Poradnik dotyczący konstrukcji metalowych belek budowlanych i modułowych mostów stalowych

Rodzaje belek metalowych stosowanych w projektach budowlanych

Ramy budowlane łączą w sobie kilka walcowanych i prefabrykowanych kształtów, z których każdy jest dostosowany do określonej rozpiętości, ścieżki obciążenia lub szczegółów połączenia. Wybranie niewłaściwego profilu jest jedną z najczęstszych przyczyn konieczności wprowadzenia zmian podczas montażu konstrukcji stalowej.

Blachownice złożone, spawane z blach kołnierzowych i środnikowych, a nie walcowane w walcowni, dominują w pracach na długich rozpiętościach, gdzie kończą się standardowe głębokości katalogowe. Jest to profil najczęściej określany dla głównych dźwigarów modułowych mostów stalowych, ponieważ producenci mogą dopasowywać grubość kołnierza sekcja po przekroju, aby dopasować ją do wykresu momentu zginającego, zamiast stosować stały przekrój poprzeczny dla całej rozpiętości.

Obliczenia nośności i rozpiętości

Dopuszczalna rozpiętość danej belki zależy od trzech czynników: granicy plastyczności stali, modułu przekroju profilu i zastosowanej kombinacji obciążeń (obciążenie własne plus obciążenie użytkowe, w stosownych przypadkach z dodatkiem wiatru lub wstrząsów sejsmicznych). Z reguły inżynierowie wymiarują belki stropowe na głębokość mniej więcej rozpiętości podzieloną przez 20 dla typowego biurowego obciążenia użytkowego wynoszącego 50 funtów na stopę kwadratową, a następnie sprawdzają, czy ugięcie pozostaje poniżej rozpiętości podzielonej przez 360 dla wykończeń wrażliwych na ruch.

Poniższy wykres ilustruje zależność dla typowej serii w kształcie litery W przy równomiernym obciążeniu stropu, pokazując, jak dopuszczalna rozpiętość rośnie wraz z głębokością belki przy stałym obciążeniu 50 psf.

Liczby te dotyczą stali A992 klasy 50 ze standardowymi odstępami stężeń i mają charakter ilustracyjny, a nie substytut wytłoczonych obliczeń konstrukcyjnych. Głębsze sekcje nie skalują się liniowo wraz z wagą : przejście z W10 na W30 powoduje w przybliżeniu trzykrotne zwiększenie dopuszczalnej rozpiętości przy jedynie podwojeniu ciężaru na stopę, dlatego też dachy i pomosty mostów o dużej rozpiętości preferują głębsze, lżejsze w stosunku do rozpiętości sekcje zamiast układania wielu płytkich belek.

Gatunki stali i dobór materiałów na belki

Wybór gatunku wpływa zarówno na koszt, jak i rozmiar przekroju. Cztery gatunki obejmują zdecydowaną większość prac związanych z produkcją budynków i modułowych mostów stalowych.

• Stal węglowa A36: wydajność 36 000 psi, najpopularniejszy gatunek na kątowniki, płyty i elementy drugorzędne, gdzie oszczędność masy ma mniejsze znaczenie niż koszt.
• A992 klasa 50: wydajność 50 000 psi, domyślny gatunek dla walcowanych kształtowników W w Stanach Zjednoczonych od początku XXI wieku, zapewniający około 39 procent większą wytrzymałość niż A36 przy podobnej cenie jednostkowej.
• A572 klasa 50/60/65: wysokowytrzymała stal niskostopowa stosowana na blachownice i mocno obciążone elementy mostów, dostępna przy ciśnieniu plastycznym do 65 000 psi.
• Stal odporna na warunki atmosferyczne (typ A588): tworzy stabilną warstwę tlenku, która eliminuje powtarzające się cykle malowania, powszechnie stosowane w przypadku odsłoniętych modułowych stalowych dźwigarów mostowych na obszarach wiejskich i autostradach.

Oszczędność masy dzięki doborowi gatunku mieszanki w całym projekcie. W przypadku ramy magazynu o powierzchni 30 000 stóp kwadratowych zmiana belek głównych z A36 na klasę 50 zazwyczaj zmniejsza całkowity tonaż stali o 12 do 18 procent, co obniża zarówno koszty materiałów, jak i czasu pracy dźwigu, mimo że cena za tonę stali klasy 50 jest nieco wyższa.

Systemuy ochrony przed korozją i powłoki

Niepowlekana stal konstrukcyjna traci około 0,001 do 0,005 cala grubości przekroju rocznie w typowym zewnętrznym środowisku przemysłowym, dlatego też wybór powłoki jest traktowany jako decyzja projektowa, a nie przemyślenie, szczególnie w przypadku odsłoniętych belek i modułowych stalowych dźwigarów mostowych, które są usytuowane w pobliżu przejść wodnych.

Cynkowanie ogniowe jest domyślnym wyborem w przypadku belek o długości poniżej 40 stóp, które pasują do zbiornika zanurzeniowego, podczas gdy systemy epoksydowo-poliuretanowe stosowane w terenie obejmują dłuższe blachownice i zmontowane modułowe sekcje mostów stalowych, które przekraczają wymiary zbiornika.

Metody wytwarzania, spawania i łączenia

Produkcja metalowej belki w warsztacie odbywa się według ustalonej kolejności, a kolejność ma znaczenie, ponieważ wiercenie lub spawanie poza kolejnością wprowadza zniekształcenia, których skorygowanie po fakcie jest kosztowne.

1. Cięcie kołnierzy i płyt środnikowych za pomocą cięcia plazmowego CNC lub cięcia tlenowego, z tolerancjami cięcia zwykle utrzymywanymi na poziomie plus minus 1/16 cala.
2. Dopasowanie i sczepienie środnika z kołnierzami, sprawdzenie prostopadłości przed rozpoczęciem pełnego spawania.
3. Spawanie pełne, zwykle spawanie łukiem krytym w przypadku długich prostych odcinków blachownic, które powoduje szybsze osadzanie metalu spoiny i mniej wad niż ręczne spawanie łukiem metalowym w osłonie.
4. Wiercenie lub wykrawanie otworów na śruby pod polowe płytki łączące i kątowniki, ustawione na podstawie szablonu warsztatowego, aby zagwarantować dopasowanie na miejscu.
5. Weryfikacja i prostowanie pochylenia, ponieważ długie dźwigary są wstępnie wygięte w górę, aby przeciwdziałać ugięciu ciężaru własnego po załadowaniu.
6. Przygotowanie powierzchni i nałożenie powłoki przed wysyłką.

W połączeniach terenowych na ramach budynków zazwyczaj stosuje się śruby o wysokiej wytrzymałości (gatunku A325 lub A490) zamiast spawania na miejscu, ponieważ połączenia śrubowe są szybsze w montażu, łatwiejsze do sprawdzenia pod kątem prawidłowego momentu obrotowego i działają przewidywalnie zarówno w ramach budynków, jak i modułowych stalowych złączach mostowych.

Porównanie kosztów: belki stalowe a beton i drewno

Koszt materiału na tonę mówi tylko część historii; Koszt instalacji na metr kwadratowy obramowanej powierzchni to liczba, która faktycznie wpływa na wybór belek w większości projektów.

Stal wygrywa zdecydowanie w przypadku projektów o dużych rozpiętościach, napiętych harmonogramach lub konieczności późniejszej elastyczności renowacji, ponieważ usunięcie ściany nośnej lub dodanie otworu jest proste w przypadku skręcanej ramy stalowej i znacznie bardziej uciążliwe w przypadku lanego betonu.

Wytyczne dotyczące konserwacji i kontroli

Udokumentowane okresy między przeglądami wydłużają żywotność belek znacznie powyżej pierwotnych założeń projektowych, szczególnie w przypadku belek odsłoniętych i modułowych stalowych konstrukcji mostowych narażonych na obciążenie ruchem i zmiany pogody.

Priorytetowymi punktami podczas każdej kontroli są moment obrotowy śrub na połączeniach splotów, grubość powłoki na końcach belki, gdzie ma tendencję do gromadzenia się wody, oraz wszelkie widoczne ubytki przekroju w punktach podparcia, gdzie belka styka się z fundamentem lub oporem.

Często zadawane pytania