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幕墙系统中结构胶计算方法和设计概念
类别:门窗幕墙  日期:2019-11-27  来源:第一幕墙资讯  点击率:720 

 

在整个历史发展过程中,玻璃结构装配引入外墙和幕墙行业已经有超过30年的历史了。玻璃的结构装配中,通常使用具有高强度,高持久性的结构密封胶把玻璃黏接在幕墙框架上。这种玻璃结构装配的概念的引入,在外墙框架玻璃结构的设计上给予了设计师和建筑师更多的自由,而且在全球范围内改变了对建筑的审美观念。

 

在设计和计算结构胶的数值时,它需要能够承受在玻璃上所受到的各种载荷。在结构装配被引入以后,形成了一些基本的经验计算公式,这些公式已经被幕墙和结构装配行业的设计师和核算师所信赖。

 

这种公式其实是从工程学上的概念得来的,即在幕墙框架上的玻璃所受到的各种载荷等于黏接玻璃的结构胶所产生的抵抗强度。因此,假如施加的载荷取风压在玻璃表面上压力,抵抗强度取施工长度方向上的结构胶所承受的强度,那根据施加的载荷等于抵抗的强度这个工程学概念,结构胶的施工宽度可以从下面的公式得出:

 

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这个基本的经验公式在玻璃结构装配开始的时候就被用来估计或者计算结构胶的注胶宽度,而且在这个行业里面已经被广泛接受。由于这个经验公式已经在大量国内外项目上使用,有这样的支持,这个提供结构胶设计的经验公式一直没有改变过,成功地在各种环境条件下使用了10多年。另外一方面,这个公式计算出来的结构胶宽度拥有非常高的安全系数,在这个行业里面也是无庸置疑的。

 

在现在的建筑设计中,为了减少浪费并且提供具有亲和力的设计和建筑材料,合理设计和价值工程的概念已经被广泛应用。设计师和各种材料供应商现在有责任采取行动来平衡合理设计安全系数,提高材料质量,而并不是建筑质量跟随项目预算那么不确定。

 

当然结构胶的设计和使用也没有例外。为了取得这个平衡,结构胶宽度的设计也需要经历价值工程概念的审核。因此,假如结构胶宽度的设计公式带来了材料过份的,不必要的浪费,那我们就必须对于这个公式进行重新审核。为了进行重新审核,我们必须分析一下现在的经验公式。结构胶的宽度计算是由一个函数组成,这个函数包括建筑设计风压(DWL),较长短边长度(W)和结构胶的设计强度(SDS)。这3个参数的数值,已经成为提供合理安全设计的障碍物。让我们一个一个地来分析。

 

建筑设计风压(DWL),是根据建筑物的相应地理位置上所受到的风压力,同时也根据建筑能够抗拒多少年一遇的灾害性气候,比如10年,50年,甚至100年。设计风压是跟应用在该项目上所选择的使用期限有联系。大多数的设计是在历史数据的基础上选取的。

 

在公式中的较长短边长度(W),是选取该项目上较大玻璃板块的短边长度。这个模式是假设在项目上所使用的玻璃板块的尺寸都是较大的,这个假设也是较苛刻的。除非所有较大尺寸的玻璃都使用,否则这个假设的安全系数已经远远超过了实际上需要的设计了。

 

结构胶的设计强度(SDS),代表结构胶在施加载荷的情况下允许的较大强度。在结构装配已开始,20psi或者140Kpa已经被广泛地应用和接受。但在建筑胶行业里面,大多数的结构胶都能够大大超越这个数值,一般来说都能够达到4-8倍的安全系数。为了满足不标准化的施工条件,质量控制,施工工艺和控制产品差异的需求,提供一个合理的安全系数是非常基本和必要的。然而,建立在3个参数基础上的安全系数,往往超过了结构胶宽度真实的需求。具有讽刺意义的是,很多人认为更大的结构胶宽度能够带来更多的安全系数,相反,当结构胶宽度过大的时候反而会引起一些操作上的失误。一般来讲,对于单组份结构胶,宽度超过15mm已经是比较大的了。较小厚度的结构胶节点,在大宽度的时候是很难注入节点里面的,即使是有经验的工人和使用较好的打胶机也不例外。另外,一个较大宽度带来可能或不可避免的疑虑是当注胶的时候可能会有大量气泡带入或者空气不能排除,这些气泡或空气的进入,明显的较少了结构胶之间或结构胶和玻璃,型材间的接触,从而导致强度的减弱。

 

当时用经验公式计算出的结构胶宽度大于15mm时,我们有3种方法来对工程项目进行重新核对,在不影响设计安全的情况下,检查这么大宽度的结构胶是否真的需要。

 

  1.梯形承载的计算方法

 

这种方法被认为比较准确地反映了在玻璃上的受力情况。使用这种方法计算时,建筑设计风压(DWL),较长短边长度(W),结构胶设计强度(SDS)都没有改变,同时也不会减少他们的安全系数。这种方法就是比经验公式更加合理的分配施加在玻璃上的载荷。

 

为了更加简便的分析,我们假设施加在玻璃上的载荷是由两个对边的结构胶来承受(比方说A和C),见下图。另外两个对边(B和D)没有任何限制并且对于风压不提供任何支撑。在大多数两边结构的装配中,B和D部分或者使用铝框格,或者压平修整,这样一来两边结构的装配就变成了四边结构。另外两边(B和D)受到的强度需要在使用铝框格的时候计算强度是否满足。

 

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同时,在工程学上面使用梯形承载计算方法是比较常用的,这种现实的承载方式能够具体分配在玻璃上的载荷。一般这种方法比较适合长宽比在2:1的时候。见下图。

 

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下面的一个案例是传统设计方法和梯形设计方法的比较,分别得出不同的结构胶宽度。使用这种合理的设计方法,可以在不变的设计安全情况下减少结构胶的宽度。

 

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2.增加结构胶设计强度,SDS

 

在第二种可选择的方案中,把基本的计算方法中结构胶设计强度SDS提高,增加到整个行业可以接受的范围里面,而不是以往的20psi或140kpa。ASTM C-1135是测试结构胶在各种环境条件下的试验方法,其中规定在各种条件测试下得出的较小拉伸强度为50psi或者是345kpa,所有的结构胶测试出来的数据都大大超过这个范围。相比结构胶的设计强度(20psi或140kpa),都可以达到至少2.5倍的安全系数。当测试ASTM C1135的时候,大多数的结构胶都能够给出超过100psi或者690kpa的较大拉伸强度,从而给出了一个更加安全的设计结构。对于个别案例,在需要的时候结构胶的生产厂家可以给出一个相比传统公式更加高的设计强度。在这种案例中,需要有大量的实验数据来证明结构胶产品的实际较大拉伸强度,提供一个可靠的,可以接受的安全数据来满足项目的要求。

 

中国的幕墙标准JC/T102-2003中,允许的结构胶设计强度已经更改为28.5psi或者是200kpa,现在已经在所有国内幕墙项目上应用。下面的一个案例是使用中国新的规范和传统设计方法的比较。当使用这种合理的设计方法时,是用减少的安全系数来增加结构胶的设计强度SDS,这种方法必须得到相关设计师,业主,结构胶生产厂家的认可。

 

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3.综合拉伸和剪切强度的作用

 

这种结构,注入结构胶不单单应用在玻璃板片的背后,而且在玻璃的四周也同时注入,固化以后形成L型的节点,那结构胶所产生的作用实际上是综合了拉伸和剪切的强度,为A和B两个部分,如图所示。

 

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基本的结构胶计算方式可以用来计算A和B共同作用下结构胶的宽度。对于A部分来说,结构胶所承受的强度已经在前面介绍过了。而对于B部分来讲,是在玻璃受到风压的时候表现出来的剪切力,ASTM C-961是用来测量结构胶剪切力的强度,可以用来确定结构胶表现出来的强度。

 

假如结构胶的剪切强度能够达到或大于100psi或690kpa,我们可以讨论得出对于B部分,同样可以使用20psi(140kpa)作为剪切强度的设计强度,也拥有至少5倍的安全设计。从下面的计算案例可以看到,单单使用A部分强度的计算结果和同时使用A和B部分共同作用下的计算方法。当结构胶剪切力存在的时候,同样可以看作结构胶产生的一种抗拒力,这样结构胶宽度就能够明显的减少。但要注意,不管什么情况下,A部分结构胶的较小宽度要达到6mm。

 

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在开始的时候,较理想的还是选用基本的经验公式来计算结构胶的宽度,当然可以利用上面任何一种计算方式对结构进行重新审核。比较适合的规则当然是在宽度小于15mm的时候选用基本的计算方法,当出现大于15mm的宽度是,可以请教设计师,技术工程师,甚至是硅胶生产厂胶来评估选用比较合适的计算方式。幕墙工程的安全责任依靠设计师,幕墙公司和硅胶的生产厂家加入到节点设计和施工操作上。同时保证安全还是首要的任务。

 

  以上提出的几种重复计算方法都能够有效的减少结构胶的宽度。现在需要大家共同认识到这种合理的设计理念,既有效的减少材料的浪费,同时又维护公共安全的责任。

 



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