Анализ нагрузки Рассмотрение модульного и сборного строительства

Основы анализа нагрузки в модульном и сборном строительстве

Модульные и сборные методы строительства преобразовали строительную отрасль, предлагая более быстрые сроки, сокращение отходов материалов и улучшенный контроль качества. Однако эти преимущества сопряжены с уникальными структурными инженерными проблемами, особенно в анализе нагрузки. В отличие от обычного строительства на месте, модульные здания состоят из предварительно собранных объемных блоков, которые должны безопасно выдерживать силы во время изготовления, транспортировки, монтажа и срока службы здания. Тщательное понимание типов нагрузки, путей нагрузки и поведения соединения имеет важное значение для обеспечения безопасности, исправности и соответствия современным строительным нормам, таким как Международный строительный кодекс (IBC) и ASCE 7-22.

В этой статье рассматриваются критические соображения, которые инженеры должны учитывать при проведении анализа нагрузки для модульных и сборных конструкций, охватывающих мертвые и живые нагрузки, экологические силы, комбинации нагрузки, конструкцию соединения, транспортные нагрузки и взаимодействия фундамента. Каждый фактор играет роль в структурной целостности окончательной сборки.

Мертвые грузы: точность выше обычных оценок

К числу мертвых нагрузок в модульной конструкции относятся самовес всех конструктивных компонентов (кадры из стали или дерева, напольные кассеты, панели крыши, стеновые панели), отделка (сухой, напольные покрытия, кровельные мембраны) и стационарное оборудование (блоки ВСАС, сантехнические приспособления, электрические системы). Точная оценка мертвой нагрузки более критична в модульной конструкции, поскольку каждый модуль должен быть поднят, транспортирован и поддерживаться на промежуточных этапах. Переоценка мертвой нагрузки может привести к излишне тяжелым модулям, которые превышают пропускную способность крана или пределы веса дорожного транспорта. Недооценка может привести к структурному отказу во время подъема или установки.

Вариации веса материала

Инженеры должны учитывать фактическую плотность материала и изменения содержания влаги, особенно для модулей с деревянной рамочкой. Сборные бетонные компоненты имеют предсказуемые веса, но стальные модули с тяжелым оборудованием MEP требуют точной детализации. Учитывайте вес временной крепления и любое дополнительное усиление, необходимое для точек подъема.

Модульный вес для транспорта

Расчеты мертвой нагрузки должны выполняться как для отдельного модуля, так и для полностью собранного здания. Во время транспортировки модули испытывают динамические силы (вертикальные ускорения, торможение, повороты), которые усиливают статическую мертвую нагрузку. Американский институт стального строительства (AISC) обеспечивает руководство по факторам нагрузки для обработки и транспортировки в своей спецификации для структурных стальных зданий. ] Всегда координируйте данные о мертвой нагрузке с инженером по транспортировке, чтобы гарантировать, что транспортное оборудование может справиться с весом модуля и что разрешения на шоссе получаются, когда это необходимо.

Живые нагрузки: занятость, хранение и этапы строительства

Жилые нагрузки включают все переменные нагрузки, налагаемые заполняемостью, мебелью, подвижным оборудованием и временными строительными работами. Модульные здания часто служат для целей смешанного использования - гостиницы, квартиры, офисы, классные комнаты - каждый с различными требованиями живой нагрузки на ASCE 7-22 (например, 40 psf для жилых помещений, 50 psf для офисов, 100 psf для общественных коридоров). Ключевая проблема заключается в том, что живые нагрузки должны передаваться через соединения, которые могут отличаться от традиционного монолитного строительства.

Строительство Live Loads

Во время монтажа модули могут подвергаться концентрированным нагрузкам от рабочих, инструментов и временных платформ. Эти нагрузки на строительной фазе должны рассматриваться отдельно от эксплуатационных нагрузок и часто регулируют конструкцию диафрагм пола и соединительных пластин. Используйте минимальную нагрузку на строительство 20 псф на этажах во время подъема, как рекомендовано руководящими принципами проектирования Модульского строительного института.

Жизненные нагрузки и снежный дрейф

Живые нагрузки на крышу для модульных зданий часто основаны на минимальной живой нагрузке крыши IBC 20 псф, но загрузка снега требует подробного анализа, особенно для многомодульных крыш с долинами, парапетами и ступенчатыми линиями крыши. Загрузки для дрейфа снега могут быть значительно выше, чем наземные снеговые нагрузки, и должны учитываться на переходах от модуля к модулю, где накапливается дрейфованный снег. См. главу 7-22 ASCE 7 для уравнений проектирования снеговой нагрузки.

Экологические и специальные нагрузки: ветер, сейсмика и снег

Модульные здания должны противостоять силам ветра, сейсмическим явлениям и накоплению снега - каждое из которых требует тщательного анализа пути нагрузки, потому что модули часто легко связаны во время первоначальной сборки. присущая гибкость модулей и их соединений может привести к более крупным отклонениям, чем в обычных структурах, требуя особого внимания к эффектам P-дельты и межэтажным пределам дрейфа.

Ветровые нагрузки на модульные структуры

Ветровые нагрузки определяются высотой здания, категорией воздействия и топографическими факторами на ASCE 7-22. Для модульных зданий облицовка и конструктивная рама способствуют устойчивости к ветру. Модули обычно имеют высокое отношение жесткости к весу, что может уменьшить периоды и увеличить сдвиг основания по сравнению с более тяжелыми зданиями. Однако соединения между модулями должны быть рассчитаны на полный проектный сдвиг ветра и моменты опрокидывания. Используйте компоненты и облицовочные давления ветра для наружных стен модуля, поскольку они могут быть более серьезными, чем нагрузки основной системы сопротивления ветру (MWFRS).

Сейсмические нагрузки и жесткость модуля

Сейсмическая конструкция модульных зданий следует тем же принципам, что и обычные конструкции (с использованием эквивалентного бокового усилия или анализа спектра модального отклика в ASCE 7-22), но особое внимание должно быть уделено деформационной способности соединений. Модульные здания часто имеют короткий фундаментальный период из-за их боковой жесткости, которая может привлекать более высокие сейсмические силы. Категория сейсмического дизайна (SDC) должна определяться на основе категории риска участка и отображенных ускорений (S]S, S1. Инженеры должны проверять, что структурная система модуля отвечает требуемым коэффициентам сверхпрочности и детализации для пластичности, особенно для стальных модулей в высокосейсмических зонах. Соединения должны быть детализированы, чтобы давать пластично, а не испытывать хрупкий разрыв. Например, использовать болтовые вкладки сдвига с прорезными отверстиями, чтобы обеспечить контролируемое скольжение.

Снежные грузы на модульных крышах

Плоские или низкосклонные модульные крыши подвержены накоплению снега, особенно если модули создают парапеты или бордюры крыши, которые препятствуют пролитию снега. Рассмотрим несбалансированные случаи снеговой нагрузки, определенные в ASCE 7-22, которые требуют шаблонов нагрузки, которые имитируют дрейф с одной стороны хребта или изменение геометрии крыши. Для многомодульных зданий разрывы между модулями (если таковые имеются) должны быть герметизированы и предназначены для предотвращения проникновения снега, которые могут заполнить разрыв и наложить боковые нагрузки.

Комбинации нагрузки и факторы безопасности

Комбинации нагрузки для модульных конструкций следуют тем же кодовым критериям прочности и исправности, что и обычные здания. Однако снижение избыточности и более низкая пластичность некоторых модульных соединений может оправдать использование более высоких факторов нагрузки или факторов снижения. Модульный строительный системный код рекомендует использовать комбинации прочностных конструктивных нагрузок IBC (ASD или LRFD) с дополнительным фактором 1.1 на мертвые нагрузки для условий подъема, чтобы учесть неопределенность в сидениях модулей и выравнивании оков. Проверки исправности - отклонения, вибрации и дифференциальные движения между модулями - имеют решающее значение и часто регулируют конструкцию соединения.

Перенос нагрузки и структурные соединения

Возможно, наиболее отличительным требованием к анализу нагрузки для модульной конструкции является конструкция соединений, которые передают силы между соседними модулями и вниз к основанию. Эти соединения должны вмещать вертикальные (гравитационные) нагрузки, горизонтальные нагрузки сдвига и силы опрокидывания при упрощении сборки поля. Отказ одного соединения может поставить под угрозу весь путь нагрузки, что приводит к прогрессивному коллапсу. Избыточность достигается путем распределения нагрузок через несколько соединений, но каждое соединение должно быть спроектировано для комбинации нагрузки в худшем случае.

Вертикальная передача нагрузки

Гравитационные нагрузки с крыши и полов переносятся через несущие соединения модуля-модуля. Как правило, стальная или бетонная колонна из нижнего модуля получает нагрузку из колонны верхнего модуля через подшипниковую пластину, часто с резьбовым стержнем или сдвигающим конусом для выравнивания. Давление подшипника должно быть в допустимых пределах для материалов (сталь, бетон или дерево). Для деревянных каркасных модулей используйте несущие стенки шпильки, которые складываются вертикально; это хорошо переносит нагрузки, но ограничивает архитектурную гибкость. Стальные модули часто используют механическую резистентность рам или скошенные рамы с зажатыми основаниями колонн.

Передача боковой нагрузки

Горизонтальные нагрузки (ветровые, сейсмические, давление земли) переносятся через сдвиговые соединения на уровне пола и крыши. Они могут быть скошенными скобами, сварными пластинами или переплетенными углами стали. Соединения должны быть достаточно жесткими, чтобы ограничить межэтажный дрейф до значений, предписанных IBC (обычно H/400 для ветра, H/50 для сейсмических), но достаточно пластичными, чтобы приспособить дифференциальные движения из-за допусков конструкции или теплового расширения. Используйте высокопрочные болты в критических проскальзываниях для стальных модулей. Обеспечьте резервные пути нагрузки с использованием структурных связей непрерывности, особенно для модулей большого пролета или многоэтажных стеков.

Конструкция подключения для различных типов модулей

Бетонные модули (часто используемые в тюрьмах или отелях) полагаются на тяжелое усиление и затираемые вертикальные арматурные соединения. Стальные модули используют болтовые соединения с моментом или сдвигающие соединения с гусеть. Светокаркасные деревянные модули используют выдержки и деревянные соединители с инженерными разъемами, такими как продукты Simpson Strong-Tie. Независимо от материала, соединение должно быть рассчитано как на прочность, так и на жесткость при всех комбинациях нагрузки. Анализ конечных элементов (FEA) все чаще используется для проверки сложного поведения соединения в модульных зданиях, особенно для сейсмических применений.

Транспортировка и монтажные нагрузки

Загрузки при транспортировке и монтаже уникальны для модульной конструкции. Модули испытывают динамические силы от ускорения грузовика, торможения, поворотов и дорожных вибраций. При подъеме и настройке нагрузки крана вводят временные условия перегрузки в точках выбора. Эти временные нагрузки могут быть значительно выше, чем служебные мертвые нагрузки, если подъем не тщательно контролируется.

Подъемные силы и точки выбора

Анализ подъема каждого модуля должен учитывать 15% динамический фактор (в соответствии с Кодексом стандартной практики AISC) на мертвую нагрузку. Модуль должен быть смоделирован как гибкий луч во время подъема, с точками выбора, расположенными для минимизации моментов изгиба и отклонения. Используйте распределительные лучи, чтобы уменьшить угол кабелей крана и избежать чрезмерного сжатия в верхней части аккорда модуля. Все подъемное оборудование (шеки, стропы, основные линии) должно иметь коэффициент безопасности не менее 5:1 на максимальной подъемной нагрузке. Проверяйте целостность модуля при отклонениях подъема, чтобы гарантировать, что не повреждены хрупкие отделки или окна.

Транспортные грузы и ограничения

На плоском прицепе модуль должен быть сдержан против продольных, боковых и вертикальных движений. Связи или блокировки разработаны в соответствии со стандартами безопасности грузов Министерства транспорта США (49 CFR 393). Модуль должен быть скошен, чтобы противостоять 0,8 г продольного замедления и 0,5 г бокового ускорения. Для транспортировки на большие расстояния также учитывают сопротивление ветра на модуле и потенциал для сдвига нагрузки. Запечатайте все отверстия для предотвращения внутреннего давления, вызванного ветром, которое может напрягать оболочку модуля.

Фонд и почвенное взаимодействие

Основание модульного здания может отличаться от обычных фундаментов тем, что нагрузки наносятся в дискретных точках колонн, а не вдоль сплошных стен. Модульные здания часто используют неглубокие фундаменты (расширенные опоры или маты) с базовыми пластинами, предназначенными для болтовых или сварных соединений. Фундамент должен противостоять не только вертикальным нагрузкам, но и переворачивающимся моментам и силам скольжения, передаваемым через модульные соединения.

Дифференциальное урегулирование и выравнивание

Поскольку модули изготавливаются с жесткими допусками (часто ±1/16 дюйма), даже незначительные дифференциальные расчеты могут вызывать несоответствие на соединениях модулей и напряжение соединений. Фундамент должен быть рассчитан на максимальное дифференциальное расчетное значение 1/4 дюйма для многоэтажных модульных зданий, если соединения не предназначены для перекрытия полей. Используйте бетонные выравнивающие болты или стальные изгибы на каждом основании колонны для корректировки на неровности фундамента. Геотехнические отчеты должны обеспечивать допустимые давления подшипников и ожидаемое расчетное значение при концентрированных модульных нагрузках.

Заключение

Анализ нагрузки для модульного и сборного строительства является многогранной дисциплиной, которая требует тщательной координации между этапами проектирования, изготовлением, транспортировкой и сборкой на месте. Инженеры должны точно учитывать все экологические нагрузки на текущие коды, проектировать соединения, которые надежно передают силы, допуская отклонения, и проверять, что временная нагрузка во время транспортировки и монтажа не превышает мощности модуля. Придерживаясь установленных стандартов (IBC, ASCE 7, AISC, MBI руководящие принципы) и включающие современные методы анализа, модульные структуры могут достичь тех же или лучших уровней безопасности и производительности, что и полевые здания. Продолжающееся уточнение детализации соединения и принятие дизайна на основе производительности будет еще больше расширять потенциал модульного строительства для сложных и высотных проектов.

Внешние ресурсы: