Выбор размеров створок и толщины профиля, а также схемы открывания окна определяется, с одной стороны, архитектурно-композиционными и функциональными требованиями, с другой - условиями работы оконного блока под действием статических нагрузок (ветровой нагрузки, собственного веса остекления и температурных напряжений).
На рис.5.1. показан пример общего вида оконного блока, разрабатываемого на первой стадии проектирования. На этой стадии желательно, чтобы архитектором помимо общих толщин, образуемых комбинацией профилей (коробка + створка, импост + створки), их материала и цвета, были указаны и желаемые выступы коробки оконного блока за контуры стены, образующей оконный проем (рис.5.1.в). При этом определяющими будут являться требования общей фасадной композиции, а также сохранения единого архитектурного стиля при замене окон в старом здании. Следует помнить, что минимально допустимый выступ профиля рамы (коробки) за край стены, технологически необходимый для установки москитной сетки, должен составлять 30 мм.
Рис. 5.1. Общий архитектурно-конструктивный чертеж оконного блока (двухстворчатое окно с жестким импостом): а - габаритные размеры и размеры сечений переплетов (комбинаций профилей); б - конструкция окна и тип открывания створок; в - установка блока в существующем проеме стены; I - створка, открывающаяся в двух направлениях (поворотно-откидная), II - поворотная створка; 1 - оконная коробка, 2 - створка, 3 - жесткий импост, 4 - декоративная накладка, устанавливаемая внутри стеклопакета
Конструктивно назначение размеров элементов окна и выбор схемы его открывания определяется статическим расчетом оконного блока на действие ветровых нагрузок. При этом наибольшую сложность при расчетах и проектировании представляют системы с использованием ПВХ-профилей.
Приведем основные положения расчета на ветровые нагрузки в соответствии с немецкими нормами DIN, поскольку на сегодняшний день эта методика является наиболее отработанной и широко применяемой российскими фирмами. Согласно DIN 1055, ветровая нагрузка, в зависимости от высоты здания, подразделяется на четыре группы (рис.5.1).
Таблица 5.1
Группа нагрузки | Высота здания, м | Давление ветра, Па |
А | 0-8 | до 150 |
В | 8-20 | 150-300 |
С | 20 - 100 | 300-600 |
D | Свыше 100 | Свыше 600 |
При действии ветровых нагрузок и нагрузок от веса остекления, оконные профили будут работать на изгиб. Прочностные характеристики профиля при изгибе будут определяться модулем упругости Е (модулем Юнга) и геометрическими параметрами сечения, характеризуемыми моментами инерции I x и I y. Направления осей Х и У показаны на рис. 5.3.
В табл. 5.2 приведены значения модуля Юнга для различных материалов.
Таблица 5.2 | |
Материал | E, H/м2 x l06 |
ПВХ твердый | 2 700 |
Дерево | 10 000 |
Алюминий | 70 000 |
Сталь | 210 000 |
Из-за маленького значения Е-модуля ПВХ профили должны усиливаться. По этой причине в ряде источников их называют еще металлопластиковыми профилями. Из табл.5.2 видно, что оптимальным материалом, увеличивающим жесткость, является сталь. Большая разница жесткостей ПВХ и стали является причиной того, что при расчетах на силовые нагрузки, жесткостью ПВХ пренебрегают. При этом считают, что ветровая нагрузка, действующая на окно, воспринимается несущими элементами -профилями рамы, импостов и поперечин, а нагрузка от собственного веса стекла при открывающемся окне воспринимается створкой, и через элементы фурнитуры передается на раму. В случае глухого остекления собственный вес стекла воспринимается рамным профилем и поперечинами.
Допустимые деформации немецких профилей определяются согласно DIN 18056 "Стены с окнами, измерения и исполнения". Согласно этим нормам, допустимая деформация для импоста и поперечного профиля прямоугольного к поверхности окна не может быть более 1/300 профильной длины. Расчет ПВХ профилей на действие ветровых нагрузок и собственного веса остекления сводится к выбору их армирования и дальнейшему подбору сечения профиля в зависимости от выбранной арматуры.
Распределение давления воздушного потока, действующего в качестве плоскостной нагрузки на окно, осуществляется через биссектрису угла в соответствии с рис.5.4. При распределении нагрузок под углом 45˚, в квадрате образуются четыре треугольные поверхности, а в прямоугольнике - две треугольные и две трапециевидные. Для определения размера В треугольной или трапециевидной нагрузки делится пополам самая короткая сторона. При этом нагрузка на раму приходит с одной поверхности, а на импост - с обеих соприкасающихся поверхностей.
Рис. 5.4. Расчетная схема к выбору типа армирования оконных профилей
Предполагается, что рама состоит из отдельных образующих ее вертикальных и горизонтальных элементов, шарнирно соединенных между собой. При этом каждый отдельный элемент, подвергающийся воздействию ветровой нагрузки, рассматривается как шарнирно опертая балка на двух опорах, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой (рис.5.5). Такая схема соответствует конструкции металлопластиковой оконной рамы (и створки) (рис.5.6), в которой не предполагается жесткой связи между армирующими стальными элементами (причина - в значительном удешевлении за счет этого технологии изготовления окон).
Вычисление требуемого момента инерции производится по формуле:
Момент инерции, вычисляемый по формуле (5.1), должен быть определен раздельно для каждой области нагрузки. Области нагрузки, расположенные справа и слева, не должны складываться. Моменты инерции рассчитываются отдельно для каждой из составляющих и только потом суммируются.
ПРИМЕР 1.
Окно с жестким импостом и поперечиной (поперечным жестким импостом). Группа ветровой нагрузки А (рис. 5.1). Размеры на расчетной схеме даны в сантиметрах.
W = 600 Па = 0.00060 Н/ мм 2;
В1 = 70 см; B2 = 50 см; Вз =68.5см; В4 =39см
L (импост) = 215 см
L (поперечина) = 140 см
Е=210.000 Н/мм2;
f=L/З00см
Рис 5.7. К расчету армирования оконных профилей
Вертикальный импост B1:
I х треб = 0.00060 х 215 4 х 70 [ 25- 40 -(70 / 215)2 + 16 (70 / 215)4] = 6,50 см 4
1920 x 210000 х 0,7166
В2;
I х треб = 0.00060 х 215 4 х 50 [ 25- 40 -(50 / 215)2 + 16 (50 / 215) 4] = 5,07 см 4
1920 х 210000 х 0,7166
требуемое значение I x n= 11,57см4
Поперечина
ВЗ;
I х треб = 0.00060 х 140 4 х 68.5 [ 25-40-(68.5 /140)2 + 16 (68.5 /140)4] = 1,37см4
X 210000 x 0,466
В4;
I х треб = 0.00060 x 140 4 x 39 [ 25- 40 -(39 /140)2 + 16 (39 /140) 4] = 1,05 см 4
1920 x 210000 x 0,466
требуемое значение I x n= 11,57см4
На основании вычисленных моментов инерции по каталогам оконной системы подбираются элементы армирования требуемого сечения, а затем ПВХ-профили, в которые это армирование может быть установлено. Производителями профилей разработаны специальные таблицы, приведенные в приложении 4, по которым может быть проведен упрощенный расчет требуемых моментов инерции для каждой конкретной системы. Кроме того, все оконные блоки должны быть спроектированы с учетом ограничений по максимальным размерам, накладываемых производителем профильной системы
ПРИМЕР 2.
Окно для двухэтажного здания (группа нагрузки А, высота над поверхностью земли 0-8 м), размером 2.1 х 1.5 м. Система профилей Veka Softline AD. Размеры на схеме даны в сантиметрах.
Поз. 1 - рама. пролета I = 210 см. Ширина нагрузки а = 75 см.
По табл.1 прил.2 находим Ix треб = 7.09 см 4. По табл. 1 прил.1 принимаем стальной прямоугольный усилитель 40х30 мм с толщиной стенки 3 мм. (Iх=8.18см 4,Iу=5.05см 4). По прил.1 принимаем раму 82 мм. По прил.З принимаем комбинацию рамы 82 мм со створкой 82.5 мм (прил.З стр.1 рис.3).
Поз.2. - импост. Длина пролета I = 150 см.
Ширина нагрузки а = 75 см. Iх треб = 3.14 см 4
Ширина нагрузки b = 30 см. ______I х треб= 1.92 см4 _______________
Сумма необходимых моментов инерции Iх треб = 5.06 см 4
По табл.2 прил. 1 принимаем стальной прямоугольный усилитель 50 х 25мм с толщиной стенки 3 мм (Iу=3.99см 4,Iх=12.55см 4). По прил.1 принимаем импост 82 мм.
Требуемый момент инерции может быть создан соединением нескольких отдельная армирующих профилей. Технологически это осуществляется добавлением к конструкции импоста специальных усилителей. Однако, как показывает опыт, практически все задачи, связанные с застеклением оконных проемов, могут быть решены в рамках стандартного набора импостных профилей практически любой оконной системы, а применение усилителей остается приоритетом витражных конструкций.