Стальные здания с большим пролетом: проблемы и решения.

Чистый пролетстальное зданиеЭто обеспечивает то, чего принципиально не могут обеспечить конструкции, опирающиеся на колонны, — абсолютно свободное внутреннее пространство по всей площади пола. Для складов, логистических центров, ангаров для самолетов, спортивных залов и крупных проектов холодильных складов это свободное пространство — не роскошь, а эксплуатационная необходимость. Однако надежное обеспечение этого на пролетах 30 метров и более создает структурные проблемы, с которыми стандартное проектирование зданий не сталкивается. Понимание этих проблем до начала закупок — вот что отличает проекты, которые соответствуют своему проектному замыслу, от тех, которые идут на компромисс в процессе реализации.

Что делает проектирование пролетов действительно сложной задачей?

Структурная физикастальное здание с пролетом без опорЗначительные изменения происходят с увеличением пролета. При 20 метрах стандартная портальная рама надежно работает при большинстве нагрузок. При длине более 30 метров изгибающие моменты в соединении стропила с колонной и в вершине стропила возрастают со скоростью, требующей тщательного расчета размеров элементов, проектирования соединений и контроля прогибов — все это необходимо рассчитывать с учетом геометрии здания, профиля нагрузки и условий площадки.

Прогиб — это первая проблема, которая удивляет проектные группы. Стропила длиной 40 метров заметно прогибается под собственной постоянной нагрузкой, не говоря уже о снеговой нагрузке, нагрузке от оборудования, установленного на крыше, или нагрузках от доступа для технического обслуживания. Более того, этот прогиб влияет на панели и систему облицовки, прикрепленные к ним, — особенно в местах крепления к коньку и карнизу, где концентрируются движения. В стальных зданиях с пролетом без явных ограничений по прогибу, указанных в техническом задании, регулярно возникают проблемы с эксплуатацией облицовки, которые технически допускались конструктивными чертежами, но не были предусмотрены проектной группой.

Ветровая нагрузка на больших пролетах создает вторую инженерную проблему. Площадь кровли, подверженная воздействию подъемных сил, увеличивается пропорционально пролету, а это значит, что система крепления кровельных панелей к прогонам воспринимает значительно большие нагрузки, чем аналогичная система на более узком здании. Кроме того, внутреннее давление, возникающее при проникновении ветра через открытые двери или вентиляционные отверстия, напрямую увеличивает внешнюю подъемную силу и должно быть учтено в расчетной комбинации нагрузок.

Особое внимание следует уделить проектированию соединений в верхней части и в опорных точках. Это наиболее напряженные места в стальном каркасе здания с большим пролетом. Избыточное проектирование соединений приводит к неоправданным затратам на изготовление. Недостаточное проектирование – это точки отказа, которые проявляются при первом значительном ветре или снегопаде. Для правильного расчета этих деталей необходимы расчеты нагрузок, подготовленные специально для данного здания, а не соединения, масштабированные для меньшего проекта.

Практические решения, работающие на реальных проектах.

Наиболее эффективный подход к проектированию конструкций больших пролетов начинается с правильной геометрии каркаса. Конические элементы — где глубина сечения изменяется вдоль длины стропила пропорционально эпюре изгибающих моментов — обеспечивают эффективность использования материала, недостижимую для призматических элементов при больших пролетах. Следовательно, хорошо спроектированное стальное здание с коническим каркасом и без пролетов обычно использует меньше стали, чем призматический вариант, рассчитанный с запасом, при этом отвечая тем же требованиям к несущей способности конструкции.

Промежуточные балки и раскосы, расположенные в расчетных точках вдоль стропила, могут уменьшить эффективный пролет и контролировать прогиб без введения колонн на уровне перекрытий, что противоречит цели проектирования с безопорным пролетом. Эти элементы незначительно усложняют изготовление, но существенно улучшают несущую способность и снижают общий вес стали на пролетах более 35 метров.

Системы распорок в торцевых пролетах и ​​вдоль всей длины здания стабилизируют каркас от продольных ветровых нагрузок и обеспечивают безопасное проведение монтажных работ до установки облицовочной системы. Кроме того, правильная конструкция опорной плиты и анкерных болтов — рассчитанных как на сжатие, так и на отрыв под ветровой нагрузкой — предотвращает отказы соединений фундамента, которые возникают при недостаточной координации работ по гражданскому и конструктивному строительству.

Наконец, проектирование стального здания с безопорным пролетом в соответствии с признанным конструктивным стандартом — Еврокод 3, AISC 360 или GB50017, в зависимости от целевого рынка — гарантирует, что согласование с местными инженерами и подача заявок на получение разрешений на строительство пройдут без задержек, которые обычно возникают при нестандартных проектах.

Если ваш проект предполагает строительство стального здания с пролетом более 30 метров, и в проекте не были явно учтены ограничения по прогибу, расчет соединений и ветровая нагрузка на стыке облицовки, эти пробелы стоит устранить до начала изготовления.