Напряженно-деформированное состояние П-образных кронштейнов навесных фасадных систем

Анализ напряженно-деформированного состояния элементов навесных фасадных систем (НФС) проводится с целью его предиктивного моделирования и внесения корректировок для оптимизации конструкции еще на этапе проектирования. Оценка напряженно-деформированного состояния базируется на применении графоаналитических методов, конечно-элементном моделировании, а также данных экспериментальных наблюдений. Ветровая нагрузка выступает в качестве одного из ключевых факторов, детерминирующих напряженно-деформированное состояние П-образ-ных кронштейнов [1, 2].

Воздействие ветра порождает статические и пульсационные нагрузки, способные инициировать предельные состояния отдельных компонентов П-образных кронштейнов. При этом возникновение таких состояний может быть обусловлено синергетическим эффектом высоких скоростей ветра и пониженной массой фасадных панелей [3– 5]. Комплексный и всесторонний учет ветровых воздействий на стадии разработки проектов НФС обеспечивает формирование рациональных предпосылок для оптимизации расхода материалов, составляющих их каркас [6–9].

Цель настоящего исследования заключается в изучении специфики влияния ветровых нагрузок в сочетании с весом фасадных панелей на напряженно-деформированное состояние П-образных кронштейнов, используемых в навесных фасадных системах.

Методика проведения испытаний

Одним из способов верификации расчётной модели в программном комплексе является его проверка на достоверность по деформациям [8]. С целью определения фактической несущей способности и деформационных характеристик П-образных кронштейнов были выполнены экспериментальные испытания 20 образцов, представленных двумя типоразмерами (по 10 образцов). Испытание натурных образцов проводилось в лаборатории кафедры «Строительные конструкции и сооружения» ЮУрГУ, при температуре +15 °C. Все образцы испытывались на перемещение П-образного кронштейна в трех точках:

• •    1-я точка расположена в центре полки кронштейна на расстоянии 60 мм от стенки кронштейна для измерения прогиба стенки кронштейна относительно стены;

• •    2-я точка расположена на краю кронштейна для измерения вертикального перемещения края кронштейна от прогиба полок и стенки кронштейна;

• •    3-я точка расположена на расстоянии ближайшего отверстия от стенки кронштейна для измерения сужения полок кронштейна в этом месте.

Деформационные испытания П-образных кронштейнов проводились с применением тарированных грузов, а также гидравлического домкрата для моделирования горизонтальной ветровой составляющей. Нагружение осуществлялось в концевой части кронштейна через подвесную систему. Крепление системы к кронштейнам соответствовало месту крепления направляющей для фасадных панелей, имитируя реальную схему нагружения. Вертикальная нагрузка прикладывалась на высоте 70 мм от окончания П-образного кронштейна, а горизонтальная – на удалении 650 мм от его стенки. Нагружение образцов осуществлялось поэтапно посредством груза (5,16 кг) и домкрата. Показания микрометра регистрировались после каждого этапа изменения нагрузки от домкрата. Подобные методики проведения расчётов и испытаний описаны в [10–15].

Результаты и обсуждение

В табл. 1 и 2 приведены результаты перемещений трех точек П-образных кронштейнов № 1 и № 2. Полученные результаты являются среднестатистическими по 10 измерениям каждого типоразмера П-образного кронштейна.

Графики, отражающие сравнение результатов эксперимента и расчетной модели в программном комплексе ANSYS, приведены на рис. 1 для П-образного кронштейна вылетом 12,5 см и рис. 2 для П-образного кронштейна вылетом 25 см. Для 1-й и 2-й точки результаты измерений перемещения от изначального положения у кронштейна вылетом 12,5 см (см. рис. 1а,б) в 2,5 раза больше кронштейна вылетом 25 см (см. рис. 2а,б). Для 3-й точки перемещения у кронштейна вылетом 12,5 см (см. рис. 1в) в 1,5 раза меньше, чем у кронштейна вылетом 25 см (рис. 2в).

По перемещениям отмеченных точек полученные результаты соответствуют опытным данным. Максимальная погрешность не превышает 5 %. Наступление предельного состояния П-образным кронштейном при преимущественном растяжении наступает при достижении им 4–5 % от пластических деформаций (СП 294.1325800.2017, пп. 4.4.2).

Таблица 1

Результаты испытания П-образных кронштейнов №1 с длиной консоли 12,5 см

№ этапа	Горизонтальная нагрузка, кгс	Перемещения точек кронштейна, мм
		1-я точка	2-я точка	3-я точка
1	15	0	0	0
2	25	0,241	0,29	0,6
3	50	0,673	0,53	1,22
4	75	1,114	0,68	2,29
5	100	1,488	0,766	3,05
6	125	1,858	0,823	3,94
7	150	2,217	0,88	4,63

Рис. 1. Результаты испытания П-образного кронштейна с длиной консоли 12,5 см: а – в 1-й точке; б – во 2-й точке; в – в 3-й точке

Таблица 2

Результаты испытания П-образных кронштейнов № 2 с длиной консоли 25 см

№ этапа	Горизонтальная нагрузка, кгс	Перемещения точек кронштейна, мм
		1-я точка	2-я точка	3-я точка
1	15	0	0	0
2	25	0,096	0,203	0,76
3	50	0,238	0,677	2,11
4	75	0,414	1,191	3,73
5	100	0,657	1,601	5,4
6	125	0,869	2,031	6,61
7	150	1,086	2,34	7,59

Окончание табл. 2

№ этапа	Горизонтальная нагрузка, кгс	Перемещения точек кронштейна, мм
		1-я точка	2-я точка	3-я точка
8	175	1,355	2,653	8,43
9	200	1,688	2,907	9,19
10	225	2,127	3,38	9,9
11	250	2,877	3,583	10,67
12	275	4,088	3,52	11,57
13	300	6,445	3,484	12,52

а)                                                                  б)

в)

а)                                                                  б)

^^^экспериллент

^^модель

в)

Рис. 2. Результаты испытания П-образного кронштейна с длиной консоли 25 см: а – в 1-й точке; б – во 2-й точке; в – в 3-й точке

По результатам анализа пластических деформаций, полученных из расчётной модели:

• –    для П-образного кронштейна № 1 предельное состояние наступило при достижении 150 кгс (1471 Н) горизонтальной составляющей усилий в пяте П-образного кронштейна и составило 4,0 % (рис. 3);

• –    для П-образного кронштейна № 2 предельное состояние наступило при достижении 300 кгс (2942 Н) горизонтальной составляющей в пяте П-образного и составило 4,29 % (рис. 4).

Результаты экспериментов и расчетов могут быть частным случаем в области исследования П-образных кронштейнов по двум причинам [10–15]:

• 1)    рассматривают Г-образный или иной тип кронштейна;

• 2)    прикладывают этапы нагружений в вертикальном направлении без учёта горизонтальной составляющей.

Выводы [6] имеют частичную схожесть с полученными результатами по причине того, что исследовался П-образный кронштейн и случай

Рис. 3. Изополя пластических деформаций П-образного кронштейна с длиной консоли 12,5 см

Рис. 4. Изополя пластических деформаций П-образного кронштейна с длиной консоли 25 см

с горизонтальным приложения нагружения без вертикального груза. Эти выводы подтверждают полученные результаты в том, что предельное состояние П-образного кронштейна наступает в её пяте (см. рис. 3, 4).

Выводы

Оценка ветрового воздействия необходима при определении параметров несущей способности элементов навесных фасадных систем (НФС). Современные программные комплексы, такие как ANSYS, обеспечивают возможность динамическо- го мониторинга деформаций, обусловленных смоделированными нагрузочными воздействиями и граничными условиями, что существенно облегчает решение данной задачи. Эксперименты и расчеты показали, что предельное состояние рассмотренных кронштейнов наступает при нагрузке 150 и 300 кгс (1471 и 2942 Н).

Предложен комплексный метод определения предельного состояния П-образных кронштейнов под действием ветровых нагрузок в узле НФС, позволяющий анализировать их поведение в критических условиях нагружения.