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幕墙系统中结构胶计算方法和设计概念

文章概括 :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。

SDS=结构胶设计强度 L=玻璃板块长边长度

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),最长短边长度(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。

在公式中的最长短边长度(W),是选取该项目上最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最大的,这个假设也是最苛刻的。除非所有最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最大强度。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的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), 最长短边长度(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。

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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