По типу открывания окна подразделяются на поворотные, поворотно-откидные, откидные, распашные, раздвижные и глухие; по конструкции переплетов — на одинарные, спаренные, раздельные и раздельно-спаренные.
Кроме того, все светопрозрачные конструкции подразделяются по материалу используемых в них профилей.
Стандартная конструкция оконного блока включает стационарную контурную обвязку — коробку (в ряде источников — раму), подвижно закрепленные на ней элементы — переплеты (в зарубежной технической документации — створки), а также элементы остекления (обычно в виде стеклопакета) и фурнитуру. В зависимости от площади проема и действующей ветровой нагрузки, в конструкцию коробки (рамы) для обеспечения жесткости вводят промежуточные вертикальные элементы — импосты и горизонтальные — поперечины. Дополнительно в оконном блоке могут быть установлены устройства для вентиляции и различные защитные экраны.
Оконные и витражные светопрозрачные конструкции в зависимости от материала и типа сечения оконных коробок и створок относятся к той или иной системе оконных профилей. Под системой оконных профилей будем понимать совокупность профилей различного назначения, подразделяемых на основные и дополнительные и выпускаемых определенным производителем.
В качестве материала для изготовления оконных профилей в традиционных окнах, применявшихся в нашей стране до настоящего времени, использовалось дерево, в современных системах — поливинилхлорид (ПВХ), дерево, алюминий, стеклопластики, а также комбинированные системы — алюминий в сочетании с деревом и ПВХ в сочетании с алюминием. Геометрия и характеристики сечений могут изменяться в зависимости от производителей в отдельных деталях, однако при этом у всех фирм сохраняется единый общий принцип построения как отдельных профилей, так и системы в целом.
Для описания конструктивных решений оконных профилей из ПВХ необходимо дать определение профильной системы или, в более распространенном варианте терминологии, — оконной системы.
Как и в любой строительной технологии, в данном случае под «системой» понимается определенная номенклатура изделий заводского изготовления, предназначенная для решения специализированных задач. В строительстве хорошо известны такие понятия как «система панельного домостроения», «система навесных фасадов», «системы «сухого строительства» ТИГИ КНАУФ» и т.п. При этом, чем больше изделий заводского изготовления применяется при проведении строительных работ, тем меньше трудозатраты непосредственно на стройплощадке. Кроме того, развитая номенклатура изделий позволяет удовлетворить широкий спектр архитектурных и конструктивных решений. Иными словами в определение «система» всегда закладывается определенная идеология, призванная удовлетворить сложную совокупность требований, начиная от решения архитектурно-композиционных задач и заканчивая организацией строительного производства.
Все развитые оконные системы включают в себя как профили, предназначенные непосредственно для изготовления окон - рамы, створки, импоста и штапика, так и профили, позволяющие осуществить эффективный и качественный монтаж оконного блока в проеме. Профили рамы, створки, импоста и штапика, а также профили для распашных безимпостных окон (в некоторых источниках - профили с нащельной манжетой (штульпом) или упорной планкой - так называемые штульповые профили) относятся к группе основных профилей, которые формируют базу любой профильной системы. Все крупные производители выпускают по 5—7 наименований основных профилей каждого вида, что позволяет проектировщику учитывать требования архитектуры, статики и теплотехники для различных климатических районов, в зданиях различной этажности и ориентации. При этом в зависимости от архитектурной композиции и расчетных нагрузок, основные профили устанавливаются в окне в различных комбинациях. На рис. 2.2 показана таблица основных профилей системы VEKA SOFTLINE AD, дающая наглядное представление об их возможном разнообразии.
Все профили, отличные от основных и выпускаемые определенным производителем в рамках конкретной системы, относятся к группе дополнительных профилей. Дополнительные профили в каждой оконной системе отличаются многообразием, в силу чего достаточно сложно поддаются классификации. Однако, по функциональному назначению можно принципиально выделить несколько групп наиболее распространенных профилей.
К первой группе относятся профили, служащие для обеспечения качественного и технологичного монтажа оконного блока в существующем проеме. К ним относятся подставочные профили, нащельники, удлинители (доборные профили) и облицовочные профили.
Вторую группу дополнительных профилей образуют профили, набор которых определяет гибкость и разнообразие архитектурных решений, возможных в рамках данной системы. К этой группе относятся штапики, соединители, всевозможные декоративные накладки, а также поворотные профили.
В особую группу функционально занимающую промежуточное положение между основными и дополнительными профилями, следует выделить реставрационные профили и усилители.
Дренажная камера (в ряде источников - предкамера) оконного профиля предназначена для отвода наружу воды, проникающей через уплотнение при сильном дожде и ветре. С этой целью в раме и створке делается наклонный фальц, имеющий наклон к наружному краю, или специальная выемка (поз. 15), куда стекает вода, попадая затем в дренажные отверстия (см. рис. 2.4), вырезаемые в нескольких точках внизу окна по длине рамы и створки в дренажной камере. В наклонный фальц с определенным шагом устанавливаются выравнивающие прокладки (поз. 12) (в распространенной терминологии - мосты), предназначенные для монтажа стеклопакета. Правила установки опорных подкладок описаны в главе 3.
Для обеспечения воздухо- и водонепроницаемости, по всему контуру рамы и створки устанавливаются пористые уплотнения*. В зависимости от профильной системы, окно может иметь один, два или три контура уплотнения. В зависимости от расположения в оконном профиле оконные уплотнения могут быть классифицированы как наружное, внутреннее и среднее.
Профильные системы со средним уплотнением имеют определенную специфику с точки зрения изготовления глухих окон, а именно: срезание упорного элемента (поз. 2, рис. 2.7), для того, чтобы в рамный профиль вставить стеклопакет. В некоторых системах (например, в системе PLAFEN), упорный элемент для среднего уплотнения предусматривается в съемном варианте.
• Оконные уплотнения изготавливаются, как правило, из материала, обозначаемого аббревиатурой ЭПТК (этилен-пропилен-термополимер-каучук). Международное обозначение - EPDM. ЭПТК-EPDM обладает значительной долговечностью, устойчивостью по отношению к атмосферным воздействиям, высокой прочностью на растяжение (8.3 х 106 Н/м2) и эластичностью (удлинение при разрыве - 400%). При этом его эластичность сохраняется в интервале температур от -50"С до ~120 °С. Будучи устойчивым к воздействию кислот и щелочей, ЭПТК-EPDM имеет низкую сопротивляемость по отношению к минеральным маслам и жирам; набухает в таких растворителях, как бензин и углеводороды. При этом процесс набухания носит частично обратимый характер.
Внутреннее уплотнение прижимается к стеклу профилем штапика (поз. 8, рис. 2.3), для которого в профилях рамы и створки предусмотрен специальный паз. Большинство уплотнений изготавливаются отдельно и устанавливаются в штапик непосредственно в процессе изготовления окна. Существуют также штапики, выпускающиеся с так называемым коэкструдированным (экструдируемым вместе с профилем штапика)уплотнением (поз. III', рис. 2.3), которое составляет со штапиком неразрывное целое.
Системы уплотнения и водоотвода из профиля неразрывно связаны между собой и оказывают гораздо большее влияние на теплозащитные свойства оконного профиля и оконного блока в целом, чем количество камер.
Механическое присоединение вертикальных и горизонтальных импостов. После изготовления рамы, в нее вставляются вертикальные и горизонтальные импосты (поперечины). В каждой профильной системе разработан свой узел крепления импоста, однако все решения сходятся между собой в общем принципе. На рис. 2.12 показаны два варианта крепления импоста системы VEKA Softline AD. Соединитель, закрепляемый при помощи торцевых шурупов (рис. 2.12 а), наиболее распространен. В системе VEKA Softline AD для его крепления применяется специальный профиль импоста (с отверстиями для шурупов), в других системах (например PlusTec и Rehau S 730) применяется соответствующая крепежная вставка. Соединитель на основе П-образного стального элемента (рис. 2.12 б) более прочен. В расчетной схеме рамы он может быть принят в качестве равноценного сварке. Вместе с тем, это решение и более дорого, и применяется далеко не во всех профильных системах.
Для точного примыкания к рамному профилю заготовка импоста на концах фрезеруется по контуру на специальном фрезерном станке, после чего закрепляется в соответствии с принятой схемой.Монтаж фурнитуры: вставка уплотнителей по контуру окна. После сварки и установки импостов, по периметру рамы и створки укладываются уплотнения. Укладка уплотнений осуществляется вручную с допуском на сжатие по длине 1 %. Уплотнения поставляются покрытые тонким силиконовым слоем, нанесенным пульверизатором. Благодаря этому они легко устанавливаются в паз. Укладка уплотнения начинается с середины верхней части окна. Любая профильная система имеет несколько видов уплотнения — как для рамы и створки, так и для штапика. В зависимости от типа устанавливаемого уплотнения оно непрерывно прокладывается через углы или надрезается по углам и стыкуется без зазора с проклейкой. В любом случае, по всему периметру окна должен обеспечиваться равномерный сплошной уплотняющий контур без разрывов.
Уплотнение для штапика может выполняться двумя способами: 1) укладываться по контуру рамы или створки и затем зажиматься штапиком при остеклении; 2) нарезаться и устанавливаться вместе со штапиком, при этом штапик может поставляться в палетах уже со вставленным уплотнением или иметь коэкструдированное уплотнение. Тип уплотнения и штапика подбирается в зависимости от принятой толщины стеклопакета. С точки зрения трудозатрат при изготовлении окон второй способ более удобен.
Несущая система многоэтажного здания образуется вертикальными несущими конструкциями, объединенными в единую пространственную систему с помощью горизонтальных несущих конструкций — перекрытий здания. На рис. 3.1 показана несущая система многоэтажного здания, образованная разнотипными вертикальными конструкциями, а на рис. 3.2 — основные типы плоских вертикальных несущих конструкций. В высоких зданиях эти конструкции иногда объединяют в пространственные ядра-стволы, возводимые обычно из монолитного бетона в скользящей или переставной опалубке. Как видно из рис. 3.2, вертикальные несущие конструкции состоят из вертикальных элементов (столбов, колонн) и связей, соединяющих эти элементы по вертикальным швам: сваренных между собой закладных деталей или выпусков арматуры, бетонных шпонок, выступов перекрытий, ригелей рам с жесткими узлами, перемычек или участков перекрытий над проемами между столбами бескаркасного здания и т. п. Эти связи являются связями сдвига, так как они препятствуют взаимному сдвигу смежных элементов по вертикальным швам.
Несущие конструкции, имеющие один вертикальный шов и, следовательно, один ряд связей сдвига, называются одиосвязными, два ряда связей — двухсвязными и т. д. (см. рис. 3.2). Если бы связи были шарнирными, то каждый столб деформировался бы самостоятельно (рис. 3.3,а), а связи, поворачиваясь без сопротивления, оставались бы горизонтальными. Реальные связи всегда сопротивляются изгибу и сдвигу и тогда столбы деформируются так, как показано на рис. 3.3,6. В уровнях соединения связей со столбами возникают местные моменты и перерезывающие силы.Несущая система многоэтажного здания может быть схематизирована различными расчетными моделями: дискретными, континуальными и дискретно-континуальными. В дискретных моделях сохраняется дискретное расположение связей и вертикальных элементов, заданное в действительной несущей системе, но дискретизация обычно углубляется членением элементов на более мелкие участки (метод конечных элементов, метод сосредоточенных деформаций) или заменой континуума стержневой решеткой. Расчет несущих систем в целом на основе этих моделей требует решения систем алгебраических уравнений весьма высоких порядков, что затрудняет пока применение этих моделей.
Континуальные модели рассматривают здание как сплошную многостенчатую призматическую оболочку с вертикальной или горизонтальной осью. Эти расчетные модели находят применение только при расчете ядер-стволов и объемно-блочных зданий, однако наличие проемов вынуждает прибегать к специальным мерам приведения модели к заданной системе (см. гл. 4).
В дискретно-континуальных моделях сохраняется заданное дискретное расположение вертикальных элементов несущей системы, но сосредоточенные связи заменяются континуальными, т. е. непрерывно распределенными по высоте здания (рис. 3.4,а,б).
Так как обычно несущая система монотонна' по высоте, то расстояние между действительными сосредоточенными связями и жесткости этих связей равны во всех этажах. Следовательно, погонная податливость (жесткость) распределенных связей будет постоянна по высоте здания для каждого вертикального шва (при линейной постановке расчета).
Рассмотрим дискретно-континуальную расчетную модель несущей системы (рис. 3.12), основные особенности которой описаны в п. 3.1. Данная система подвергается в общем случае косому изгибу и внецентренному сжатию со стесненным кручением. Она состоит из вертикальных каркасных и панельных элементов прямоугольного сечения (колонн и столбов), расположенных в плане во взаимно перпендикулярных направлениях и соединенных связями сдвига. Элементы сложного профиля — двутавровые, уголковые и т. п.—рассматриваются как составленные из прямоугольных элементов, которые соединены условными связями сдвига.
Предлагаемый далее метод может рассматриваться как общий способ расчета несущих систем, частным случаем которого является расчет систем по консольной модели (с шарнирными связями), изложенный в п. 3.3. Метод позволяет получить решение и для систем, содержащих элементы замкнутого профиля или для группы столбов со сложным поперечным сечением, объединенных связями сдвига и при этом подвергающихся кручению.
В несущих системах, рассматриваемых в настоящем параграфе, связи сопротивляются изгибу и сдвигу, вследствие чего в них возникают перерезывающие силы Qi}, а в вертикальных элементах появляются нормальные силы Ni (их не следует смешивать с продольными силами, которые создаются в этих элементах приложенной непосредственно к ним вертикальной нагрузкой). Схема возникновения сил N-, от действия горизонтальной нагрузки показана ранее на рис. 3.3. Сравнивая этот рисунок с рис. 3.6, видим, что силы Ni должны возникнуть также под действием вертикальной удельно-неравной или внецентренной нагрузки вследствие сопротивления связей сдвига.Каждый из трех углов, входящих в (3.27), может быть выражен через неизвестную функцию Nt и внешние известные нагрузки. Раскрывая (3.27) для каждого вертикального шва и подставляя в систему уравнений (3.23), можно определить искомые функции Ni, принятые за неизвестные.
Для расчета в нелинейной постановке используется описанный в п. 3.5 алгоритм и программа «Авторяд ЕС» в комбинации с итерационным процессом. После расчета в линейной постановке по программе «Авторяд ЕС» несущая система разделяется по высоте на участки по 4—5 этажей. В пределах каждого участка податливость связей s и модуль деформаций столбов Е считаются постоянными на каждом шаге итерации. Для первой итерации эти константы определяются по принятым диаграммам деформирования в зависимости от усилий (средних в пределах участка), найденных из линейного расчета. Далее для каждого участка решается линейная задача с вновь полученными значениями s и £. На границах участков соблюдаются дополнительные граничные условия N, = Ni+l; #', = #',+ ,. Полученные на втором этапе усилия в столбах и связях используются для отыскания, по принятым диаграммам, новых значений констант s и Е. После каждой корректировки s и £ формируются матрицы жесткости для каждого участка и вычисляются прогоночные коэффициенты от заделки до верха здания (прямой ход), а затем определяются искомые неизвестные N, Т (обратный ход). Далее расчет повторяется до тех пор, пока расхождение в результатах на двух последних этапах итерации не станет меньше заданного предела (например, 3—5%).
Этот метод развит В. А. Люблинским в программе «Авторяд ЕС2» для нелинейного расчета пространственных несущих систем многоэтажных зданий. Блок-схема программы приведена на рис. 3.35.
Для иллюстрации этого процесса на рис. 3.36 показана схема итерационного расчета 20-этажной несущей системы на действие горизонтальной нагрузки при простейшей билинейной зависимости податливости s от Q. До образования трещин эта податливость постоянна, затем она возрастает пропорционально росту Q вплоть до предельного значения, соответствующего разрушению перемычки. Эпюра Q, полученная из линейного расчета на полную заданную нагрузку, разделена на четыре участка по высоте. Для каждого участка определены средние значения Q, которые будут, очевидно, завышенными, поскольку исходят из минимальной податливости перемычек, соответствующей их упругой работе без трещин. По этим значениям Q, согласно диаграмме Q — s, найдены новые значения s для всех участков. Новые s будут больше начальных, так как с ростом Q податливость s возрастает. При этих податливостях s определены новые N и Q и далее этот процесс автоматически повторяется. В данном примере потребовалось семь итераций, чтобы расхождение между последними двумя значениями Q оказалось равным 4%. На рис. 3.36, б показана последовательность выполнения итераций для участка II (черные кружки) и для участка IV (светлые кружки). Так как при нелинейной постановке расчета не действителен принцип суперпозиции, возникает необходимость оговорить историю загружения несущей системы. В соответствии с реальными условиями вначале прикладывается вертикальная нагрузка. Она является более значимой по сравнению с горизонтальной (ветровой) даже при большой высоте здания.
Применение физически нелинейных расчетов целесообразно для выяснения предельного сопротивления несущей системы, т. е. той нагрузки, при которой система разрушается. Ясно, что такая нагрузка может действовать только однократно и не должна возникать при эксплуатации здания. Знать эту нагрузку нужно: для назначения допускаемой нагрузки, для выяснения действительного запаса, имеющегося в сооружении, по отношению к заданной или ожидаемой эксплуатационной нагрузке либо для суждения о поведении сооружения в экстремальных условиях (взрыв, землетрясение и т. п.).
В стадии эксплуатации железобетонные конструкции обычно работают упруго, хотя и с трещинами в зонах больших изгибающих моментов. Это происходит потому, что нормальные трещины при изгибе возникают и развиваются, когда арматура еще работает упруго, а напряжения в сжатой зоне бетона находятся в пределах начальной части восходящей ветви диаграммы а — е, где эта диаграмма еще практически линейна. В этих условиях, как известно из многочисленных опытов, после 5—6 загружений диаграмма Р — б, связывающая усилия и перемещения, становится стабильно линейной и система работает упруго. Поэтому уже более ста лет благополучно используемый в практике статический расчет железобетонных сооружений в упруголинейной постановке и сейчас не теряет своего значения, а в большинстве случаев остается пока еще единственно возможным для определения усилий в сложных пространственных сооружениях на стадии эксплуатационных загружений.
Пространственные несущие системы, подвергающиеся кручению в плане, могут быть разделены на две плоскопараллельные несущие системы, рассчитываемые независимо, если взаимно перпендикулярные системы диафрагм не имеют между собой связей сдвига и одна из взаимно перпендикулярных систем диафрагм (например, показанная пунктиром на рис. 3.41) целиком располагается в одной плоскости. Второе условие означает, что Кривая центров кручения тоже будет лежать в этой плоскости и потому совпадающая с ней система диафрагм не будет сопротивляться повороту перекрытий. Сопротивление повороту будет оказывать только та система диафрагм, в которой отдельные диафрагмы располагаются в параллельных плоскостях. Это позволяет рассчитывать при кручении обе системы независимо друг от друга. В этих системах горизонтальные перемещения взаимно параллельных вертикальных несущих конструкций (а, Ь, /, /, т на рис. 3.42) в их плоскости взаимозависимы, так как эти конструкции связаны перекрытиями. Если не учитывать, как обычно, податливость перекрытий в своей плоскости, то при симметричных в плане схемах и нагрузках горизонтальные перемещения будут одинаковы, а при несимметричных—связаны линейной зависимостью.
В симметричных в плане несущих системах (рис. 3.43, а) поворот не возникает, если /2^2/1, поэтому Т = 0 и нет необходимости соблюдать второе условие для отнесения данной несущей системы к категории плоскопараллельных. В таких системах горизонтальные перемещения и углы наклона всех вертикальных конструкций одинаковы, что позволяет перейти от пространственной модели к плоской схеме, показанной на рис. 3.43, б, в которой отдельные вертикальные несущие конструкции поставлены не параллельно друг другу, а последовательно и соединены между собой нерастяжимыми шарнирными связями. Эти связи имитируют работу дисков перекрытий, жестких в своей плоскости, но не сопротивляющихся кручению и сдвигам из плоскости. В противоположность им связи сдвига в каждой конструкции жестко связаны с вертикальными элементами и сопротивляются изгибу и сдвигу.
На основе изложенных (см. пп. 5.2, 5.5) алгоритмов в ЦНИИЭП торгово-бытовых зданий и туристских комплексов разработана программа ПРИКАЗ автоматизированного расчета здания со связевым каркасом серии 1.020-1. Программа оформлена в качестве стандартной и передана в отраслевой фонд алгоритмов и программ Госгражданстроя (шифр 1 -009). Программа осуществляет статический расчет пространственной несущей системы здания н необходимые проверки прочности конструктивных элементов. Расчетная схема здания подготавливается на основе конструктивной. При составлении расчетной схемы принята следующая терминология:
отдельно стоящая диафрагма — конструкция, состоящая из сборных или монолитных столбов, связанных сварными стыками или надпроемными перемычками. Отдельно стоящие диафрагмы объединены дисками перекрытий в пространственную несущую систему;
столб — вертикальный элемент диафрагмы. В качестве столбов рассматриваются колонны, ряды глухих стеновых панелей или простенков панелей с проемами;
шов — вертикальный ряд сварных стыков или перемычек;
двухколонная диафрагма — конструкция, состоящая из двух колонн и стенового заполнения. Обозначение введено потому, что в программе предусмотрены проверки прочности только плоских двухколонных диафрагм.
В программе предусмотрено, что на фундамент может опираться одна или несколько отдельно стоящих диафрагм. На расчетной схеме выполняется нумерация столбов, швов, отдельно стоящих диафрагм и фундаментов. Характеристикой столбов служат длина и ширина поперечного сечения и модуль упругости материала. По указанным признакам столбы делятся на типы.
Для описания здания применяется ортогональная система координат, оси которой направляются по разби-вочным осям плана здания. Программа имеет следующие ограничения: количество столбов и швов должно быть не более 80; вариантов вертикальных загружений — не более 2; вариантов горизонтальных загружений — не более 6; двухколонных диафрагм, проверяемых по прочности — не более 40; угловых точек плана здания — не более 25; фундаментов под диафрагмы жесткости — не более 30; отдельно стоящих диафрагм — не более 30; типов столбов — не более 40.
Коэффициенты жесткости фундаментов должны быть пропорциональны жесткостям, опирающихся на них диафрагм (с погрешностью до 20%). Все этажи здания должны иметь одинаковую конструктивную схему, при этом проемы в стенах должны быть расположены одинаково во всех этажах. Характеристики столбов не должны меняться по высоте. Допускается считать характеристики одинаковыми, если они различаются не более чем на 30%, при этом в расчет вводятся характеристики, соответствующие нижнему сечению.
Программа разработана на языке PL/1 для ЕС ЭВМ в системах программирования ДОС и ОС ЕС. Программа использует основную память объемом 250 Кбайт. Внешняя память программой не используется. Время счета одной задачи составляет в среднем 5—10 мин. Все расчеты выполняются для нескольких (обычно — восьми) комбинаций вертикальных и горизонтальных нагрузок. Необходимое количество загружений и их содержание определяется расчетчиком, исходя из конкретных особенностей задачи.
