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轻钢笔记《美标解读-CFS围护系统设计要点简介》


摘要:

幕墙可以定义为由建筑的主要结构框架支撑的非垂直荷载外墙(自重除外)。当涉及到冷弯型钢框架时,这个定义可以包含许多可能的组件和应用。本技术笔记讨论了幕墙系统的各种结构元素,并介绍了设计荷载和框架分析的主题。


免责声明:

本文所引用的设计不排除使用其他材料、组件、结构或设计,当这些其他设计和材料展示了与预期用途相同的性能时;CFSEI文件不排除任何其他设计或施工技术的使用和实现。


简介:

自20世纪初引入金属和玻璃幕墙系统以来,它们在现代建筑设计中变得非常流行。这些轻质的外部包覆层通常由冷成形钢材构成,并使用各种建筑外部饰面。幕墙附着在建筑结构的主要框架上,旨在容纳结构的变形,包括那些由风和地震力产生的变形,以控制环境渗透或渗漏,并提供长期的、低维护性能。


第一部分 定义

虽然不是包罗万象,以下列出的各种冷弯型钢幕墙构件的基本定义可能对设计师有所帮助。带星号的定义来自AISI S100-07或AISI S200-07。



A .1.1 角连接件:* l形短钢板(通常有90度弯曲),通常用于连接。

A.1.2 角连接件:一个钢角,用于立柱幕墙和主框架之间的过渡。角度是典型的热轧厚度(3/16到3/8英寸),然而更薄的材料可以使用如果跨度和负载要求相对较小。

A .2支撑(桥接)*为其他框架构件提供约束或支撑(或两者皆有)而安装的结构部件,使整个组装形成稳定的结构。常用的支撑构件有冷轧槽钢、扁带和实心挡块。

A.3斜撑(踢脚)斜撑用于幕墙组件的横向支撑。当水平安装时,这个支柱称为支柱。

A.4预埋热轧钢板或带有剪切螺柱或钢筋的角钢,该钢板或角钢浇铸在混凝土地板或梁上,以便连接连续的支撑角钢。

A.5紧固件自钻螺钉是最常用的紧固件类型。有关螺钉的信息,请参阅CFSEI技术说明F102-11,冷弯型钢框架结构螺钉紧固件的选择。

A.6围梁*支撑墙板的水平结构构件,主要受水平荷载(如风荷载)的弯曲作用。在钢螺柱肩墙结构中,一个连续的空心钢截面经常被设计为清除跨度之间的相邻柱,作为一个支持风力作用在螺柱墙。使用腰带可能导致消除劳动密集型对角线踢。

A.7滑动夹一种连接装置,它允许螺柱所连接的主框架发生偏斜。滑动夹或偏转使能装置,可以是专有连接器,允许垂直或垂直和横向漂移。

A.8偏转轨道*(滑轨)一种带有延伸凸缘的轨道,用于在墙的顶部,使结构独立于墙柱垂直移动。设计指导请参考CFSEI Technical Note TN W100-08a, Single Slip Track design。

A.9结构构件(结构螺柱)*可抵抗适用建筑规范要求的设计荷载的构件,除非定义为非结构构件。结构螺柱是c形截面,通常由33密耳和更厚的钢板形成。螺柱既能承受风荷载,也能承受自重(附着在其上的材料的重量)。螺柱间距是外墙饰面系统、施加载荷和螺柱结构性能的函数。标准构件的截面几何形状由AISI S201北美冷成形钢框架标准-产品数据(2007)定义。法兰尺寸通常从1-3/8英寸到2英寸不等。通常要求至少有1-5/8英寸的c形法兰。带较窄法兰的螺柱可以使砌体连接或护套产品的现场安装更加困难。结构螺柱的最小屈服强度为33 ksi。要求更高产量(即50 ksi)的条件包括由恒载荷和风载荷决定其使用的装置。螺柱的厚度是由工程设计预测的,尽管以下最小厚度是常见的:* 33密耳框架组件是允许的填充墙应用涉及自钻螺钉附件。*建议在任何需要焊接冷成形产品的情况下,构件的最小直径为43毫米。美国砖协会BIA Tech Note 28B,要求在任何砖饰面/钢螺栓应用中使用最低4300密尔产品。面外偏转常常影响幕墙框架构件的选择;增加构件深度具有有益的效果。例如,一个6英寸螺柱x 43密耳螺柱(指定为600S162-43) (Ix= 2.3 in4)具有大约3倍的刚度3-5/8 x 43密耳螺柱(或362S162-43) (Ix= 0.71英寸4)。然而,两者之间的重量和成本差异可能没有那么显著。

A.10轨道(或转轮)*仅由一个腹板和两个法兰组成的框架构件。在法兰的内部进行轨道腹板深度测量。



B.1砖饰面由钢框架系统横向支撑,有时也由钢框架系统垂直支撑的一种砖。框架系统之外的组件包括:砖,砂浆,防水外护套,砖石墙系带,流孔,货架角,接缝和接缝密封胶,闪光,隔热,空气空间和蒸汽屏障。AISI CF03-1《钢螺柱砖饰面设计指南》可提供其他设计指导。

B.2不包括框架系统的瓷砖组件包括:丙烯酸乳胶浆液、确保与砂浆粘结的瓷砖、丙烯酸乳胶改性干凝砂浆、改性波特兰水泥砂浆、金刚石网金属板、防水外护套、接缝和接缝密封胶、绝缘材料和蒸汽屏障。

B.3外保温饰面系统(EIFS)一种轻质节能外墙产品,外观为灰泥或预制混凝土。框架系统之外的组件包括:聚合物或聚合物改性基层和面漆,带有金属板条或玻璃纤维增强,膨胀或挤压聚苯乙烯或聚苯乙烯绝缘,防水外护套,接头和接缝密封胶,空腔绝缘和蒸汽屏障。

B.4玻璃纤维增强混凝土(GFRC)一种用抗碱玻璃纤维增强水泥/骨料浆制造的复合产品。制造方法各不相同,但最常见的是用手工设备喷涂成所需形状和尺寸的形式,或在生产线上机械喷涂。GFRC面板具有高的抗冲击载荷,不燃,重量轻,并提供广泛的表面处理。因为它的形成,GFRC面板允许自由的建筑表达。夹角和销钉用于螺栓框架和GFRC面板之间的过渡。

B.5金属面板工厂涂漆的压型/波纹钢板,单层或带芯材料由异氰脲酸酯绝缘,聚氨酯或硅片铝组成。可提供建筑饰面。

B.6改性硅酸盐水泥(灰泥)用于外表面的硅酸盐水泥、水、砂和少量石灰(硅酸盐水泥灰泥)。光洁度是锚定到支持与膨胀的金属板条附在防水覆层产品到螺柱框架。其他系统包括薄型浇铸砖,大尺寸的石头如花岗岩或石灰石,木壁板等。


C.1嵌缝密封幕墙组件中接缝的密封(预制板、砖饰面等),以防止空气和水的渗入。

C.2控制缝一种在施工组件中放置的缝,以形成一个弱点面,以防止随机开裂等。

C.3伸缩缝在结构中有策略地放置的一个缝,以适应周围材料的膨胀或收缩。

C.4防火挡板:隐蔽空间内的坚固、严密的屏障,用于防止火和烟通过这些空间蔓延。

C.5石膏板由不燃石膏板芯组成的产品,覆盖根据性能或应用而特别设计的材料。

C.5.1石膏墙板或石膏板-经过适当的扣件和接合处理后,表面适合烤漆等的内饰产品。

C.5.2石膏护套-由防水石膏芯完全封闭在粘结防水纸或玻璃纤维表面制成的外部产品。

C.6过梁通常描述一个钢角,支撑砌体的重量超过墙壁开口,并反过来由砌体超出门柱的支持。

C.7女儿墙延伸到邻近屋顶上方的墙壁的一部分。

C.8预制(镶板)在远离工作地点的工作场所将钢框架组件组装成尺寸面板或框架。这通常伴随着装饰材料的前附着,如合成石膏,瓷砖等。

C.9改造重建现有结构以增强其外观和/或功能。外墙的翻新通常采用钢框架组件。该产品适用于改造应用,因为其重量一般不会超载现有的结构。现有结构的检查是幕墙改造设计的一个关键方面。

C.10垫片插入两个表面之间以填补空隙或空隙的薄钢板。公差在规定的尺寸或尺寸上允许的变化范围。

C.12墙栓(或砖或砌体栓)一种连接砌体和螺柱的金属锚。系带的作用是将侧向力从砌体转移到螺柱上。燕尾线或类似风格的砖领带可通过各种制造商。波纹系带不应用于涉及钢框架构件的建筑中。

C.13承重加劲肋(腹板加劲肋)*附加的材料,附着在腹板上,以加强成员,防止腹板的削弱。

第二部分 设计荷载

施加在冷弯型钢框架幕墙组件上的典型设计载荷有:重力载荷(自重)、热载荷或应力;地震荷载和风荷载。

“自重”的应用不需要解释。应该指出,尽管如此,应该仔细评估其影响。除普通单层墙体恒载外,其他应用还包括:最低值立柱的轴向荷载来自堆叠墙体体系上方的重量;集中荷载、弯矩和应力来自附在柱墙上的砖支撑角;从飞檐投影,“眉”框架等偏心施加恒载的影响。

B 热负荷或热应力通常有两种表现形式:1)由构件在温度变化下收缩或伸长的趋势引起的轴向力,同时被限制在一个较大的、非常坚硬的、尺寸稳定的主框架内(图1);或2)热引起的弯曲力弓可造成的外部大会主题重大外部内部表面温度差异,比如那些固有的一个绝缘复合金属夹层板(图2)。这通常不是一个问题妥善绝缘CFS框架墙。

C 地震荷载地震荷载是典型的侧向力作用于成员由于在地震期间墙体组装质量的加速度。因此,力是与墙体组件的重量和地震事件的严重程度有关。地震事件的严重程度通常是根据一个特定的地震区域或区域来编制的。幕墙内力按规范计算,而不是按规范某部分和部分或二级结构段的主侧向抗力体系力计算。需要注意的是,墙体组件的各个部分,如胸墙、装饰凸出物等,以及连接和紧固件,与墙体的其余部分相比,可能受到不同的抗震设计力。

D 风荷载是幕墙组件上最典型的控制设计力。与地震荷载类似,它们是根据风速区域编制的,通常也作为一个二级结构组件。建筑物的高度(级以上)、水平尺寸、屋顶结构、周围环境、靠近飓风海岸线以及使用情况都对风荷载的发展有影响。除角区风荷载和负风荷载外,风荷载通常随高度变化。

第三部分 结构分析和设计

A.结构分析结构分析决定了构件所需的强度。幕墙组件的结构分析采用一般公认的结构工程原理。构件被隔离并建模成自由体图或工程图,设计荷载和反应指示在连接到主要结构或其他支撑构件。结果可以通过手工计算,也可以通过计算机软件进行选择。在进行结构分析时,应考虑AISI S211的A3节荷载及荷载组合。

B.基于幕墙结构分析,得出所需的强度(即力矩和力)与构件的设计强度进行比较。这些构件的强度是根据北美冷弯型钢结构设计规范(AISI S100)计算的。冷弯型钢幕墙的典型强度或临界强度评价有:抗弯强度、轴向强度、剪切强度、腹板破坏强度;和/或这些优势的组合。

C.冷弯型钢幕墙最典型的形状是c形栓柱。c形是单对称的,由于伴随的几何特性,一个c形螺柱将倾向于扭曲和偏转(出墙的平面)在风荷载下。这种行为趋势称为扭转-弯曲屈曲。风荷载风荷载是幕墙组件上最典型的控制设计力。与地震荷载类似,它们是根据风速区域编制的,通常也作为一个二级结构组件。建筑物的高度(级以上)、水平尺寸、屋顶结构、周围环境、靠近飓风海岸线以及使用情况都对风荷载的发展有影响。除角区风荷载和负风荷载外,风荷载通常随高度变化。材料可以约束螺柱。构件抗扭屈曲设计强度可按AISI S100标准计算。螺柱截面的抗轴向和弯矩的能力可以根据AISI S100计算,并取决于所使用的支撑类型。一般来说,减小支撑/桥架间距会增加构件的设计强度,而增大支撑间距会降低设计强度。机械支撑/桥接(连续通道、绑带、堵塞或其他)是支撑c形柱墙最常见和首选的方法。根据AISI S211的B1 (b)节允许采用护套支撑设计。注意,本节的使用对总成施加了某些限制:相同的护套附在壁柱的两个法兰上。如果护套类型不相同,为设计目的,应假定两个护套中较弱的一方位于两侧。护套与底部和顶部水平构件(通常是轨道)连接,为螺柱提供横向和扭转支持。工程图纸应将护套识别为结构部件。在以下荷载和阻力系数设计(LRFD)荷载组合下,墙体螺柱应无护套支撑进行估:

1.2D + (0.5L或0.2S) + 0.2W 

因为这些要求,通常是不实际的依赖包板加固设计,特别是如果有一个滑动连接,所以衬板不能连接到顶部,或者负载组合没有衬板需要一个或多个行钢支撑。

D.使用性能/挠度典型的使用性能考虑可能包括整体移动、振动、视觉考虑或构件挠度。在典型的柱架外幕墙中,构件面外挠度是主要的使用性能问题。挠度限制通常由建筑饰面决定。这些通常规定在工程规范中,有时在记录工程师的建议下。虽然不是一个明确的清单,但以下是一些螺栓框架幕墙使用的典型挠度极限:

金属面板L/180 -L/240 

EIFS L/240 -L/360 

Ext.水泥抹灰/灰泥L/360

石L/360 -L/600

砖L/600

在悬臂(胸墙,悬挑等)的经验法则是限制偏斜基于两倍的悬臂长度,如图3所示。这些变形量应计算基于悬臂偏转,独家的支持成员年代旋转的影响,或检查的悬臂和相邻跨偏转,在同等长度的距离的两倍的最大跨度偏转悬臂的结束。这两种方法背后的基本原理都是,悬臂端最终位移,虽然考虑了支撑点的旋转,但并不能准确地反映使用性能限制通常要反映的曲率问题。然而,应该对整个悬臂位移(比如:不大于1/2英寸或其他实际挠度限制)。对于挠度,结构分析通常仅基于螺柱的性能进行。在评估挠度时,AISI S211规定使用70%的构件和覆层荷载。

E.主要框架运动几种不同的建筑运动引起了幕墙框架设计的关注:楼层摇摆;扭转位移;徐变和收缩(通常在混凝土结构中)和重力荷载挠度。相对于冷弯型钢螺柱墙,楼层的摇摆和重力荷载的挠度是最需要考虑的。在大风和地震地区,楼层摇摆可能需要非常具体的设计。在多跨条件下,构件和连接可能会出现问题,在各种幕墙应用的基本连接细节中,特别是在建筑物的角落区域,基本连接细节可能会出现问题。这些问题的解决方案可以有很大的不同——从构件应力或平面抗剪强度验证,到双向滑移或漂移夹连接。当拱肩梁受活荷载作用时,初始框架重力荷载的挠度对幕墙设计最为关键。从理论上讲,不同楼层的活负载挠度可以变化到L/360甚至L/240,在中等尺寸的隔间中,可以产生一英寸或更多的移动公差。在所有真实的可能性中,这样的变动很少会超过这一变动的一小部分。无论如何,一旦根据工程规范、结构设计注释或记录工程师的意见确定了运动公差,设计时必须考虑这个公差。最典型的解决方法包括滑轨连接、开槽连接和预制滑夹。关于这类连接的更多内容见CFSEI技术注释W101(挠度轨道的常见设计问题)、W100(单滑轨设计)和W103 (CFS施工中旁路滑轨连接器的设计)。

F.设计文件和辅助工具以下是相关设计文件和辅助工具的汇编:

AISI D110,冷弯型钢框架设计指南,2007年版,美国钢铁研究所,华盛顿特区。该指南的重点是冷弯型钢设计的基本原则,因为它们与冷弯型钢框架结构有关。它展示了在执行建筑系统设计时如何使用产品文献。

AISI S100,北美冷弯型钢结构设计规范,2007年版,美国钢铁学会,华盛顿特区

AISI S211,北美冷弯型钢框架-墙螺柱设计标准,2007年版,美国钢铁学会,华盛顿特区

AISI S212,北美冷弯型钢框架结构标准-封头设计,2007年版,美国钢铁学会,华盛顿

立面钢框架建筑附件,钢设计指南22,美国钢结构学会,芝加哥,IL, 2008。本指南侧重于附着策略及其对钢框架的设计、制造和安装的影响。

钢螺柱砖饰面设计指南,CF03-1,美国钢铁研究所,华盛顿特区,2003。

第四部分 

除了本出版物中已经提到的滑移连接外,本节还介绍了栓钉幕墙设计中使用的更典型的连接细节。这些和其他细节的电子副本可以从CFSEI网站获得。

A.基础连接-图4和图5显示了典型的螺栓到轨道到甲板,混凝土,或钢。

B.头-或窗台-门框连接-图6描绘了一个盒头,然而背靠背或l-头也可以使用。典型的梁台轨道如图7所示。

C.连续角连接-这个细节通常用于拱肩框架,并采用现场焊接连接。安装角度必须与管柱直线一致,并根据横向、重力和偏心力进行设计(图8);

D.夹角连接-这种连接通常用于无滑旁通或拱肩框架连接。

E.风梁连接-这种连接通常用于更高的拱肩框架情况下,使用螺柱

F.支腿夹-如图11所示,这个连接包括一个短长度的角设计作为一个轴向加载支柱,以转移幕墙螺柱的横向反力回结构。

G.斜柱支撑(支柱)-作为底部拱肩柱支撑的斜柱构件。这些支架不像支腿夹或环架连接那样具有整体的成本效益。支撑还可能对幕墙立柱和墙体连接处的顶部增加一个显著的垂直力(图12和13)。

H.双头螺栓到双头螺栓的连接——可以使用搭接或轨道到轨道的连接。有时这些连接需要移动裕量,这可以通过滑轨或滑销类型的细节来满足(图14和15)。请参见技术说明W103,旁路滑动连接器的设计,以了解可能使用此细节的情况。

I.膝墙底座-如图16所示,这是膝墙或短墙底部的弯矩连接,通常是一个独立的胸墙或一段长墙,在连续或带状窗口条件下。这种连接可能有问题,因为相对较高的弯矩和小的基础连接强度。扣件拉出或板拉出以及不适当的边缘距离是设计考虑的问题。

J.现场调整连接-面板的附件可能需要现场调整,以考虑结构变化,如主框架的制造和安装公差。这些调整可能包括:调整板边封闭板相对于肩梁的内外。指调整幕墙面板框架相对于板缘的内外位置。指垂直或水平地调整附着锚的位置。关于现场调整的其他讨论,请咨询AISC钢结构设计指南22 立面钢框架建筑附件。

本冷弯型钢结构技术说明由冷弯型钢工程师协会(CFSEI)出版。本出版物中提供的信息不构成任何陈述或保证,明示或默示,CFSEI或任何个人的信息适用于任何一般或特定的目的,不应使用没有咨询与一个合格的工程师,建筑师,或建筑设计师。任何使用本出版物提供的信息的个人或实体将承担由此使用或由此产生的所有风险和责任。CFSEI认为,本出版物中包含的信息符合现行的工程实践标准。然而,本出版物中提供的任何信息都不代表CFSEI的任何官方立场,也不排除任何其他设计或施工技术的使用和实现。

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作者: ganggouren

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