Progettazione di strutture reticolari in tubi di acciaio di grande portata

Progettazione di strutture reticolari in tubi di acciaio di grande portata

Nelle strutture in acciaio di grandi dimensioni, tanto più dispersi sono i punti di appoggio della struttura in acciaio, maggiori sono i vincoli sulla disposizione planare e sulla combinazione spaziale; al contrario, tanto più concentrati sono i punti di appoggio della struttura in acciaio, maggiore è la flessibilità. Questo articolo analizza vari tipi di strutture in acciaio di grandi dimensioni ed esplora i loro sistemi strutturali per fornire approfondimenti e ispirazione ai colleghi del settore.

2. Principali forme strutturali di strutture in acciaio a grande campata

un. Struttura a guscio di griglia

Una struttura a griglia con superficie curva è nota come struttura a guscio di griglia, che può essere diviso in gusci di griglia a strato singolo e doppio strato. I materiali per i gusci della griglia includono gusci della griglia in acciaio, gusci di griglia in legno, e gusci di griglia in cemento armato. Le principali forme strutturali includono gusci di griglia sferica, gusci di griglia iperbolica, gusci di griglia cilindrica, e gusci di griglia paraboloide iperbolica.

Le strutture a guscio a griglia combinano le caratteristiche principali dei sistemi a bastoncini e delle strutture a guscio sottile. Le canne sono relativamente semplici, e la distribuzione della forza è ragionevole. Hanno elevata rigidità e capacità di estensione, consentendo di assemblare piccoli componenti in ampi spazi. I piccoli componenti e i nodi di connessione possono essere prefabbricati in fabbrica. L'installazione è comoda e non richiede macchinari di grandi dimensioni, rendendo favorevoli gli indicatori economici complessivi. Le strutture sono versatili nel design, accogliere una varietà di piani architettonici e forme spaziali in base alle esigenze creative.

B. Struttura Space Frame

Una struttura a telaio spaziale è una struttura spaziale composta da più aste collegate ai nodi secondo un determinato schema geometrico. Quando tali strutture sono formate con strati doppi o multipli, sono indicati come frame spaziali. Tipicamente realizzato con tubi di acciaio o materiali profilati in acciaio, le forme principali includono:

1. Telai spaziali composti da sistemi di tralicci planari.
2. Cornici spaziali composte da piramidi quadrangolari.
3. Cornici spaziali composte da piramidi triangolari.
4. Cornici spaziali composte da piramidi esagonali.

Le caratteristiche principali dei frame spaziali sono il funzionamento spaziale, percorsi semplici di trasmissione della forza, peso leggero, elevata rigidità, buona prestazione sismica, e facilità di costruzione e installazione. Le aste e i nodi possono essere standardizzati e commercializzati, consentendo la produzione di massa nelle fabbriche, che migliora l’efficienza produttiva. La disposizione planare dei telai spaziali è flessibile, e il tetto piano favorisce l'installazione a soffitto e la configurazione delle apparecchiature. Inoltre, le cornici spaziali sono esteticamente gradevoli, leggero, ed elegante, rendendoli adatti per applicazioni architettoniche e decorative.

C. Struttura della membrana

Strutture di membrana, note anche come strutture in tessuto, sono una nuova forma di struttura spaziale ad ampia campata sviluppata a metà del XX secolo. Utilizzo di tessuti flessibili ad alte prestazioni, la membrana è supportata dalla pressione dell'aria interna, oppure tramite cavi flessibili in acciaio o supporti rigidi, creando una membrana pretesa con una certa rigidità in grado di coprire ampi spazi. Le principali forme strutturali includono strutture a membrana supportate dall'aria, strutture di membrana tensili, e strutture di membrana supportate da telaio.

Le caratteristiche principali delle strutture a membrana sono la leggerezza, ampie campate, forme architettoniche diverse, costruzione conveniente, buona economia, alta sicurezza, buona trasmissione della luce, e proprietà autopulenti. Tuttavia, la loro durabilità è relativamente scarsa.

d. Struttura strallata

Le strutture strallate utilizzano cavi di trazione come principali componenti portanti, disposti secondo schemi specifici. Le strutture del tetto strallato sono tipicamente costituite da un sistema di cavi, sistema del tetto, e sistema di supporto. Le principali forme strutturali includono:

1. Strutture strallate monostrato unidirezionali.
2. Strutture strallate radiali monostrato.
3. Strutture strallate bidirezionali monostrato.
4. Strutture strallate precompresse unidirezionali a doppio strato.
5. Strutture strallate precompresse radiali.
6. Strutture strallate precompresse bidirezionali a doppio strato.
7. Strutture di reti di cavi precompresse.

Le caratteristiche di forza delle strutture strallate comportano la resistenza ai carichi esterni attraverso la tensione assiale dei cavi, senza produrre momenti flettenti e forze di taglio. Questo sfrutta appieno la resistenza dell'acciaio. Le strutture strallate sono versatili nella forma, flessibile nella disposizione, ed adattabile a diversi layout architettonici. A causa del peso leggero dei cavi d'acciaio, la struttura del tetto è relativamente leggera, e l'installazione non richiede grandi attrezzature di sollevamento. Tuttavia, l'analisi e la teoria della progettazione delle strutture strallate è più complessa rispetto alle strutture convenzionali, limitandone l’ampia applicazione.

e. Struttura a guscio sottile

Le strutture a guscio nell'ingegneria architettonica sono spesso strutture a guscio sottile (tecnicamente definiti come gusci con t/R ≤ 1/20). Le strutture a guscio sottile possono essere classificate in base alla loro formazione superficiale in gusci rotazionali e gusci traslazionali, e dai materiali da costruzione in gusci sottili di cemento armato, gusci sottili di mattoni, gusci sottili di acciaio, e gusci sottili in materiale composito.

Le strutture a guscio hanno eccellenti prestazioni di carico, in grado di sopportare carichi notevoli con spessori del guscio molto sottili. La resistenza e la rigidità delle strutture a guscio derivano principalmente dalla loro forma geometrica, che sostituisce le forze interne di flessione con la compressione diretta, sfruttando così appieno il potenziale del materiale. Come tale, le strutture a guscio sono una forma strutturale altamente economica e razionale con elevata resistenza, elevata rigidità, ed efficienza dei materiali.

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