Stort spenn i stål romrammestruktur

Grunnleggende produktdefinisjoner

1. Generell definisjon

I samsvar med standarden for utforming av stålkonstruksjoner (GB 50017) klassifiseres romlige takkonstruksjoner med et spenn på 60 meter eller mer som romrammekonstruksjoner i stål med stor spennvidde. De er satt sammen fra stålrørelementer og sfæriske ledd til geometriske systemer som firkantede eller trekantede pyramider. Dette er svært statisk ubestemte romlige systemer der belastninger er fordelt globalt, og deler primært gjennomgår aksial spenning eller kompresjon. De tilbyr høy generell stivhet og skaper søylefrie, åpne rom, noe som gjør dem ideelle for stadioner, utstillingssentre, høyhastighetsjernbanestasjoner, kulllager, flyplassterminaler og mer.

2. Spesifikk definisjon: Space Frame Foundation (Support Foundation)

Fundamentet for romrammen er underkonstruksjonen – typisk betong- eller pelebasert – som støtter romrammens lagre og overfører alle belastninger fra overbygningen (aksiale krefter, skjærkrefter, bøyemomenter, horisontale krefter og seismiske krefter) til bakken; den fungerer som den strukturelle basen for romrammen.

· Strukturelle egenskaper: Utsatt for vertikalt trykk, horisontal skyvekraft, løftekrefter og dreiemoment; krever ekstremt høy presisjon når det gjelder setting, høyde og plassering av innebygde deler.

· Nøkkelkontrollpunkter: Differensialsetninger kan direkte forårsake sprekker i romrammeskjøter og elementustabilitet, noe som gjør det til en kritisk faktor for suksess eller fiasko for romrammer med stort spenn.

3. Distinction of Common Space Frame Terminology

· Space Frame Body: Den øvre romlige rutenettstrukturen (elementer + sfæriske ledd);

· Space Frame Bearing: Den lastoverførende komponenten som kobler romrammen til fundamentet;

· Space Frame Foundation: Den armerte betongkonstruksjonen, pelehetten eller det isolerte fundamentet plassert under lageret.

Fullfør systemkonfigurasjon

Del 1: Hovedsystem for øvre romramme (primær bærende struktur)

1. Strukturelt system (mainstream-alternativer)

· Ortogonal Square Pyramid Space Frame: Mest brukt; tilbyr jevn stivhet og praktisk takmontering; foretrukket valg for rektangulære fotavtrykk.

· Diagonal Square Pyramid Space Frame: Overlegen strukturell ytelse og litt lavere stålforbruk; egnet for middels til store spenn.

· Trekantet Pyramid Space Frame: Høy romlig stabilitet; egnet for sirkulære eller polygonale fotavtrykk.

· Space Frame med sveiset kule: Egnet for tung belastning, ultrastore spennvidder (over 80m), tunge taksystemer og høybelastningsforhold.

· Bolted-Ball Space Frame: Egnet for lettere belastninger og standard store spenn; har fabrikkprefabrikasjon, montering på stedet og rask konstruksjon.

2. Hovedmaterialekonfigurasjon (standardspesifikasjoner)

· Medlemmer: Sømløse stålrør eller sveisede rør med rett søm; Materiale: Q355B (mainstream for store spenn); Vanlige spesifikasjoner: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B kan brukes for mindre spenn.

· Leddballer:

o Bolteballer: Φ200–Φ400; veggtykkelse ≥12mm; Materiale: Q355B.

o Sveisede kuler: Φ250–Φ500; veggtykkelse ≥14mm; inkluderer innvendige avstivningsribber.

· Koblinger: Grade 10.9 høyfaste bolter (spesialisert for romrammer); inkluderer matchende koniske hoder, endeplater, hylser og festeskruer.

3. Taktekking og skapkomponenter (komplett taktekkingssystem)

· Takpaneler: Aluminium-magnesium-manganplater med stående søm, profilerte stålplater i farge og dagslyspaneler (lokalisert).

· Sekundær takstruktur: C/Z-seksjoner av stål (Q355B varmgalvanisert, beleggtykkelse ≥80μm), takstag og stag.

· Vanntetting og isolasjon: Isolasjonslag av steinull eller glassull, vanntett pustende membran, takrenner, nedløpsrør og mønekapper.

Del II: Space Frame Bearing System (kjerne for lastoverføring mellom øvre og nedre strukturer)

Lagre fungerer som de eneste lastoverføringsnoder mellom romrammen og betongfundamentet; valget for konstruksjoner med lang spennvidde må være basert på spesifikke lastkrav:

1. Flatplate kompresjonslagre: Ha kun vertikal kompresjon; brukes til kantstøtter og områder med lave horisontale krefter.

2. Enveis/toveis glidelager: Avlast termisk stress og tilpasser termisk ekspansjon/sammentrekning; avgjørende for romrammer med lang spennvidde.

3. Hengslede lagre (sfæriske hengslede lagre): Tillat rotasjon og kraftoverføring i flere retninger; brukes i hjørner, i områder med høye horisontale krefter, og i soner med strenge seismiske krav.

4. Strekklagre (løftebestandige lagre): Brukes ved takskjegg, utkrager og områder som er utsatt for betydelig vindsuging for å hindre romrammen i å løfte seg.

Lagertilbehør: Bunnplater, avstivningsribber, ankerbolter og justeringsshims (for nivellering og høydejustering).

Del III: Nedre fundamentsystem

Valget er basert på geologiske forhold, spennvidde og lastklassifisering; det rådende valget for strukturer med lang spennvidde er kombinasjonen pel-pluss-haug-hette:

I. Vanlige fundamenttyper

1. Armert betong isolert fundament: Spennvidder på 60–80m, gunstige geologiske forhold, moderate belastninger.

2. Stripfundamenter (kontinuerlige fotfester): Langstrakte romrammer, kontinuerlige støtter, høye krav til horisontal kraftmotstand.

3. Pelefundamenter med pelekapper (foretrukket for lange spenn): Spennvidder over 80m, mykt jordfundament, tung belastning, soner med høy seismisk intensitet.

o Peletyper: Borede plasstøpte peler, prefabrikkerte rørpeler.

o Pælehatter: Firkantede/rektangulære pelehatter av armert betong (C30/C35 betong).

4. Flåtefundamenter: Prosjekter med ekstremt store overflatearealer, komplekse geologiske forhold, og strenge krav til kontroll av differensialsetning.

II. Kjernefundamentstruktur og innebygde deler

1. Betongstyrke: Pelekapper/fundament hoveddel C30–C35; blendende betong C15;

2. Innebygde fundamentdeler:

o Innstøpte stålplater for understøtninger: Tykkelse 16–20 mm, sveiset til pelekappeforsterkning;

o Innebygde ankerbolter: For å sikre romrammestøtter; Q355 stålbolter, komplett med muttere og lagerplater;

3. Presisjonskontroll (obligatoriske standarder for strukturer med store spenn):

o Akseavvik ≤ ±5 mm;

o Høydeavvik over overflaten ≤ ±3 mm;

o Høydeforskjell mellom støtter innenfor samme spennvidde ≤ 2 mm.

Del IV: Avstivnings- og stabilitetssystemer

Romrammekonstruksjoner i stål med store spenn involverer betydelige høyder og betydelige horisontale krefter (vind, seismikk); et omfattende stabilitetssystem er obligatorisk:

1. Innvendige romrammeavstivningselementer: Vertikale/diagonale nettelementer mellom topp- og bunnkorder (integrert med romrammen);

2. Mellomsøyleavstivning: Kryssavstivning (vinkelstål eller stålrør) mellom betongsøyler for å motstå langsgående horisontale krefter;

3. Tak horisontal avstivning: Horisontale strekkstenger og diagonale avstivninger innenfor planet til den øverste korden, danner en stiv takmembran;

4. Avstandsrammer med takkant og gavl: Lukk ender, forbedrer den generelle stivheten og motstår vindbelastninger;

5. Knestøtter/strekkstenger: Sidestabilitetskomponenter for taklister (følger samme logikk som takbelegg av lett stål).

Del V: Anti-korrosjon, brannbeskyttelse og lynbeskyttelsessystemer

1. Anti-korrosjon

· Fabrikklagde komponenter: Varmgalvanisert overall (sinkbeleggtykkelse ≥85 μm); økt tykkelse for kyst- eller kjemiske industrisoner;

· Sveising på stedet og reparasjonssveisede områder: Slipeblåsing for rustfjerning + epoksy sinkrik grunning + toppstrøk;

· Sfæriske noder og bolter: Fabrikkgalvanisert; skjæring på stedet som skader belegget er forbudt.

2. Brannvern

· Påføring av spesialiserte brannhemmende belegg (ultratynne eller tynnfilmtyper) basert på bygningens brannklassifisering; brannmotstandsvurdering på 1,0 timer til 2,0 timer;

· Spesiell oppmerksomhet til beleggstøtter, innebygde deler og bolter. 3. Lynbeskyttelse

·Toppkorden til romrammen fungerer som luftavslutningssystemet;

·Nedledere dannet via støtter, ankerbolter og fundamentforsterkning;

·Jordingselektroder installert i fundamentet og koblet til byggets hovednett for lynvern.

Del 6: Installasjons- og konstruksjonsstøtte

1.Installasjonsmetoder: Stykke-for-stykke-montering i stor høyde, modulær heising, integrert løfting, kumulativ glidning (mainstream for store spenn);

2. Kjerneutstyr: Totalstasjon, nivå, momentnøkkel, hydraulisk løfte-/skyvesystem, store kraner, portalkraner;

3. Hjelpematerialer: Spesialsmøremiddel for høyfaste bolter, tetningsmasse, shims, midlertidige støtterammer, barduner.

Komplett komponentliste

1. Øvre romramme: Stålrørelementer + boltede kuler/sveisede kuler + høyfaste bolter + koniske hoder/endeplater;

2.Taksystem: Takplater + C/Z-purlins + isolasjon og vanntetting + takrenner og nedløpsrør;

3.Bærende støtter: Faste/skyve/sfæriske/løftebestandige støtter + ankerbolter + innstøpte stålplater;

4.Understruktur/Fundament: Isolerte fotfester/strimmelfundamenter/pelekapper (armeringsjern + betong + innstøpte deler);

5. Stabilitetsavstivning: Avstivning mellom kolonner, horisontale takavstivninger, gavlende mellomromsrammer;

6. Beskyttelsessystemer: Varmgalvanisering (anti-korrosjon), brannsikre belegg, lynbeskyttelse og jording;

7.Installasjonshjelpemidler: Midlertidige støtter, heiseutstyr, måleinstrumenter, festeutstyr.

Standard lett ståltak vs. Large Spen Steel Space Frame Struktur

·Standard light steel roof: Primarily portal rigid frames; spennvidde < 60m; mangler et romlig rutenettsystem;

· Stort spenn i stålromrammestruktur: Spennvidde ≥ 60m; romlig rutenettstruktur; er avhengig av integrert romlig lastbærende handling; krav til fundamenter, støtter og presisjon er betydelig høyere enn for lette stålkonstruksjoner.

Kjernefordeler

1. Ekstra stor spennvidde muliggjør søylefrie design, og maksimerer utnyttelsen av interiøret.

2. Tredimensjonal strukturell oppførsel sikrer balansert lastfordeling og utmerket motstand mot seismiske krefter og vindtrykk.

3. Lett, men likevel stiv; strukturen motstår generell deformasjon og henging.

4. Fabrikkprefabrikerte komponenter muliggjør rask montering på stedet.

5. Fleksibel geometri støtter ulike former, inkludert flate, buede, sfæriske og uregelmessige kupler.

6. Stabil og holdbar struktur; lang levetid ved behandling for korrosjonsbestandighet.

Differensierende høydepunkter

I. Strukturelle ytelsesfordeler

1. Tredimensjonal lastfordeling: I motsetning til portalrammer eller massive banebjelker (som er utsatt for bøyning og skjæring), opplever elementene i en romramme primært aksial spenning og kompresjon. Dette sikrer effektiv materialutnyttelse og redusert egenvekt. Laster fra ekstra store spenn er jevnt fordelt på støttene, noe som minimerer punktbelastninger og reduserer fundamenteringskostnadene.

2. Svært statisk ubestemt struktur: Tilbyr betydelig sikkerhetsredundans; feilen til et enkelt medlem vil ikke forårsake total kollaps. Den overgår plane takstoler og portalrammer ved å motstå jordskjelv, vind, snø og ujevn bosetting, noe som gjør den ideell for store offentlige bygninger som stadioner, kullboder og flyplassterminaler.

3. Søylefrie store rom: Oppnår enkelt klare spennvidder på 60–150 meter. I motsetning til dette har portalrammer typisk en økonomisk spennvidde på ≤36 meter, og stålfagverk med stor spennvidde mangler ofte kostnadseffektivitet; romrammer gir enorme, uhindrede, søylefrie interiører.

II. Materiale og kostnadshøydepunkter

1. Redusert stålforbruk for tilsvarende spenn

For bruk med store spenn er stålforbruket per enhet projisert areal lavere enn for stålfagverk eller takbjelker med solid vev. Boltbaserte romrammer drar nytte av standardisert fabrikkmasseproduksjon og lave kostnader gjennom bulkinnkjøp av primærmaterialer (stålrør og stålkuler).

2. Bred lasttilpasningsevne

Egnet for et bredt spekter av bruksområder, fra lette glasstak til kraftige tørre kullskur og utstyrsbærende tak. Materialvalg kan justeres fleksibelt for å kontrollere kostnadene – ved å bruke Q235 stål for lettere last og Q355 for tyngre last.

III. Høydepunkter i produksjon og prosessering

1. Standardiserte fabrikkprefabrikerte romrammer med boltet kule: Stålrørselementer kuttes i lengde, kjeglehoder og endeplater er forhåndsmontert, og stålkuler tappes – alt i verkstedet – før de sorteres og pakkes. Arbeid på stedet er begrenset til montering og tiltrekking av høyfaste bolter, med minimal sveising nødvendig. I kontrast krever fagverk og stive rammer ofte omfattende skjøting og sveising på stedet.

2. Allsidighet med høy komponent: En enkelt romramme bruker et begrenset utvalg av kule-, bolt- og stålrørspesifikasjoner, noe som sikrer høy utskiftbarhet av deler. Dette letter masseproduksjon, lagerstyring og fremtidig vedlikehold eller utskifting.

IV. Konstruksjons- og installasjonsforskjeller

1. Fleksible og varierte installasjonsmetoder: Ulike teknikker – slik som montering stykke for stykke i høyden, blokkløfting, integrert hydraulisk løfting og kumulativ glidning – gjør det mulig å bygge i store, ultrahøye eller trange rom. Motsatt er stive portalrammer og takstoler betydelig begrenset av kranoperasjonsradier.

2. Kontrollerbar konstruksjonshastighet: Samtidig fabrikkfabrikasjon og montering på stedet forkorter den totale prosjektplanen. Fraværet av omfattende sveising på stedet reduserer behovet for feildeteksjon og anti-korrosjonsbearbeiding.

V. Fordeler i taktekking og arkitektonisk form

1. Høy formbarhet: Rektangulære, sirkulære, elliptiske, sfæriske og dobbelt buede former er alle mulige. Stive rammer og plane takstoler sliter med å lage buede tak med stor spennvidde, noe som gjør romrammer ideelle for unikt formede strukturer som utstillingssentre og sportsstadioner.

2. Praktisk taklayout: Det ensartede, regelmessige arrangementet av øvre akkord-noder forenkler ryddig plassering av taklister, takpaneler og taklister. Dette forenkler takskapskonstruksjon og gir større fleksibilitet ved utforming av dreneringssystemer og takvinduer.

VI. Fordeler i holdbarhet: Anti-korrosjon og brannbeskyttelse

1. Slanke, ensartede medlemmer og moden varmgalvanisering: Stålrør og kuler kan varmegalvaniseres fullstendig på fabrikken uten "dødsonene" som finnes i strukturelle seksjoner, noe som resulterer i overlegen anti-korrosjonskvalitet sammenlignet med stive rammer i H-seksjonen. Dette gir en tydelig levetidsfordel i kystnære eller kjemisk korrosive miljøer.

2. Enkel påføring av brannhemmende belegg: Med diskrete elementer og håndterbare overflatearealer er påføringen av tynnfilm brannhemmende belegg mer materialeffektiv og raskere enn å belegge store bjelker og søyler med solid bane.

VII. Høydepunkter fra Post-Construction O&M

1. Lett med lav takvedlikeholdsbelastning; enkel layout for vedlikeholdsgangveier;

2. Tydelig strukturell atferd; individuelle skadede elementer kan skiftes ut på bestemte punkter uten omfattende demontering eller modifikasjon av taket, noe som resulterer i lave vedlikeholdskostnader.

VIII. Kort sammenligning med konkurrerende systemer

1. Stive portalrammer: Egnet for små til middels spennvidder; plan strukturell oppførsel; er avhengig av bøyeelementer; lave kostnader; kostnadseffektiviteten synker kraftig for spenn over 36m;

2. Ståltakverk: Plan strukturell oppførsel; svak sidestivhet; høy egenvekt for store spenn; krever betydelig sveising på stedet;

3. Stålromsrammer: Romlig strukturell oppførsel; foretrukket valg for ultra-store spenn; høy stivhet; fleksibel geometri; høy sikkerhetsmargin.

Standard fabrikasjonsprosess

I. Fremstillingsprosess for stålkuler

1. Kutting og smiing: Saging av rund stålstang → Middels frekvens oppvarming og smiing til grove stålkuleemner;

2. Maskinering: Dreiebenkdreiing av den sfæriske overflaten → Flervinklet boring av boltehull og boring ved hjelp av en indekseringsboremaskin i henhold til tegninger;

3. Inspeksjon og NDT: Gjengeinspeksjon; magnetisk partikkeltesting (MPT) for å oppdage sprekker;

4. Anti-korrosjon: Generell varmgalvanisering.

Sveisede kuler: Stempling av stålplate i to halvkuler → Fasing → Montering av innvendige ringstivere → Neddykket buesveising for å sammenføye halvkuler → NDT → Sliping → Galvanisering.

II. Prosess for produksjon av romrammemedlem

1. Skjæring av stålrør: Skjæring med fast lengde av sømløse eller sveisede rør ved hjelp av CNC-sager; godtgjørelse for sveisekrymping inkludert; flate endeflater;

2. Fremstilling av kjeglehode og endeplate: Dreiing av smiing til form;

3. Montering og sveising: Formontering av kjeglehoder/endeplater ved rørender; posisjonering via verktøy; full-penetrasjon CO₂ periferisk sveising;

4. Sveis NDT: Ultralydtesting (UT) for kritiske medlemmer med stort spenn; stikkprøver for grad II sveiser;

5. Retting og rustfjerning: Retteelementer; skuddsprengning til Sa2.5-grad;

6. Anti-korrosjon: Total varmgalvanisering.

III. Behandling av høyfaste boltsammenstillinger

1. Skjæring av rund stål → Herding og herding → Utvendig dreiing → Gjengerulling;

2. Hardhetstesting, feildeteksjon og varmgalvanisering; samtidig bearbeiding og galvanisering av matchende hylser og settskruer.

IV. Fabrikk formontering

1. Velg 1–2 standardenheter for prøvemontering på en jigg;

2. Bekreft kulehullinnretting, boltinnsettingsdybde og total elementlengde;

3. Juster dimensjonene på ikke-standarddeler for å sikre jevn montering på stedet.

V. Emballasje og klassifisering

Antall komponenter etter sone og spesifikasjon; pakkeelementer, stålkuler og bolter separat; merke med aksetall.

VI. Monteringsprosedyrer på stedet

1. Oppmåling og layout; nivellering og plassering av støtter;

2. Utførelse basert på byggeplanen: stykke-for-stykke montering i høyden / blokkløfting / integrert løft;

3. Monter de nederste akkordballene og -elementene først → installer nettelementer → monter toppakkorden; stram Grade 10.9 høystyrkebolter for å designe dreiemoment ved hjelp av en momentnøkkel;

4. Undervarekontroll, etterbehandling av korrosjonsbelegg på sveiser, og påføring av brannsikkert belegg.

Merk: Forskjeller for romrammer med sveisede kuler

Fullpenetrasjonssveising av skjøter på stedet; feildeteksjon for hver sveisepassering; ingen prosess for tiltrekking av bolter med høy styrke.

Nøkkelytelsesparametere

I. Geometriske spesifikasjoner av hovedkomponenter

1. Space Frame Steel Tubular Members (Q235B/Q355B; Q355B foretrukket for store spenn)

Vanlige rørdiametre × veggtykkelser: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Ferdig elementlengde: 1,0m–3,5m (standard rutenettstørrelse: 1,5m–3,0m);

Produksjonstoleranse for retthet: ≤L/1000; endeflate vinkelrett avvik: ≤0,5 mm.

2. Boltede kuler

Kulediameter: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;

Veggtykkelse: 12–20 mm; vinkeltoleranse for gjengede hull på kuleoverflaten: ±15′.

3. Tilknyttede festemidler

Grad 10,9 høyfaste bolter: M12, M14, M16, M20, M22, M24, M27, M30; tilbehør: hylser, koniske hoder, endeplater, låseskruer.

4. Støtteplater

Grunnplatetykkelse: 16–30 mm; stiver platetykkelse: 12–20 mm; innebygde ankerbolter: Q355.

II. Materiale mekaniske egenskaper

III. Strukturell lastbærende ytelse

1. Lastbærende egenskaper: Alle deler i stålromsstrukturen med stor spennvidde er utsatt for aksial spenning eller kompresjon; det er ingen bøyeelementer; det er en svært statisk ubestemt struktur; svikt hos enkeltmedlemmer utløser ikke total kollaps.

2. Typiske aktuelle spenn

1. Bolte-sfære romrammer: 12m–80m;

2. Sveisede romrammer: 50m–180m (for ultrastore spennvidder og tunge belastninger). 3. Typiske taklastverdier: Egenlast 0,30–0,80 kN/m²; levende last 0,5–1,0 kN/m²; tunge strukturer (f.eks. tørre kullskur) kan overstige 2,0 kN/m².

4. Termisk deformasjon: Skyvestøtter må installeres for spennvidder over 60 m i en enkelt retning for å avlaste termiske ekspansjons-/sammentrekningsspenninger.

IV. Sveise- og feildeteksjonsstandarder

1. Omkretssveiser mellom elementer og kjeglehoder: Grad II sveiser; 100 % ultralydtesting (UT) for kritiske langtidsmedlemmer; 20 % stikkprøve for standardmedlemmer.

2. Stumsveiser for sveisede kuler: Grad II sveiser; 100 % feildeteksjon for kritiske prosjekter.

V. Anti-korrosjonsparametere

1. Fabrikkferdige produkter: Varmgalvanisering; sinkbeleggtykkelse ≥85 μm (≥120 μm for kystkorrosive soner).

2. Reparasjon på stedet av skadede områder: Sandblåsing til Sa2.5 klasse → epoksy sinkrik grunning + mellomstrøk + toppstrøk; total tørrfilmtykkelse ≥120 μm.

VI. Brannvernparametere

For offentlige bygninger og industrianlegg, påfør tynnfilm eller ultratynnfilm svellende brannhemmende belegg basert på den nødvendige brannvurderingen (brannmotstandsgrenser på 0,5 timer, 1,0 timer, 1,5 timer eller 2,0 timer); beleggtykkelse må være i samsvar med relevante standarder.

VII. Installasjonskontrollparametre

1. Støtteakseavvik ≤±5 mm; støtte toppoverflatehøyde ≤±3 mm; høydeforskjell mellom tilstøtende støtter ≤2 mm.

2. Høystyrkeboltenes endelige tiltrekkingsmoment må strengt overholde spesifiserte verdier; gjengeinngrepsdybde må samsvare med designtegninger.

VIII. Referansestålforbruk (per prosjektert område)

Lette dagslystak: 12–22 kg/m²

Standard industrielle anlegg og arenaer: 22–35 kg/m²

Kraftige tørre kullskur og tak som støtter tungt utstyr: 35–60 kg/m²