Сталь детали соединения для больших пролетов спортивного стадиона крыши

Введение

Крыши спортивных стадионов большого пролета занимают место среди самых требовательных структурных систем в гражданском строительстве. Их пролеты часто превышают 200 м, и они должны поддерживать не только свой собственный мертвый вес, но и живые нагрузки от технического оборудования, давления ветра, которые могут превышать 2 кН / м2, сейсмические ускорения и случайные накопления снега или льда. В основе каждой успешной системы крыши - детали стального соединения - точки, где встречаются детали стального соединения - точки, где встречаются балки, фермы, кабели и колонны. Эти соединения должны надежно передавать огромные силы, при этом приспосабливаясь к тепловому расширению, допускам изготовления и неизбежным движениям, вызванным ветром и колебаниями температуры. Плохо спроектированное соединение может стать одной точкой отказа, приводящей к прогрессивному коллапсу. И наоборот, хорошо выполненная деталь соединения повышает структурную эффективность, снижает материальные затраты и упрощает сборку на месте. Эта статья обеспечивает углубленное изучение деталей стального соединения для крыш стадиона большого пролета, охватывающих типы соединений, принципы проектирования, соображения конструктивности и новые технологии, которые поднимают потолок производительности для этих знаковых структур.

Структурные требования больших крыш стадиона

Крыши большого пролета представляют собой уникальные структурные проблемы, которые отличают их от типичных строительных рам. Самовосстановление крыши & #8217 является доминирующей нагрузкой, и каждый килограмм стали, сохраненный в соединениях, уменьшает общий тоннаж первичной конструкции. Соединения также должны противостоять:

• Подъем и всасывание ветра — особенно на консольных или изогнутых поверхностях крыши, где отрицательное давление может превышать положительную ветровую нагрузку.
• Сейсмические силы — требуют проходимых соединений, которые могут рассеивать энергию за счет контролируемого выхода без хрупкого перелома.
• Тепловые циклы — сталь расширяется примерно на 12 × 10−6 градусов Цельсия. Для 300-метровой крыши изменение температуры на 40 °C производит почти 150 мм движения, которые соединения должны вмещать без перенапряжения соседних элементов.
• Ползучесть и расслабление — особенно в кабельных крышах, где натяжные соединения должны поддерживать предзагрузку в течение десятилетий.
• Усталость — ветровые вибрации и динамические нагрузки, вызванные толпой, создают циклы напряжения, которые могут инициировать трещины на плохо детализированных сварных пальцах ног или болтовых отверстиях.

Поскольку крыши стадионов, как правило, являются уникальными конструкциями, конструкция соединения не может полагаться только на предписывающие таблицы кода. Инженеры должны выполнять подробный анализ конечных элементов каждого критического соединения, часто дополняемый физическими испытаниями в масштабе 1:2 или даже полноразмерными макетами.

Виды стальных соединений

Три семейства основных соединений доминируют в строительстве крыши стадиона: болтовые, сварные и гибридные.У каждого есть сильные и слабые стороны, которые делают его более или менее подходящим для конкретных режимов загрузки и последовательностей эрекции.

Сплетенные соединения

Широко используются затворные соединения, поскольку они позволяют осуществлять полевую эрекцию без проблем контроля качества при сварке на месте. Они также облегчают будущую разборку, которая может потребоваться для обслуживания или замены крыш. Наиболее распространенная детальная прокладка болтов для крыш большого пролета использует болты высокой прочности (ASTM A325 или A490) в плотных или натяжных конфигурациях.

Критические соединения скольжения необходимы, когда соединения не должны проскальзывать под рабочими нагрузками — например, у основания дуг с колонной или при соединениях с натяжным галстуком в системах кабельной тяги. Эти соединения требуют подготовки поверхности (например, очистки от взрыва до почти белой отделки) и строгого контроля за притяжением болта с использованием методов крутящего момента или поворота гайки. В приложениях крыши стадиона болтовые соединения особенно полезны для:

• Полевые сплайсы в первичных фермах, где емкость крана ограничивает вес части.
• Соединения, которые должны быть регулируемыми во время сборки для корректировки на кумулятивные допуски изготовления.
• Точки разборки для секций крыши, которые могут потребоваться для замены дерна или модернизации HVAC.

Хорошо спроектированное болтовое соединение равномерно распределяет силы болта. Пластины Gusset с прорезными отверстиями могут обеспечить ограниченную емкость движения, но дизайнеры должны быть осторожны: чрезмерное прорезывание уменьшает площадь секции сети и может создавать концентрации напряжения на концах слотов.

сварные соединения

Сварные соединения обеспечивают наивысшую жесткость и грузоподъемность на единицу материала, что делает их предпочтительным решением для полностью непрерывных моментных рам и сложных геометрий узлов, где для болтовки потребуются негабаритные гуссеты. Полнопроникновенные канавочные сварные швы могут развивать полную прочность соединенных элементов, что имеет решающее значение в первичных натяжных элементах натяжных кольцевых крыш или кабельно-купольных конструкций.

Обычные детали сварки на крышах стадионов включают:

• Полное проникновение (CJP) сварных швов на луче-колоннах фланцев для непрерывности момента.
• Частичное проникновение (PJP) канавки сварные с армирующим филе, где полная прочность не требуется, но усталостная устойчивость по-прежнему требуется.
• Фильт сварится на интерфейсах gusset-to-member, предназначенных для соответствия мощности сдвига пластины.

Сварка на крупнопролетных кровельных соединениях представляет значительные проблемы контроля качества. Полевые сварные швы подвержены изменениям ветра, влажности и температуры, которые могут вызвать растрескивание водорода. Неразрушающее тестирование - радиографическое, ультразвуковое или магнитное обследование частиц - является обязательным для всех сварных швов CJP на основных путях нагрузки. Многие крупные проекты стадиона требуют сертификационных испытаний сварщика, которые повторяют фактическую геометрию соединения и ограничения доступа.

Гибридные соединения

Гибридные соединения объединяют болтовые и сварные элементы, чтобы извлечь выгоду из преимуществ обоих. Типичная гибридная деталь использует сварные подузлы с сплайсами с болтами на поле. Например, протяженная ферма может быть изготовлена в трех или четырех сегментах, каждый с конечными пластинами, которые соединены между собой. Сами ферменные аккорды представляют собой непрерывные сварные секции коробок (сварные штоки), но полевые соединения являются критическими болтовыми соединениями с крышечными пластинами.

Гибридные решения также распространены в сильно перегруженных узлах, где несколько членов встречаются в одной точке, например, в короне купола или пересечении радиальных и окружных ферм. Центральным концентратором может быть литый стальной узел или сварная сборка плиты, в то время как излучающие элементы прикреплены к нему с помощью болтов высокой прочности и сплайс-пластин. Этот подход сводит сварку поля к минимуму, все еще достигая жесткого, прочного соединения.

Хорошо известное применение гибридных соединений - крыша Сингапурского национального стадиона (открыт 2014), где широкопрофильная убирающаяся крыша использует сварные коробчатые балки для основных ребер арки и болтовые соединения на раскладных панелях.Сочетание позволило подрядчику достичь допусков эрекции ±5 мм на пролетах, превышающих 300 м.

Критические соображения дизайна

Выходя за рамки выбора типа соединения, детальная конструкция широкопрофильных кровельных соединений должна учитывать ряд взаимосвязанных критериев производительности.

Непрерывность грузопотока

Каждое соединение должно обеспечивать четкий, непрерывный путь нагрузки от члена к члену без резких изменений жесткости. Соединение, которое слишком жестко по отношению к соседним членам, может привлекать непреднамеренные моменты, вызывая преждевременную выходку. И наоборот, слишком гибкое соединение может допускать чрезмерные вращения под рабочими нагрузками, что приводит к неудобным отклонениям или обдумыванию воды на поверхности крыши. Дизайнеры часто используют модели конечных элементов, которые включают гибкость соединения, характеризующуюся вращательной и осевой пружинной жесткостью, чтобы проверить, что система крыши ведет себя так, как задумано.

Усталость и циклическая погрузка

Крыши стадионов испытывают миллионы циклов напряжения в течение своей жизни проектирования от ветрового буфета, движения толпы и теплового расширения. Соединения являются наиболее чувствительными к усталости компонентами, потому что сварные швы и болтовые отверстия создают усилители напряжения. Спецификация для структурных стальных зданий (ANSI / AISC 360) обеспечивает положения об усталостном дизайне, которые классифицируют соединения в категории напряжений (A через E'). Для крыш большого пролета дизайнеры должны обеспечить, чтобы диапазон напряжений при каждой критической детали падал ниже предела усталости постоянной амплитуды.

Общие меры по снижению усталости включают:

• Измельчение сварных пальцев ног для снижения концентрации стресса и улучшения категории усталости от С до В или В'.
• Избегать сварных креплений к флангам напряжения; вместо этого, используя болтовые углы зажима или гуссеты, которые не создают эффект выемки.
• Использование деталей с открытым отверстием (например, щелевые отверстия с шайбами негабаритных размеров), чтобы обеспечить ограниченное движение без усталости при интерфейсах болтовых пластин.

Для проектов, подверженных высоким ветровым колебаниям, инженеры могут проектировать соединения с явным сроком службы усталости от 106 до 107 циклов и требовать интервалов инспекции в эксплуатации на основе расчетов механики разрушения.

Термическое расширение и способность к движению

Как отмечалось ранее, тепловые движения в крышах большого пролета могут быть существенными. Соединения должны вмещать эти движения без перенапряжения элементов или вызывающего расслабление болта. Для этого существует несколько стратегий:

• Скользящие соединения: ПТФЭ-покрытые подшипниковые пластины с прорезными болтовыми отверстиями позволяют осуществлять поступательное движение по одной или двум осям.
• Пиновые соединения: Истинные штифты (цилиндрические подшипники) позволяют вращаться без передачи момента, эффективно создавая шарнир в точке соединения.
• Эластомерные подшипники: Слои резины, прикрепленные к стальным пластинам, обеспечивают как вращение, так и боковую тягу, часто используемые у основания колонн крыши.
• Температурно-компенсирующая предзагрузка: В кабельных соединениях деталь поворотного пряжка или регулируемого гнезда позволяет сбросить напряжение после сезонных перепадов температуры.

Национальный стадион Пекина (Птичье гнездо & #8217;s Nest ), как известно, использовал систему скольжения соединений и шарнирных соединений для управления тепловым расширением своей нерегулярной стальной решетки, которая охватывает 343 м. Каждое соединение было индивидуально смоделировано, чтобы обеспечить закрытие зазора при экстремальных температурах.

Конструктивность и толерантность

Крыши большого пролета обычно возводятся по фазам, при этом временные опорные башни поддерживают конструкцию до завершения первичных соединений. Детали соединения должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить кумулятивные допуски, возникающие при изготовлении и монтаже. Сплетения заболоченного поля с негабаритными отверстиями (скажем, на 2 мм больше диаметра болта) обеспечивают регулировочность; отверстия впоследствии заполняются шайбами и болтами высокой прочности, затянутыми до критической предварительной нагрузки.

Для сварных соединений допуски на сварку более строгие. Разрыв между участниками, к которым необходимо присоединиться, должен поддерживаться в пределах, определенных спецификацией процедуры сварки (WPS). На практике это часто требует точного обследования и корректировки перед сваркой. Многие современные проекты стадионов используют 3D-лазерное сканирование изготовленных компонентов до отгрузки; встроенная геометрия сравнивается с моделью, а сплайс-пластинки специально сверливаются для соответствия фактическим размерам поля. Этот подход снижает необходимость в переделке поля и может сэкономить недели времени строительства.

Защита от коррозии

Студионные крыши подвергаются воздействию элементов, а соединения особенно уязвимы к коррозии из-за расщелин, образованных перекрывающимися пластинами, головками болтов и профилями сварки. Для соединений из углеродистой стали стандартной защитой является оцинкованное горячее покрытие (в ASTM A123) или многослойная система краски (обычно богатая цинком грунтовка, эпоксидная промежуточная и полиуретановая верхняя шерсть). Однако оцинковка сложных сварных соединений может вызвать хрупкость водорода в высокопрочных сталях; в таких случаях используются системы краски с термическим распылением цинка или наносимые в магазин системы краски.

Соединения из нержавеющей стали все чаще указываются для открытых краев крыши, кабельных анкеров и соединений вблизи прибрежных стадионов. Дуплексные нержавеющие стали (например, 2205) обеспечивают высокую прочность (доходность > 450 МПа) и отличную коррозионную стойкость, устраняя необходимость в обслуживании покрытия. компромиссом является более высокая стоимость материала и более сложные процедуры сварки.

Эстетическая интеграция

Современные стадионы являются знаковыми ориентирами, а открытая конструкция крыши является основным визуальным элементом. Детали соединения, которые являются функциональными, но визуально загроможденными, могут отвлекать от архитектурной концепции. Архитекторы и инженеры должны сотрудничать, чтобы скрыть головки болтов, обтекать формы гусеев и выравнивать сварные швы со структурными линиями. Литые стальные узлы являются эстетическим решением для сложных перекрестков - они могут быть скульптурными, чтобы плавно течь от одного члена к другому, устраняя резкие переходы болтовых гусениц.

Общие детали подключения

В этом разделе рассматриваются наиболее часто встречающиеся детали соединения на крышах больших стадионов, а также руководство по дизайну для каждого из них.

Базовые соединения плит

Базовые пластины передают нагрузки от колонн крыши или ребер арки в фундамент. Для крыш большого пролета базовые пластины должны противостоять большим опрокидывающим моментам, подъему и горизонтальному сдвигу. Типичные детали включают:

• Обнаженные базовые пластины — колонна приварена к толстой пластине (часто от 50 мм до 100 мм), которая прикреплена к фундаменту якорными стержнями. Для распределения фланцевых сил колонны в пластину используются пластины-жесткие пластины или гуссеты-базовые пластины.
• Встроенные базовые пластины — базовая пластина отливается в бетон фундамента, при этом колонна болтается или сваряется к ней. Эта деталь обеспечивает лучшее удерживание при повороте, но труднее регулировать.
• Пин-базы — истинные зажатые соединения у основания колонны, используемые, когда крыша спроектирована как трёхпетлевая арка.Пенельный сбор (клавиш и штифт) позволяет вращаться при передаче осевых и сдвиговых сил.

Конструкция базовой пластины должна учитывать нагрузки на бетон, напряжение анкерного стержня (из-за подъема на наветренных колоннах) и изгиб самой пластины. Руководство AISC Design Guide 1 предоставляет методы расчета толщины базовой пластины и встраивания анкерного стержня.

Блюсти-колонны и луч-доверительные соединения

Для систем ферм типичная деталь включает в себя пластину гусе, которая соединяет веб-членов с аккордом. Гассет сварен филе с аккордом и веб-членами; в более крупных фермах веб-члены могут быть прикреплены к гусету на сайте. Ключевые проверки дизайна включают:

• Спряжение пластины Gusset — метод сечения Уитмора или анализ конечных элементов.
• Сдвиг блока на болтовых группах в гуссете.
• Размер и длина сварного шва для соединения аккорд-гасет.

Для систем крыши с рамками с мигалками (например, жестких рамок портала) соединения луч-столбец используют фланцевые сварные швы с полным проникновением и болтовые или сварные сдвигающие вкладки. Соединения с сечением с уменьшенным лучом (RBS) - где фланцы луча обрезаются вблизи поверхности колонны - иногда используются для отведения пластикового шарнира от колонны, улучшая пластичность при сейсмической нагрузке.

Кабельные соединения

Крыши с кабельной поддержкой (кабель-остановка, кабель-купол или тензегрити) полагаются на соединения, которые могут передавать силы высокого напряжения (часто > 1000 кН на кабель) без скольжения или трения.

• Распорные розетки — коническая розетка отливается на конец кабеля с использованием сплава на основе цинка. Соединение является постоянным и может развивать полную прочность разрыва кабеля’s.
• Закаленные терминалы — стальная фитинга сжимается на кабельной нити.Эти фитинги компактны и хорошо подходят для соединений с ограниченным клиренсом, но они чувствительны к коррозии на свайдже интерфейса.
• Регулируемые пряжки или резьбовые розетки — используются там, где напряжение кабеля должно регулироваться во время эрекции или периодически. Нити должны быть защищены от коррозии и смазаны для предотвращения закаливания.

Соединения кабель-сталь также требуют тщательной детализации якорной пластины или булавочного зажима, чтобы избежать концентраций напряжения. Сам штырь обычно спроектирован с коэффициентом безопасности 3,0 против выхода и изготовлен из высокопрочного легированной стали (например, 4340 закаленной и закаленной).

Вирендел Трасс Соединение

Виренделевские фермы, в которых отсутствуют диагональные веб-члены, иногда используются на крышах стадионов, где желательны открытые линии обзора (например, для выдвижных панелей крыши). Соединения между верхними / нижними аккордами и вертикальными столбами должны противостоять значительным моментам изгиба (они являются моментальными соединениями). Эти соединения обычно используют сварные канавки с полным проникновением на фланцах аккордов, при этом паутина вертикального поста приварена к аккордной сети. Поскольку нет диагонали для перераспределения нагрузки, один отказ соединения в системе Виренделя может быть катастрофическим. Увольнение встроено с использованием негабаритных членов и емкостей соединения по крайней мере на 50% выше расчетного спроса.

Купол и космические каркасные соединения

Для геодезических куполов, куполов ламеллы или крыш с пространственным каркасом (например, Toyota Dome в Японии) соединения обычно представляют собой узловые точки, где несколько членов сходятся под разными углами.

• Сварные сферические узлы — полая стальная сфера сварена машиной до конца каждого элемента.Сфера представляет собой сложное изготовление, но обеспечивает чистую эстетическую и хорошую усталостную производительность.
• Сколотые концентрационные разъемы — центральный стальной концентратор с обработанными фланцевыми пластинами принимает болтовые концевые пластины от каждого члена. Такой подход легче возводить, но может создать визуальный беспорядок. Система Меро — известный коммерческий пример.

Передовые технологии подключения

Несколько новых технологий улучшают производительность и простоту строительства стальных соединений для крыш большого пролета.

Листовые стальные узлы

Литые стальные узлы производятся путем инвестиционного литья или литья песка, что дает монолитный компонент, который может быть разработан со сложной геометрией, невозможной для изготовления из проката пластин. Например, перекресток из шести элементов с различными углами и размерами члена может быть отлито как единое целое, исключая все полевые сварные швы на узле. Отливки производятся в высокопрочных марках стали (например, ASTM A148 80-50) и обычно проверяются методами рентгенографии и магнитных частиц.

Известные стадионы, использующие литые стальные узлы, включают Пекинский национальный стадион и Лондонский олимпийский стадион (для колонн крыши). Стоимость рисунка и литья высока, но для сложных узлов, повторяющихся много раз (например, 50+ идентичных узлов в куполе), единичная стоимость может быть конкурентоспособной.

Высокопрочный фрикционный грип (HSFG)

Затворы HSFG предназначены для затягивания до высокой пробной нагрузки, создавая силу зажима, которая передает нагрузку через трение между соединенными пластинами, а не через сдвига или подшипника болта. Для крыш с большим размахом соединения HSFG предпочтительны для критически важных применений, поскольку они устраняют необходимость проверки сечения сетки и уменьшают количество требуемых болтов. Текущие стандарты конструкции (например, EN 1993-1-8) определяют коэффициенты трения от 0,3 (необработанные поверхности) до 0,5 (с застежкой с помощью зажимного грунтовщика).

Последние разработки включают в себя поворотное гайкоустойчивое затягивание с использованием гидравлических гаечных ключей, которые могут надежно достигать ±2% целевой предварительной нагрузки. Эта точность уменьшает разброс в связи жесткость и улучшает предсказуемость отклонений крыши.

Сварные полые структурные секции (HSS)

Многие современные крыши стадионов используют полые структурные секции (круглые или прямоугольные) для первичных участников из-за их высокой жесткости кручения и гладкого внешнего вида. Сварка соединений HSS более сложна, чем открытые секции, потому что доступ для сварки ограничен внешней стороной трубы. Основные режимы отказа - ударная стрижка (для соединений ветви к хорде) и выход местного фланца. Ограничение угла ветви (θ ≥ 30°) и ширины (β ≤ 0,85) помогает контролировать напряжения. Для крупных соединений HSS внутренние жесткости или двойные пластины иногда свариваются внутри хорды перед закрытием трубы.

Обеспечение качества и проверка

Детали соединения становятся эффективными только в том случае, если изготовление и монтаж добросовестно выполняют проект. Для крыш большого пролета необходима строгая программа обеспечения качества (QA).

Проверка болтовых соединений должна проверять степень затвора, длину, зацепление резьбы и натяжение. Для всех критически важных болтов требуются калиброванные гаечные ключи или измерения поворота гайки. В крупных проектах процент болтов (обычно 10-20%) помечается и проверяется после предварительной нагрузки; если они обнаруживаются свободными, все соединение должно быть восстановлено.

Проверка сварочного покрытия включает:

• Визуальный осмотр (VT) каждого сварного шва на наличие трещин, подреза, пористости и профиля.
• Ультразвуковое тестирование (UT) или радиографическое тестирование (RT) для всех сварных швов CJP в соединениях с основными путями нагрузки.
• Магнитно-частичные (MT) или красители-проникновения (PT) испытания поверхности филевидной сварки и зон, подверженных тепловому воздействию, для поверхностных трещин.

Многие проекты стадионов используют независимое стороннее агентство по инспекции, которое подчиняется непосредственно органу, имеющему юрисдикцию. Это агентство рассматривает расчеты конструкции соединения, свидетелей на месте тестирования и ведет журнал несоответствий.

Полномасштабное тестирование Mock-Up

Для критических или новых деталей соединения часто требуется полномасштабное тестирование макета. Макет повторяет фактическую геометрию, материал, сварку и предустановку болта соединения. Тестовый образец загружается по меньшей мере до 1,25 × предельной нагрузки конструкции (иногда до отказа) для проверки жесткости, пластичности и режима отказа. Результаты используются для проверки модели конечного элемента и уточнения процедур строительства. Например, убирающаяся крыша стадиона Уэмбли (Лондон) прошла полномасштабное тестирование своих соединений скольжения трека до завершения проектирования.