Non saltare la divulgazione della conoscenza sugli edifici industriali con struttura in acciaio del portale
In generale, un edificio industriale con struttura in acciaio a portale è un edificio industriale con una struttura in acciaio come sistema portante principale. Il suo fulcro progettuale risiede nell'utilizzo del telaio a portale in acciaio come supporto portante principale: a forma di porta d'ingresso, è semplice ma sufficientemente stabile da sostenere il peso della struttura principale dell'edificio. È anche una tipologia leggera comune, con componenti portanti principali che includono travi e colonne in acciaio, presentando una disposizione generale a forma di "porta" tipica degli edifici industriali con telaio a portale in acciaio.
La forma strutturale degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio può essere adattata in modo flessibile alle esigenze effettive. In particolare, gli edifici industriali leggeri con struttura a portale in acciaio sono ideali per edifici per officine in acciaiosenza gru di produzione, mentre quelle per carichi pesanti sono indispensabili per chi necessita di gru per il trasporto di materiali/attrezzature pesanti. In termini di layout, offrono opzioni a campata singola, doppia e multicampata e possono essere dotate di sporgenze di gronda, annessi o persino potenziate peredifici in acciaio a più pianiin base alle esigenze del progetto. È possibile anche apportare modifiche personalizzate (ad esempio, sporgenze di gronda antipioggia, piccoli annessi ausiliari).
Questi vantaggi rendono gli edifici industriali con struttura a portale in acciaio particolarmente adatti alle esigenze del settore edile. Senza eccessive colonne di supporto, evitano ingombri durante il posizionamento delle attrezzature di fabbrica, lo stoccaggio delle merci in magazzino o la facilitazione delle operazioni dei lavoratori. Inoltre, i loro componenti chiave possono essere prefabbricati in fabbrica e assemblati in loco, il che non solo riduce il ciclo di costruzione degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio, ma garantisce anche una qualità costante. Offrono inoltre un'elevata resistenza a vento, neve e terremoti, garantendo stabilità a lungo termine.
Oggigiorno, gli edifici industriali con struttura a portale in acciaio non sono solo la prima scelta per officine e grandi magazzini, ma sono anche affidabili per spazi commerciali e strutture culturali e di intrattenimento. Infatti, tutti i progetti che necessitano di spazi interni aperti danno priorità agli edifici industriali prefabbricati con struttura a portale in acciaio, poiché bilanciano funzionalità, efficienza e durata, motivi principali della loro popolarità nell'edilizia moderna.
Comprendere facilmente i componenti e i dettagli strutturali degli edifici industriali con struttura in acciaio a portale
Nei principali componenti strutturali degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio, pilastri e travi del tetto possono essere progettati come elementi ad anima piena a forma di H o a traliccio. Per ridurre il consumo di acciaio, questi elementi possono anche adottare una sezione trasversale variabile in base alla distribuzione del diagramma del momento flettente. Sebbene gli elementi ad anima piena richiedano una quantità leggermente maggiore di acciaio, sono facili da realizzare e ampiamente utilizzati in progetti pratici di edifici industriali con struttura a portale in acciaio.
Per la struttura secondaria degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio, si preferisce l'acciaio a pareti sottili formato a freddo per i travetti del tetto e le travi di parete; se la distanza tra le colonne dell'impianto supera i 12 m, i travetti a capriata sono più economici. Come elemento flessionale, la struttura secondaria si collega al telaio rigido principale tramite bulloni: sopporta i carichi del sistema di chiusura, li trasferisce alla struttura principale e fornisce supporto laterale per migliorare la stabilità complessiva della struttura principale negli edifici industriali con struttura a portale in acciaio.
Il cuore del sistema di chiusura per edifici industriali con struttura a portale in acciaio sono i pannelli di rivestimento, solitamente realizzati in sottili lamiere profilate a rullo o altri materiali compositi leggeri. Questi pannelli sono collegati alla struttura secondaria tramite metodi specifici per sopportare carichi esterni come vento, neve e carichi di costruzione. È importante notare che i pannelli di rivestimento non solo sono supportati dalla struttura secondaria, ma possono anche fornire supporto laterale, migliorandone in una certa misura la stabilità.
Inoltre, una volta collegati alla struttura secondaria, i pannelli di rivestimento sviluppano una forte rigidità al taglio nel proprio piano, un fenomeno comunemente noto come "effetto diaframma". Questo effetto consente agli edifici industriali con struttura in acciaio a portale caricati sul piano di avere determinate prestazioni strutturali spaziali.
Inoltre, i controventi del tetto e i controventi inter-colonna degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio sono solitamente progettati come elementi di trazione, con controventi incrociati in acciaio tesi come scelta preferenziale. Se la struttura include gru con una capacità superiore a 5 tonnellate, i controventi inter-colonna devono essere sostituiti con angolari in acciaio o altri controventi in profilati d'acciaio. Per i controventi inter-colonna nella parte della struttura del mezzanino degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio, è necessario scegliere anche angolari in acciaio o altri controventi in profilati d'acciaio.
In base alle effettive esigenze architettoniche, elementi portali in acciaio di diverse dimensioni possono essere disposti e combinati per formare una varietà di forme strutturali, che soddisfano le esigenze di utilizzo di vari edifici a un piano. Le forme più comuni includono quelle con mezzanini parziali, con ventilatori o parapetti, con tettoie e con sporgenze di gronda. Possono anche essere progettate come a falda singola, a campata multipla con colmo singolo e doppia falda, a campata multipla con colmi multipli e pendenze multiple, e con campate combinate alte e basse. Inoltre, in alcuni scenari vengono utilizzati anche telai portali in acciaio a telaio.
▪ Forme base di Edifici con struttura in acciaio a portale
▪ I giunti locali del secondo piano si riferiscono ai sistemi di telai a più piani
Nelle forme strutturali derivate dei telai portali in acciaio, anche le attrezzature delle gru possono essere disposte in modo flessibile in base alle effettive esigenze e contemporaneamente possono essere aggiunti spazi parziali al secondo piano.
In sostanza, anche i telai a portale a due falde appartengono alla categoria dei telai a portale a più campate; la differenza principale risiede nelle colonne intermedie, il cui orientamento della sezione è ruotato di 90 gradi rispetto a quello delle colonne a telaio a portale convenzionali.
Selezione dell'acciaio per edifici industriali con struttura in acciaio a portale in base a standard e gradi comuni
La selezione dell'acciaio per gli edifici industriali con struttura a portale deve essere basata sugli standard nazionali cinesi Codice per la progettazione delle strutture in acciaio (GB 50017) e Specifiche tecniche per le strutture in acciaio degli edifici con telaio a portale leggero (GB 51022). I gradi di acciaio comunemente utilizzati e i relativi scenari applicativi sono i seguenti:
L'acciaio Q235, la scelta più comunemente utilizzata ed economica, ha un limite di snervamento di 235 N/mm² e possiede buone caratteristiche di resistenza, duttilità e saldabilità. Soddisfa i requisiti della maggior parte degli edifici a portale senza gru o con gru di piccolo tonnellaggio; non è solo il materiale preferito per i telai principali (travi, pilastri), ma anche l'acciaio solitamente utilizzato per le strutture secondarie (arcarecci, travi di sostegno);
L'acciaio Q355 (precedentemente denominato Q345) è adatto per componenti più critici, con un limite di snervamento di 355 N/mm². La sua resistenza è circa il 36% superiore a quella dell'acciaio Q235. Quando la struttura presenta una campata ampia, carichi pesanti (come nel caso di gru di grande tonnellaggio) o un'ampia spaziatura tra le colonne, l'utilizzo dell'acciaio Q355 può ridurre efficacemente le dimensioni della sezione trasversale dei componenti e ridurre il consumo di acciaio. Sebbene il suo prezzo unitario sia leggermente più alto, offre una migliore economia complessiva e viene spesso utilizzato per telai principali (travi, colonne) soggetti a carichi elevati.
Acciai ad alta resistenza come Q390, Q420 e Q460 sono raramente utilizzati nei telai a portale e sono considerati solo in progetti di grandi dimensioni con gru speciali per carichi pesanti o condizioni di carico estreme. In generale, Q235B o Q355B sono comunemente utilizzati per i telai principali (travi, pilastri), mentre l'acciaio Q235 è solitamente adottato per le strutture secondarie (arcarecci, travi di sostegno).
Principi pratici di layout per edifici industriali con struttura in acciaio a portale
La disposizione degli edifici industriali con struttura in acciaio a portale segue una logica di progettazione sistematica, concentrandosi su telai rigidi laterali, controventi longitudinali, sistemi di chiusura e strutture secondarie. I dettagli sono i seguenti:
- Disposizione del telaio rigido laterale (sistema principale di resistenza alla forza laterale): Come "scheletro" degli edifici industriali con struttura in acciaio a portale, i telai rigidi laterali sopportano tutti i carichi verticali e laterali. Per quanto riguarda le campate, queste devono essere determinate in base ai requisiti di processo, come la larghezza della linea di produzione, la disposizione delle attrezzature e i passaggi logistici. La campata economica comune varia da 18 m a 36 m; campate maggiori (ad esempio, oltre i 45 m) sono tecnicamente fattibili ma richiedono un confronto economico: a volte l'utilizzo di capriate o mensole è più conveniente. I telai rigidi laterali possono essere disposti a campata singola, doppia o multi-campata. Nelle configurazioni multi-campata, le colonne intermedie adottano solitamente la forma di colonne con estremità a perno, incernierate alle travi per semplificare la costruzione e risparmiare materiali. La spaziatura delle colonne (ovvero la distanza tra i telai rigidi) è un fattore chiave che influenza il consumo di acciaio e l'economia; la spaziatura economica comune tra le colonne è compresa tra 6 m e 9 m, mentre 7.5 m o 8 m sono ampiamente utilizzate in scenari senza gru o con gru di piccolo tonnellaggio. L'aumento della spaziatura tra le colonne (ad esempio, a 12 m) aumenterà significativamente il consumo di acciaio per le travi a telaio rigido e le travi per gru, ma ridurrà il numero di telai rigidi e fondazioni: saranno necessari compromessi complessivi e aumenterà di conseguenza anche il consumo di acciaio per arcarecci e travi di sostegno. L'altezza di gronda è determinata dalla luce di servizio, dall'altezza della sommità del binario della gru e dall'altezza della struttura del tetto; la pendenza del tetto è solitamente compresa tra il 5% e il 10% (circa 1/20 e 1/10): una pendenza troppo piccola è sfavorevole al drenaggio, mentre una pendenza troppo grande aumenta il volume dell'edificio e il consumo di acciaio.
- Disposizione del sistema di controventamento longitudinale (per garantire la stabilità complessiva): Il sistema di controventi longitudinali funge da "legamento" degli edifici industriali con struttura in acciaio a portale, collegando i singoli telai rigidi laterali in un insieme spaziale stabile per resistere ai carichi longitudinali (come carichi del vento longitudinali, forze sismiche e forze frenanti longitudinali delle gru) e garantire la stabilità durante l'installazione. Per quanto riguarda le posizioni di layout, i controventi orizzontali del tetto sono solitamente disposti nelle campate finali (prima o seconda) e in quelle centrali delle sezioni termiche a intervalli specifici (ad esempio, ≤60 m); per officine lunghe, è necessario predisporre giunti di dilatazione termica, con controventi installati su entrambi i lati dei giunti. I controventi inter-colonna devono essere disposti nelle stesse campate dei controventi orizzontali del tetto per formare un robusto sistema di capriate resistente alle forze laterali, trasferendo i carichi alle fondamenta. Per le strutture di layout, vengono solitamente utilizzati controventi a croce in acciaio tondo (serrati con tenditori) o angolari in acciaio a croce: i controventi in acciaio tondo sono leggeri ed economici, sopportano solo la tensione (progettati come elementi di trazione), il che li rende la forma più comune. Quando non è possibile installare controventi trasversali in punti con grandi aperture o passaggi, è possibile utilizzare controventi a portale. Le sue funzioni principali includono la creazione di punti di appoggio fuori piano per pilastri a telaio rigido, riducendone la lunghezza effettiva, trasferendo e resistendo alle forze orizzontali longitudinali e garantendo la stabilità complessiva della struttura durante l'installazione.
- Sistema di recinzione e disposizione della struttura secondaria: La spaziatura di arcarecci e travi di sostegno negli edifici con struttura in acciaio a portale è determinata principalmente dalla resistenza e dalla rigidezza dei pannelli del tetto e delle pareti, con una spaziatura comune di 1.5 m. Per ridurre la lunghezza effettiva fuori piano di arcarecci e travi di sostegno e migliorare la capacità portante, è necessario installare un sistema di tiranti e puntoni (solitamente realizzati in acciaio tondo) per formare un sistema stabile di supporto delle forze. Le colonne antivento sono disposte in corrispondenza dei timpani per sopportare i carichi del vento trasmessi dai pannelli delle pareti dei timpani; le loro estremità superiori sono incernierate alle travi del telaio rigido tramite piastre terminali, consentendo il trasferimento delle forze sia orizzontali che verticali.
- Riepilogo del processo di layout di base: Il processo di progettazione del layout principale degli edifici con struttura in acciaio a portale segue la logica "orientato alla domanda → pianificazione preliminare → layout sistematico → calcolo e ottimizzazione". In primo luogo, determinare la campata, l'altezza, il tonnellaggio della gru e la posizione delle porte in base ai requisiti di processo; quindi, confermare inizialmente la spaziatura economicamente ragionevole tra le colonne (ad esempio, 7.5 m) e la pendenza del tetto (ad esempio, 1/10); quindi, disporre i telai rigidi laterali per formare il sistema portante principale; quindi installare i controventi longitudinali, posizionare i controventi del tetto e i controventi inter-colonna nelle campate terminali e al centro delle sezioni termiche per costruire una struttura spaziale stabile; quindi, disporre ragionevolmente le strutture secondarie come arcarecci, travi di sostegno e i relativi sistemi di tiranti; infine, impostare il sistema di timpano e disporre i pilastri antivento. Infine, tutti i layout devono essere modellati, calcolati e ottimizzati utilizzando software di calcolo strutturale (come PKPM, YJK) per garantire il rispetto di tutti i principi di progettazione.
Punti di progettazione per edifici industriali con struttura in acciaio a portale: resistenza sismica e protezione antincendio
Nella progettazione di edifici industriali con struttura portante in acciaio per la resistenza sismica, il primo aspetto da considerare è la razionalità della configurazione complessiva: la massa e la rigidezza della struttura dell'officina devono essere distribuite uniformemente. Ciò garantisce che l'officina sopporti le forze in modo uniforme e si deformi in modo coordinato sotto l'azione sismica, riducendo al minimo il rischio di sovraccarico locale e il conseguente danno strutturale causato da una rigidezza non uniforme. Per la progettazione strutturale trasversale, sono più adatti telai rigidi o telai in cui le capriate del tetto e le colonne formano un certo grado di consolidamento: questa progettazione sfrutta appieno le prestazioni portanti della struttura in acciaio, riduce la deformazione strutturale trasversale e migliora ulteriormente la capacità sismica.
È particolarmente importante notare che la maggior parte dei danni alle officine industriali con struttura a portale in acciaio è causata dall'instabilità degli elementi strutturali piuttosto che dalla loro insufficiente resistenza. Pertanto, la disposizione razionale del sistema di controventatura è fondamentale: il posizionamento scientifico di componenti come i controventi inter-colonna e i controventi orizzontali delle capriate del tetto può garantire efficacemente la stabilità complessiva della struttura dell'officina e prevenire l'instabilità degli elementi strutturali sotto l'azione sismica. Inoltre, la progettazione dei nodi di collegamento strutturale deve essere rigorosamente controllata: è essenziale garantire che i nodi non cedano prima della sezione trasversale completa degli elementi strutturali, consentendo a questi ultimi di entrare in uno stato di lavoro plastico e di assorbire completamente l'energia sismica, massimizzando così la resistenza sismica dell'edificio.
Vantaggi principali degli edifici industriali con struttura in acciaio a portale: efficienza, peso proprio e adattabilità allo spazio
La popolarità degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio nel settore industriale deriva dai loro vantaggi pratici sotto molteplici aspetti. A partire dall'efficienza costruttiva, i componenti strutturali in acciaio di questi edifici possono essere prodotti in serie in fabbrica, eliminando la necessità di complessi lavori di getto in loco; una volta trasportati in cantiere, l'edificio può essere completato semplicemente assemblando i componenti. L'intero processo è semplice ed efficiente, riducendo significativamente il ciclo di costruzione del progetto e aiutando le aziende ad avviare la produzione più rapidamente.
In termini di peso proprio dell'edificio, il vantaggio degli edifici industriali con struttura a portale in acciaio è ancora più notevole: possono ridurre la massa strutturale dell'edificio di circa il 30%. Questa caratteristica è particolarmente critica in due scenari: uno è rappresentato dalle aree con bassa capacità portante delle fondazioni, dove il peso proprio più leggero riduce la pressione sulle fondazioni e abbassa i costi di rinforzo delle fondazioni; l'altro è rappresentato dalle aree con elevata intensità di fortificazione sismica, dove la struttura più leggera riduce la forza inerziale sotto l'azione sismica, con conseguente economia complessiva molto migliore rispetto ai tradizionali sistemi strutturali in cemento armato.
Anche in termini di utilizzo dello spazio e adattabilità funzionale, gli edifici industriali con struttura a portale in acciaio offrono ottime prestazioni. La loro campata economica varia tipicamente da 24 a 30 metri, offrendo ampio spazio per le operazioni e soddisfacendo le esigenze di spazio di diverse attività industriali come la lavorazione meccanica e lo stoccaggio logistico; allo stesso tempo, la progettazione strutturale offre un'elevata flessibilità. Le aziende possono adattare la struttura in configurazioni a più piani o a più campate in base alle loro effettive esigenze produttive e persino installare attrezzature industriali speciali come gru, adattandosi completamente agli scenari produttivi di diversi settori.
Progettazione della protezione antincendio: affrontare la carenza di resistenza al calore dell'acciaio ed evitare il rischio di crollo
Gli edifici industriali con struttura a portale in acciaio presentano un punto debole notevole: la scarsa resistenza al fuoco delle loro strutture in acciaio. Una volta che la temperatura dell'acciaio supera i 100 °C, le sue prestazioni cambiano gradualmente con l'aumentare della temperatura: la resistenza alla trazione diminuisce costantemente, mentre la plasticità aumenta; quando la temperatura raggiunge i 500 °C, la resistenza dell'acciaio scende a un livello estremamente basso, incapace di sostenere il peso dell'edificio, il che può portare al collasso della struttura in acciaio.
Pertanto, i codici di progettazione stabiliscono chiaramente che, se la temperatura superficiale della struttura in acciaio può raggiungere i 150 °C in un ambiente, è necessario adottare misure di isolamento termico e protezione antincendio. Attualmente, la soluzione più comunemente utilizzata nel settore consiste nell'applicare rivestimenti resistenti al calore alla superficie della struttura in acciaio: questi rivestimenti formano uno strato di isolamento termico in ambienti ad alta temperatura, rallentando l'aumento della temperatura dell'acciaio, guadagnando tempo per le operazioni di soccorso antincendio e proteggendo le prestazioni dell'acciaio da un rapido degrado, scongiurando efficacemente il rischio di crollo dell'edificio.
Circa l'autore: K-HOME
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