Специална тема за термични действия, компенсатори и детайлиране за освобождаване на движение в стоманени складови сгради

— Дългите сгради не са въпрос на «добавяне на още един компенсатор», а на създаване на контролиран път за деформация

Резюме: Тази статия се фокусира върху проблемите с разширението и свиването в дълги складови сгради със стоманена конструкция при сезонни температурни промени, слънчева радиация и температура на монтаж. Обсъждат се подреждането на фиксирани точки и зони за освобождаване, разликата между свободното топлинно движение и допълнителните сили, предизвикани от ограничения, конструктивните компенсатори за термично разширение и детайлирането на ограждащите конструкции/инсталациите през тези компенсатори, както и полевата приемка на остатъчния капацитет за движение на плъзгащите връзки. Вместо да се прилага опростено правило „компенсатор трябва да се предвиди след достигане на определена дължина“, статията следва логиката „температурно поле – ограничение – път на деформация“ и предлага проектно-специфичен дизайн метод, който може да се изчислява, изпълнява и верифицира.

1. Топлинното въздействие е преди всичко „проблем на граничните условия“, а не „проблем на ограничение по дължина“

Топлинното въздействие при проектирането на стоманени складови сгради често се обсъжда едва след вятър, сняг и сеизмични въздействия и понякога се опростява до идеята, че „трябва да се предвиди компенсационен шев, щом сградата стане достатъчно дълга“. Такъв подход лесно може да превърне проблема на структурния отклик в чисто архитектурен детайлен проблем. За складови сгради, логистични центрове, производствени сгради и непрекъснати многопролетни портални конструкции с големи надлъжни размери истинските въпроси не са „след колко метра се изисква един шев“, а по-скоро: къде е предвидено конструкцията да се премести при нагряване или охлаждане; в кои места е разрешено да се освободи движението; кои елементи ограничават това движение; и дали ограждащата конструкция, фундаментите, оборудването и тръбопроводите могат да останат съвместими с основната конструкция.

Стоманата се разширява при загряване и се свива при охлаждане. Техническа информация, издадена от Обединения научноизследователски център (JRC) на Европейската комисия въз основа на стандарта EN 1991-1-5, посочва коефициент на линейно термично разширение за конструкционна стомана от приблизително 12 × 10⁻⁶/°C. При използване на свободното термично деформиране като ориентировъчна оценка, стоманена конструкция с дължина 100 m, подложена на обща температурна промяна от 40°C, би имала теоретично свободно преместване от приблизително 48 mm. Тази стойност не означава, че трябва да се предвиди шев с ширина 48 mm, тъй като реалните сгради са под влияние на редица фактори: твърдостта на основите на колоните, системите за укрепване, ограниченията върху покривните листове, нееднородните температури по отделните елементи, началната температура по време на строителството и други. Това обаче ясно показва, че правенето на всички връзки „напълно неподвижни“ не елиминира термичното деформиране; то просто преобразува преместването в допълнителни вътрешни сили, локални деформации или повреди в системата за ограждане.

Инженерите често задават въпроса: от каква дължина нататък стоманеното складово съоръжение трябва да бъде проектирано с компенсаторен шев? Ако се премахнат проектните условия от този въпрос, няма един-единствен отговор, който да е приложим за всички страни, климатични зони и конструктивни системи. Дължината на сградата е само един от факторите. При проектирането трябва да се вземат предвид и местните температурни граници, слънчевата радиация, дали вътрешността е с климатичен контрол, основната конструктивна схема, конфигурацията на колонните основи, разположението на надлъжните усилващи елементи, материалите за покрив и стени, непрекъснатостта на инсталациите и техническите системи, както и ограниченията, налагани от фундамента.

2. Първо определете „къде е предвидено конструкцията да се деформира“, след това обсъждайте компенсаторните шевове

EN 1991-1-5 разглежда термичните въздействия като самостоятелна категория структурни въздействия и прави разлика между равномерната температурна съставляваща, температурните градиенти и температурните разлики между различните структурни елементи. За сградите от складов тип най-често срещаните ефекти са равномерното повишаване или понижаване на температурата, което засяга цялата конструкция, и температурните разлики между покрива, външните стени и вътрешните елементи, предизвикани от слънчевата радиация. При тъмноцветни метални покриви температурата на елементите също се влияе от слънчевата радиация и повърхностната абсорбция; следователно „локалната максимална въздушна температура“ не може механично да се отъждествява с „максималната температура на стоманения елемент.“

Дългите складови сгради обикновено съдържат няколко напречни стабилностни отсека или зони. Ключовият проектен принцип е да се избягват множество силни ограничения, които действат едно срещу друго. Ако напречната подпорна система формира силни фиксирани ограничения в двата края на сградата, докато междинните елементи остават непрекъснато свързани, конструкцията се стреми да се удължи при нагряване, но няма ясно дефинирана посока за разтоварване. Топлинните сили следователно се натрупват в колоните, подпорите, основите на колоните и връзките. По-ясен подход е да се въведе концепцията „фиксирани зона – зона за разтоварване“: фиксираната зона осигурява напречната референтна позиция и предава хоризонталните сили, докато зоната за разтоварване позволява постепенно да се компенсира движението, предизвикано от температурни промени. „Разтоварване“ не означава рехава връзка. То означава създаване на предвидима траектория на движение чрез подбор на подпорна система, детайли за плъзгане, продълговати отвори, деформируеми връзки или сегментирани конструктивни системи.

3. Свободното топлинно разширение е само първата стъпка; допълнителните ефекти, предизвикани от ограниченията, са основният проектен проблем

Свободното топлинно разширение може да се предварително оцени чрез уравнението ΔL = αLΔT. Това уравнение е полезно за определяне на порядъка на големината на разширението, но не трябва да замества структурния анализ. Фактическият топлинен отклик на стоманена конструкция зависи от жесткостта на ограниченията: където елементът може да се разширява свободно, отговорът е предимно във вид на преместване; където е силно ограничено, топлинната деформация се преобразува в осева сила; а реалните сгради обикновено се намират някъде между тези две крайни условия. ASCE/SEI 7-22 включва температурните ефекти, свиването и подобни ефекти в проектната рамка за самонапреждаващи сили и ефекти, а неговите изисквания за експлоатационна пригодност изискват размерните промени, причинени от температурни колебания и подобни ефекти, да не нарушават функционалността на конструкцията.

Проектирането с оглед на термичното действие следователно трябва да взема предвид поне три нива едновременно. Първо, основната конструкция: надлъжните колонни редици, надлъжните разпори, връзките, хоризонталните покривни разпори и основите на колоните заедно определят общото условие за ограничаване на деформациите, а подпорите и релизите в аналитичния модел трябва да съответстват на действителното изпълнение. Второ, връзките: ако проектната цел е да се позволи движение, трябва ясно да се дефинират посоката на плъзгане, геометрията на отворите, размерите на плочките или шайбите, поведението на болтовете и началната позиция при монтажа; движението не може да се постигне чрез неформална инструкция като „не затягайте твърде много болтовете“. Трето, неконструктивните елементи: стенни панели, покривни панели, врати и прозорци, водосточни желоби, покривни светлини и подпори за тръби трябва да бъдат координирани с движението на основната конструкция. Успешното изпълнение на структурните изчисления не означава автоматично, че детайлите на ограждащата конструкция са безопасни.

4. Трудността при проектирането на компенсационни шевове не е „оставянето на разстояние“, а запазването на функционалността от двете страни на шева

За складови сгради с портална конструкция и няколко пролета, при които е предвиден структурен компенсационен шев, конструкцията от двете страни на шева обикновено трябва да образува относително независими структурни единици. Недостатъчно е просто да се прекъсне покривната ламарина, докато основните стоманени ферми остават твърдо свързани. Обратно, дори когато структурният анализ показва, че основната конструкция може да се изгради без структурен компенсационен шев, трябва да се взема предвид термичното разширение и свиване на ограждащата система. Покривните ламарини, стеновите ламарини, водосборните первази, водосточните желоби и покривните светлини обикновено са по-тънки и по-чувствителни от основната стоманена конструкция. Това, че основната конструкция „издържа изчисленията“, не означава, че ограждащата система няма да се повреди първа – чрез пукнатини, изпъкване, вълнообразно деформиране (oil-canning) или повтарящо се натоварване в отворите за крепежни елементи.

Зрялата конструкция на компенсатора трябва едновременно да отговаря на изискванията за структурно поведение, водонепроницаемост, топлоизолация, пожарна защита и употреба на сградата. Компенсаторите на покрива по възможност трябва да се разполагат далеч от ниски точки, където може да се задържа вода. Когато това не може да се избегне, системата за водонепроницаемост трябва да бъде проектирана така, че да остава непрекъсната при движение, а не да разчита само на единична лента уплътнител, която поема цялото преместване. Металните покриви могат да поемат движението чрез самостоятелни капаци за фланцови връзки, достатъчно високи вертикални ръбове, плъзгащи се нахлупвания и отделни крепежи от двете страни. Детайлите на стените също трябва да осигуряват защита срещу атмосферни влияния и визуална непрекъснатост: листовете на стената от двете страни на компенсатора трябва да завършват самостоятелно, а капакът за фланцова връзка между тях трябва да има достатъчно голямо нахлупване, което позволява движение.

Водосточните желоби, парапетите, покривните прозорци и системите за електро- и механични инсталации, които пресичат шева, също трябва да се проверяват внимателно. Ако структурният инженер разделя основната конструкция по линия на координатната мрежа, но непрекъснат водосточен желоб, самонарезни винтове, пожарна магистрала или кабелен канал отново свързват двете страни по начин, който не позволява движение, това означава, че при монтажа на обекта е била създадена скрита фиксирана точка.

Таблица 1. Чести проблеми от типа „Обект – Неправилно предположение – Правилен контролен параметър“ при проектиране под термично въздействие

5. Не трябва да се разглеждат „продълговатите отвори“ като универсално решение за компенсиране на термично разширение

Една от най-често прилаганите мерки за оптимизиране на обекта е замяната на стандартните кръгли отвори с продълговати отвори, когато се установи ограничено надлъжно преместване. Този подход е валиден само ако логиката за предаване на силите във връзката, посоката на плъзгане и условията за носене са ясно дефинирани. Първо, дългата ос на продълговатия отвор трябва да съвпада с посоката на предвиденото преместване. Второ, това дали връзката е разрешено да се плъзга под вятърна товарна сила, спирачна сила или други хоризонтални действия, трябва да е съгласувано с глобалната конструктивна система. Ако връзката предава критична хоризонтална сила, просто увеличаването на отвора може да промени предвидения път на предаване на товара. Трето, капакчетата или шайбите трябва ефективно да покриват продълговатия отвор и да предотвратяват локално изтегляне след монтажа.

За високопрочните болтови връзки също трябва да се прави разлика между връзки, критични за плъзгането, връзки от тип „опиране“ и плъзгащи се връзки, специално проектирани за освобождаване на движение. Ако проектната документация изисква връзката да не плъзга под експлоатационни натоварвания, но едновременно с това очаква тя да освобождава термично предизвикано преместване чрез движение в отвора, двете работни условия и съответните им механизми трябва да бъдат ясно дефинирани. Същността на професионалния проект не е използването на определен тип връзка, а това, че всяка връзка изпълнява единствено функцията, която ѝ е възложена: фиксираните връзки осигуряват позициониране и предаване на сили, докато плъзгащите се връзки осигуряват способност за движение в определена посока.

6. Термичните шевове трябва да бъдат координирани с основите, плочите на подовете и системите за оборудване

Може да се предвиди компенсатор в стоманената надстройка, но дали основите и плочите на пода трябва да имат компенсатор в същото място, трябва да се определи според конструктивната система и функцията на сградата. Ако основите от двете страни са ефективно свързани в много жестока непрекъсната система, докато надстройката е проектирана да се движи относително, в основите на колоните може да възникне ненужно ограничение. Обратно, ако основите са независими, но надстройката е твърдо свързана чрез непрекъснати елементи, ефективността на компенсатора също се намалява.

Промишлените складове изискват особено внимание към системите за оборудване. Пожарните магистрали, кабелните тръбопроводи, линиите за компресиран въздух, парните тръби, транспортните линии и системите за стелажно съхранение могат да пресичат конструктивен шев. Ако информацията за конструктивното движение не бъде предоставена на инженерните специалисти по механични, електрически и санитарни (MEP) системи и на специалистите по оборудване, твърдите тръбопроводи могат да се напукат, подпорите – да се деформират, а релсите за оборудването – да се изместят по време на експлоатация. За услугите, които пресичат шев, трябва да се използват гъвкави спойки, плъзгащи се подпори, компенсатори за разширение или независими подпори. Тяхната способност за движение трябва да покрива изискваното конструктивно проектирано преместване, като същевременно позволява допуските при монтажа.

7. Началната температура по време на строителството определя местоположението на „неутралната позиция“

Топлинното въздействие включва още една променлива, която често се пренебрегва: температурата, при която конструкцията окончателно се фиксира. Първоначалната температура, предположена в анализа, не е задължително равна на средногодишната температура на въздуха. Тя е свързана с действителната температура по време на монтажа на елементите, окончателното стягане на връзките и затварянето на покривната система. В проекта може да се предполага, че конструкцията заема неутрално положение при умерена температура, но ако всички неподвижни връзки се фиксират окончателно след продължително слънчево нагряване през средата на лятото, последващото свиване при охлаждане може силно да се отклони към една страна.

За плъзгащи връзки с голяма нужда от движение, дълги покривни листове, непрекъснати водосточни желоби и големи вратни отвори в строителната документация трябва да се предвиди указание дали трябва да се регистрират температурата при фиксиране, началното положение на връзката и резервът за движение. Напълно изпълнимият чертеж на връзката трябва да посочва посоката на плъзгане, проектното движение, средното положение при монтажа, допустимите отклонения и изискванията за окончателно закрепване, за да знае монтажникът дали компонентът трябва да бъде центриран в паза, изместен към единия му край или регулиран според измерената температура по време на монтажа.

8. При приемането трябва да се проверява „оставащата способност за движение“, а не само дали връзката изглежда подредена

Приемането на детайлите за движение и освобождаване не трябва да се ограничава само до проверка дали болтовете са подравнени или капакът е прав. По-важно е инспекцията да потвърждава, че необходимата по проект движимост остава налична след завършване на строителството. Често срещани дефекти на строителната площадка включват: болт, който вече е в допир с единия край на продълговатото отвор; плъзгаща повърхност, заключена чрез прихващани заварки; винтове за капак, проникващи в основите от двете страни на връзката; герметик, напълно запълващ и заключващ зазорa; непрекъснат водосборен жлеб, свързващ две конструктивни единици; подпори за инсталации (MEP), които се простират твърдо през връзката; и фланцови ленти за стени, монтирани без достатъчно плъзгащо припокриване. Такива детайли могат да изглеждат много акуратни, но вече са загубили предвидената си функция на движение.

Затова протоколите за приемане трябва да включват поне действителната ширина на компенсатора, началното положение на плъзгащите се връзки, оставащия ход в продълговатите отвори, детайлирането на обвивката през компенсатора, метода за компенсиране на тръбопроводите и температурата на фиксиране на строителната площадка. За складови сгради, които са в дългосрочна експлоатация, могат да бъдат определени и прости референтни точки за измерване от двете страни на компенсатора, за да се извършва повторна проверка на сезонното движение и аномалната деформация.

9. Експертната преценка се отнася до „управляването“ на термичната деформация, а не до опитите за нейното елиминиране

Термичната деформация е основен физически отговор на материала. Това, което проектът всъщност може да контролира, са условията на ограничаване, пътят на предаване на товара и разрешеното движение. За стоманените складови сгради най-опасната ситуация често не е самото преместване, а това, че „място, което трябва да се движи, е заключено, докато място, което трябва да остане неподвижно, е изплъзнало.“

Професионалният дизайн с термично действие трябва да установи ясна логика: първо да се определят температурните граници на проекта и очакваният диапазон на температурите на елементите, след това да се оцени порядъкът на големината на свободната термична деформация; след това да се идентифицират фиксираните точки и източниците на ограничение в основната конструкция и да се установи ясно посоката на освобождаване; след това да се определи дали са необходими конструктивни компенсатори и как обвивката, фундаментите и системите за оборудване ще ги пресичат; най-накрая, проектното преместване трябва да се преобразува в параметри на връзките, които могат да бъдат разбрани по време на строителството и измерени по време на приемането. За проекти на складови и индустриални сгради в чужбина, обслужвани от Shenyang Zhongwei Heavy Industry Стоманена конструкция ЕООД, климатът, температурата по време на строителство, системите за ограждане и условията на оборудването се различават значително от страна в страна. Топлинното въздействие следователно не бива да се свежда до фиксирана таблица според дължината на сградата; то трябва да се разглежда като проектно-специфичен входен параметър за проектиране, изискващ инженерно преценяване. Напълно надеждното решение не цели да направи конструкцията напълно „неподвижна“; то гарантира, че всеки милиметър движение има ясно определено предназначение.

#стоманена конструкция – склад #топлинно въздействие #разширващо съчленение #термична експанзия и съкращаване #плъзгащо съединение #елонгирани отвори #температура на фиксиране по време на строителство

Избрани референтни стандарти и технически източници

1. EN 1991-1-5:2003, Еврокод 1: Въздействия върху конструкции – Част 1-5: Общи въздействия – Топлинни въздействия. Използва се за класификация на топлинните въздействия, температурни компоненти и аналитичната рамка за структурните топлинни ефекти; конкретните проекти трябва да се координират с приложимия Национален приложение и местно приетото издание.

2. ASCE/SEI 7-22, Минимални проектни натоварвания и свързани критерии за сгради и други конструкции. Основните му изисквания и комбинации от натоварвания включват самонапрежения и техните ефекти; приложението C относно пригодността за употреба изисква размерните промени, предизвикани от температурата и подобни ефекти, да не нарушават функционалността на конструкцията.

3. ANSI/AISC 360-22, Спецификация за стоманени сградни конструкции. Използва се за проектиране на стоманени конструктивни елементи, връзки и пригодност за употреба в съчетание с рамката на действията на ASCE 7; текущата страница на стандарти на AISC посочва 360-22 като действащо издание.

4. ANSI/AISC 303-22, Кодекс на стандартната практика за стоманени сгради и мостове. Използва се за изисквания към инженерната практика, свързани с проектните документи за конструкции, производството и монтажа, допуските и професионалната координация.

5. Ръководство за проектиране на AISC №3, Съображения за експлоатационна пригодност при стоманени сгради, второ издание, 2003 г. Темите, свързани с експлоатационната пригодност, включват разширение и свиване и могат да се използват като допълнително техническо ръководство за термична деформация и детайли за освобождаване от движение; датата на публикуване трябва да се вземе предвид и насоките трябва да бъдат координирани с действащите стандарти.

6. Европейска комисия, JRC, Ръководство №3: Въздействия на действията върху сградите, Глава IV „Термични въздействия върху сградите“. Тази глава, базирана на EN 1991-1-5, обяснява температурни полета, еднородни температурни компоненти и ефектите от ограничаване и дава инженерна референтна стойност от приблизително 12 × 10⁻⁶/°C за коефициента на линейно термично разширение на конструкционна стомана.