美国的气候负荷设计参数



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本文探讨了推导慕尼黑气候负荷参数的统计基础和方法,并将其应用于美国每个 ASHRAE 气候区的气候数据。

带有充气腔的绝缘玻璃单元在美国很常见。应考虑气候压力来评估平面单元中的枕头以及弯曲和小单元中玻璃和边缘硅胶密封件的使用。

然而,在 DIN 18008 标准中提出的气候负荷参数的唯一国际编码值来自德国慕尼黑的气候数据。美国的气候明显更为极端,提供了设计中应考虑的更广泛的负载。美国缺乏任何商定的设计价值观对设计师和更广泛的行业构成了挑战

本文探讨了推导慕尼黑气候负荷参数的统计基础和方法,并将其应用于美国每个 ASHRAE 气候区的气候数据。结果是一组针对气候温度和气压变化的建议设计值,这些值已根据 DIN 方法进行校准和调整。对北美玻璃供应商的研究为每个 ASHRAE 代表城市的海拔变化设计值提供了基础。

一、介绍

在中空玻璃单元 (IGU) 的制造过程中,玻璃层和边缘密封件会在空腔中捕获一定体积的气体。该气体体积在由制造时间和地点的大气条件决定的压力和温度下存在。然而,这种内腔压力不是恒定的。从制造到安装的高度差异会导致空腔中的有效压力变化。此外,日常温度和工作条件下的大气压力变化会导致型腔气压波动。这些压力变化被称为 IGU 中的气候负荷。

气候负荷会导致美观和结构问题。对于典型的扁平 IGU,它们会导致内部和外部玻璃弯曲以减轻压力变化。这种现象称为枕头效应,会导致反射中出现不必要的失真(图 1)。然而,对于曲面玻璃和小拱肩单元,玻璃具有更高的几何刚度,从而限制了单元的弯曲。取而代之的是,可能会产生很高的压力,从而可能使边缘密封承受过大的压力,或使玻璃破裂(图 2)。

图 1(左):气候负荷引起的枕头效应 图 2(右):气候负荷导致弯曲玻璃破裂 [2]

图 1(左):导致枕头的气候负荷 图 2(右):气候负荷造成的弯曲玻璃破损 [2]

目前,美国没有建立气候负荷的设计指南。DIN 18008 [1] 中存在唯一的编码值;根据慕尼黑的天气数据。虽然美国的一些地区与德国的环境条件一致,但存在许多其他气候地区。因此,在美国应用 DIN 气候负荷参数可能是不明智的。

二、 现有方法

德国 DIN 18008 为评估绝缘玻璃单元中的气候负荷提供了世界上唯一的编码值。这些在表 1 中复制。DIN 18008 的附录 A 提供了有关假设的更多信息。

选择这些参数的确切统计基础尚不清楚。Feldmeier [3] 考虑了整个欧洲 10 个月的气压数据,并假设生产和安装温度与慕尼黑太阳辐射相结合。慕尼黑是德国海拔最高的主要城市,海拔 1700 英尺(520 米),这意味着 + 1970 英尺(600 米)的夏季海拔变化可以被概念化为靠近海平面的 IGU 制造和安装在 270 英尺(80 米)高的建筑物上。冬季海拔变化的依据尚不清楚;在 300m 处制造和在海平面安装。

表 1:气候压力

表 1:气候压力

三、美国气候数据方法论

3.1 加载

ASCE 7-16 [4] 为美国建筑物的所有结构载荷提供了基础。与指定平均循环间隔的强加载荷不同,被视为“自应变”的载荷(例如热膨胀或气候载荷)不需要考虑上限值。相反,应该计算最可能值的现实评估。

3.2 ASHRAE 气候区

美国采暖、制冷和空调工程师协会 (ASHRAE) 为美国指定了 8 个气候区(图 3)。每个气候区都以一个城市为特征,为其创建一个典型的气象年 (TMY3) 天气文件。该文件包含由该区域 20 年的气候数据构建的、具有代表性的月份天气数据串联的每小时数据。

尽管纽约、波士顿和多伦多不被视为具有代表性的城市,但为了增加玻璃设计师的价值,它们也被包括在本研究中。相比之下,慕尼黑被指定为 5A 区(相当于芝加哥)。

图 3:ASHRAE 气候区和代表性城市

图 3:ASHRAE 气候区和代表性城市

3.3 温度

为了确定隔热玻璃单元腔的温度变化值,本文将假设与 DIN 18008 附录 A 中的假设保持一致。 IGU 能量吸收值 (30%)、U 值 (1.8 W/m²K)、夏季内部和外表面电阻(0.12 m²K/W),冬季内外表面电阻(分别为0.13 m2K/W和0.04 m²K/W),夏季和冬季的生产温度(分别为+27°C和+19°C)保持不变持续的。计算方法总结在表 2 中。

垂直和水平玻璃每小时计算每个城市的温度变化值。为确保慕尼黑数据与编码的 DIN 值一致,采用了夏季温度变化的 99.5% 和冬季温度变化的 1%。

对于位于北纬 48º 的慕尼黑,考虑 45º 入射太阳辐射角的 DIN 假设是合理的,并且无需计算水平或垂直玻璃窗的不同影响。然而,美国较大的陆地面积意味着纬度从 25ºN(佛罗里达州)到 48ºN(西雅图)或 65ºN(费尔班克斯阿拉斯加州)的变化。因此,不应忽视玻璃的取向。

表 2:气候负荷推导的温度方法假设

表 2:气候负荷推导的温度方法假设

3.4 大气压力

生产条件和安装条件之间的气压变化按典型年份的每小时计算。对于夏季,考虑平均生产压力;冬季,最大气压。这种方法遵循 DIN 方法,应该对其进行审查以与美国规范保持一致。该方法总结在表 3 中。

对每个 ASHRAE 气候区进行计算后,已采用第 90 个百分点(夏季)和第 91 个百分点(冬季);将慕尼黑计算与 DIN 压力值对齐。

表 3:气候负荷推导的气压方法假设

表 3:气候负荷推导的气压方法假设

3.5 海拔

从生产设施到安装条件的高度变化会导致 IGU 腔体压力发生变化,从而导致装置中的永久压力变化。

为了建立合理的海拔变化值,对北美 79 家主要玻璃加工商的海拔高度进行了调查。当绘制在图 4 上时,除 4 个处理器外,所有处理器都位于 1400 英尺以下。值得注意的是,海拔最高的处理器出现在科罗拉多州丹佛和犹他州盐湖城。出于本研究的目的,所有玻璃处理器高度的第 90 个百分位数被视为上限设计值,对应于 1100 英尺 (335 m) 的高度。35 英尺(11 米)的第 5 个百分位值被视为生产高度的下限。

对于每个气候带,找到了代表城市的高度和城市最高建筑物的高度。这提供了对可预见的 IGU 安装高度的合理估计。制造和安装之间的差异为设计提供了高度变化(表 4)。

图 4:北美玻璃加工商的海拔高度

图 4:北美玻璃加工商的海拔高度

表 4:气候负荷推导的海拔变化方法学假设

表 4:气候负荷推导的海拔变化方法学假设

四、结果与讨论

4.1 型腔温度变化

对于垂直玻璃,每个气候区在夏季和冬季条件下的腔体温度变化汇总如图 5 所示。DIN 信封和提议的美国信封已在图表上注释。汇总包络值列于表 5。

当考虑水平玻璃时,由于入射太阳辐射角度的变化和漫辐射暴露的增加,夏季条件下应考虑高达 ± 7 oF (± 4 oC) 的温度升高。如图 6 所示。

值得注意的是,玻璃太阳能吸收率超过 30%、遮阳装置、绝缘材料或未加热建筑物(均存在于 DIN 18008 中)的温度变化增加的允许未在本研究范围内考虑,但应考虑用于未来美国设计指导。

图 5:垂直玻璃夏季和冬季条件下的空腔温度变化汇总

图 5:垂直玻璃夏季和冬季条件下的空腔温度变化汇总

表 5:立式玻璃设计围护结构的夏季和冬季腔体温度变化

表 5:立式玻璃设计围护结构的夏季和冬季腔体温度变化

图 6:水平玻璃和城市纬度的夏季温度增加

图 6:水平玻璃和城市纬度的夏季温度增加

4.2 气压变化

图 7 显示了夏季和冬季条件下气压变化的汇总,以及 DIN 包络线和提议的美国设计包络线。这些总结在表 6 中。

这些发现表明,所有美国气候区的气压差都在 DIN 夏季参数范围内,但一些冬季压力变化超过了 DIN 值。

图 7:夏季和冬季条件下气压变化的总结

图 7:夏季和冬季条件下气压变化的总结

表 6:大气压力变化建议的设计包络线

表 6:大气压力变化建议的设计包络线

4.3 海拔变化

夏季和冬季气候负荷计算中使用的海拔变化汇总显示在图 8 中,汇总包络显示在表 7 中。与 DIN 值相比,海拔变化可能会显着增加,因为安装高度(特别是在干燥气候区)可能超过 5000 英尺(1500 米)。

上面提出的 +2200 英尺高度变化与北美玻璃协会的玻璃手册 [5] 提供的建议一致,该手册建议在超过 2200 英尺的高度时应用压力平衡或毛细管。其他指南,例如中空玻璃制造商联盟 [6],建议限制为 2000 英尺。

图 8:夏季和冬季条件下海拔变化的总结

图 8:夏季和冬季条件下海拔变化的总结

表 7:海拔变化建议的设计包线

表 7:海拔变化建议的设计包线

4.4 等容压力

为了考虑空腔温度、气压和海拔变化对 IGU 空腔等容压的综合影响,计算了每个城市的夏季和冬季等容压并绘制在图 9 中。

这些说明了 40 psf (1.8 kPa) 的等容压包络膨胀超出 DIN,可以覆盖所有 ASHRAE 潮湿和海洋气候。ASHRAE 干燥和寒冷/北极地区分别需要特别考虑海拔变化和冬季空洞变化。

图 9:夏季和冬季条件下的等容压汇总

图 9:夏季和冬季条件下的等容压汇总

表 8:等容压力变化建议的设计包络线

表 8:等容压力变化建议的设计包络线

五、结论和进一步研究

本文提出了一种方法,该方法与 DIN 18008 中的气候负荷值保持一致并进行校准。这种一致的方法允许在美国不同的气候带之间进行比较,并可以在世界范围内更广泛地应用。

对于美国 ASHRAE 气候带,等容压变化及其组成部分的差异由气候类型很好地表征;潮湿 (A)、干燥 (B)、海洋或寒冷/北极。ASHRAE 潮湿 (A) 和海洋 (C) 气候区的包络线在慕尼黑等容压值的 40 psf (1.8 kPa) 以内。对于 ASHRAE Dry (B) 和 Cold/Arctic,由于分别存在高海拔和极冷,需要特别考虑。这可能会导致中空玻璃单元的空腔中产生高压,大大超过 DIN 18008 中规定的值。这种压力可能需要现场压力平衡或连续呼吸系统。

IGU 中等容压力变化的设计指南应纳入未来的规范和标准。除了发展本文发表的工作之外,进一步的指导应该考虑:

  • 建立明确的统计基础和方法来计算气候负荷所有组成部分(空腔温度、气压和海拔变化)的气候数据;
  • 为事件设置适当的重复间隔;
  • 使计算符合 ASTM E1300 的设计方法和最新的玻璃和结构设计规范;
  • 调查三层玻璃单元中气候负荷的分布。

六、参考文献

[1] DIN 18008-1:2010-12, Glass in Buildings – Design and Construction Rules – Part 1: Terms and General Bases, December 2010
[2] Thieme, S., Influence of Climatic Loads on the Design of Curved Double Glazed Units, Diploma Thesis, RWTH Aachen University, 2004
[3] Feldmeier, F., Development of a simplified method for the consideration of the climate load in the dimensioning of insulating glass in overhead glazing, Fraunhofer IRB Verlag, T 2676, March 1995
[4] ASCE 7-16, Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, 2017
[5] Glass Association of North America, GANA Glazing Manual, 2004
[6] TR-3401-96, Preventing Glass Breakage During IG Design, Manufacture, Transport, Installation and Use, Insulating Glass Manufacturers Alliance, 2003
[7] TRLV 2006, Technical Rules for the Use of Glazing with Linear Supports, 2006
[8] Draft prEN 16612, Glass in Building – Determination of the Load Resistance of Glass Panes by Calculation and Testing, European Committee for Standardization, 2013
[9] Feldmeier, F., Insulating Units Exposed to Wind and Weather – Load Sharing and Internal Loads, GPD, 2005
[10] Griffith, J. et al, Optimisation of Curved Insulated Glass, GPD, 2015
[11] Dobbel, F. et al, Verification of Insulated Glass Units in Modern Curtain Wall Facades, GPD, 2017.

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