Большинство проблем с крышами с интегрированными в здания фотоэлектрическими системами (BIPV) вызваны не неправильными структурными расчетами, а неправильной последовательностью компоновки.
Распространенный подход заключается в том, чтобы расположить прогоны в соответствии с проектом здания, выбрать удобное расстояние в виде круглых чисел, например 1,5 м или 1,2 м, а затем установить сверху фотоэлектрические модули. В середине процесса установки бригада может обнаружить, что точка опоры находится в пределах 100 мм от края модуля или что крепеж приземляется на слабое место рамы модуля. Чертежи должны быть пересмотрены, расчеты повторены, а график проекта может быть отложен на две недели.
Правильная последовательность обратная: сначала определите размеры модуля, установите количество опорных линий, рассчитайте шаг прогонов и только потом подбирайте сечения прогонов.
В этом руководстве объясняется весь процесс, приводятся контрольные диапазоны расстояния между прогонами, размеров секций и расхода стали, а также показано, почему прогиб часто становится определяющим ограничением проектирования, а не прочностью.
Размеры фотоэлектрического модуля определяют опорные линии, определяющие расстояние между прогонами
Два основных механизма поддержки
Фотоэлектрический модуль размером 2278 × 1134 мм может быть закреплен на прогонах в двух основных конфигурациях.
| Организация поддержки | Ориентация модуля | Поддерживаемые края | Расстояние между прогонами |
| Поддержка длинного края | Альбомная ориентация | Два длинных края | Равен короткой стороне модуля, примерно 1,13 м. |
| Поддержка короткого края | Портретная ориентация | Два коротких края | Равен длинной стороне модуля, примерно 2,28 м. |
Расстояние между прогонами не является произвольным выбором конструкции; он получен из макета модуля. При размере модуля по короткой стороне 1134 мм соответствующее расстояние составляет примерно 1,13 м. При размере длинной стороны 2278 мм это примерно 2,28 м. Ни в одной базовой схеме нет промежуточной линии поддержки, если не добавлена третья поддержка.
Когда необходимы три линии поддержки?
Для больших пролетов, высоких ветровых нагрузок или более тяжелых модулей двухточечная опора может оказаться недостаточной. Одним из решений является добавление прогона под серединой модуля, разделив исходный пролет на два пролета.
При добавлении центрального прогона расстояние между опорными линиями становится примерно 1,14 м или 1,13 м, создавая конфигурацию, аналогичную опоре с длинным краем. Компромисс заключается в том, что требуется больше прогонов, что увеличивает общий расход стали.
Ограничения краевого расстояния
Между краем модуля и осевой линией прогона должно сохраняться достаточное расстояние. Типичные зажимы имеют эффективную ширину захвата примерно 30–40 мм. Если осевая линия прогона находится слишком близко к краю модуля, зажим может не надежно захватиться. Если он находится слишком далеко, вылет модуля становится чрезмерным, что увеличивает риск деформации углов при подъеме ветра.
Обычной отраслевой практикой является размещение осевой линии прогона на расстоянии 50–100 мм внутрь от края модуля, при этом следите за тем, чтобы свес не превышал одну пятую размера короткой стороны модуля.
Как расстояние между прогонами влияет на выбор сечения
Когда расстояние между прогонами увеличивается вдвое, линейная нагрузка, которую несет каждый прогон, также удваивается, при условии одинаковой нагрузки на площадь. Соответственно размер секции должен быть увеличен.
| Расстояние между прогонами | Типичный раздел | Теоретический вес | Расход стали на единицу площади | Примечания |
| 1,13 м | С160×60×20×2,5 | Прибл. 6,3 кг/м | Прибл. 5,5 кг/м² | Больше прогонов, меньшая нагрузка на элемент и удобство обращения во время установки. |
| 1,50 м | С180×70×20×2,5 | Прибл. 7,1 кг/м | Прибл. 4,7 кг/м² | Компромиссное решение; прогиб надо проверить |
| 2,28 м | С220 × 70 × 20 × 3,0 | Прибл. 9,4 кг/м | Прибл. 4,1 кг/м² | Меньше прогонов, выше нагрузка на элемент; прогиб может стать ограничивающим фактором |
Если судить только по расходу стали, опора с короткой кромкой с шагом 2,28 м выглядит более экономичной и составляет примерно 4,1 кг/м², что более чем на 20 % меньше, чем 5,5 кг/м², связанная с опорой с длинной кромкой.
Однако эту цифру не следует рассматривать изолированно. Причина станет ясна в следующем разделе.
Прогиб: предел, которого можно достичь, прежде чем сила станет критической
Как определяется предел отклонения?
Для прогонов крыши при нормальных условиях эксплуатации обычно используемый в отрасли предел составляет л/200. В некоторых проектах с более строгими требованиями к устойчивости к ветровой нагрузке и гидроизоляции можно использовать L/250.
Для проекта с пролетом 7,5 м L/200 допускает прогиб всего 37,5 мм. Для пролета длиной 9 м предел составляет 45 мм. Эти допуски являются относительно ограничительными для стальных элементов.
Почему удвоение расстояния между прогонами затрудняет контроль прогиба?
Прогиб пропорционален равномерно распределенной нагрузке и обратно пропорционален второму моменту площади стержня, при условии одинакового пролета и условий опоры.
Когда расстояние между прогонами увеличивается с 1,13 м до 2,28 м, линейная нагрузка на каждый прогон увеличивается примерно вдвое, как и прогиб при прочих неизменных условиях. Увеличение сечения от С160 до С220 обеспечивает лишь ограниченное увеличение второго момента площади, что может не полностью компенсировать дополнительную нагрузку.
В результате проверка прочности все равно может соответствовать допустимому пределу, а проверка прогиба не удалась. Это одна из наиболее распространенных проблем при проектировании прогонов крыши, которая часто обнаруживается только во время проверки чертежей.
Почему требования к прогибу для крыш BIPV более строгие?
В фотоэлектрической системе, применяемой в зданиях (BAPV), фотоэлектрические модули монтируются на опорной конструкции, которая затем прикрепляется к металлической крыше. Чрезмерный прогиб может нарушить герметичность между несущей конструкцией и панелями крыши, создавая проблемы с обслуживанием, которые иногда можно решить путем повторной герметизации или замены прокладок.
В системе BIPV Сами фотоэлектрические модули являются частью ограждающей конструкции крыши.. Если прогон прогибается на 5 мм, стык панелей может открыться на 5 мм. Непрерывность гидроизоляции зависит от жесткости конструкции, а также деталей уплотнения.
Вот почему крыши BIPV часто требуют более жесткого контроля прогиба, чем обычные металлические крыши, и почему опорные конструкции с коротким краем могут быть отвергнуты в проектах с большим расстоянием между колоннами.
Три дополнительных ограничения, которые могут изменить расстояние между прогонами
Расстояние между столбцами
Пролет прогона определяется расстоянием между колоннами основной рамы. Расстояние между колоннами 6 м, 7,5 м и 9 м является обычным вариантом для промышленных зданий.
По мере увеличения расстояния между колоннами пролеты прогонов становятся длиннее, что обычно требует более глубоких секций и увеличения расхода стали. Поэтому расстояние между прогонами должно выбираться в рамках установленной компоновки колонн, а не независимо.
Соединения фотоэлектрических модулей
Положения прогонов должны совпадать с стыками между фотоэлектрическими модулями. Если прогон попадает прямо под середину модуля, крепежные детали могут попасть на неподдерживаемый участок заднего листа модуля, что приведет к тому, что соединение будет зависеть от зажима и потенциально уменьшит жесткость соединения.
При компоновке панелей сначала отметьте линии соединения модулей, а затем установите осевые линии прогонов. Эту последовательность не следует менять на обратную.
Тепловое движение
Когда температура крыши достигает 70°C, стальные прогоны и алюминиевые модульные рамы расширяются с разной скоростью, поскольку их коэффициенты теплового расширения различаются. Поэтому их продольное расширение неодинаково. Распространенный инженерный подход заключается во включении скользящих деталей в продольном направлении, что позволяет ограничить относительное перемещение между модулями и прогонами.
Чрезмерно малое расстояние между прогонами может ограничить это движение и увеличить удерживающие напряжения в рамах модуля. Таким образом, меньшее расстояние между прогонами не означает автоматически более безопасную конструкцию.
Полный пример выбора прогона
Предполагаемые условия: расстояние между колоннами 7,5 м, встроенная крыша BIPV, фотоэлектрические модули размером 2278 × 1134 мм и объект, расположенный в зоне умеренного ветрового давления.
Шаг 1: Выберите механизм поддержки. Расстояние между колоннами 7,5 м является относительно большим. При опоре с короткими краями и расстоянии между прогонами 2,28 м прогиб может быть трудно контролировать ниже предела L/200. Поэтому выбрана длинная опора в альбомной ориентации с шагом прогонов 1,13 м.
Шаг 2: Выберите секцию прогона. Используя собственную нагрузку 20 кг/м², временную нагрузку при эксплуатации 0,5 кН/м² и соответствующие сочетания местных ветровых нагрузок, рассчитайте линейную нагрузку и выберите секцию C160 × 60 × 20 × 2,5. Если давление ветра выше, перейдите на C180 × 70 × 20 × 2,5.
Шаг 3: Проверьте прогиб. Для пролета длиной 7,5 м предел L/200 составляет 37,5 мм. Проверьте прогиб при применимых сочетаниях нагрузок и убедитесь, что он остается в пределах допустимого предела.
Шаг 4: Выровняйте стыки модулей. Расположите модули с помощью раскладочного модуля 1134 мм. Совместите осевые линии прогонов с линиями соединения модулей с допуском на позиционирование ±5 мм.
Шаг 5: Завершите компоновочные чертежи. Четко укажите расстояние между прогонами, характеристики секций, положения крепежных элементов, скользящие и фиксированные концы.
Соблюдение этой последовательности помогает снизить вероятность внесения изменений в макет во время проверки чертежей.
Часто задаваемые вопросы
В1: Каково типичное расстояние между прогонами крыши?
Обычный отраслевой диапазон составляет 1,0–1,5 м. Фактическое расстояние зависит от размеров модуля, расположения опор и сочетания нагрузок. Для модуля с размером короткой стороны 1134 мм опора по длинной стороне соответствует расстоянию примерно 1,13 м. Короткая опора, исходя из размера длинной стороны 2278 мм, соответствует примерно 2,28 м, что превышает обычный диапазон и требует отдельной проверки на прогиб.
Вопрос 2. Всегда ли меньшее расстояние между прогонами делает крышу безопаснее?
Нет. Меньшее расстояние означает больше прогонов и больший расход стали. Это также может ограничить скользящее движение, необходимое для компенсации теплового расширения, увеличивая удерживающие напряжения в рамах модуля. Правильный подход — одновременно удовлетворить требования к прогибу, прочности и тепловому движению.
Вопрос 3. Может ли крыша BIPV использовать ту же схему прогонов, что и обычная металлическая крыша?
Это не рекомендуется без специального анализа конструкции. Пределы прогиба для обычных металлических крыш в первую очередь касаются дренажа и внешнего вида, тогда как крыши BIPV также должны сохранять непрерывность между фотоэлектрическими модулями и системой гидроизоляции. Такое же расположение прогонов может быть подходящим для BAPV, но может привести к чрезмерному открытию стыков панелей при использовании BIPV.
Вопрос 4: Следует ли добавлять прогоны или располагать их ближе друг к другу при модернизации BIPV на существующей заводской крыше?
Существующая конструкция должна быть повторно оценена с учетом первоначальных расчетных нагрузок и ее текущего состояния коррозии. Опыт отрасли показывает, что менее половины существующих металлических крыш проходят проверку несущей способности, необходимую для модернизации фотоэлектрических систем. В случае выхода конструкции из строя может потребоваться усиление, включая увеличение несущей способности элементов, добавление опор или замену прогонов. Эти меры могут составлять 15–25% бюджета модернизации.
Объединение статических нагрузок фотоэлектрических систем и динамических нагрузок при обслуживании на этапе проектирования конструкции может снизить общий расход стали примерно на 8–12 % по сравнению с конструкцией, требующей последующего армирования. Эта предполагаемая экономия является результатом совокупного эффекта общих деталей подключения, оптимизации секций и интегрированной конструкции крыши. Это исключает разницу в стоимости самих фотомодулей.
Контакт: info@xzbesta.com
