Projektowanie konstrukcji kratownicowych z rur stalowych o dużej rozpiętości

W konstrukcjach stalowych o dużej rozpiętości, tym bardziej rozproszone są punkty podparcia konstrukcji stalowej, tym większe są ograniczenia dotyczące układu planarnego i kombinacji przestrzennej; odwrotnie, tym bardziej skoncentrowane są punkty podparcia konstrukcji stalowej, tym większa elastyczność. W tym artykule przeanalizowano różne typy konstrukcji stalowych o dużej rozpiętości i zbadano ich systemy konstrukcyjne, aby zapewnić wgląd i inspirację innym osobom w tej dziedzinie.

2. Główne formy konstrukcyjne konstrukcji stalowych o dużej rozpiętości

A. Struktura powłoki siatki

Struktura siatki o zakrzywionej powierzchni jest nazywana strukturą powłoki siatki, które można podzielić na jednowarstwowe i dwuwarstwowe powłoki siatkowe. Materiały na skorupy kratowe obejmują stalowe skorupy kratowe, muszle z drewnianej siatki, i żelbetowe szkielety kratowe. Główne formy konstrukcyjne obejmują sferyczne powłoki siatkowe, powłoki siatki hiperbolicznej, cylindryczne skorupy siatkowe, i hiperboliczne powłoki siatki paraboloidalnej.

Konstrukcje siatkowe łączą w sobie główne cechy systemów prętowych i konstrukcji cienkościennych. Pręty są stosunkowo proste, a rozkład sił jest rozsądny. Mają wysoką sztywność i zdolność rozpiętości, umożliwiając montaż małych elementów w dużych przestrzeniach. Małe komponenty i węzły połączeń mogą być prefabrykowane w fabrykach. Instalacja jest wygodna i nie wymaga dużych maszyn, co czyni kompleksowe wskaźniki gospodarcze korzystnymi. Konstrukcje charakteryzują się wszechstronnością konstrukcyjną, uwzględnienie różnorodnych planów architektonicznych i kształtów przestrzennych zgodnie z potrzebami twórczymi.

B. Struktura ramy przestrzennej

Konstrukcja ramowa przestrzenna to konstrukcja przestrzenna złożona z wielu prętów połączonych w węzłach według określonego wzoru geometrycznego. Kiedy takie struktury są tworzone z podwójnymi lub wieloma warstwami, nazywane są ramami przestrzennymi. Zwykle wykonane z rur stalowych lub profilowanych materiałów stalowych, główne formy obejmują:

Ramy przestrzenne złożone z płaskich systemów kratownicowych.
Ramki kosmiczne złożone z czworokątnych piramid.
Ramy kosmiczne złożone z trójkątnych piramid.
Ramy kosmiczne złożone z sześciokątnych piramid.

Główną cechą ram przestrzennych jest działanie przestrzenne, proste ścieżki przenoszenia siły, lekka waga, wysoka sztywność, dobre właściwości sejsmiczne, oraz łatwą konstrukcję i instalację. Pręty i węzły można standaryzować i komercjalizować, umożliwiające masową produkcję w fabrykach, co poprawia efektywność produkcji. Płaski układ ram przestrzennych jest elastyczny, a płaski dach sprzyja montażu sufitu i konfiguracji sprzętu. Dodatkowo, ramki przestrzenne są estetyczne, lekki, i elegancki, dzięki czemu nadają się do zastosowań architektonicznych i dekoracyjnych.

C. Struktura membrany

Struktury membranowe, zwane również strukturami tkaninowymi, są nową formą wielkorozpiętościowej struktury przestrzennej, rozwiniętą w połowie XX wieku. Korzystanie z elastycznych tkanin o wysokiej wydajności, membrana jest podtrzymywana przez wewnętrzne ciśnienie powietrza, lub za pomocą elastycznych linek stalowych lub sztywnych podpór, tworząc wstępnie napiętą membranę o określonej sztywności, zdolną do pokrycia dużych przestrzeni. Główne formy konstrukcyjne obejmują konstrukcje membranowe wspierane powietrzem, rozciągliwe struktury membranowe, oraz konstrukcje membranowe wsparte ramą.

Główną cechą struktur membranowych jest lekkość, duże rozpiętości, różnorodne kształty architektoniczne, wygodna konstrukcja, dobra ekonomia, wysokie bezpieczeństwo, dobra transmisja światła, i właściwości samoczyszczące. Jednakże, ich trwałość jest stosunkowo słaba.

d. Konstrukcja podwieszana

W konstrukcjach podwieszonych głównymi elementami nośnymi są kable rozciągane, ułożone w określone wzory. Konstrukcje dachowe podwieszane zazwyczaj składają się z systemu kablowego, systemu dachowego, i systemu wsparcia. Główne formy strukturalne obejmują:

Jednokierunkowe jednowarstwowe konstrukcje wantowe.
Promieniowe jednowarstwowe konstrukcje wantowe.
Konstrukcje podwieszone dwukierunkowe jednowarstwowe.
Jednokierunkowe, dwuwarstwowe konstrukcje podwieszone sprężone.
Konstrukcje podwieszane promieniowo sprężone.
Dwukierunkowe, dwuwarstwowe konstrukcje podwieszone sprężone.
Sprężone konstrukcje sieci kablowych.

Charakterystyka siłowa konstrukcji podwieszonych obejmuje wytrzymywanie obciążeń zewnętrznych w wyniku osiowego naprężenia kabli, bez wytwarzania momentów zginających i sił ścinających. Pozwala to w pełni wykorzystać wytrzymałość stali. Konstrukcje podwieszone mają uniwersalną formę, elastyczny w aranżacji, i można je dostosować do różnych układów architektonicznych. Ze względu na niewielką wagę stalowych lin, konstrukcja dachu jest stosunkowo lekka, a instalacja nie wymaga dużego sprzętu dźwigowego. Jednakże, teoria analizy i projektowania konstrukcji podwieszonych jest bardziej złożona w porównaniu z konstrukcjami konwencjonalnymi, ograniczając ich szerokie zastosowanie.

e. Cienka struktura skorupy

Konstrukcje powłokowe w inżynierii architektonicznej są często konstrukcjami cienkowarstwowymi (technicznie definiowane jako powłoki o t/R ≤ 1/20). Struktury cienkościenne można podzielić na kategorie ze względu na kształtowanie powierzchni na powłoki obrotowe i powłoki translacyjne, oraz przez materiały budowlane w cienkie powłoki żelbetowe, ceglane cienkie muszle, stalowe cienkie skorupy, i cienkie skorupy z materiału kompozytowego.

Konstrukcje skorupowe charakteryzują się doskonałą nośnością, zdolne do przenoszenia znacznych obciążeń przy bardzo małych grubościach skorupy. Wytrzymałość i sztywność konstrukcji powłokowych wynika głównie z ich kształtu geometrycznego, co zastępuje wewnętrzne siły zginające bezpośrednim ściskaniem, wykorzystując w ten sposób w pełni potencjał materiału. Takie jak, Konstrukcje powłokowe są wysoce ekonomiczną i racjonalną formą konstrukcyjną o dużej wytrzymałości, wysoka sztywność, i efektywność materiałowa.