Disseny d'estructures d'acer

A mesura que hi ha cada cop més edificis amb estructura d'acer,estructura d'acerEl disseny s'ha tornat més comú i important.Estructura d'acerEl disseny requereix una planificació acurada. Els dissenyadors han de triar el tipus d'acer adequat, el sistema estructural correcte i connexions fortes. La resistència als terratrèmols és important en moltes regions. La prevenció de la corrosió també és important en entorns exteriors.

Cada detall influeix en la seguretat. Les decisions equivocades provoquen un cost elevat o fallades estructurals. Les dades ajuden a guiar el disseny. Els enginyers comproven la resistència del material, la mida de la secció, la resistència de la connexió i la resistència a la càrrega. Un bon disseny d'estructures d'acer millora la vida útil i l'estabilitat del projecte.

Model d'acer

Els models d'acer defineixen la forma i el nivell de resistència. Els dissenyadors trien l'acer en funció de les necessitats de càrrega. Els models comuns inclouen bigues en H, bigues en I, acer en canal i tub quadrat. Les bigues en H suporten bé les càrregues verticals. Molts magatzems utilitzen bigues en H per a columnes. Els tubs quadrats s'adapten a edificis petits perquè tenen un aspecte net. Les canonades ofereixen una forta resistència a la torsió. Per tant, les columnes de canonades suporten càrregues de vent.

El grau d'acer influeix en la resistència. El Q235 ofereix una resistència moderada i una ductilitat forta. És adequat per a estructures lleugeres. El Q355 ofereix una resistència més alta. Suporta grans trams i edificis alts. L'acer inoxidable resisteix la corrosió. És adequat per a fàbriques d'aliments o zones costaneres.

Els enginyers comproven el límit elàstic. El Q235 té un límit elàstic d'uns 235 MPa. El Q355 dóna uns 355 MPa. Una resistència més alta permet seccions més petites. Això redueix el pes de l'acer. La reducció de pes també redueix el cost del projecte. Per exemple, una columna amb acer Q355 pot necessitar una secció de 300 mm × 300 mm. L'acer Q235 pot necessitar una secció de 350 mm × 350 mm per a la mateixa càrrega. Els dissenyadors calculen l'eficiència amb eines de programari. Els valors de flexió i compressió han de complir les normes del codi.

La temperatura també afecta el disseny de les estructures d'acer. Les regions fredes requereixen acer amb una alta tenacitat. Les zones calentes requereixen acer amb una forta resistència a la fatiga. Els factors de seguretat guien la selecció final. Els dissenyadors també tenen en compte la disponibilitat i el preu. Una elecció incorrecta de l'acer augmenta el cost o redueix la seguretat. Una bona selecció afavoreix un comportament estructural estable.

Sistema estructural

La selecció del sistema estructural influeix en l'estabilitat. Diferents sistemes s'adapten a diferents edificis. Les estructures de marc rígid suporten grans llums. Les fàbriques sovint utilitzen marcs rígids. Les bigues de gelosia són adequades per a teulades amb llargues llums. Els pavellons esportius utilitzen bigues de gelosia. Els marcs apuntalats resisteixen fortes forces laterals. Molts edificis alts utilitzen sistemes apuntalats. Els sistemes híbrids de paret de cisallament i acer combinen formigó i acer. Són adequats per a torres que requereixen una forta rigidesa lateral.

Els tipus de càrrega guien el disseny. La càrrega de neu a la teulada és important a les zones fredes. La càrrega de vent és important a les zones costaneres. La càrrega sísmica és important a les zones sísmiques. Per exemple, un magatzem de 30 metres de llum pot utilitzar un marc rígid amb tirants. Això manté l'estabilitat contra el vent. La teulada d'un estadi de 50 metres de llum pot utilitzar encavallades d'acer. Les encavallades distribueixen la càrrega de manera eficient.

L'alçada dels edificis també importa. Els edificis baixos poden utilitzar estructures senzilles. Els edificis alts necessiten sistemes laterals complexos. Els dissenyadors comparen el pes, el cost i la dificultat d'instal·lació. També comproven les normes contra incendis. Alguns sistemes necessiten protecció addicional contra incendis.

La selecció del sistema estructural afecta el tipus de connexió. També influeix en el cost de la fonamentació. Els sistemes lleugers redueixen la mida de la fonamentació. Els sistemes eficients redueixen l'ús d'acer. Això estalvia diners. L'elecció adequada del sistema també millora l'eficiència de la construcció. Per tant, els dissenyadors han d'estudiar la direcció de la càrrega, l'entorn i la finalitat de l'edifici. Un sistema correcte protegeix l'edifici durant dècades.

Mètodes de connexió de components

Les connexions controlen la integritat de l'estructura. Els components d'acer es connecten mitjançant soldadura, cargolat o reblonat. La soldadura crea unions fortes. Moltes plantes utilitzen la soldadura per arc per a columnes i bigues. Cal fer proves de qualitat de la soldadura. Els treballadors qualificats garanteixen soldadures suaus. La soldadura s'adapta a la producció de la fàbrica.

El cargolat ofereix una instal·lació ràpida. Els treballadors munten les peces d'acer in situ. Els cargols d'alta resistència resisteixen el cisallament i la tensió. Els cargols de grau 8.8 i 10.9 apareixen en molts projectes. Les unions cargolades permeten una substitució posterior. El manteniment es fa més fàcil. Molts dissenys sísmics prefereixen el cargolat perquè els cargols absorbeixen bé l'energia.

El reblonat apareix en ponts antics. Rarament apareix en projectes nous a causa del seu cost més elevat.

El disseny de connexions segueix la direcció de la càrrega. La força de cisallament domina les unions de biga. La força axial domina les unions de columna. Els enginyers calculen el nombre de cargols i les mides de les soldadures. Per exemple, una biga amb un cisallament de 100 kN pot necessitar vuit cargols M20. Això depèn de l'espaiat i del grau d'acer. Els dissenyadors comproven la resistència al lliscament i la fatiga.

La qualitat de la instal·lació afecta la seguretat. Els cargols fluixos redueixen l'estabilitat. Una soldadura deficient provoca esquerdes. Els equips d'inspecció revisen cada unió. Les connexions fortes proporcionen camins de càrrega estables. També milloren el rendiment resistent als cops. Per tant, el disseny de la connexió necessita la mateixa atenció que el disseny de les bigues. Les connexions adequades mantenen l'estructura unida durant el vent o els terratrèmols.

Consideracions de disseny a prova de cops

Els terratrèmols creen un fort moviment horitzontal. Les estructures d'acer han d'absorbir energia. Els dissenyadors milloren la capacitat de resistència als cops mitjançant arriostraments, connexions rígides i sistemes d'amortiment. Els tirants en X formen un suport lateral fort. Redueixen la deformació. Moltes fàbriques utilitzen tirants en X a les parets laterals. Els tirants en K també apareixen en algunes estructures. Els marcs resistents a moments resisteixen la flexió. Són adequats per a edificis que necessiten espai obert.

Els amortidors redueixen la vibració. Absorbeixen l'energia dels xocs. Algunes torres altes utilitzen amortidors de massa sintonitzats. Redueixen les sacsejades durant vents forts o terratrèmols.

Els codis de disseny sísmic proporcionen dades. Els enginyers segueixen les classificacions de zones. Per exemple, les zones amb nivell d'intensitat 8 necessiten un apuntalament més fort i un acer més resistent. Els càlculs de cisallament de base ajuden a dimensionar. Un edifici que pesa 500 tones pot afrontar un cisallament de base del 10%. Per tant, el sistema lateral ha de resistir 50 tones de força horitzontal.

La flexibilitat de la connexió també és important. Les soldadures han d'evitar la fallada fràgil. El lliscament dels cargols ajuda a absorbir energia. Les plaques d'unió necessiten prou gruix. Les plaques base de les columnes necessiten ancoratges forts.

El disseny dels fonaments també afecta la seguretat sísmica. Els dissenyadors trien fonaments profunds si el sòl es nota feble. Un sòl fort millora l'estabilitat.

Un bon disseny a prova de cops evita el col·lapse. Protegeix les persones que hi ha a l'interior. També redueix el cost de reparació després de terratrèmols. Per tant, els dissenyadors utilitzen codis detallats. Les decisions a prova de cops afegeixen seguretat a llarg termini a les estructures d'acer.

Protecció resistent a la corrosió i al foc

L'acer s'oxida quan s'exposa a la humitat. Els dissenyadors han de protegir l'acer de la corrosió. La galvanització en calent recobreix l'acer amb zinc. Evita l'oxidació durant molts anys. La galvanització és adequada per a estructures exteriors. Els recobriments pintats també prevenen l'oxidació. Els treballadors netegen l'acer abans de pintar. Una bona neteja millora la vida útil del recobriment.

Les zones costaneres necessiten una forta protecció contra l'òxid. L'aire salat augmenta la velocitat de corrosió. L'acer inoxidable és adequat per a aquestes zones. Costa més però dura més. Per exemple, l'acer Q355B pot necessitar ser repintat cada 5 anys a les regions costaneres. L'acer inoxidable 304 dura més amb un manteniment mínim.

El disseny ignífug també importa. L'acer perd resistència a alta temperatura. La pintura ignífuga protegeix l'acer al foc. El revestiment ignífug també ajuda. Els edificis amb accés públic necessiten una forta protecció contra incendis. Les fàbriques han de seguir els codis d'incendis. Els enginyers comproven les hores de classificació de resistència al foc. Alguns edificis necessiten 2 hores de protecció. Alguns necessiten 3 hores.

El programa d'inspecció afavoreix el rendiment a llarg termini. Els equips revisen el recobriment cada any. Repareu els petits danys aviat. L'òxid s'estén ràpidament si no es tracta. Una bona protecció estalvia costos i augmenta la vida útil.

L'exposició ambiental guia la selecció final. Els dissenyadors combinen materials, recobriments, drenatge i manteniment. Un bon tractament antioxidant i ignífug manté les estructures d'acer segures durant dècades.