Speciāla tēma par termiskajām iedarbībām, izplešanās savienojumiem un detaļām kustību atbrīvošanai tērauda noliktavās

— Garas ēkas nav tikai par „viena papildu savienojuma pievienošanu”, bet gan par kontrolētas deformācijas ceļa izveidošanu

Anotācija: Šis raksts koncentrējas uz izplešanās un sarukšanas problēmām garos tērauda konstrukciju noliktavu ēkās, ko izraisa sezonālās temperatūras svārstības, saules starojums un būvniecības laikā fiksētā temperatūra. Rakstā apspriesti fiksēto punktu un atbrīvošanas zonu izvietojums, brīvās termiskās kustības un ierobežojuma radīto papildu spēku atšķirība, konstrukcijas izplešanās šuves un apvalka/inženierkomunikāciju detaļas šuvju vietās, kā arī slīdošo savienojumu atlikušās kustības jaudas laukā veiktā pieņemšana. Vietot vienkāršotu noteikumu „šuve jāparedz pēc noteikta garuma pārsniegšanas“, raksts izmanto temperatūras lauka–ierobežojuma–deformācijas ceļa loģiku un piedāvā projektam specifisku projektēšanas metodi, ko var aprēķināt, realizēt un verificēt.

1. Termiskā iedarbība pirmkārt ir „robežnosacījumu jautājums“, nevis „garuma ierobežojumu jautājums“

Termiskās ietekmes uz tērauda noliktavu konstrukciju projektēšanu bieži apspriež tikai pēc vēja, sniega un seismiskās ietekmes, un reizēm to vienkāršo līdz domai, ka „izplešanās savienojums jāparedz, tiklīdz ēka kļūst pietiekami gara.” Šāda pieeja var viegli pārvērst strukturālas reakcijas problēmu par vienīgi arhitektoniskas detaļošanas jautājumu. Noliktavām, loģistikas centriem, ražošanas ēkām un nepārtrauktām daudzposmu portāla rāmju ēkām ar lieliem garenvirziena izmēriem patiesie jautājumi nav „pēc cik metriem nepieciešams viens savienojums”, bet gan: kur struktūrai paredzēts pārvietoties, kad tā uzsilst vai atdziest; kurās vietās ir atļauts pārvietojuma atbrīvojums; kuri elementi šo pārvietojumu ierobežo; un vai apvalks, pamati, aprīkojums un cauruļvadi var palikt saderīgi ar galveno struktūru.

Tērauds izplešas, kad tiek uzkarsēts, un sarūk, kad atdziest. Eiropas Komisijas Kopējā pētniecības centra (JRC) publicētā tehniskā informācija, kas balstīta uz standartu EN 1991-1-5, norāda strukturālā tērauda lineārās termiskās izplešanās koeficientu aptuveni 12 × 10⁻⁶/°C. Izmantojot brīvo termisko deformāciju kā novērtējumu, 100 m garai tērauda konstrukcijai, kurai kopējā temperatūras izmaiņa ir 40°C, teorētiski brīvā pārvietošanās būtu aptuveni 48 mm. Šis skaitlis nenozīmē, ka jāparedz 48 mm plata savienojuma šuve, jo reālos ēku objektus ietekmē kolonnu pamatu stingrība, stiprinājuma sistēmas, jumta loksnes noturība, nevienmērīgas elementu temperatūras, būvniecības sākotnējā temperatūra un citi faktori. Tomēr tas skaidri parāda, ka, padarot katru savienojumu „pilnīgi nekustīgu“, termiskā deformācija netiek novērsta; tā vienkārši pārvēršas papildu iekšējās spēkos, vietējās deformācijās vai apvalka sistēmas sabrukumā.

Inženieri bieži jautā: virs kāda garuma tērauda noliktavai ir jāparedz izplešanās šuves? Kad no jautājuma izslēdz projektu apstākļus, nav viena atbilde, kas piemērojama visām valstīm, klimata zonām un konstruktīvajām sistēmām. Ēkas garums ir tikai viens no faktoriem. Projektējot jāņem vērā arī vietējie temperatūras robežas, saules starojums, vai iekštelpas ir temperatūras regulējamas, galvenā konstruktīvā shēma, kolonnu pamatu konfigurācija, garenvirziena stingrinājumu novietojums, jumta un sienas materiāli, aprīkojuma un inženierkomunikāciju nepārtrauktība, kā arī pamatnes ierobežojumi. Divas 120 m garas noliktavas var piedzīvot ļoti atšķirīgas termiskās ietekmes, ja viena ir neatkarīga ēka aukstā reģionā, bet otra — temperatūras regulējama loģistikas noliktava mīdā klimatā.

2. Vispirms izlemiet „kur struktūrai paredzēts pārvietoties“, tad apspriediet izplešanās šuves

EN 1991-1-5 apstrādā termiskās iedarbības kā neatkarīgu konstrukciju iedarbību kategoriju un atšķir vienmērīgo temperatūras sastāvdaļu, temperatūras gradientus un temperatūras starpības starp dažādiem konstrukcijas elementiem. Noliktavu tipa ēkām visbiežāk novērojamās ietekmes ir vienmērīga temperatūras paaugstināšanās vai pazemināšanās, kas ietekmē visu konstrukciju, un temperatūras starpības starp jumtu, ārējām sienām un iekšējiem elementiem, ko izraisa saules starojums. Tumši krāsotam metāla jumtam elementa temperatūru ietekmē arī saules starojums un virsmas absorbcija; tāpēc „lokalā maksimālā gaisa temperatūra” nevar mehāniski identificēt ar „maksimālo tērauda elementa temperatūru.”

Garumi noliktavu bieži satur vairākas garenvirziena stabilitātes nišas vai zonas. Galvenais projektēšanas princips ir izvairīties no vairāku spēcīgu ierobežojumu darbības vienlaicīgi pretējā virzienā. Ja garenvirziena stingrināšanas sistēma veido spēcīgus fiksētus ierobežojumus ēkas abos galos, kamēr starpposma elementi paliek nepārtraukti savienoti, konstrukcija siltuma ietekmē cenšas izstiepties, tačau tai nav skaidri definēta atbrīvošanās virziena. Tā rezultātā termiskās spēles uzkrājas kolonnās, stingrinājumos, kolonnu pamatos un savienojumos. Skaidrāks risinājums ir izveidot „fiksētās zonas–atbrīvošanas zonas” jēdzienu: fiksētā zona nodrošina garenvirziena atskaites pozīciju un pārnes horizontālās spēles, kamēr atbrīvošanas zona ļauj pakāpeniski kompensēt temperatūras izraisīto kustību. „Atbrīvošana” nezīmē vaļīgu savienojumu. Tas nozīmē paredzamas kustības ceļa izveidi, izmantojot stingrinājumu izkārtojumu, slīdošus detalētus risinājumus, slotainas caurumus, deformējamus savienojumus vai segmentētas konstrukcijas sistēmas.

3. Brīvā termiskā kustība ir tikai pirmais solis; ierobežojumu izraisītās papildu ietekmes ir galvenais projektēšanas jautājums

Brīvo termisko kustību var aptuveni novērtēt, izmantojot ΔL = αLΔT. Šī vienādojuma izmantošana ir noderīga, lai saprastu kustības lieluma kārtu, tačau tā nedrīkst aizvietot strukturālo analīzi. Patiesā tērauda konstrukcijas termiskā reakcija ir atkarīga no ierobežojuma stingrības: tur, kur elements var brīvi izplesties, reakcija galvenokārt ir pārvietojums; tur, kur tas ir stingri ierobežots, termiskā deformācija tiek pārvērsta par ass virziena spēku; bet reālās ēkas parasti atrodas kaut kur starp šiem diviem stāvokļiem. ASCE/SEI 7-22 iekļauj temperatūras ietekmi, sarukumu un līdzīgas ietekmes projektēšanas sistēmā pašiekraušanās spēkiem un ietekmēm, un tās ekspluatācijas prasības nosaka, ka temperatūras svārstību un līdzīgu ietekmju izraisītās izmēru izmaiņas nedrīkst traucēt strukturālo funkcionalitāti.

Tāpēc siltuma darbības projektēšanai jāņem vērā vismaz trīs līmeņi vienlaikus. Pirmkārt, galvenā konstrukcija: garenvirziena kolonnu rindas, garenvirziena stingrinājumi, savienojošie elementi, jumta horizontālie stingrinājumi un kolonnu pamati kopā nosaka globālo ierobežojuma stāvokli, un analītiskā modeļa balsti un atbalsta atbrīvojumi ir jāatbilst faktiskajai izpildei. Otrkārt, savienojumi: ja projektēšanas mērķis ir ļaut kustībai, tad jānorāda skaidri kustības virziens, cauruma ģeometrija, plāksnes vai uzgriežņplāksnes izmēri, skrūvju uzvedība un uzstādīšanas sākuma pozīcija; kustību nevar nodrošināt ar neoficiālu norādījumu, piemēram, „neuzspriest skrūves pārāk cieši”. Treškārt, nestrukturālie komponenti: sienas paneļi, jumta paneļi, durvis un logi, notekcaurules, jumta gaismas logi un cauruļu balsti visi ir jāsaskaņo ar galvenās konstrukcijas kustību. Strukturālo aprēķinu veiksmīga izpilde nenozīmē, ka apvalka detaļas automātiski ir drošas.

4. Grūtība izplešanās savienojuma projektēšanā nav „atstāt spraugu”, bet gan nodrošināt funkcionalitāti abās savienojuma pusēs

Dažu pārsegumu portāla rāmju noliktavām, kur paredzēts strukturāls izplešanās savienojums, abas savienojuma puses struktūras parasti jāveido kā salīdzinoši neatkarīgas strukturālas vienības. Nav pietiekami vienkārši pārgriezt jumta lokšņu segumu, saglabājot galvenos tērauda rāmjus stingri nepārtrauktus. Otrādi, pat tad, ja strukturālā analīze rāda, ka galveno struktūru var izbūvēt bez strukturāla izplešanās savienojuma, joprojām jāņem vērā apvalka sistēmas termiskā izplešanās un sarukšana. Jumta lokšņi, sienas lokšņi, vainaga blīvējumi, notekcaurules un jumta logi parasti ir plānāki un jutīgāki nekā galvenais tērauda rāmis. Galvenā struktūra, kas „iztur aprēķinus”, nenozīmē, ka apvalks nekļūs pirmās problēmas vietā ar plaisām, izliekšanos, „oliņu kanniņu” efektu vai atkārtotu slodzi pie stiprinājumu caurumiem.

Pilnīgi attīstītam izplešanās savienojuma risinājumam vienlaikus jārisina struktūras uzvedība, ūdensnecaurlaidība, siltumizolācija, ugunsdrošība un ēkas ekspluatācijas prasības. Jumta izplešanās savienojumiem, ja iespējams, jāatrodas ārpus zemākajām vietām, kur var uzkrāties ūdens. Ja šo nevar izvairīties, ūdensnecaurlaidības sistēmai jābūt projektētai tā, lai tā paliktu nepārtraukta, vienlaikus pielāgojoties kustībām, nevis balstoties tikai uz vienu blīvējuma līniju, kas absorbē visu pārvietojumu. Metāla jumtiem kustību var kompensēt ar neatkarīgiem apvalku vāciņiem, pietiekami augstiem vertikāliem malu uzgriezumiem, slīdošiem pārklājumiem un atsevišķiem stiprinājumiem abās pusēs. Arī fasāžu risinājumiem līdzīgi jānodrošina aizsardzība pret laikapstākļiem un vizuāla nepārtrauktība: fasāžu loksnes katrā savienojuma pusē jānosaka neatkarīgi, bet starp tām esošajam aizsargapvalkam jāsaglabā pietiekams pārklājuma gaitas lielums.

Aizkabatas, parapeti, jumta logi un MEP sistēmas, kas šķērso savienojumu, arī jāpārbauda rūpīgi. Ja struktūrinženieris primāro struktūru atdala pie režģa līnijas, bet nepārtraukta aizkabata, pašurpošanās skrūves, ugunsdzēsības galvenais cauruļvads vai kabeļu loka stingri savieno abas puses, tad būvlaukumā uzstādītā konstrukcija faktiski ir atkal izveidojusi slēptu fiksētu punktu.

1. tabula. Siltuma iedarbības projektēšanā bieži sastopamās problēmas ar „objektu – kļūdainu pieņēmumu – pareizo vadības parametru“

5. Neuzskatīt „slīdos caurumus“ par vispārēju izplešanās savienojuma risinājumu

Viena no visbiežāk lietotajām vietnes optimizācijas pasākumu metodēm ir standarta apaļo caurumu aizvietošana ar spraugveida caurumiem, ja konstatēta garenvirziena kustības ierobežošana. Šis pieejas variants ir derīgs tikai tad, ja skaidri definēts savienojuma spēku pārneses princips, slīdes virziens un balstīšanas apstākļi. Pirmkārt, spraugas garā ass jābūt izvietotai pa paredzētās kustības virzienu. Otrkārt, jābūt vienota ar vispārējo strukturālo sistēmu attiecībā uz to, vai savienojumam ir atļauts slīdēt zem vēja slodzes, bremzēšanas spēka vai citu horizontālu iedarbību. Ja savienojums pārnes būtiskus horizontālus spēkus, vienkārši cauruma paplašināšana var izmainīt paredzēto slodzes ceļu. Treškārt, segplāksnes vai gredzeni pēc uzstādīšanas jābūt efektīviem, lai pilnībā pārklātu spraugu un novērstu vietēju izraušanos.

Augstas izturības skrūvētām savienojumu vietām arī jāatšķir starp nobīdeskritiskām savienojumu vietām, balstīšanās tipa savienojumu vietām un īpaši paredzētām nobīdes savienojumu vietām, lai atbrīvotu pārvietojumu. Ja projektēšanas dokumenti prasa, lai savienojuma vieta nepārvietotos ekspluatācijas slodžu ietekmē, vienlaikus sagaidot, ka tā atbrīvos termiskos pārvietojumus, notiekot pārvietojumam caur caurumu, abiem darbības nosacījumiem un to attiecīgajiem mehānismiem jābūt skaidri definētiem. Profesionālas projektēšanas būtība nav kāda noteikta savienojuma veida izmantošana, bet gan tā, ka katrs savienojums veic tikai tam piešķirto funkciju: fiksētie savienojumi nodrošina pozicionēšanu un spēku pārnešanu, kamēr nobīdes savienojumi nodrošina pārvietojuma iespēju norādītā virzienā.

6. Termiskie savienojumi jākoordinē ar pamatiem, grīdas plātnēm un aprīkojuma sistēmām

Tērauda augšbūvē var izveidot dilšanas savienojumu, taču vai pamati un grīdas plātnes ir jāsavieno tajā pašā vietā, jānosaka atkarībā no konstrukcijas sistēmas un ēkas funkcijas. Ja abās pusēs esošie pamati efektīvi ir savienoti ļoti stingrā nepārtrauktā sistēmā, bet augšbūve ir paredzēta relatīvai kustībai, kolonnu pamatos var rasties nevajadzīga ierobežošana. Otrādi, ja pamati ir neatkarīgi, bet augšbūve ir stingri atkal savienota ar nepārtrauktiem elementiem, savienojuma efektivitāte līdzīgi samazinās.

Rūpnieciskajām noliktavām īpaša uzmanība jāpievērš aprīkojuma sistēmām. Ugunsdzēsības ūdensvadi, kabeļu stieņi, kompresijas gaisa caurules, tvaika caurules, transportiera līnijas un krāvumu glabāšanas sistēmas var šķērsot struktūras savienojumu. Ja struktūras projektētā pārvietošanās nav paziņota MEP un aprīkojuma specialitātēm, stingrās caurules var plaisāt, balstiekārtas var deformēties vai aprīkojuma rievas var nobīdīties ekspluatācijas laikā. Servisa līnijām, kas šķērso savienojumu, jāizmanto elastīgi savienojumi, slīdošās balstiekārtas, izplešanās kompensatori vai neatkarīgas balstiekārtas. To pārvietošanās spēja jāparedz tāda, lai nodrošinātu nepieciešamo struktūras projektēto pārvietošanos, vienlaikus ņemot vērā uzstādīšanas pieļaujamās novirzes.

7. Būvniecības sākotnējā temperatūra nosaka, kur atrodas „neitrālā pozīcija“

Siltuma iedarbība ietver vēl vienu bieži ignorētu mainīgo lielumu: temperatūru, pie kuras struktūra beigās tiek „nofiksēta“. Sākotnējā temperatūra, ko pieņem analīzē, nav obligāti vienāda ar gada vidējo gaisa temperatūru. Tā ir saistīta ar faktisko temperatūru, kad tiek uzstādīti elementi, beidzotīgi pievienoti savienojumi un noslēgta jumta sistēma. Projektēšanā var pieņemt, ka struktūra atrodas neitrālā stāvoklī tuvu mērenai temperatūrai, taču, ja visi fiksētie savienojumi beidzotīgi tiek nostiprināti pēc ilgstošas saules apsildes vidū vasarā, turpmākā sarukšanas kustība dzis­tot var stipri novirzīties vienā virzienā.

Slīdošām savienojumu konstrukcijām ar lielu pārvietojuma prasību, garām jumta loksnēm, nepārtrauktām notekcaurulēm un lieliem durvju atvērumiem būvdokumentos jāapsver, vai jānorāda bloķēšanas temperatūra, sākotnējā savienojuma pozīcija un rezervētais pārvietojuma pieļaujamais lielums. Patiešām izpildāmā savienojuma zīmējumā jānorāda slīdošanas virziens, projektētais pārvietojums, uzstādīšanas viduspunkts, atļautā novirze un gala nostiprināšanas prasības, lai montāžas speciālisti zinātu, vai komponentam jābūt centrētam slotā, jābūt nobīdītam uz vienu slota galu vai jāpielāgo atkarībā no faktiski izmērītās uzstādīšanas temperatūras.

8. Pieņemšana jāveic, pamatojoties uz „atlikušo pārvietojuma kapacitāti“, ne tikai uz to, vai savienojums izskatās kārtīgs

Pieņemot kustības atbrīvošanas detaļas, nepietiek tikai pārbaudīt, vai skrūves ir izlīdzinātas vai vairos ir taisni. Svarīgāk ir pārliecināties, ka pēc būvniecības joprojām ir pieejama projektā paredzētā kustības jauda. Bieži sastopamās vietējās kļūdas ietver: skrūvi, kas jau pieskaras vienam slīpā cauruma galam; slīdošo virsmu, ko bloķē palīgdzēsējuzvārni; vairos uzskrūvētas skrūves, kas iekļūst abās savienojuma pusēs esošajos pamatmateriālos; hermētiķi, kas pilnībā aizpilda un bloķē spraugu; nepārtrauktu notekcauruli, kas atkal savieno divus struktūrvienību elementus; MEK balstus, kas stingri stiepjas pāri savienojumam; un sienas panelu blīvējumus, kas uzstādīti bez pietiekama slīdošā pārklājuma. Šīs detaļas var izskatīties ļoti kārtīgas, tomēr jau zaudējušas savu paredzēto kustības funkciju.

Tāpēc pieņemšanas ierakstos jāiekļauj vismaz faktiskais izplešanās savienojuma platums, slīdošo savienojumu sākotnējā atrašanās vieta, atlikušais pārvietojums slotveida caurumos, apvalka detalizācija pa šuvju, cauruļvadu kompensācijas metode un vietējā bloķēšanas temperatūra. Ilgstošai ekspluatācijai paredzētiem noliktavu būvniecības objektiem abās šuves pusēs var izveidot arī vienkāršus mērījumu atskaites punktus, lai vēlāk varētu pārbaudīt sezonālo pārvietošanos un nenormālu deformāciju.

9. Ekspertu lēmumu pieņemšana attiecas uz „pārvaldīšanu” termiskās deformācijas, nevis tās novēršanu

Termiskā deformācija ir pamatfizikāla materiāla reakcija. Tas, ko patiesībā var kontrolēt projektēšanas procesā, ir ierobežojuma nosacījumi, slodzes pārnese un atļautais pārvietojums. Tērauda noliktavām bīstamākā situācija bieži vien nav pārvietojums pats par sevi, bet gan tā, ka „vietā, kurā vajadzētu notikt pārvietošanai, ir notikusi bloķēšana, kamēr vietā, kurā vajadzētu palikt fiksētai, ir notikusi nobīde.”

Profesionāla siltuma darbības projektēšana ir jāveido ar skaidru loģiku: vispirms jānosaka projekta temperatūras robežas un paredzamais elementu temperatūras diapazons, pēc tam jānovērtē brīvās termiskās deformācijas kārtas lielums; nākamais soļis ir identificēt galvenajā konstrukcijā fiksētos punktus un ierobežojumu avotus un noteikt skaidru atbrīvošanas virzienu; pēc tam jānoskaidro, vai strukturālie izplešanās savienojumi ir nepieciešami un kā apvalks, pamati un aprīkojuma sistēmas šos savienojumus šķērsos; beigās projektēšanas pārvietojums jāpārvērš par savienojuma parametriem, kurus būvniecības laikā var saprast un pieņemšanas laikā izmērīt. Šo principu piemēro ārzemju noliktavām un rūpnieciskajām ēkām, kurām pakalpo Shenyang Zhongwei Heavy Industry Tērauda konstrukciju inženierijas sabiedrība, Ltd., klimats, būvniecības temperatūra, aplokošanas sistēmas un aprīkojuma apstākļi no valsts uz valsti atšķiras ievērojami. Tāpēc termisko iedarbību nedrīkst reducēt līdz fiksētai tabulai, kas balstīta uz ēkas garumu; to vajadzētu uzskatīt par projektam specifisku dizaina ievadi, kurai nepieciešams inženieru spriedums. Patiešām uzticama risinājuma mērķis nav padarīt konstrukciju pilnīgi „nevirzīgu“; tas nodrošina, ka katrs milimetrs kustības ir skaidri definēts un tam ir noteikts galamērķis.

#tērauda konstrukciju noliktava #termiskā iedarbība #izplešanās apvijums #termiskā izplešanās un saraušanās #slīdošais savienojums #gareniski caurumainā cauruma forma #būvniecības laikā fiksētā temperatūra

Izvēlētie atsauces standarti un tehniskie avoti

1. EN 1991-1-5:2003, Eirokods 1: Darbības uz konstrukcijām – 1. daļa, 5. apakšdaļa: Vispārīgās darbības – Termiskās darbības. Izmantots termiskās iedarbības klasifikācijai, temperatūras komponentu noteikšanai un strukturālo termisko efektu analītiskajam rāmim; konkrētiem projektiem jāsaskaņo ar attiecīgo Nacionālo pielikumu un vietēji pieņemto izdevumu.

2. ASCE/SEI 7-22, Minimālās projektēšanas slodzes un saistītās prasības ēkām un citām būvēm. Tās pamatprasības un slodžu kombinācijas ietver pašstiepšanās spēkus un to ietekmi; pielikumā C norādītās ekspluatācijas prasības prasa, lai temperatūras un līdzīgu ietekmju izraisītās izmēru izmaiņas nekompromitētu konstrukcijas funkcionalitāti.

3. ANSI/AISC 360-22, Specifikācija par tērauda konstrukciju ēkām. Izmantota tērauda konstrukciju elementu, savienojumu un ekspluatācijas projektēšanai kopā ar ASCE 7 darbības rāmi; AISC pašreizējā standartu lapā 360-22 identificēta kā pašreizējā izdevuma redakcija.

4. ANSI/AISC 303-22, Standarta prakses kodekss tērauda ēkām un tiltiem. Izmantots inženierprojektēšanas prakses prasību noteikšanai, kas saistīta ar konstrukciju projektēšanas dokumentiem, ražošanu un uzstādīšanu, pieļaujamajām novirzēm un profesionālo koordināciju.

5. AISC Design Guide 3, Pakalpojumu nodrošināšanas projektēšanas apsvērumi tērauda ēkām, 2. izdevums, 2003. gads. Pakalpojumu nodrošināšanas jautājumi, kas aptverti, ietver izplešanos un sarukšanu un var tikt izmantoti kā papildu tehniskie norādījumi siltuma deformācijām un kustības atbrīvošanas detaļām; jāņem vērā tā izdošanas datums un norādījumus jāsaskaņo ar pašreizējiem standartiem.

6. Eiropas Komisijas JRC, Rokasgrāmata 3: Darbību ietekme uz ēkām, IV nodaļa „Siltuma ietekme uz ēkām.“ Šajā nodaļā, kas balstīta uz EN 1991-1-5, paskaidroti temperatūras lauki, vienmērīgi temperatūras komponenti un ierobežojuma efekti, kā arī sniegts inženierzinātnisks atsauces lielums aptuveni 12 × 10⁻⁶/°C tērauda lineārās termiskās izplešanās koeficientam.