Introduzione

I grandi tetti dello stadio di espansione sono tra i più esigenti sistemi strutturali dell'ingegneria civile, i cui tetti sono spesso superiori a 200 m, e devono sostenere non solo il proprio peso morto, ma anche i carichi vivi delle attrezzature di manutenzione, le pressioni del vento che possono superare 2 kN/m2, le accelerazioni sismiche, e occasionali costi di neve o di ghiaccio.

Le richieste strutturali dei tetti di stadio di grandi dimensioni

I tetti di grandi dimensioni presentano sfide strutturali uniche che li separano dai tipici telai edilizi.Il tetto’ il peso auto è un carico dominante, e ogni chilogrammo di acciaio salvato nelle connessioni riduce la stazza totale della struttura primaria.

  • Alza e aspirazione a vento[] – in particolare su superfici a tetto a cantilevered o curvate dove pressioni negative possono superare carichi positivi del vento.
  • Forze sismiche[[] – che richiedono connessioni duttili che possono dissipare l'energia attraverso una resa controllata senza frattura fragile.
  • Cicli termici[[[] – l'acciaio si espande approssimativamente 12 × 10−6 per grado Celsius. Per un tetto di 300 m, un cambiamento di temperatura di 40 °C produce quasi 150 mm di movimento che le connessioni devono ospitare senza sovrafforti dei membri adiacenti.
  • Creep and relax[ – soprattutto nei tetti supportati dai cavi dove i collegamenti di tensione devono mantenere il precarico nel corso dei decenni.
  • Fatigue[] – vibrazioni indotte dal vento e carichi dinamici indotti dalla folla creano cicli di stress che possono avviare crepe a piedi di saldatura poco dettagliati o fori di bullone.

Poiché i tetti dello stadio sono strutture tipicamente un-di-un-tipo, il design della connessione non può contare solo su tabelle prescrittive del codice. Gli ingegneri devono eseguire analisi dettagliate dell'elemento finito di ogni connessione critica, spesso completate da test fisici a scale di 1:2 o anche mock-up full-size.

Tipi di connessioni in acciaio

Tre famiglie di collegamento fondamentali dominano la costruzione del tetto dello stadio: bullone, saldato e ibrido, ognuna ha punti di forza e di debolezza che lo rendono più o meno adatto per particolari regimi di carico e sequenze di erezione.

Collegamenti a bullone

I collegamenti a bullone sono ampiamente utilizzati perché consentono l'erezione sul campo senza le sfide di controllo della qualità della saldatura in loco. Inoltre, facilitano lo smontaggio futuro, che può essere richiesto per la manutenzione o la sostituzione del tetto.

I collegamenti acritici a scorrimento[] sono essenziali quando le giunture non devono scivolare sotto carichi di servizio, ad esempio alla base di archi a colonna o a connessioni a fascette in sistemi di trasmissione via cavo. Questi collegamenti richiedono la preparazione della superficie (ad esempio, la pulizia dell'alto ad uno stadio vicino a bianco) e il controllo di pretensione a bullone rigoroso utilizzando metodi di coppia o di nocciolo.

  • Giunti di campo in capriate primarie dove la capacità gru limita il peso del pezzo.
  • Collegamenti che devono essere regolabili durante l'assemblaggio per correggere le tolleranze di fabbricazione cumulativa.
  • Punti di smontaggio dei membri per le sezioni del tetto che possono essere rimossi per la sostituzione del tappeto erboso o gli aggiornamenti HVAC.

Le piastre di protezione con fori a fessura possono fornire una capacità di movimento limitata, ma i progettisti devono essere cauti: l'eccessiva slot riduce l'area della sezione netta e può creare concentrazioni di stress alle estremità delle fessure.

Collegamenti saldati

Le connessioni saldate offrono la massima rigidità e capacità di carico per unità di materiale, rendendole la soluzione preferita per montature a momento completamente continue e geometrie nodi complesse dove il bullone richiederebbe cavità di grandi dimensioni. Le saldature a scanalatura a piena penetrazione possono sviluppare la piena forza dei membri collegati, che è fondamentale nei componenti di tensione primaria dei tetti di tensione o delle strutture a funicolare.

I dettagli comuni della saldatura nei tetti dello stadio includono:[

  • Saldature a scanalatura a doppia congiunta (CJP) a flange a trave per continuità di momento.
  • Saldature a scanalatura parziale-giunte (PJP) con filetti rinforzanti dove non è necessaria la piena resistenza, ma è ancora richiesta la resistenza alla fatica.
  • Saldature di riempimento a interfaccia gusset-to-member, progettate per abbinare la capacità di taglio della piastra.

Le saldature a campo sono soggette a variazioni di vento, umidità e temperatura che possono indurre la cracking dell'idrogeno. I test non distruttivi – radiografici, ultrasuoni o magnetici – sono obbligatori per tutte le saldature CJP nei percorsi di carico primario. Molti grandi progetti di stadio richiedono test di certificazione per saldare la geometria e l'accesso reali.

Collegamenti ibridi

I collegamenti ibridi combinano elementi bulloni e saldati per capitalizzare sui vantaggi di entrambi. Un tipico dettaglio ibrido utilizza sotto-assemblaggi saldati con giunzioni a terra. Ad esempio, una tromba a lunga durata potrebbe essere fabbricata in tre o quattro segmenti, ciascuno con piastre a fine che sono rinforzate sul campo.

Le soluzioni ibride sono comuni anche a nodi altamente congestionati dove i membri multipli si incontrano in un unico punto, come ad esempio alla corona di una cupola o all'intersezione di trombe radiali e circonferenziali. Il mozzo centrale può essere un nodo in acciaio fuso o un assemblaggio di piastre personalizzate saldate, mentre i membri radianti sono bulloniti ad esso utilizzando bulloni ad alta resistenza e piastre di giunzione.

Una nota applicazione di connessioni ibride è il tetto del [Singapore National Stadium[] (aperto 2014), dove un tetto retrattile di grandi dimensioni utilizza travi a scatola saldata per le principali costole ad arco e collegamenti imbuti ai pannelli a scomparsa. La combinazione ha permesso al contraente di raggiungere tolleranze di erezione di ±5 mm su campate superiori a 300 m.

Considerazioni di progettazione critica

Oltre alla selezione dei tipi di connessione, il design dettagliato dei collegamenti per il tetto di grandi dimensioni deve affrontare una serie di criteri di prestazione correlati.

Percorso di carico Continuità

Ogni connessione deve fornire un percorso di carico chiaro e ininterrotto da parte dell'utente a membro senza brusche variazioni di rigidità. Una connessione troppo rigida rispetto ai membri confinanti può attrarre momenti indesiderati, causando una resa prematura. Al contrario, una connessione troppo flessibile può consentire rotazioni eccessive sotto carichi di servizio, portando a scomode deflettenze o laghettizzazione dell'acqua sulla superficie del tetto.

Carico faticoso e ciclico

I tetti dello stadio sperimentano milioni di cicli di stress sulla loro vita progettuale, dal vento a buffet, dal movimento della folla e dall'espansione termica. I collegamenti sono i componenti più sensibili alla fatica perché le saldature e i fori dei bulloni creano sollevatori di stress. L'American Institute of Steel Construction (AISC) La specifica per gli edifici in acciaio strutturale (ANSI‐AISC 360) fornisce disposizioni di progettazione di fatica che classificano le connessioni in categorie di sforzo di grandi dimensioni.

Le misure comuni di mitigazione della fatica includono:

  • Smerigliatura di piedi saldanti per ridurre la concentrazione di stress e migliorare la categoria di stanchezza da C a B o B′.
  • Evitare gli attacchi saldati a flange di tensione; invece, utilizzando angoli o gussets clip bullonati che non creano un effetto di notch.
  • Utilizzando dettagli a foro aperto (ad esempio, fori a fessura con lavatrici a sovradimensionamento) per consentire un movimento limitato senza fresare la fatica alle interfacce a bullone-plate.

Per progetti soggetti a vibrazioni elevate, gli ingegneri possono progettare connessioni con una durata esplicita di fatica di 106-107 cicli e richiedere intervalli di ispezione in-service basati su calcoli di frattura-meccanica.

Ampliamento termico e capacità di movimento

Come già detto, i movimenti termici nei tetti di grandi dimensioni possono essere sostanziali. Le connessioni devono ospitare questi movimenti senza membri sovratensionanti o causare il rilassamento dei bulloni.

  • Connessioni scorrevoli:[ Le piastre portanti PTFE-coperte con fori a bullone scanalati permettono un movimento traslazionale lungo uno o due assi.
  • I collegamenti di montaggio:[ I perni veri ( cuscinetti cilindrici) permettono la rotazione senza trasferimento di momento, creando efficacemente una cerniera al punto di connessione.
  • I cuscinetti elastomerici:[ I livelli di gomma legati alle piastre d'acciaio forniscono sia la capacità di rotazione che quella di movimento laterale, spesso utilizzati alla base delle colonne del tetto.
  • Precarico compensato dalla temperatura:[] Nelle connessioni via cavo, il dettaglio della presa regolabile o del contorno del tenditore consente di ripristinare la tensione dopo i cambiamenti di temperatura stagionali.

Il Beijing National Stadium ( Bird’s Nest )[[]] ha usato un sistema di collegamenti scorrevoli e articolazioni per gestire l'espansione termica del suo reticolo in acciaio irregolare, che si estende su 343 m. Ogni connessione è stata modellata individualmente per garantire la chiusura non si è verificata a temperature estreme.

Costruzionibilità e Tolleranze

I tetti di grandi dimensioni sono tipicamente eretti in fasi, con torri di ammortizzamento temporaneo che supportano la struttura fino a quando non sono completate le connessioni primarie. I dettagli di collegamento devono essere progettati per consentire le tolleranze cumulative che derivano dalla fabbricazione e dall'erezione.

Per le connessioni saldate, le tolleranze di montaggio sono più severe. Il divario tra i membri da unire deve essere mantenuto entro i limiti specificati dalla procedura di saldatura (WPS). In pratica, questo richiede spesso un'indagine precisa e una regolazione prima della saldatura. Molti progetti di stadio moderni utilizzano la scansione laser 3D dei componenti fabbricati prima della spedizione; la geometria as-built è paragonata al modello, e le piastre di giunzione sono personalizzate per soddisfare le dimensioni reali del campo.

Protezione contro la corrosione

I tetti dello stadio sono esposti agli elementi e i collegamenti sono particolarmente vulnerabili alla corrosione a causa dei cresivi formati da piastre sovrapposte, teste di bullone e profili di saldatura. Per i collegamenti in acciaio al carbonio, la difesa standard è un rivestimento zincato a caldo (a ASTM A123) o un sistema di verniciatura a multistrato (tipicamente un primer ricco di zinco, un intermedio epossidico e un rivestimento in poliuretano).

Le connessioni in acciaio inox[] sono sempre più specificate per i bordi a vista del tetto, i cavi di ancoraggio e le connessioni vicino agli stadi costieri costieri. Gli acciai inossidabili Duplex (ad esempio, 2205) offrono elevata resistenza (yield > 450 MPa) e un'eccellente resistenza alla corrosione, eliminando la necessità di manutenzione del rivestimento.

Integrazione estetica

Gli stadi moderni sono punti di riferimento iconici, e la struttura del tetto a vista è un elemento visivo importante. I dettagli di connessione che sono funzionali ma visivamente ingombrati possono detrarre dal concetto architettonico. Architetti e ingegneri devono collaborare per nascondere le teste dei bulloni, le forme di impronta snella e le cuciture di saldatura allineate con linee strutturali.

Dettagli di connessione comuni

Questa sezione esamina i dettagli di connessione più frequentemente incontrati nei tetti dello stadio di grandi dimensioni, insieme con la guida di progettazione per ciascuno.

Collegamenti base

Per i tetti di grandi dimensioni, le piastre di base devono resistere a grandi momenti di ribaltamento, sollevamento e taglio orizzontale.

  • Le piastre di base esposte – la colonna è saldata a una piastra spessa (spesso da 50 mm a 100 mm) che viene bullnata alla fondazione con barre di ancoraggio. Le piastre di stiffener o le coperture di base sono utilizzate per distribuire le forze di flangia della colonna nella piastra.
  • Le piastre base incorporate[[] – la piastra di base viene gettata nel calcestruzzo di fondazione, con la colonna bullone o saldata ad esso. Questo dettaglio fornisce un migliore ristrato rotazionale ma è più difficile da regolare.
  • Le basi di appoggio[[] – vere connessioni a pinna alla base della colonna, utilizzate quando il tetto è progettato come arco a tre punte. L'assemblaggio del perno (clevis e pin) consente la rotazione durante il trasferimento di forze assiali e di taglio.

La progettazione della piastra di base deve considerare le sollecitazioni dei cuscinetti sul cemento, la tensione dell'asta di ancoraggio (a causa di sollevamento a colonne a vento), e la flessione della piastra stessa.

Giunti a travi e a travi a travi

Per i sistemi di tromba, il dettaglio tipico coinvolge una piastra di gronda che collega i membri del web all'accordo. La gronda è saldata al filetto e ai membri del web; nelle trozze più grandi, i membri del web possono essere fissati al gusset sul sito.

  • Guainatura a piastre di cova – metodo di sezione Whitmore o analisi di elementi finiti.
  • Bloccare la cinghia a gruppi di bulloni nella gabbia.
  • Dimensione e lunghezza della saldatura per la connessione a corda.

Per i sistemi di copertura a telaio di momento (ad esempio, telai a portale rigidi), le connessioni a trave-column utilizzano saldature a flangia a piena penetrazione e schede di taglio a spigoli o saldate.

Collegamenti cavi

I tetti a cavo (cavo-stay, a fune o a tensegrina) si affidano a connessioni che possono trasferire forze ad alta tensione (spesso > 1000 kN per cavo) senza scivolare o fresare. I dettagli più comuni della connessione via cavo sono:

  • I socket spelter[[] – un socket conico viene gettato sul cavo finale utilizzando una lega a base di zinco. La connessione è permanente e può sviluppare il cavo & n. 8217; la piena forza di rottura.
  • I terminali svezzati[[] – un raccordo in acciaio viene compresso sul filo del cavo. Questi raccordi sono compatti e ben adattati per connessioni con sdogaature limitate, ma sono sensibili alla corrosione all'interfaccia swage.
  • Cabine di rotazione regolabili o prese filettate[] – utilizzate dove la tensione del cavo deve essere regolata durante l'erezione o periodicamente.

Le connessioni cavi-to-acciaio richiedono anche un attento dettaglio della piastra di ancoraggio o del supporto per per evitare concentrazioni di stress. Il perno stesso è tipicamente progettato con un fattore di sicurezza di 3.0 contro la resa ed è realizzato in acciaio legato ad alta resistenza (ad esempio, 4340 quenched e temperato).

Vierendeel Truss Collegamenti

Le trozze di Vierendeel, che mancano di un membro di rete diagonale, sono talvolta utilizzate nei tetti dello stadio dove si desidera una linea di vista aperta (ad esempio, per i pannelli di tetto retrattili), mentre i collegamenti tra i cordoni superiori/basso e i posti verticali devono resistere a momenti di flessione significativi (sono giunti di momento).

Dome e connessioni con telaio spazio

Per le cupole geodeiche, le cupole lamella o i tetti spaziali (ad esempio, la cupola Toyota in Giappone), i collegamenti sono punti nodali in cui diversi membri convergono a diversi angoli.

  • Nodi sferica saldati[[] – una sfera d'acciaio cava è saldata a macchina alla fine di ogni membro. La sfera è una complessa fabbricazione, ma fornisce una estetica pulita e una buona prestazione di fatica.
  • Connettori a mozzo a snodo[[] – un hub centrale in acciaio con flange lavorate accetta piastre di estremità bullonate da ogni membro. Questo approccio è più facilmente eretto ma può creare un ingombro visivo. Il sistema Mero è un noto esempio commerciale.

Tecnologie di connessione avanzate

Molte tecnologie emergenti stanno migliorando le prestazioni e la facilità di costruzione di collegamenti in acciaio per i tetti di grandi dimensioni.

Nomi d'acciaio del cast

I nodi in acciaio fuso sono prodotti da getto d'investimento o colata di sabbia, che producono un componente monolitico che può essere progettato con geometrie complesse impossibili da fabbricare da piastre arrotolate. Ad esempio, un incrocio a sei membri con angoli e dimensioni dei membri variabili può essere lanciato come un unico pezzo, eliminando tutte le saldature di campo al nodo.

Gli stadi con nodi in acciaio al cast includono lo stadio Beijing National Stadium e il London Olympic Stadium[] (per le colonne del tetto). Il costo del modello e del getto è alto, ma per i nodi complessi ripetuti molte volte (ad esempio, 50+ nodi identici in una cupola), il costo unit può essere competitivo.

Bulloni ad alta resistenza (HSFG)

I bulloni HSFG sono progettati per essere serrati ad un carico ad alta prova, creando una forza di bloccaggio che trasferisce il carico attraverso l'attrito tra le piastre collegate piuttosto che attraverso la tranciatura o il cuscinetto. Per i tetti di grandi dimensioni, i collegamenti HSFG sono preferiti per le applicazioni acritiche in quanto eliminano la necessità di controlli a sezione netta e riducono il numero di bulloni richiesti.

Gli sviluppi recenti includono serraggio controllato a vite[[[]] utilizzando chiavi a coppia idrauliche che possono raggiungere in modo affidabile il ±2% del precarico di destinazione.

Sezione strutturale saldata (HSS) Collegamenti

Molti tetti dello stadio moderni usano sezioni strutturali cavi (circolari o rettangolari) per i membri primari a causa della loro elevata rigidità torsionale e aspetto liscio. I collegamenti HSS saldati sono più impegnativi delle sezioni rigide aperte perché l'accesso per la saldatura è limitato all'esterno del tubo.

Assicurazione e ispezione di qualità

Il collegamento che si dettaglia diventa efficace solo se la fabbricazione e l'erezione eseguono fedelmente il disegno. Per i tetti di grandi dimensioni, un programma di garanzia di qualità rigoroso (QA) è essenziale.

L'ispezione delle connessioni bulloni[[] deve verificare il grado di bullone, la lunghezza, l'aggancio del filo e la pretensione. Le chiavi di coppia calibrate o le misurazioni di gira-di-notte sono necessarie per tutti i bulloni acritici.

L'ispezione di saldatura[] include:

  • Ispezione visiva (VT)[] di ogni saldatura per crepe, sottosquadra, porosità e profilo.
  • Test a ultrasuoni (UT)] o [ test radiografici (RT)[] per tutte le saldature a scanalatura CJP nelle connessioni a percorso di carico primario.
  • Magnetic-particle (MT)[] o []die-penetrant (PT)] test di superfici di saldatura del filetto e zone colpite dal calore per crepe superficiali.

Molti progetti dello stadio utilizzano un'agenzia di ispezione indipendente di terze parti che riferisce direttamente all'autorità competente, che esamina i calcoli di progettazione di connessione, i test di testimoni in loco e mantiene un registro di non conformità.

Test di Mock-Up a schermo intero

Per i dettagli di connessione critici o nuovi, è spesso necessario un test completo su mock-up. Un mock-up replica la geometria reale, il materiale, la saldatura e il precarico del bullone della connessione. Il campione di prova è caricato almeno 1.25 × il carico finale del progetto (a volte al fallimento) per verificare la rigidità, la duttilità e la modalità di fallimento.

Case Studies in Connection Innovation

Singapore National Stadium – Giunti per il tetto retrattile

Lo stadio nazionale di Singapore (aperto nel 2014) presenta un tetto retrattile di 310 m che può essere aperto in 20 minuti. Il tetto è composto da due archi mobili che scivolano su una pista curva. Le costole dell'arco sono saldate con giunture di campo con bulloni a 12-m. Ogni giunzione utilizza 40 bulloni ad alta resistenza (Grade 10.9) in configurazione a ultra-critica, con i cuscinetti pre-corsa.

Beijing National Stadium – Nodes in acciaio cast

Forse il sistema di connessione più sorprendente in qualsiasi stadio è il Beijing National Stadium ( Bird’s Nest ), dove 24 troie primarie si intersecano a nodi satellitari. Ogni nodo è un componente in acciaio pressofuso di 30 tonnellate. I nodi sono stati gettati da acciaio G20Mn5‐QT e sono stati sottoposti a 100% UT e ispezione MT.

Conclusioni

I dettagli di connessione in acciaio per i tetti dello stadio di grandi dimensioni occupano un incrocio critico di ingegneria strutturale, tecnologia costruttiva e progettazione architettonica. Gli ingegneri devono selezionare il tipo di connessione appropriato – rinforzato, saldato o ibrido – basato su richieste di carico, capacità di fabbricazione e sequenza di erezione.

Mentre gli stadi continuano a spingere i confini della lunghezza del arco e dell'espressione architettonica – con tetti retrattili, stand mobili e sistemi di illuminazione integrati – le richieste di connessioni aumenteranno solo. Gli ingegneri che padroneggiano l'arte e la scienza dei dettagli di connessione saranno in prima linea nella creazione della prossima generazione di luoghi sportivi sicuri, durevoli e iconici.

Risorse esterne: