Остекление на спайдерах реализуется точечным опиранием стекла на круглую головку через силиконовые прокладки. Эта технология требует сверления стекла, что придает конструкции большую эффектность, однако создает фактор местной концентрации напряжений. Существует два типа головок: головки с гайкой в плоскости внешней поверхности стекла и коническими отверстиями, а также головки с наружными гайками и цилиндрическими отверстиями. Последние считаются более надежными, так как в них при ветровых нагрузках локальное давление от стекла на головку передается через плоскость, площадь которой можно варьировать диаметром головки. Конструкции спайдеров различаются числом возможных регулировок.

Вследствие различных коэффициентов линейного расширения стекла и металла при больших размерах фасада возможно замыкание стекла в металлической структуре и его разрыв в зоне отверстий. Решить эту проблему позволяет шаровой шарнир в точечном креплении спайдера, компенсирующий возможные перекосы при монтаже. Предусмотрены регулировки головок в плоскости остекления за счет подвижности головки в спайдере и из плоскости остекления за счет погружения шпильки в спайдер. Размер швов между стеклами также должен гарантировать отсутствие их замыкания при перегреве. В зоне отверстия возникает концентрация напряжений, которая может быть причиной разрушения стекла. В отверстии с помощью силиконовых прокладок должен быть исключен его контакт с металлом.

Диаграмма растяжения-сжатия стекла

Для планарных остеклений среди прочих видов используется закаленное стекло.

Закалка позволяет повысить несущую способность стекла. При закалке стекло нагревается до +6400С и мгновенно охлаждается. Внешняя поверхность охлаждается быстрее, чем ядро, и происходит обжатие внешних слоев и растяжение внутренних. При этом напряжения находятся в равновесии. Благодаря закалке расчетное сопротивление стекла на изгиб составляет 50 Мпа (37,5 Мпа при нанесении эмали). При воздействии нагрузки на закаленное стекло отсутствуют пластические деформации в местах концентрации напряжений. Стекло имеет линейную диаграмму растяжения-сжатия вплоть до точки разрушения. Вследствие хрупких свойств прочность на растяжение и сжатие стекла существенно различается и снижается при незначительных повреждениях поверхности. Расчет точечно-опертого стекла на прочность и жесткость является задачей теории упругости и производится методом конечных элементов с помощью ПК. Расчет стекла производится как расчет тонкой пластины с опиранием в углах и состоит в определениии прогибов в центре пролета и решении контактной задачи теории упругости для вычисления напряжений в зоне отверстия.

Важнейшим как функциональным, так и архитектурно-выразительным элементом планарного фасада является несущая стальная структура. Металлические конструкции фасада могут быть плоскими и пространственными.

Плоскими несущими конструкциями служат стальные трубчатые фермы, вертикальные стойки, стержневые и вантовые предварительно-напряженные фермы или вертикально натянутые канаты-струны. Данный ряд конструкций выстроен в порядке убывания жесткости системы. Общая жесткость структуры, вследствие уязвимости стекла является главным критерием ее качества. Плоские конструкции, являющиеся первичными несущими элементами, требуют стабилизирующих связей для устойчивости в плоскости их работы. Связи и распорки не включены в статическую работу, а также трудно учитываемы при приближенных расчетах. В простейших плоских планарных фасадах устойчивость элементов обеспечивается остеклением как диафрагмой жесткости.

Пространственными конструкциями являются пирамидальные шпренгельные структуры или стержневые плиты, которые более экономичны благодаря равномерному распределению усилий и взаимной стабилизации элементов. Сечения стержней пространственных структур подбираются исходя из действующих усилий, а второстепенные связи отсутствуют. При разработке пространственной конструкции необходим замкнутый опорный контур для восприятия усилий по периметру всего фасада или покрытия.

Стержневые и вантовые фермы являются наиболее применяемыми конструкциями планарных фасадов. Вантовые фермы состоят из двух параболически изогнутых тросов или стержневых поясов. Жесткость системы характеризуется стрелой прогиба или максимальной высотой фермы в центре пролета, которая составляет от 1/8 до 1/12 его величины, а также модулями упругости главных элементов поясов. Модуль упругости канатных элементов в 1,5 раза ниже стержневых, так как в них отдельные проволоки работают под углом сплетения и требуют дополнительного вытягивания для обжатия между собой. Также недостатком тросовых систем на малых пролетах является релаксация напряжений и необходимость регулярного контроля усилий. Эти факторы вполне компенсируются в 4-5 раз более высокой прочностью тросов и возможностью их большего предварительного напряжения.

Статическая работа несущей конструкции фасада делится на восприятие собственного веса стекла (вертикальные тросы-подвески ) и восприятие ветрового давления (система поясов и решетки). Особенностью вантовых и стержневых систем является необходимость предварительного напряжения при монтаже, и вертикальный распор, который воспринимается жестким каркасом здания. Предварительное напряжение устанавливается из условия исключения сжимающих усилий во всех элементах при наихудших комбинациях нагрузок, так как ванты не способны сохранять геометрическую неизменяемость без натяжения.

Последняя разработка немецких инженеров - система вертикально натянутых канатов - является самой легкой и минималистичной по дизайну, но наиболее податливой системой, требующей высокого предварительного напряжения и мощного опорного контура.

Автор: А. Смирнов Дата: 01.06.2004 Журнал Стройпрофиль 4-04 Рубрика: фасадные системы. фасады Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной.

«« назад