Progettazione di strutture spaziali per capriate in tubi di acciaio

Negli ultimi anni, con la continua crescita della produzione di acciaio in Cina, le strutture in acciaio sono state sempre più utilizzate negli edifici grazie ai loro vantaggi unici. Anche le strutture di tubi in acciaio hanno raggiunto progressi significativi. Il più grande vantaggio delle strutture di tubi in acciaio è la loro capacità di soddisfare le esigenze funzionali, estetico, ed i requisiti economici degli edifici. Le strutture reticolari in tubi di acciaio sono particolarmente apprezzate per i loro vantaggi unici.

Progettazione di tralicci in tubi d'acciaio

1. Caratteristiche meccaniche delle strutture reticolari di tubi

Le strutture reticolari di tubi si sono sviluppate da strutture a griglia. Rispetto alle strutture reticolari spaziali, le strutture a traliccio di tubi presentano vantaggi e praticità unici, con un utilizzo dell’acciaio relativamente economico. Eliminano la necessità di elementi di corda inferiori e giunti sferici presenti nelle strutture reticolari spaziali, rendendoli adatti a varie forme architettoniche, soprattutto archi circolari e forme curve arbitrarie, che sono più vantaggiose delle strutture reticolari spaziali. Sono stabili su tutti i lati e riducono il consumo di materiale.

Rispetto al tradizionale a sezione aperta capriate in acciaio (Acciaio a forma di H e a forma di I), il materiale della sezione trasversale delle capriate dei tubi è distribuito uniformemente attorno all'asse neutro, fornendo un'eccellente capacità portante a compressione e torsione e maggiore rigidità, senza la necessità di piastre nodali, rendendo la struttura semplice.

È importante sottolineare che, le strutture a traliccio di tubi sono esteticamente gradevoli, facile da modellare, e hanno un effetto decorativo. Hanno buone prestazioni generali, elevata rigidità torsionale, e sono relativamente facili da produrre, installare, ruotare, e paranco. A parete sottile formato a freddo capriate del tetto in acciaio sono leggeri, rigido, risparmiare acciaio, e sfruttare appieno la forza del materiale. Sono particolarmente economici negli elementi di compressione e nei sistemi di supporto con rapporto di snellezza lungo e lungo. Attualmente, gli edifici che utilizzano questa struttura sono principalmente edifici pubblici. Questa struttura è esteticamente gradevole (può essere reso piatto, arcuato, o in qualsiasi forma curva), facile da produrre e installare, strutturalmente stabile, ha una grande rigidità del tetto, e buoni vantaggi economici.

2. Calcolo strutturale delle strutture reticolari di tubi

2.1 Regole di progettazione di base

L'altezza di una travatura tridimensionale può essere 1/12 A 1/16 della campata. Lo spessore dell'arco di un arco tridimensionale può essere 1/20 A 1/30 della campata, e l'altezza dell'arco può essere 1/3 A 1/6 della campata. L'angolo tra la corda (tubo principale) e la rete (tubo di sostegno), e tra le due reti (tubi di sostegno), non dovrebbe essere inferiore a 30 gradi. Per capriate tridimensionali di grandi dimensioni (generalmente non inferiore a 30 m nelle strutture in acciaio), si può prendere in considerazione la campanatura, con il valore di campanatura non superiore 1/300 della campata della capriata (generalmente 1/500). In questo momento, la forza interna dei membri cambia poco, e il disegno non può essere calcolato utilizzando l'arco. Sotto carichi permanenti standard e carichi mobili, la deflessione massima delle strutture reticolari dei tubi non deve essere superata 1/250 del breve arco temporale, e i cantilever non devono superare 1/125 della campata. La deflessione massima delle strutture del tetto con dispositivi di sollevamento sospesi non deve essere superata 1/400 della campata strutturale. Quando si migliora solo l'aspetto, la deformazione massima sotto carichi permanenti standard e carichi mobili può essere presa come la deflessione meno il valore di rigonfiamento.

2.2 Principi generali di calcolo

Calcolare le forze interne e gli spostamenti delle strutture reticolari di tubi sotto carichi di gravità e carichi di vento, e calcolare gli spostamenti e le forze interne in condizioni sismiche, variazioni di temperatura, insediamento di sostegno, e carichi di installazione di costruzione in base a condizioni specifiche. Utilizzo della teoria elastica dei sistemi di aste spaziali e del metodo degli elementi finiti, è possibile calcolare le forze interne e gli spostamenti dei sistemi di aste spaziali. La progettazione non sismica dovrebbe calcolare gli effetti delle azioni e le combinazioni di azioni secondo l'attuale norma nazionale “Codice di carico della struttura dell'edificio” e determinare i valori di progetto delle forze interne in base agli effetti della combinazione di base delle sezioni degli elementi e dei progetti dei nodi. Per la progettazione sismica, gli effetti combinati sismici dovrebbero essere calcolati secondo la normativa nazionale vigente “Codice per la progettazione sismica degli edifici”. Nei calcoli dello spostamento, la deflessione dovrebbe essere determinata in base all'impatto standard della funzione combinata (senza moltiplicare il coefficiente parziale di carico). Quando si analizzano le capriate dei tubi, se il rapporto tra la lunghezza del segmento dell'elemento e l'altezza della sezione (o diametro) è meno di 12 (tubo principale) e 24 (tubo di sostegno), si può supporre che i nodi siano incernierati. Secondo il principio di equivalenza statica, i carichi esterni possono essere concentrati sui nodi all'interno dell'area di controllo dei nodi. Quando un membro sopporta carichi locali, la sollecitazione di flessione locale dovrebbe essere considerata separatamente. Nell'analisi strutturale, dovrebbe essere considerata l'interazione tra la struttura della griglia spaziale superiore e la struttura di supporto inferiore.

2.3 Calcolo statico

Le strutture reticolari di tubi dovrebbero essere progettate con elementi profilati attraverso calcoli di spostamento e forza interna. Se le sezioni dei membri necessitano di modifiche, dovrebbero essere riprogettati per soddisfare i requisiti di progettazione. Dopo il completamento della progettazione, il rinforzo non deve essere sostituito. Se la sostituzione è necessaria a causa di difficoltà materiali, deve essere ricalcolato e soddisfare i requisiti di progettazione. Le modifiche alle sezioni degli elementi dopo il completamento della progettazione dovrebbero essere evitate a meno che non siano assolutamente necessarie a causa di problemi di disponibilità dei materiali. Se si verificano cambiamenti, la struttura dovrà essere ricalcolata per garantire il rispetto dei requisiti progettuali.

3. Considerazioni sulla progettazione per strutture con tralicci di tubi

3.1 Selezione del materiale e delle sezioni trasversali

• Selezione dei materiali: L'acciaio utilizzato nelle strutture reticolari dei tubi deve soddisfare i requisiti delle norme pertinenti. Tipicamente, acciaio al carbonio, acciaio a bassa lega, e vengono utilizzati acciai ad alta resistenza. La selezione dovrebbe considerare fattori come i requisiti strutturali, condizioni ambientali, e fattibilità economica.
• Selezione della sezione trasversale: Le sezioni cave circolari e rettangolari sono comunemente utilizzate per le capriate dei tubi grazie alla loro efficiente capacità di carico e al loro aspetto estetico. La scelta tra sezioni circolari e rettangolari dipende dalle specifiche esigenze del progetto, comprese le condizioni di carico e considerazioni architettoniche.

3.2 Connessioni e giunti

• Saldatura: La saldatura è il metodo più comune per collegare gli elementi nelle strutture reticolari di tubi. Il processo di saldatura deve garantire giunti di alta qualità per evitare potenziali punti deboli.
• Connessioni bullonate: Mentre meno comune nelle capriate dei tubi, in determinate circostanze è possibile utilizzare collegamenti bullonati, soprattutto per la facilità di montaggio e manutenzione.
• Progettazione dei nodi: La progettazione dei nodi (giunti in cui i membri si intersecano) è cruciale nelle strutture di tralicci di tubi. I nodi devono essere progettati per trasferire le forze in modo efficiente senza causare indebite concentrazioni di stress.

3.3 Considerazione dei carichi dinamici

• Carichi di vento: I carichi del vento dovrebbero essere considerati nella progettazione delle strutture reticolari, soprattutto per strutture di grandi dimensioni ed esposte a forti velocità del vento.
• Carichi sismici: Nelle regioni sismicamente attive, la progettazione deve tenere conto dei carichi sismici, garantire che la struttura possa resistere alle forze indotte dal terremoto.
• Vibrazione: Per strutture soggette a carichi dinamici come macchinari o attività umana, potrebbe essere necessaria un'analisi delle vibrazioni per garantire il comfort e l'integrità strutturale.

4. Costruzione ed erezione

4.1 Fabbricazione

• Produzione di precisione: La fabbricazione dei componenti della travatura reticolare richiede un'elevata precisione per garantire che tutti gli elementi si adattino correttamente durante l'assemblaggio.
• Controllo di qualità: Durante la fabbricazione dovrebbero essere adottate rigorose misure di controllo della qualità per garantire che tutti i componenti soddisfino le specifiche e gli standard di progettazione.

4.2 Trasporto e movimentazione

• Trasporti: Il trasporto di componenti di grandi tralicci tubolari deve essere pianificato attentamente per evitare danni e garantire una consegna sicura al cantiere.
• Gestione: Durante lo scarico e il posizionamento è necessario seguire procedure di movimentazione adeguate per evitare danni strutturali e garantire la sicurezza dei lavoratori.

4.3 Assemblaggio ed erezione

• Piano di costruzione: Dovrebbe essere sviluppato un piano di costruzione dettagliato, delineare la sequenza di montaggio e le modalità di sollevamento e posizionamento dei componenti.
• Misure di sicurezza: Devono essere implementate misure di sicurezza per proteggere i lavoratori durante il processo di montaggio, compreso l'uso di ponteggi, imbracature di sicurezza, e altri dispositivi di protezione.
• Allineamento e livellamento: Garantire che tutti i componenti siano correttamente allineati e livellati durante l'assemblaggio è fondamentale per l'integrità strutturale del traliccio.

5. Manutenzione e ispezione

5.1 Ispezioni regolari

• Ispezioni visive: È necessario effettuare ispezioni visive regolari per verificare la presenza di segni di usura, corrosione, o danni.
• Controlli non distruttivi: Metodi come test ad ultrasuoni o radiografia possono essere utilizzati per rilevare difetti interni negli elementi o nelle articolazioni.

5.2 Manutenzione

• Protezione dalla corrosione: La manutenzione regolare dei rivestimenti protettivi e di altre misure di prevenzione della corrosione è essenziale, soprattutto per strutture esposte a condizioni ambientali difficili.
• Riparazione e rinforzo: Qualsiasi danno rilevato deve essere prontamente riparato, e, se necessario, dovrebbero essere aggiunti rinforzi per mantenere l'integrità strutturale.

Conclusione

Le strutture reticolari in tubi di acciaio offrono notevoli vantaggi in termini estetici, prestazione strutturale, ed efficienza dei materiali. Progettazione corretta, fabbricazione, erezione, e la manutenzione sono essenziali per realizzare appieno questi vantaggi. Aderendo ai principi di progettazione e alle migliori pratiche consolidati, gli ingegneri possono creare durevole, economico, e strutture di tralicci tubolari visivamente accattivanti che soddisfano le esigenze dell'architettura e dell'edilizia moderna.