Zoznam materiálov projektu oceľového strešného nosníka v Peru a analýza zaťaženia konštrukcie

Huachipa, Projekt oceľového nosníka Lima - Zoznam materiálov a analýza zaťaženia konštrukcie

 

 

Tento projekt sa nachádza v Huachipa, Lima, Peru, so zameraním na návrh a konštrukciu oceľového strešného priehradového systému (okrem oceľových stĺpov a stenových komponentov). Strecha je vybavená solárnymi panelmi a dizajn prísne zodpovedá miestnym peruánskym stavebným predpisom. Hlavné parametre projektu sú zhrnuté takto:

Celková zastavaná plocha: 8 900 ㎡

Celková dĺžka: 109 m

Celková šírka: 85 m (nepravidelné rozloženie s viacerými rozpätiami)

Veľkosti rozpätia (v smere 85 m, nerovnaké rozpätia): 13 m, 17 m, 25 m, 28 m (maximálne rozpätie: 28 m)

Rozostup nosníkov (rozostup polí): Približne 22 m

Konfigurácia strechy: Vybavená približne 4 400 ㎡ solárnymi panelmi (fotovoltaický systém)

Konštrukčný rozsah: Iba strešný priehradový systém (krovy, vystuženie, ťahadlá, väznice), s výnimkou oceľových stĺpov a stenových rámov

Použiteľné kódy: Peruánske miestne stavebné predpisy

 

 

Analýza zaťaženia je založená na skutočných podmienkach prostredia v Huachipe v Lime a prísne sa riadi peruánskymi kódmi E.030 (seizmický kód), E.050 (kód zaťaženia vetrom) a E.070 (kód zaťaženia snehom). Všetky zaťaženia sú vypočítané v súlade s úrovňou dôležitosti priemyselných budov (faktor dôležitosti U=1.0).

 

 

Huachipa, Lima sa nachádza v seizmickej zóne 4 v Peru, čo je oblasť s vysokou-intenzitou. Špecifické seizmické parametre sú nasledovné:

Seizmická zóna: zóna 4, Z=0.45g (špičkové zemné zrýchlenie)

Typ pôdy na lokalite: S1 (tvrdá pôda), koeficient lokality S=1.0

Seizmický vplyv: Strešný nosníkový systém vyžaduje dostatočnú seizmickú tuhosť, aby odolal horizontálnym seizmickým silám. Spoje krovu a systém vystuženia musia byť navrhnuté konzervatívne, aby sa zabezpečila stabilita konštrukcie pri seizmickom pôsobení.

 

 

Lima je pobrežné mesto a oblasť Huachipa je ovplyvnená pobrežnými vetrami. Parametre zaťaženia vetrom sa určujú takto:

Základný tlak vetra: 0,55–0,65 kN/㎡

Vplyv vetra: Solárne panely na streche zvyšujú sanie vetra a účinok vibrácií vetra. Tvarový koeficient strechy je vhodne zosilnený, aby sa zohľadnil vplyv solárnych panelov na rozloženie zaťaženia vetrom.

Požiadavka na odolnosť proti vetru: Strešné krovy, väznice a vystužovací systém musia byť schopné odolať saniu vetra a pretlaku vetra, čím sa zabezpečí, že nedochádza k poškodeniu konštrukcie alebo nadmernej deformácii.

 

 

Huachipa v Lime má tropické pobrežné podnebie bez sneženia počas celého roka. Preto sa základné zaťaženie snehom určuje takto:

Základné zaťaženie snehom S₀: ≈ 0 kN/㎡

Poznámka: V konštrukčnom návrhu nie je uvažované žiadne dodatočné zaťaženie snehom, ale systém odvodnenia strechy je navrhnutý tak, aby zabránil hromadeniu vody (ekvivalent čiastočného rovnomerného zaťaženia).

 

 

Celkové zaťaženie strechy je súčtom vlastného zaťaženia, zaťaženia solárnych panelov a živého zaťaženia, ktoré je výrazne vyššie ako u bežných priemyselných dielní. Konkrétny výpočet je nasledovný:

Zaťaženie strechy (vlastná-hmotnosť strešnej krytiny + väznice): ≈ 0,30 kN/㎡

Zaťaženie solárnych panelov (solárne panely + podpery): ≈ 0,18–0,22 kN/㎡

Zaťaženie pri údržbe: 0,50 kN/㎡ (v súlade s normami peruánskych priemyselných budov)

Celkové zaťaženie strechy: ≈ 0,98–1,02 kN/㎡

Poznámka: Priehyb strešných väzníkov a väzníc musí byť kontrolovaný v rozmedzí L/200 (L je rozpätie väzníkov alebo väzníc), aby sa zabezpečila stabilita systému solárnych panelov.

 

Výber materiálu je založený na peruánskych miestnych oceľových normách a požiadavkách na zaťaženie projektu, pričom sa zameriava na odolnosť, seizmickú výkonnosť a-hospodárnosť. Podrobný zoznam materiálov je nasledujúci:

 

 

Kvalita ocele: Čínska norma Q355B/Q235B (ekvivalentná A36 v norme ASTM), s dobrou pevnosťou a ťažnosťou, vhodná pre oblasti s vysokou seizmickou odolnosťou.

Typ sekcie:

Horná tetiva a spodná tetiva: H-oceľový profil - vybraný podľa rozpätia a zaťaženia s rozsahom veľkostí sekcie: H300×150×6×8 až H400×200×8×10 (upravené na základe rôznych rozpätí: 13m/17m/25m/28m).

Web Members: Uhlová oceľ alebo I-ocelový profil - rozsah veľkostí sekcie: L75×5 až L100×8 (pre rozpätia 13m/17m); L100×8 až L125×10 (pre rozpätia 25m/28m).

Spôsob pripojenia: Skrutky s vysokou{0}}pevnosťou (trieda 10,9) na pripojenie, ktoré zaisťujú spoľahlivé pripojenie a seizmickú odolnosť.

Ošetrenie: S epoxidovou zinkovou-základnou farbou s hrúbkou 80 μm

 

 

Trieda ocele: Čínsky štandard Q235B

Typ sekcie: Okrúhla oceľ (φ16–φ22) alebo uhlová oceľ (L63×5–L80×6), používaná na odolávanie horizontálnym silám (seizmické, vietor) a udržiavanie stability priehradového systému.

Usporiadanie: Vystuženie je nastavené v intervaloch po 2 až 3 priehradových nosníkoch, pričom priečne-vystuženie a diagonálne vystuženie sú usporiadané striedavo tak, aby vytvorili stabilný systém odolávajúci bočnej sile-.

Ošetrenie: S epoxidovou zinkovou-základnou farbou s hrúbkou 80 μm

 

 

Trieda ocele: Čínsky štandard Q235B

Typ sekcie: Okrúhla oceľová (φ20–φ25) alebo oceľová rúra (φ89×4–φ114×4), používaná na prenos vodorovného napätia medzi väzníkmi a zabezpečenie celkovej stability strechy.

Ošetrenie: S epoxidovou zinkovou-základnou farbou s hrúbkou 80 μm

 

 

Trieda ocele: Čínsky štandard Q235B

Typ sekcie: Oceľový profil C- alebo oceľový profil Z{1}} (zosilnený typ, vhodný pre zaťaženie solárnym panelom), rozsah veľkostí sekcie: C160×60×20×2,5 až C220×70×20×3,0 (upravené podľa rozstupu väzníc a zaťaženia solárneho panelu).

Rozostup: Približne 1,5–2,0 m, čím sa zabezpečí, že väznice znesú kombinované zaťaženie strešnej krytiny a solárnych panelov bez nadmernej deformácie.

Ošetrenie: Galvanizácia 275 kg/m³

 

 

Skrutky s vysokou{0}}pevnosťou: trieda 10,9, zodpovedajúca veľkosti sekcie priehradových nosníkov a vystuženia, s anti-koróznou úpravou (žiarové-pozinkovanie).

Samorezné{0}}skrutky a nity: Nehrdzavejúca oceľ-odolná voči korózii (trieda 304), používaná na spájanie väzníc a strešných krytín, ako aj podpier solárnych panelov.

Antikorózny{0}náter: Žiarové-pozinkovanie (hrúbka zinkovej vrstvy 80 μm alebo viac) pre všetky oceľové komponenty, aby sa prispôsobili vlhkému pobrežnému prostrediu Limy a zaistili životnosť.

 

Na základe parametrov projektu, analýzy zaťaženia a výberu materiálu sa spotreba ocele (iba) systému strešného nosníka odhaduje nasledovne, berúc do úvahy vysoké seizmické požiadavky Huachipa, Lima a dodatočné zaťaženie solárnych panelov.

 

 

V kombinácii s podmienkami maximálneho rozpätia 28 m, rozstupu priehradových nosníkov 22 metrov, vysokého zaťaženia solárnych panelov a vysokej seizmickej intenzity v Lime sa index spotreby ocele strešného priehradového systému určuje takto:

Strešné nosníky + výstuž + tiahla: 18–22 kg/㎡

Strešné väznice (zosilnený typ): 8–11 kg/㎡

Index celkovej spotreby ocele: 26 – 33 kg/㎡ (prijatie konzervatívnej strednej-hornej hodnoty 30 kg/㎡ na odhad, v súlade s požiadavkami peruánskeho kódu)

 

 

Celková spotreba ocele=Celková plocha budovy × Index spotreby ocele ÷ 1000

Výpočet: 8 900 ㎡ × 30 kg/㎡ ÷ 1000=267 ton

 

 

Ekonomicky optimalizovaný dizajn (nízka záťaž, prepracovaná optimalizácia): ≈ 230 ton

Konvenčný konzervatívny dizajn (v súlade s peruánskymi predpismi a seizmickými požiadavkami Limy): ≈ 265–270 ton

Vysoké zaťaženie / Vysoká seizmická / Prísne veľké{0}}rozpätie: ≈ 290 ton

 

 

Vyššie uvedená spotreba ocele zahŕňa len strešný väzníkový systém (väzníky, vystuženie, ťahadlá, väznice), okrem oceľových stĺpov, stenových rámov a podpier solárnych panelov.

Ak sa pridajú oceľové stĺpy, celková spotreba ocele sa zvýši o 10–13 kg/㎡ a celková spotreba ocele bude približne 340–400 ton.

Skutočná spotreba ocele môže mať po dokončení podrobného návrhu kolísanie ±10%, čo je ovplyvnené najmä podrobným nastavením veľkostí sekcií a spôsobov pripojenia.

Seizmický návrh: Systém krovu musí byť navrhnutý v súlade s peruánskym kódexom E.030 (Seizmická zóna 4) a nadmerná optimalizácia nie je povolená na zaistenie seizmickej bezpečnosti.

Zaťaženie solárneho panelu: Vaznice a horné pásy priehradových nosníkov v oblasti solárnych panelov musia byť zosilnené a kontrola vychýlenia musí byť prísnejšia (v rámci L/200), aby sa predišlo poškodeniu systému solárnych panelov.

Požiadavka proti{0}}korózii: Všetky oceľové komponenty musia byť žiarovo pozinkované-, aby sa prispôsobili vlhkému pobrežnému prostrediu Limy a predĺžili životnosť konštrukcie.

Súlad s predpismi: Všetky projektové a stavebné práce musia byť v súlade s peruánskymi miestnymi predpismi RNE / E.030, E.050, E.070 a príslušnými priemyselnými normami.

 

 

Podrobná spotreba ocele je rozdelená podľa štyroch nerovnakých rozpätí (13 m, 17 m, 25 m, 28 m), v kombinácii s rozstupom priehradových nosníkov 22 m a zaťažením solárnych panelov, a index spotreby ocele je upravený podľa veľkosti rozpätia (čím väčšie rozpätie, tým vyšší index). Konkrétne rozdelenie je nasledovné:

Veľkosť rozpätia	Dĺžka rozpätia (m)	Zodpovedajúca oblasť (približne, ㎡)	Index spotreby ocele (kg/㎡)	Odhadovaná spotreba ocele (tony)	Poznámky
1. rozpätie	13	2400	25	60	Najmenšie rozpätie, najmenšie zaťaženie; čiastočné pokrytie solárnym panelom
2. rozpätie	17	2450	28	68.6	Stredné rozpätie, mierne zaťaženie; čiastočné pokrytie solárnym panelom
3. rozpätie	25	2250	32	72	Veľké rozpätie, veľké zaťaženie; oblasť pokrytia hlavným solárnym panelom
4. rozpätie	28	1800	35	63	Maximálne rozpätie, najväčšie zaťaženie; oblasť pokrytia hlavným solárnym panelom
Celkom	83 (súčet rozpätí)	8900 (celková plocha budovy)	30 (priemerný index)	263.6	Mierna odchýlka od celkového odhadu (±2 %) v dôsledku zaokrúhľovania

Poznámka: Zodpovedajúca plocha každého rozpätia sa odhaduje na základe celkovej plochy 8900 ㎡ a podielu každého rozpätia na celkovej šírke (85 m), čo je len orientačné. Skutočná plocha a spotreba ocele sa riadia podrobnými konštrukčnými výkresmi.

 

Hlavné primárne strešné nosníky (H-sekcie)

- Š200×750×12×6 mm

- Š250×750×25×6 mm

- Š350×750×25×9 mm

- Š200×400×16×6 mm

 

Sekundárni členovia

- Vaznice: Z305×76×19×3,0 mm

- Horizontálne/bočné vystuženie: oceľový uholník 2"×2"×3/16"

 

 

2.1 Hlavná strešná konštrukcia

- Priehradový systém:

18–22 kg/m² → **160,2 – 195,8 ton**

- Systém H-lúčov (hlboké časti, 22m rozostup, PV zaťaženie):

24–30 kg/m² → **213,6 – 267,0 ton**

 

2.2 Výstužný systém

- Nosník:

2,5 – 4,0 kg/m² → **22,3 – 35,6 ton**

- H-lúč:

3,5 – 5,0 kg/m² → **31,2 – 44,5 ton**

*Dôvod: H-nosníky majú menšiu prirodzenú torznú tuhosť; vyžaduje sa viac vystuženia.*

 

2.3 Vaznice

- Oba systémy:

Vaznice Z305, rovnaké zaťaženie a rozstup

8–11 kg/m² → **71,2 – 97,9 ton**

*Takmer identické pre priehradové aj H nosníkové strechy.*

 

2.4 Porovnanie celkovej hmotnosti ocele

- Celková výška priehradovej strechy:

254 – 329 ton

-Celkový počet H-nosníkov:

316 – 409 ton

 

 

3.1 Priehradový systém

- Správanie: Triangulované axiálne sily (iba ťah/stlačenie).

- Tuhosť: Vysoká geometrická tuhosť, vhodná pre dlhé rozpätia a kontrolu vychýlenia (kritické pre PV).

- Stabilita: Menej závislá od vystuženia; inherentná stabilita z trojuholníkového vzoru.

- Seizmický výkon: Dobrý rozptyl energie, nízka hmotnosť, nižšia zotrvačnosť.

- Účinnosť rozpätia: Mimoriadne účinná pri rozpätiach **25–28 m**.

 

3.2 Systém H-Beam

- Správanie: Ohyb + šmyk + osové sily.

- Tuhosť: Nižšia ohybová účinnosť na kg; hlbšie/ťažšie časti potrebné na prispôsobenie priehybu krovu.

- Stabilita: Náchylné na priečne torzné vybočenie; vyžaduje častejšie vystuženie.

- Seizmický výkon: Vyššia vlastná hmotnosť zvyšuje seizmický dopyt.

- Konštrukcia: Jednoduchšia výroba a montáž, ale ťažšie komponenty.

 

 

 

Podobnosti

- Obe podporujú rovnaké zaťaženie strechy (mŕtva + FV + živá + vietor).

- Veľkosť, rozstup a hmotnosť väznice sú rovnaké.

- Obe musia spĺňať peruánske limity vychýlenia (L/200 pre PV).

- Obe nasledujú po E.030, E.050, E.070 pre Huachipa, Lima.

 

Rozdiely

1. Silový mechanizmus:

- Nosník: Len axiálne sily → vysoko efektívne.

- H-nosník: Riadený ohyb → menej materiálovo efektívne.

2. Spotreba ocele:

- Hlavná konštrukcia: H-nosník používa +25 % až +40 % ocele.

- Vystuženie: H-lúč potrebuje o +30 % až +40 % viac vystuženia.

- Vaznice: Takmer rovnaké.

3. Výkon rozpätia:

- Nosník: Vynikajúci pre rozpätia 25 – 28 m.

- H-lúč: Vyžaduje ťažké sekcie na ovládanie vychýlenia.

4. Seizmické správanie:

- Nosník: Ľahší, nižšia zotrvačnosť, lepší výkon v zóne 4.

- H-lúč: Ťažšie, vyššie seizmické zaťaženie.

5. Náklady a konštrukcia:

- Krov: Viac práce, menej materiálu.

- H-lúč: Menej práce, viac materiálu.

 

 

- Priehradový systém:

Efektívnejšie, ľahšie použitie ocele, lepšie pre dlhé rozpätia a vysoké seizmické zóny.

Celková oceľ: 254 – 329 ton.

 

-Systém H-beam:

Jednoduchšia konštrukcia, no výrazne ťažšia.

Celková oceľ: 316 – 409 ton.