01-03-22

甲板和阳台栏杆的变形

Railing Deflection
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博客

不符合规范要求或过度变形的甲板和楼梯栏杆对公众构成危险,并导致大量保险和与建筑相关的索赔。作为 法医工程师,我们通常会看到栏杆设计的常见区域缺乏代码或可维护性。为了了解此类系统的构造和设计,需要对该主题进行深入研究。

建筑和设计行业提供了大量关于甲板栏杆连接的文章,以及提供能够抵抗所需横向载荷并在使用中执行的连接的需要。有关这些问题的贸易文章示例可在《轻型建筑杂志》文章中找到,用于木制甲板的强栏杆连接,该文章概述了住宅甲板建筑中使用的甲板栏杆连接。那篇文章还包括对几个连接的测试。然而,许多行业文章和出版物几乎没有讨论楼梯和甲板栏杆的允许偏转。

国际建筑规范 没有规定性地解决可允许或可容忍的钢轨挠度。据国际规范委员会的一名工作人员称,规范对扶手和护栏没有挠度限制。良好的设计实践会限制扶手或护栏向外或向下推的程度。不管IBC在这件事上保持沉默,它仍然是栏杆建设和设计中非常重要的一个方面,因此必须加以考虑。

当栏杆有相当大的挠度以致让人感到不安全或给人一种栏杆结构不健全的感觉时,可以认为栏杆的构造或设计不当。虽然栏杆可以充分承受设计 结构载荷, 显着的偏转量将超过个人对安全的感知。此外,反复的挠曲会因疲劳或过应力而削弱结构构件,从而产生失效导致受伤的可能性。

为了建立栏杆的设计标准,建筑规范的最低标准包括栏杆的设计荷载。这些在 2006 年国际建筑规范 (IBC) 中得到解决  部分 1607.7 扶手、护栏、扶手和车辆护栏上的负载.根据 第 1607.7.1 节扶手和防护装置, “扶手组件和防护装置的设计应能够抵抗顶部任何方向施加的 50 plf (0.73kN/m) 的载荷,并将该载荷通过支撑传递到结构上。”  适用于一户和两户住宅的国际住宅规范 (IRC) 还指出,仅适用第 1607.7.1.1 节要求的单一集中负荷。根据 第 1607.7.1.1 节集中载荷, “扶手组件和防护装置应能够抵抗 200 磅(0.89 kN)的单一集中载荷,沿顶部任何点向任何方向施加,并具有连接装置和支撑结构,以将这种载荷转移到适当的结构元件建筑。”  这些标准贯穿本规范的早期版本和 ASCE 7 工程的结构要求。

除了强度阻力要求之外,2006 IBC 第 1604.3 节还解决了结构构件的适用性要求。根据 第 1604.3 节适用性, “结构系统及其构件的设计应具有足够的刚度,以限制挠度和横向漂移。”  根据 第 1604.3.6 节限制, 偏转 跨跨度 L 的结构构件不应超过表 1604.3 所允许的值。”

甲板和楼梯栏杆通常只承受活荷载,例如靠在栏杆上或推着栏杆的人。如果转向规范的适用性要求,则适用于地板、屋顶和墙壁的 2006 年 IBC 表 1604.3:地板构件在活荷载下的挠度限制为 L/360;不支撑天花板的屋顶构件在活荷载下限制为 L/180;具有灵活饰面的外墙和内部隔板在雪或风负载时限制为 L/120。另一个重要因素是对于悬臂构件,跨度 (L) 应取为悬臂长度的两倍。当标准甲板栏杆从甲板表面悬臂式悬臂时,在使用 IBC 表时,将考虑两倍的悬臂长度进行漂移计算。基于此分析,可以根据 IBC 表使用 h/60、h/90 和 h/180 挠度限值计算挠度限值。

2006 年 IBC 第 35 章还通过引用采用了 ASCE 标准 ASCE/SEI 7-05 建筑物和其他结构的最小设计载荷。 ASCE/SEI 7-05 的第 4.4 节具有与 IBC 类似的负载要求,包括 200 磅点负载、每线性英尺 50 磅力和 1 平方英尺面积上 50 磅的填充负载。根据 ASCE 7-05 第 1.3.2 节可维护性, “结构系统及其构件的设计应具有足够的刚度,以限制对建筑物和其他结构的预期用途和性能产生不利影响的偏转、横向漂移、振动或任何其他变形。”

根据 ASCE 7-02 第 C1.3.2 节可维护性, “可用性限制状态通常没有编纂的事实不应降低其重要性。超过一个 适用性极限状态 在建筑物或其他结构中通常意味着由于局部轻微损坏或恶化或由于居住者的不适或烦恼,其功能被破坏或损害。”  因此,我们认为必须考虑栏杆上的挠度,并且必须为在横向载荷要求下产生的允许挠度量设定挠度限值。

考虑一个典型的“悬臂式”甲板栏杆,它在甲板表面上方延伸 36 英寸。 IBC 表 1604.3 定义的导轨柱的高度 (h) 是高度的两倍,即 72 英寸 (L)。下表显示了用于确定轨道尺寸以最小化挠度的设计挠度:

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另一个有助于审查可用于法医和原始设计/施工的标准的来源是美国材料标准和测试 (ASTM) E 985,即永久性金属栏杆系统和建筑物轨道的标准规范。根据标准第 7.2.2 节, “当荷载作用于竖向支撑线时,水平挠度不得超过钢轨高度(h)除以 12 或 h/12,其中 h 为柱锚表面与锚杆顶部之间的距离。顶轨。”  根据第 7.2.3 节, “当载荷施加在钢轨的跨中时,水平挠度不应超过钢轨高度 (h) 除以 24 加上垂直支撑之间的钢轨长度 (l) 除以 96 的总和,即 h/24 + l/96。”  根据该 ASTM 标准,36 英寸高的轨道允许最大挠度为 3 英寸,而 42 英寸高的轨道允许挠度为 3.5 英寸。与刚性系统相比,用户会感觉到这些偏转很大。

回顾现有的扶手结构文献,可以参考 1914 年通用安全标准,“标准栏杆”的构造如下:  “顶部栏杆不小于2×4英寸;中心栏杆不小于 1×4 英寸,直纹木材,四 (4) 面,支撑在 4×4 英寸的柱子上,四 (4) 面,间距不超过八 (8)脚中心;或同等强度的建筑。”  这些栏杆的高度至少为 3.5 英尺。基于 8 英尺中心间距的 4×4 栏杆,并提供 3 ½ 英尺的高度,标准栏杆的挠度在 200 磅的设计点载荷下为 0.38 英寸 (h/111)。支持职位的顶部。当考虑每线性英尺载荷 50 磅的设计载荷时,标准栏杆的挠度将为 0.75 英寸 (h/56)。

这些挠度计算不包括顶部栏杆在跨栏杆跨度施加的载荷下的贡献挠度。因此,通用安全标准中规定的“标准栏杆”导致栏杆在使用当前规范所需负载时的挠度在 h/56 和 h/111 之间。

2007 年 2 月,国际规范委员会 (ICC) 评估服务公司制定了扶手和防护装置的验收标准。在“结构测试”标题下,集中负载测试包括以 500 磅/英尺的速度测试导轨。顶部轨道的中跨和单个柱子的顶部。当外加载荷达到 200 磅时,测量载荷点的挠度。 ICC 文件具有与金属导轨相关的 ASTM E 985 标准相同的挠度限制。根据 ICC 文件,加载点的允许挠度不得超过以下值:

  1. 一种。      “导轨(防护装置)高度之和,h(英寸/毫米)除以 24 加上有效导轨长度 l(英寸/毫米)除以 96 或 (h/24 + l/96)。在有效钢轨长度是立柱边缘之间的距离的情况下,跨轨(护栏)跨中的挠度是相对于两个立柱的中心测量的(即,它不包括立柱挠度)。
  2. 湾。      “有效中柱柱高度(垂直支撑)除以 12,或 (h/12),其中有效中柱柱(垂直支撑)高度是从顶部导轨顶部到紧固件连接到配套建设。”

 

以下是我们关于挠度限制的调查结果摘要(在表中显示为最不严格(最大挠度)到最严格(最小挠度)):

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另一个有助于审查可用于法医和原始设计/施工的标准的来源是美国材料标准和测试 (ASTM) E 985,即永久性金属栏杆系统和建筑物轨道的标准规范。根据标准第 7.2.2 节, “当荷载作用于竖向支撑线时,水平挠度不得超过钢轨高度(h)除以 12 或 h/12,其中 h 为柱锚表面与锚杆顶部之间的距离。顶轨。”  根据第 7.2.3 节, “当载荷施加在钢轨的跨中时,水平挠度不应超过钢轨高度 (h) 除以 24 加上垂直支撑之间的钢轨长度 (l) 除以 96 的总和,即 h/24 + l/96。”  根据该 ASTM 标准,36 英寸高的轨道允许最大挠度为 3 英寸,而 42 英寸高的轨道允许挠度为 3.5 英寸。与刚性系统相比,用户会感觉到这些偏转很大。

回顾现有的扶手结构文献,可以参考 1914 年通用安全标准,“标准栏杆”的构造如下:  “顶部栏杆不小于2×4英寸;中心栏杆不小于 1×4 英寸,直纹木材,四 (4) 面,支撑在 4×4 英寸的柱子上,四 (4) 面,间距不超过八 (8)脚中心;或同等强度的建筑。”  这些栏杆的高度至少为 3.5 英尺。基于 8 英尺中心间距的 4×4 栏杆,并提供 3 ½ 英尺的高度,标准栏杆的挠度在 200 磅的设计点载荷下为 0.38 英寸 (h/111)。支持职位的顶部。当考虑每线性英尺载荷 50 磅的设计载荷时,标准栏杆的挠度将为 0.75 英寸 (h/56)。

这些挠度计算不包括顶部栏杆在跨栏杆跨度施加的载荷下的贡献挠度。因此,通用安全标准中规定的“标准栏杆”导致栏杆在使用当前规范所需负载时的挠度在 h/56 和 h/111 之间。

2007 年 2 月,国际规范委员会 (ICC) 评估服务公司制定了扶手和防护装置的验收标准。在“结构测试”标题下,集中负载测试包括以 500 磅/英尺的速度测试导轨。顶部轨道的中跨和单个柱子的顶部。当外加载荷达到 200 磅时,测量载荷点的挠度。 ICC 文件具有与金属导轨相关的 ASTM E 985 标准相同的挠度限制。根据 ICC 文件,加载点的允许挠度不得超过以下值:

  1. 一种。      “导轨(防护装置)高度之和,h(英寸/毫米)除以 24 加上有效导轨长度 l(英寸/毫米)除以 96 或 (h/24 + l/96)。在有效钢轨长度是立柱边缘之间的距离的情况下,跨轨(护栏)跨中的挠度是相对于两个立柱的中心测量的(即,它不包括立柱挠度)。
  2. 湾。      “有效中柱柱高度(垂直支撑)除以 12,或 (h/12),其中有效中柱柱(垂直支撑)高度是从顶部导轨顶部到紧固件连接到配套建设。”

以下是我们关于挠度限制的调查结果摘要(在表中显示为最不严格(最大挠度)到最严格(最小挠度)):

Matthew T. Blackmer 和 Edward L. Fronapfel 是 Lerch Bates Pie Consulting & Engineering 的负责人。他们可以联系到 www.pieforensic.com 或 1-866-552-5246。

 


美国材料与试验协会,建筑规范中的 ASTM 标准,第 37 版,2000 年。

产品安全研究所,通用安全标准,工人赔偿服务局,Carl M. Hansen,ME,版权所有 1913 和 1914。

ICC 评估服务公司,扶手和防护装置的验收标准,AC273,2004 年 11 月 1 日生效,2007 年 2 月编辑更正。

 


美国材料与试验协会,建筑规范中的 ASTM 标准,第 37 版,2000 年。

产品安全研究所,通用安全标准,工人赔偿服务局,Carl M. Hansen,ME,版权所有 1913 和 1914。

ICC 评估服务公司,扶手和防护装置的验收标准,AC273,2004 年 11 月 1 日生效,2007 年 2 月编辑更正。


轻型建筑杂志,木质甲板的坚固铁路柱连接,Joseph Loferski 和 Frank Woeste,PE,与 Dustin Albright 和 Ricky Caudill,2005 年 2 月。

国际规范委员会,国际建筑规范,2006 年。

美国土木工程师协会/结构工程协会,ASCE/SEI 7-05,建筑物和其他结构的最小设计载荷,2005。

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