Projektowanie konstrukcji przestrzennych dla kratownic z rur stalowych

W ostatnich latach, wraz z ciągłym wzrostem produkcji stali w Chinach, Konstrukcje stalowe są coraz częściej stosowane w budynkach ze względu na ich unikalne zalety. Konstrukcje rur stalowych również osiągnęły znaczący przełom. Największą zaletą konstrukcji z rur stalowych jest ich zdolność do spełnienia funkcjonalności, estetyka, i wymagania ekonomiczne budynków. Konstrukcje kratownicowe z rur stalowych są szczególnie preferowane ze względu na ich wyjątkowe zalety.

Projektowanie kratownic z rur stalowych

1. Charakterystyka mechaniczna konstrukcji kratownic rurowych

Konstrukcje kratownic rurowych rozwinęły się ze struktur kratowych. W porównaniu do kosmicznych konstrukcji kratownicowych, konstrukcje kratownic rurowych mają wyjątkowe zalety i praktyczność, przy stosunkowo ekonomicznym zużyciu stali. Eliminują potrzebę stosowania dolnych cięgien i przegubów kulowych występujących w konstrukcjach kratownic przestrzennych, dzięki czemu nadają się do różnych form architektonicznych, zwłaszcza okrągłe łuki i dowolne zakrzywione kształty, które są korzystniejsze niż konstrukcje kratownicowe. Są stabilne ze wszystkich stron i oszczędzają zużycie materiału.

W porównaniu do tradycyjnej sekcji otwartej kratownice stalowe (Stal w kształcie litery H i I), materiał przekroju poprzecznego kratownic rurowych jest równomiernie rozłożony wokół osi neutralnej, zapewniając doskonałą nośność na ściskanie i skręcanie oraz większą sztywność, bez konieczności stosowania płytek węzłowych, dzięki czemu konstrukcja jest prosta.

Co ważne, konstrukcje kratownic rurowych są estetyczne, łatwe do kształtowania, i mają efekt dekoracyjny. Mają dobrą ogólną wydajność, wysoka sztywność skrętna, i są stosunkowo łatwe w produkcji, zainstalować, obracać się, i podnośnik. Cienkościenne, formowane na zimno stalowe więźby dachowe są lekkie, sztywny, oszczędzaj stal, i w pełni wykorzystaj siłę materiału. Są szczególnie ekonomiczne w przypadku długich elementów ściskanych i systemów nośnych o kontrolowanym współczynniku smukłości. Obecnie, budynki wykorzystujące tę konstrukcję to przede wszystkim budynki użyteczności publicznej. Taka konstrukcja jest estetyczna (można zrobić na płasko, łukowaty, lub w dowolny zakrzywiony kształt), łatwe w produkcji i montażu, strukturalnie stabilny, charakteryzuje się dużą sztywnością dachu, i dobre korzyści ekonomiczne.

2. Obliczenia konstrukcyjne konstrukcji kratownic rurowych

2.1 Podstawowe zasady projektowania

Wysokość trójwymiarowej kratownicy może wynosić 1/12 Do 1/16 rozpiętości. Grubość łuku trójwymiarowego może wynosić 1/20 Do 1/30 rozpiętości, i wysokość łuku może być 1/3 Do 1/6 rozpiętości. Kąt między cięciwą (główna rura) i sieć (rura nośna), oraz pomiędzy dwiema sieciami (rury nośne), nie powinna być mniejsza niż 30 stopni. Do trójwymiarowych kratownic o dużej rozpiętości (generalnie nie mniej niż 30 m w konstrukcjach stalowych), można rozważyć wygięcie, z wartością pochylenia nieprzekraczającą 1/300 rozpiętości kratownicy (ogólnie 1/500). W tym czasie, siła wewnętrzna członków niewiele się zmienia, a projektu nie można obliczyć za pomocą łuku. Przy standardowych obciążeniach stałych i obciążeniach użytkowych, maksymalne ugięcie konstrukcji kratownic rurowych nie powinno przekraczać 1/250 krótkiego rozpiętości, i wsporniki nie powinny przekraczać 1/125 rozpiętości. Maksymalne ugięcie konstrukcji dachowych z podwieszanymi urządzeniami dźwigowymi nie powinno przekraczać 1/400 rozpiętości konstrukcyjnej. Kiedy tylko poprawiamy wygląd, maksymalne ugięcie pod standardowymi obciążeniami stałymi i obciążeniami użytkowymi można przyjąć jako ugięcie minus wartość wybrzuszenia.

2.2 Ogólne zasady obliczeń

Oblicz siły wewnętrzne i przemieszczenia konstrukcji kratownic rurowych pod obciążeniem grawitacyjnym i obciążeniem wiatrem, oraz obliczyć przemieszczenia i siły wewnętrzne pod wpływem wstrząsów sejsmicznych, zmiany temperatury, wsparcie rozliczenia, oraz obciążenia instalacji konstrukcyjnej według określonych warunków. Zastosowanie teorii sprężystej układów prętów przestrzennych oraz metody elementów skończonych, można obliczyć siły wewnętrzne i przemieszczenia systemów prętów przestrzennych. Projekt niesejsmiczny powinien obliczać skutki oddziaływań i kombinacje oddziaływań zgodnie z aktualną normą krajową “Kod obciążenia konstrukcji budynku” i określić obliczone wartości sił wewnętrznych zgodnie z podstawowymi efektami kombinacji przekrojów prętowych i projektów węzłów. Do projektowania sejsmicznego, efekty kombinacji sejsmicznej należy obliczyć zgodnie z obowiązującymi normami krajowymi “Kodeks projektowania sejsmicznego budynków”. W obliczeniach przemieszczeń, ugięcie należy określić na podstawie połączonej funkcji standardowego wpływu (bez mnożenia współczynnika częściowego obciążenia). Podczas analizy kratownic rurowych, jeśli stosunek długości segmentu pręta do wysokości przekroju (lub średnica) jest mniej niż 12 (główna rura) I 24 (rura nośna), można założyć, że węzły są zawiasowe. Zgodnie ze statyczną zasadą równoważności, obciążenia zewnętrzne mogą być skoncentrowane na węzłach znajdujących się w obszarze sterowania węzłami. Gdy element przenosi obciążenia lokalne, lokalne naprężenia zginające należy rozpatrywać osobno. W analizie strukturalnej, należy wziąć pod uwagę interakcję pomiędzy górną konstrukcją siatki przestrzennej a dolną konstrukcją wsporczą.

2.3 Obliczenia statyczne

Konstrukcje kratownic rurowych należy projektować z elementami przekroju na podstawie obliczeń przemieszczenia i sił wewnętrznych. Jeśli sekcje członkowskie wymagają regulacji, należy je przeprojektować, aby spełniały wymagania projektowe. Po ukończeniu projektu, zbrojenia nie należy wymieniać. Jeżeli wymiana jest konieczna ze względu na trudności materialne, należy go ponownie obliczyć i spełnić wymagania projektowe. Należy unikać zmian w przekrojach prętów po zakończeniu projektu, chyba że jest to absolutnie konieczne ze względu na problemy z dostępnością materiałów. Jeśli nastąpią zmiany, konstrukcję należy ponownie obliczyć, aby zapewnić zgodność z wymaganiami projektowymi.

3. Rozważania projektowe dotyczące konstrukcji kratownic rurowych

3.1 Dobór materiałów i przekrojów

• Wybór materiału: Stal stosowana na konstrukcje kratownic rurowych powinna spełniać wymagania odpowiednich norm. Typowo, Stal węglowa, stal niskostopowa, i stosuje się stal o wysokiej wytrzymałości. Przy wyborze należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak wymagania strukturalne, Warunki środowiskowe, i wykonalność ekonomiczna.
• Wybór przekroju: Okrągłe i prostokątne kształtowniki puste są powszechnie stosowane w kratownicach rurowych ze względu na ich efektywną nośność i estetykę. Wybór pomiędzy przekrojami okrągłymi i prostokątnymi zależy od konkretnych wymagań projektu, łącznie z warunkami obciążenia i względami architektonicznymi.

3.2 Połączenia i złącza

• Spawalniczy: Spawanie jest najpowszechniejszą metodą łączenia elementów kratownic rurowych. Proces spawania musi zapewniać wysokiej jakości połączenia, aby uniknąć potencjalnych słabych punktów.
• Połączenia śrubowe: Chociaż mniej powszechne w kratownicach rurowych, w pewnych okolicznościach można zastosować połączenia śrubowe, szczególnie ze względu na łatwość montażu i konserwacji.
• Projekt węzła: Projektowanie węzłów (połączenia, w których przecinają się pręty) ma kluczowe znaczenie w konstrukcjach kratownic rurowych. Węzły muszą być zaprojektowane tak, aby efektywnie przenosić siły bez powodowania nadmiernej koncentracji naprężeń.

3.3 Uwzględnianie obciążeń dynamicznych

• Obciążenia wiatrem: Przy projektowaniu konstrukcji kratownic rurowych należy uwzględnić obciążenie wiatrem, szczególnie w przypadku konstrukcji o dużej rozpiętości i narażonych na działanie dużych prędkości wiatru.
• Obciążenia sejsmiczne: W regionach aktywnych sejsmicznie, projekt musi uwzględniać obciążenia sejsmiczne, zapewnienie, że konstrukcja wytrzyma siły wywołane trzęsieniem ziemi.
• Wibracja: Do konstrukcji poddawanych obciążeniom dynamicznym, takim jak maszyny lub działalność człowieka, w celu zapewnienia komfortu i integralności konstrukcji może być konieczna analiza drgań.

4. Budowa i montaż

4.1 Produkcja

• Produkcja precyzyjna: Produkcja elementów kratownic rurowych wymaga dużej precyzji, aby zapewnić prawidłowe dopasowanie wszystkich elementów podczas montażu.
• Kontrola jakości: Podczas produkcji należy zastosować rygorystyczne środki kontroli jakości, aby zapewnić, że wszystkie komponenty spełniają specyfikacje i standardy projektowe.

4.2 Transport i obsługa

• Transport: Transport dużych elementów kratownic rurowych należy dokładnie zaplanować, aby uniknąć uszkodzeń i zapewnić bezpieczną dostawę na plac budowy.
• Obsługiwanie: Podczas rozładunku i ustawiania należy przestrzegać właściwych procedur postępowania, aby zapobiec uszkodzeniom konstrukcji i zapewnić bezpieczeństwo pracowników.

4.3 Montaż i montaż

• Plan montażu: Należy opracować szczegółowy plan montażu, opisując kolejność montażu oraz sposoby podnoszenia i pozycjonowania komponentów.
• Środki bezpieczeństwa: Należy wdrożyć środki bezpieczeństwa w celu ochrony pracowników podczas procesu montażu, łącznie z użyciem rusztowań, uprzęże bezpieczeństwa, i inny sprzęt ochronny.
• Wyrównanie i poziomowanie: Zapewnienie prawidłowego wyrównania i wypoziomowania wszystkich elementów podczas montażu ma kluczowe znaczenie dla integralności strukturalnej kratownicy.

5. Konserwacja i kontrola

5.1 Regularne inspekcje

• Inspekcje wizualne: Należy przeprowadzać regularne kontrole wizualne w celu sprawdzenia oznak zużycia, korozja, lub uszkodzenie.
• Badania nieniszczące: Do wykrycia wewnętrznych wad członów lub połączeń można zastosować metody takie jak badania ultradźwiękowe lub radiografia.

5.2 Konserwacja

• Ochrona przed korozją: Niezbędna jest regularna konserwacja powłok ochronnych i inne środki zapobiegające korozji, szczególnie w przypadku konstrukcji narażonych na działanie trudnych warunków środowiskowych.
• Naprawa i wzmocnienie: Wszelkie wykryte uszkodzenia należy niezwłocznie naprawić, i jeśli to konieczne, należy dodać zbrojenie, aby zachować integralność konstrukcji.

Wniosek

Konstrukcje kratownicowe z rur stalowych oferują znaczne korzyści pod względem estetycznym, wydajność strukturalna, i efektywność materiałowa. Właściwy projekt, produkcja, erekcja, i konserwacja są niezbędne, aby w pełni wykorzystać te korzyści. Przestrzegając ustalonych zasad projektowania i najlepszych praktyk, inżynierowie mogą stworzyć trwałe, ekonomiczny, i atrakcyjne wizualnie konstrukcje kratownic rurowych, które spełniają wymagania nowoczesnej architektury i budownictwa.