Lista materiałów projektu stalowej więźby dachowej w Peru i analiza obciążeń konstrukcyjnych

Huachipa, Lima Projekt stalowej więźby dachowej - Lista materiałów i analiza obciążeń konstrukcyjnych

 

 

Projekt ten realizowany jest w Huachipa, Lima, Peru i koncentruje się na projektowaniu i budowie stalowych systemów więźby dachowej (z wyłączeniem stalowych słupów i elementów ścian). Dach jest wyposażony w panele słoneczne, a projekt jest ściśle zgodny z lokalnymi przepisami budowlanymi Peru. Najważniejsze parametry projektu podsumowano w następujący sposób:

Całkowita powierzchnia zabudowy: 8900 ㎡

Długość całkowita: 109 m

Szerokość całkowita: 85 m (układ nieregularny z wieloma przęsłami)

Wymiary przęseł (w kierunku 85 m, nierówne rozpiętości): 13 m, 17 m, 25 m, 28 m (maksymalna rozpiętość: 28 m)

Rozstaw kratownic (odstęp przęseł): około 22m

Konfiguracja dachu: Wyposażona w około 4400 ㎡ paneli słonecznych (system fotowoltaiczny)

Zakres konstrukcyjny: Tylko system więźby dachowej (kratownice, stężenia, ściągi, płatwie), z wyłączeniem słupów stalowych i ram ściennych

Obowiązujące przepisy: lokalne przepisy budowlane w Peru

 

 

Analiza obciążenia opiera się na rzeczywistych warunkach środowiskowych w Huachipa w Limie i ściśle przestrzega peruwiańskich norm E.030 (kodeks sejsmiczny), E.050 (kodeks obciążenia wiatrem) i E.070 (kodeks obciążenia śniegiem). Wszystkie obciążenia są obliczane zgodnie ze stopniem ważności budynków przemysłowych (współczynnik ważności U=1.0).

 

 

Huachipa w Limie znajduje się w 4. strefie sejsmicznej w Peru, która jest obszarem sejsmicznym-o wysokiej intensywności. Konkretne parametry sejsmiczne są następujące:

Strefa sejsmiczna: strefa 4, Z=0.45g (szczytowe przyspieszenie gruntu)

Rodzaj gleby terenu: S1 (gleba twarda), współczynnik terenu S=1.0

Oddziaływanie sejsmiczne: System więźby dachowej wymaga wystarczającej sztywności sejsmicznej, aby wytrzymać poziome siły sejsmiczne. Połączenia kratownic i system stężeń muszą być zaprojektowane zachowawczo, aby zapewnić stabilność konstrukcji w warunkach działania sejsmicznego.

 

 

Lima to nadmorskie miasto, a na obszar Huachipa wpływają nadmorskie wiatry. Parametry obciążenia wiatrem wyznacza się w następujący sposób:

Podstawowe ciśnienie wiatru: 0,55–0,65 kN/㎡

Efekt wiatru: Panele słoneczne na dachu zwiększają efekt ssania i wibracji wiatru. Współczynnik kształtu dachu jest odpowiednio wzmacniany, aby uwzględnić wpływ paneli fotowoltaicznych na rozkład obciążenia wiatrem.

Wymagania dotyczące odporności na wiatr: Wiązary dachowe, płatwie i system stężeń muszą być w stanie wytrzymać ssanie wiatru i dodatnie ciśnienie wiatru, zapewniając brak uszkodzeń konstrukcji lub nadmiernych deformacji.

 

 

Huachipa w Limie charakteryzuje się tropikalnym klimatem nadmorskim, w którym przez cały rok nie występują opady śniegu. Dlatego podstawowe obciążenie śniegiem określa się w następujący sposób:

Podstawowe obciążenie śniegiem S₀: ≈ 0 kN/㎡

Uwaga: W projekcie konstrukcyjnym nie uwzględniono żadnego dodatkowego obciążenia śniegiem, ale system odwadniania dachu zaprojektowano tak, aby zapobiec gromadzeniu się wody (co jest równoważne częściowemu obciążeniu równomiernemu).

 

 

Całkowite obciążenie dachu to suma obciążenia własnego, obciążenia paneli słonecznych i obciążenia czynnego, które jest znacznie wyższe niż w zwykłych warsztatach przemysłowych. Konkretne obliczenia są następujące:

Ciężar własny dachu (-ciężar własny pokrycia dachowego + płatwi): ≈ 0,30 kN/㎡

Obciążenie panelu słonecznego (panele słoneczne + wsporniki): ≈ 0,18–0,22 kN/㎡

Konserwacja Obciążenie użytkowe: 0,50 kN/㎡ (zgodnie z peruwiańskimi standardami budownictwa przemysłowego)

Całkowite obciążenie dachu: ≈ 0,98–1,02 kN/㎡

Uwaga: Ugięcie wiązarów dachowych i płatwi musi być kontrolowane w zakresie L/200 (L to rozpiętość wiązarów lub płatwi), aby zapewnić stabilność systemu paneli słonecznych.

 

Wybór materiałów opiera się na lokalnych normach stalowych w Peru i wymaganiach dotyczących obciążenia projektu, koncentrując się na trwałości, odporności sejsmicznej i-opłacalności. Szczegółowy wykaz materiałów przedstawia się następująco:

 

 

Gatunek stali: chińska norma Q355B/Q235B (odpowiednik A36 w normie ASTM), o dobrej wytrzymałości i ciągliwości, odpowiednia do obszarów o dużym natężeniu sejsmicznym.

Typ sekcji:

Pas górny i pas dolny: stalowy-o przekroju H- wybrany w zależności od rozpiętości i obciążenia, z zakresem rozmiarów przekroju: H300×150×6×8 do H400×200×8×10 (dostosowany w oparciu o różne rozpiętości: 13m/17m/25m/28m).

Elementy sieciowe: Kątowniki stalowe lub-stal dwuteowa-, zakres rozmiarów sekcji: L75×5 do L100×8 (dla rozpiętości 13m/17m); L100×8 do L125×10 (dla rozpiętości 25m/28m).

Metoda połączenia:-śruby o wysokiej wytrzymałości (klasa 10.9) do połączenia, zapewniające niezawodne połączenie i odporność sejsmiczną.

Obróbka: Farba podkładowa bogata w epoksyd i cynk- o grubości 80 μm

 

 

Gatunek stali: chińska norma Q235B

Typ przekroju: Stal okrągła (φ16–φ22) lub stal kątowa (L63×5–L80×6), stosowana do wytrzymywania sił poziomych (sejsmicznych, wiatru) i utrzymania stabilności systemu kratownicy.

Układ: Stężenia są rozmieszczone w odstępach 2–3 kratownic, przy czym stężenia krzyżowe-i stężenia ukośne są rozmieszczone naprzemiennie, aby utworzyć stabilny system-wytrzymujący siły boczne.

Obróbka: Farba podkładowa bogata w epoksyd i cynk- o grubości 80 μm

 

 

Gatunek stali: chińska norma Q235B

Typ przekroju: Okrągła stalowa (φ20–φ25) lub rura stalowa (φ89×4–φ114×4), służąca do przenoszenia naprężeń poziomych pomiędzy kratownicami i zapewnienia ogólnej stabilności dachu.

Obróbka: Farba podkładowa bogata w epoksyd i cynk- o grubości 80 μm

 

 

Gatunek stali: chińska norma Q235B

Typ przekroju: stal o przekroju C- lub stal o przekroju Z- (typ wzmocniony, odpowiedni do obciążenia paneli słonecznych), zakres rozmiarów przekroju: C160×60×20×2,5 do C220×70×20×3,0 (dostosowane w zależności od rozstawu płatwi i obciążenia panelu słonecznego).

Rozstaw: około 1,5–2,0 m, aby płatwie mogły wytrzymać łączne obciążenie pokrycia dachowego i paneli słonecznych bez nadmiernych odkształceń.

Obróbka: Galwanizacja 275kg/m3

 

 

Śruby o-wysokiej wytrzymałości: klasa 10,9, pasujące do rozmiaru przekroju kratownic i stężeń, z zabezpieczeniem-korozyjnym (cynkowanie ogniowe).

Wkręty i nity samogwintujące:-odporna na korozję stal nierdzewna (klasa 304), używana do łączenia płatwi i pokryć dachowych, a także wsporników paneli słonecznych.

Powłoka-antykorozyjna: cynkowanie ogniowe-(grubość warstwy cynku większa lub równa 80 μm) wszystkich elementów stalowych w celu dostosowania do wilgotnego środowiska przybrzeżnego Limy i zapewnienia trwałości.

 

Na podstawie parametrów projektu, analizy obciążenia i doboru materiałów zużycie stali w systemie więźby dachowej (tylko) szacuje się w następujący sposób, biorąc pod uwagę wysokie wymagania sejsmiczne Huachipa w Limie i dodatkowe obciążenie paneli słonecznych.

 

 

W połączeniu z warunkami maksymalnej rozpiętości 28 m, rozstawu kratownic 22 m, dużym obciążeniem paneli słonecznych i dużą intensywnością sejsmiczną w Limie, wskaźnik zużycia stali w systemie więźby dachowej określa się w następujący sposób:

Wiązary dachowe + stężenia + ściągacze: 18–22 kg/㎡

Płatwie dachowe (typ wzmocniony): 8–11 kg/㎡

Wskaźnik całkowitego zużycia stali: 26–33 kg/㎡ (przyjmując do szacunków konserwatywną środkową-górną wartość 30 kg/㎡, zgodnie z wymogami kodeksu peruwiańskiego)

 

 

Całkowite zużycie stali=Całkowita powierzchnia budynku × Wskaźnik zużycia stali ÷ 1000

Obliczenia: 8900 ㎡ × 30 kg/㎡ ÷ 1000=267 ton

 

 

Ekonomicznie zoptymalizowana konstrukcja (lekkie obciążenie, wyrafinowana optymalizacja): ≈ 230 ton

Konwencjonalny projekt konserwatywny (zgodny z przepisami peruwiańskimi i wymaganiami sejsmicznymi Limy): ≈ 265–270 ton

Duże obciążenie / wysokie obciążenia sejsmiczne / duża-rozpiętość o dużej rozpiętości: ≈ 290 ton

 

 

Powyższe zużycie stali obejmuje wyłącznie system więźby dachowej (kratownice, stężenia, ściągi, płatwie), z wyłączeniem słupów stalowych, ram ściennych i wsporników paneli słonecznych.

Jeśli dodane zostaną kolumny stalowe, całkowite zużycie stali wzrośnie o 10–13 kg/㎡, a całkowite zużycie stali wyniesie około 340–400 ton.

Rzeczywiste zużycie stali może wahać się o ±10% po ukończeniu projektu szczegółowego, na co wpływa głównie szczegółowe dostosowanie rozmiarów przekrojów i metod połączeń.

Projekt sejsmiczny: System więźby dachowej musi być zaprojektowany zgodnie z peruwiańską normą E.030 (strefa sejsmiczna 4), a nadmierna optymalizacja nie jest dozwolona w celu zapewnienia bezpieczeństwa sejsmicznego.

Obciążenie panelu słonecznego: Płatwie i górne pasy kratownic w obszarze paneli słonecznych muszą zostać wzmocnione, a kontrola ugięcia musi być bardziej rygorystyczna (w granicach L/200), aby uniknąć uszkodzenia systemu paneli słonecznych.

Wymóg-antykorozyjny: wszystkie elementy stalowe lepiej-ocynkować ogniowo, aby dostosować je do wilgotnego środowiska przybrzeżnego Limy i wydłużyć żywotność konstrukcji.

Zgodność z przepisami: Wszystkie prace projektowe i budowlane muszą być zgodne z peruwiańskimi lokalnymi przepisami RNE / E.030, E.050, E.070 i odpowiednimi normami przemysłowymi.

 

 

Szczegółowe zużycie stali jest podzielone według czterech nierównych rozpiętości (13 m, 17 m, 25 m, 28 m) w połączeniu z rozstawem kratownic wynoszącym 22 m i obciążeniem panelu słonecznego, a wskaźnik zużycia stali jest dostosowywany w zależności od rozmiaru przęsła (im większa rozpiętość, tym wyższy wskaźnik). Konkretny podział wygląda następująco:

Rozmiar rozpiętości	Długość rozpiętości (m)	Odpowiedni obszar (w przybliżeniu, ㎡)	Wskaźnik zużycia stali (kg/㎡)	Szacowane zużycie stali (w tonach)	Uwagi
1. rozpiętość	13	2400	25	60	Najmniejsza rozpiętość, najlżejsze obciążenie; częściowe pokrycie panelami słonecznymi
Drugie przęsło	17	2450	28	68.6	Średnia rozpiętość, umiarkowane obciążenie; częściowe pokrycie panelami słonecznymi
Trzecie przęsło	25	2250	32	72	Duża rozpiętość, duże obciążenie; główny obszar zasięgu paneli słonecznych
4. rozpiętość	28	1800	35	63	Maksymalna rozpiętość, najcięższe obciążenie; główny obszar zasięgu paneli słonecznych
Całkowity	83 (suma rozpiętości)	8900 (całkowita powierzchnia zabudowy)	30 (średni wskaźnik)	263.6	Niewielkie odchylenie od szacunków całkowitych (±2%) ze względu na zaokrąglenia

Uwaga: Odpowiednią powierzchnię każdego przęsła szacuje się na podstawie całkowitej powierzchni 8900 ㎡ i proporcji każdego przęsła w całkowitej szerokości (85 m), co ma charakter wyłącznie poglądowy. Rzeczywista powierzchnia i zużycie stali zostaną podane na szczegółowych rysunkach projektowych.

 

Główne główne belki dachowe (przekroje H)

- S200×750×12×6 mm

- S250×750×25×6 mm

- S350×750×25×9 mm

- S200×400×16×6 mm

 

Członkowie drugorzędni

- Płatwie: Z305×76×19×3,0 mm

- Stężenie poziome/boczne: kątownik stalowy 2"×2"×3/16"

 

 

2.1 Główna konstrukcja dachu

- System kratownicowy:

18–22 kg/m² → **160,2 – 195,8 ton**

- System belek dwuteowych (głębokie sekcje, rozstaw 22 m, obciążenie fotowoltaiczne):

24–30 kg/m² → **213,6 – 267,0 ton**

 

2.2 System stężeń

- Kratownica:

2,5–4,0 kg/m² → **22,3 – 35,6 tony**

- Belka H:

3,5–5,0 kg/m² → **31,2 – 44,5 tony**

*Powód: belki H mają mniejszą naturalną sztywność skrętną; wymagane jest większe usztywnienie.*

 

2.3 Płatwie

- Obydwa systemy:

Płatwie Z305, takie same obciążenia i rozstawy

8–11 kg/m² → **71,2 – 97,9 ton**

*Prawie identyczne w przypadku dachów kratowych i dwuteowych.*

 

2.4 Porównanie całkowitej masy stali

- Suma dachu kratownicy:

254 – 329 ton

-Łączny dach z belką dwuteową:

316 – 409 ton

 

 

3.1 System kratownicowy

- Zachowanie: Triangulowane siły osiowe (tylko rozciąganie/ściskanie).

- Sztywność: wysoka sztywność geometryczna, dobra w przypadku dużych rozpiętości i kontroli ugięcia (krytyczne dla PV).

- Stabilność: mniej zależna od stężeń; nieodłączna stabilność wynikająca z trójkątnego wzoru.

- Właściwości sejsmiczne: dobre odprowadzanie energii, lekkość i mniejsza bezwładność.

- Wydajność rozpiętości: niezwykle wydajna w przypadku **rozpiętości 25–28 m**.

 

3.2 System belek H

- Zachowanie: zginanie + ścinanie + siły osiowe.

- Sztywność: niższa wydajność zginania na kg; głębsze/cięższe sekcje potrzebne do dopasowania ugięcia kratownicy.

- Stabilność: podatna na wyboczenie boczno-skrętne; wymaga częstszego zakładania usztywnień.

- Wydajność sejsmiczna: wyższa masa własna zwiększa zapotrzebowanie sejsmiczne.

- Konstrukcyjność: prostsza produkcja i montaż, ale cięższe komponenty.

 

 

 

Podobieństwa

- Obydwa wytrzymują te same obciążenia dachu (prąd stały + fotowoltaika + napięcie + wiatr).

- Rozmiar płatwi, odstępy i waga są identyczne.

- Obydwa muszą spełniać peruwiańskie limity ugięcia (L/200 dla PV).

- Obie podążają za E.030, E.050, E.070 w kierunku Huachipa w Limie.

 

Różnice

1. Mechanizm siłowy:

- Kratownica: tylko siły osiowe → bardzo wydajna.

- Belka H: kontrolowane zginanie → mniej wydajne pod względem materiałowym.

2. Zużycie stali:

- Główna konstrukcja: belka H wykorzystuje stal od +25% do +40%.

- Stężenia: belka H wymaga od +30% do +40% więcej stężeń.

- Płatwie: Prawie takie same.

3. Wydajność rozpiętości:

- Kratownica: doskonała dla rozpiętości 25–28 m.

- Belka H: wymaga ciężkich sekcji, aby kontrolować ugięcie.

4. Zachowanie sejsmiczne:

- Kratownica: lżejsza, mniejsza bezwładność, lepsza wydajność w Strefie 4.

- Belka H: cięższe i większe obciążenie sejsmiczne.

5. Koszt i konstrukcja:

- Kratownica: więcej pracy, mniej materiału.

- Belka H: Mniej pracy, więcej materiału.

 

 

- System kratownicowy:

Bardziej wydajne i lżejsze zastosowanie stali, lepsze w przypadku dużych rozpiętości i stref o wysokiej aktywności sejsmicznej.

Stal ogółem: 254 – 329 ton.

 

-Układ belek H:

Łatwiejsza konstrukcja, ale znacznie cięższa.

Stal ogółem: 316 – 409 ton.