Co to jest budynek z ramą stalową portalową
Budynek o stalowej ramie portalowej to jednopiętrowa lub niska konstrukcja zbudowana wokół sztywnych stalowych ram w kształcie odwróconej litery „U” lub portalu. Każda rama składa się z dwóch pionowych słupów i poziomej lub skośnej krokwi, połączonych w narożach za pomocą połączeń przenoszących momenty zginających, zwanych połączeniami kolanowymi. To sztywne połączenie na okapie i wierzchołku pozwala ramie przenosić zarówno obciążenia pionowe, jak i boczne obciążenia wiatrem lub obciążenia sejsmiczne, bez polegania na wewnętrznych ścianach nośnych. Ponieważ sama rama wykonuje prace konstrukcyjne, budynki z ramami portalowymi mogą mieć rozpiętość od 20 do 100 metrów bez kolumn, dlatego dominują w magazynach, warsztatach, hangarach lotniczych, szopach rolniczych i arenach sportowych.
Cechą charakterystyczną oddzielającą ramę portalową od prostej konstrukcji stalowej słupowo-belkowej jest sztywne połączenie skosowe. W standardowym układzie belek i słupów połączenie zachowuje się jak zawias, a momenty zginające nie są dzielone pomiędzy belką i słupem. W ramie portalowej wspornik skosowy przenosi moment zginający w sposób ciągły przez narożnik, dzięki czemu słupy i rygle działają jak jeden ciągły element konstrukcyjny. Dzięki temu budynki z ramami portalowymi mają duże rozpiętości w świetle i stosunkowo niewielki tonaż stali na metr kwadratowy.
Każdy budynek o stalowej ramie portalowej, niezależnie od rozmiaru i przeznaczenia, składa się z spójnego zestawu części. Zrozumienie każdego komponentu pomaga kupującym przeczytać rysunek konstrukcyjny i porównać oferty różnych producentów na równych warunkach.
Główna rama
Słupy i krokwie wykonane z dwuteowników walcowanych na gorąco lub spawanych dwuteowników. Krokiew ma zwykle zmienną głębokość i zwęża się od głębokiej skosu przy okapie do płytszej części w połowie rozpiętości, aby zmniejszyć ciężar stali.
Płatwie i rygle
Formowane na zimno sekcje C lub Z rozmieszczone w odstępach od 1,2 do 1,8 metra, które podtrzymują pokrycia dachowe i okładziny ścienne, przenosząc obciążenia z powrotem na ramę główną.
System usztywniający
Stężenie poprzeczne lub stężenie portalowe w połaci dachu i ścianach końcowych, które wytrzymuje wzdłużne obciążenie wiatrem i utrzymuje ramę stabilną na całej długości.
Płyty podstawy i śruby kotwiące
Płyty stalowe przyspawane do podstawy słupa i przymocowane do fundamentu betonowego za pomocą śrub kotwiących, przenoszące reakcje słupa na stopę.
Okładziny dachowe i ścienne
Profilowane blachy stalowe, płyty warstwowe lub izolowane panele kompozytowe mocowane do płatwi i rygli w celu zamknięcia obudowy budynku.
Belki dźwigowe
Opcjonalne wsporniki lub wsporniki na słupie do podparcia suwnic w budynkach przemysłowych i produkcyjnych.
Dlaczego budynki portalowe o stalowej ramie są wybierane zamiast innych konstrukcji
W porównaniu z ramami żelbetowymi lub tradycyjną konstrukcją murowaną, stalowa rama portalowa oferuje połączenie szybkości, rozpiętości i efektywności kosztowej, które trudno jest osiągnąć w przypadku dużych jednopiętrowych obudów.
- Długie rozpiętości w świetle bez słupów wewnętrznych , co ma kluczowe znaczenie w przypadku magazynów, sal gimnastycznych i linii produkcyjnych, które potrzebują niezakłóconej powierzchni na regały, maszyny lub ruch pojazdów.
- Krótszy czas budowy, ponieważ elementy są wytwarzane i wiercone w fabryce, a następnie po prostu skręcane ze sobą na miejscu, co skraca harmonogram o tygodnie w porównaniu z betonem wylewanym na miejscu.
- Niższe obciążenie fundamentu, ponieważ dobrze zaprojektowana rama portalowa jest znacznie lżejsza niż równoważna rama betonowa, co zmniejsza rozmiar fundamentów i koszty wykopów.
- Elastyczność projektowania pod kątem przyszłej rozbudowy, ponieważ przęsła końcowe można pozostawić otwarte w celu przykręcenia rozbudowy bez zakłócania istniejącej konstrukcji stalowej.
- Wysoka wartość odzysku materiału, ponieważ elementy ze stali konstrukcyjnej można zdemontować, przenieść lub poddać recyklingowi przy wysokim odsetku ich pierwotnej wartości.
- Przewidywalne, kontrolowane w fabryce tolerancje produkcyjne, które zmniejszają liczbę poprawek na miejscu i różnice w jakości w porównaniu z betonem wylewanym na miejscu.
Typowe zakresy rozpiętości, rozstawu przęseł i wysokości okapów
Rozpiętość, rozstaw przęseł i wysokość okapu to trzy wymiary wpływające na tonaż stali, a tym samym na koszt projektu. Poniższa tabela podsumowuje asortymenty powszechnie stosowane w projektach ram portalowych dla magazynów, warsztatów i rolnictwa.
Typowe zakresy wymiarów budynków o stalowej ramie portalowej według typu budynku | Typ budynku | Wyczyść zakres | Rozstaw zatok | Wysokość okapu |
| Magazyn magazynowy | 20 do 40 m | 6 do 9 m | 6 do 9 m |
| Warsztat produkcyjny | 24 do 36 m | 6 do 8 m | 7 do 12 m |
| Hangar lotniczy | 40 do 100 m | 7,5 do 9 m | 9 do 18 m |
| Szopa rolnicza | 12 do 24 m | 5 do 6 m | 4 do 6 m |
| Hala sportowa | 30 do 60 m | 6 do 9 m | 8 do 15 m |
Ogólną zasadą stosowaną przez inżynierów konstrukcyjnych jest to, że zużycie stali rośnie mniej więcej wraz z kwadratem rozpiętości, gdy rama portalowa przekracza około 36 metrów, ponieważ sekcje krokwi i słupów muszą rosnąć głębiej, aby kontrolować ugięcie. Kupujący planujący budynki o bardzo dużej rozpiętości często oceniają, czy wieloprzęsłowa rama ze słupami pośrednimi jest bardziej ekonomiczna niż pojedyncze gigantyczne przęsło w świetle.
Gatunki stali i specyfikacje materiałów
Wydajność każdego budynku o stalowej ramie portalowej zależy w dużym stopniu od gatunku stali użytej do wykonania ramy głównej, elementów drugorzędnych i połączeń. Producenci zazwyczaj pracują w wąskim zakresie ustalonych gatunków stali konstrukcyjnej, ponieważ oferują one niezawodną, dobrze udokumentowaną równowagę pomiędzy wytrzymałością, spawalnością i kosztami.
Typowe gatunki stali konstrukcyjnej stosowane w produkcji ram portalowych | Stopień stali | Siła plonu | Typowe zastosowanie |
| Q235B | 235 MPa | Płatwie, rygle, stężenia wtórne |
| Q345B | 345 MPa | Słupy i krokwie ramy głównej |
| ASTM A572 Gr50 | 345 MPa | Ciężkie elementy ramy, kolumny dźwigu |
| S355JR | 355 MPa | Projekty eksportowe o specyfikacji europejskiej |
Na główną sztywną ramę zazwyczaj wybiera się gatunki o wyższej wytrzymałości, takie jak Q345B lub S355JR, ponieważ umożliwiają one lżejszym sekcję przenoszenie tego samego momentu zginającego, co zmniejsza całkowity tonaż i masę transportową. Płatwie i rygle, które wytrzymują głównie lokalne zginanie, a nie duże momenty ramy, są zwykle utrzymywane w niższej klasie, ponieważ oszczędność masy wynikająca z ich modernizacji jest minimalna w porównaniu ze wzrostem kosztów.
Opcje okładzin dachowych i ściennych
System okładzin wybrany do budynku z ramą portalową wpływa na parametry termiczne, komfort akustyczny, zachowanie się obiektu podczas pożaru i długoterminowe koszty konserwacji. Obecnie na rynku dominują trzy rodziny okładzin.
Profilowana blacha jednowarstwowa
Blacha stalowa ocynkowana falista lub trapezowa lub blacha stalowa Galvalume mocowana bezpośrednio do płatwi. Jest to najtańsza opcja, powszechnie stosowana w oborach rolniczych, magazynach z otwartymi ścianami i budynkach, w których nie obowiązują ścisłe wymagania dotyczące kontroli temperatury.
Izolowane płyty warstwowe
Dwie stalowe powłoki połączone z rdzeniem z poliuretanu, polistyrenu lub wełny mineralnej, zwykle o grubości od 50 do 150 milimetrów. Płyty warstwowe są standardowym wyborem w chłodniach, przetwórstwie żywności i warsztatach klimatyzowanych, ponieważ łączą okładziny strukturalne i izolację w jednym elemencie instalowanym w jednym przejściu.
Systemy dachowe dwupowłokowe
Wewnętrzny arkusz wykładziny, warstwa koca izolacyjnego, listwy dystansowe i zewnętrzna blacha odporna na warunki atmosferyczne montowane na miejscu. System ten nadaje się do budynków komercyjnych i handlowych o dużej rozpiętości, gdzie wymagane jest gładsze wykończenie sufitu wewnętrznego i umiarkowana izolacja.
Sekwencja budowy od projektu do przekazania
Typowy projekt budowy stalowej ramy portalowej składa się z przewidywalnej sekwencji etapów. Znajomość tej sekwencji pomaga kupującemu zaplanować realistyczne terminy dostaw i koordynować prace budowlane z dostawą stali.
- Projekt konstrukcyjny i obliczenia obciążenia, obejmujące obciążenie własne, obciążenie użytkowe, obciążenie wiatrem, obciążenie śniegiem i obciążenie sejsmiczne, zgodnie z lokalnymi przepisami projektowymi obowiązującymi w miejscu realizacji projektu.
- Przygotowanie rysunków warsztatowych i zakup materiałów, gdzie przed rozpoczęciem produkcji każdy element jest szczegółowo opisywany z dokładnymi pozycjami otworów na śruby i długościami cięcia.
- Produkcja fabryczna, w tym cięcie, wiercenie, spawanie profili zabudowanych i obróbka powierzchniowa, taka jak śrutowanie i malowanie lub cynkowanie ogniowe.
- Prace fundamentowe i budowlane prowadzone równolegle z produkcją, dzięki czemu położenie śrub kotwiących jest dokładnie odlane zgodnie z zatwierdzonym rysunkiem układu fundamentów.
- Transport prefabrykowanych elementów na miejsce, zwykle w paczkach o wymiarach pasujących do standardowych przyczep z platformą lub kontenerów transportowych w przypadku projektów eksportowych.
- Montaż na miejscu, zaczynając od tymczasowego usztywnienia pierwszych dwóch ram końcowych, a następnie przechodząc do przęsła po przęśle z płatwiami, ryglami i stężeniami instalowanymi w miarę podnoszenia każdej ramy.
- Montaż okładziny, a następnie obróbka blacharska, rynny, rury spustowe oraz wszelkie drzwi, okna lub żaluzje wentylacyjne.
- Końcowa kontrola momentu dokręcenia śrub, jakości spoin i tolerancji wymiarowej przed oddaniem budynku do użytkowania.
Ponieważ rama główna jest przykręcana, a nie spawana na miejscu, średniej wielkości magazyn z ramą portalową o powierzchni około 3000 metrów kwadratowych można zazwyczaj wznieść w ciągu czterech do ośmiu tygodni po przygotowaniu fundamentów, co stanowi ułamek czasu potrzebnego w przypadku równoważnego budynku o konstrukcji betonowej.
Ochrona przed korozją i żywotność
Stal jest mocna, ale reaktywna, dlatego każda rama portalowa Konstrukcja stalowa wymaga systemu powłok ochronnych dostosowanych do jej środowiska. W praktyce stosowane są trzy metody ochrony, każda dostosowana do innych warunków narażenia.
Farba gruntująca alkidowa lub epoksydowa
Podkład bogaty w tlenek czerwony lub cynk, a następnie warstwy pośrednie i końcowe, dające całkowitą grubość suchej powłoki około 120 do 200 mikronów. Nadaje się do suchych środowisk śródlądowych z okresowym malowaniem co 8 do 12 lat.
Cynkowanie ogniowe
Elementy zanurza się w roztopionym cynku, tworząc związaną metalurgicznie powłokę, zwykle o grubości od 65 do 100 mikronów, zapewniającą ochronę bezobsługową przez 25 lat lub dłużej, nawet w wilgotnych warunkach lub przybrzeżnych.
Powłoka dwustronna
Cynkowanie połączone z wierzchnią warstwą farby, stosowane w agresywnych środowiskach morskich lub przemysłowych, gdzie warstwa farby wydłuża okres, zanim warstwa cynku wymaga konserwacji, często przekraczając 30 lat łącznej ochrony.
Co wpływa na koszt budynku z ramą stalową portalową
Kupujący porównujący oferty często zauważają duże różnice w cenach budynków, które na papierze wyglądają podobnie. Różnica prawie zawsze sprowadza się do kilku zmiennych.
- Tonaż stali na metr kwadratowy, który rośnie wraz z rozpiętością, rozstawem przęseł, nachyleniem dachu, obciążeniem śniegiem i strefą obciążenia wiatrem.
- Załadunek dźwigiem, ponieważ nawet pojedyncza 5-tonowa suwnica pomostowa może zwiększyć ciężar kolumny i usztywnień w porównaniu z konstrukcją bez dźwigu.
- Specyfikacja okładzin, w przypadku której izolowane płyty warstwowe kosztują znacznie więcej za metr kwadratowy niż blachy jednowarstwowe, ale zmniejszają bieżące wydatki na energię.
- System powłokowy obejmujący cynkowanie ogniowe, który wiąże się z wyższymi kosztami początkowymi niż malowanie, ale niższymi kosztami konserwacji w całym okresie użytkowania.
- Logistyka placu budowy, w tym odległość zakładu produkcyjnego od placu budowy oraz dostępność dźwigów i dróg dojazdowych do montażu.
- Wymagania lokalnych przepisów projektowych, ponieważ strefy narażonych na działanie wstrząsów sejsmicznych lub strefy o silnym wietrze wymagają cięższych stężeń i szczegółów połączeń niż lokalizacja śródlądowa niskiego ryzyka.
Praktycznym punktem odniesienia jest prosty, jednoprzęsłowy magazyn o umiarkowanym obciążeniu śniegiem i wiatrem, który zwykle mieści się w przedziale od 25 do 45 kilogramów stali konstrukcyjnej na metr kwadratowy zadaszonej powierzchni, podczas gdy budynki o dużej rozpiętości lub budynki wyposażone w dźwigi mogą przekraczać 60 kilogramów na metr kwadratowy.
Stalowa rama portalowa a konstrukcja stalowa dachu kratownicowego
Kupujący czasami mylą ramę portalową z budynkiem kratownicowo-słupowym, ale te dwie konstrukcje zachowują się zupełnie inaczej pod obciążeniem.
Porównanie sztywnych ram portalowych z kratownicowymi konstrukcjami dachowymi na przegubach | Funkcja | Rama portalowa | Kratownica i kolumna |
| Połączenie narożne | Sztywne, odporne na momenty | Przypięty, bez chwili |
| Głębokość pręta w połowie rozpiętości | Płytka, zwężająca się krokwie | Głęboka kratownica o otwartej sieci |
| Najlepszy zakres rozpiętości | Do około 60 do 100 m | Bardzo duże rozpiętości, ponad 60 m |
| Złożoność wykonania | Niższy, mniej członków | Wyżej, wielu członków sieci |
| Wyczucie przestrzeni nad głową we wnętrzu | Czyściej, bez zakłóceń | Wizualnie zajęty usztywnieniem sieciowym |
Branże i typy budynków wykorzystujące ramy portalowe
Ponieważ konstrukcja stalowa ramy portalowej jest wydajna w szerokim zakresie rozpiętości, stała się ona domyślnym wyborem w wielu sektorach, a nie rozwiązaniem niszowym.
- Magazyny logistyczne i dystrybucyjne, które wymagają długich, wolnych ciągów dla regałów i korytarzy wózków widłowych.
- Warsztaty motoryzacyjne, elektroniczne i ogólnoprodukcyjne, w których mieszczą się linie produkcyjne i suwnice.
- Łańcuch chłodniczy i zakłady przetwórstwa spożywczego wykorzystujące izolowane okładziny panelowe do kontroli temperatury.
- Budynki rolnicze, takie jak obory dla zwierząt, magazyny zboża i szopy na sprzęt rolniczy.
- Hangary lotnicze wymagające bardzo dużych rozpiętości w świetle, aby pomieścić rozpiętość skrzydeł samolotów.
- Obiekty rekreacyjno-sportowe, w tym kryte korty, ujeżdżalnie i hale wystawowe.
- Budynki handlowe i salony, które korzystają z otwartych, pozbawionych kolumn planów pięter zapewniających elastyczny układ.
Często zadawane pytania
Jak długo zwykle trwa budynek z ramą stalową portalową?
Dzięki odpowiednio zaprojektowanemu systemowi powłok i rutynowym kontrolom główna rama konstrukcji stalowej zwykle działa dobrze przez 30 do 50 lat lub dłużej. Płyty elewacyjne i uszczelniacze zazwyczaj wymagają wymiany lub renowacji wcześniej, często w ciągu 15 do 25 lat, w zależności od ekspozycji klimatycznej.
Czy budynek o ramie portalowej można rozbudować po jego wybudowaniu?
Tak. Ponieważ obciążenia przechodzą przez oddzielne ramy rozmieszczone w regularnych odstępach, nowe przęsło można zwykle przykręcić do otwartej ściany końcowej bez zakłócania istniejącej konstrukcji, pod warunkiem, że oryginalny fundament i konstrukcja ramy pozwalają na przyszłą rozbudowę.
Jakie nachylenie dachu stosuje się w przypadku budynków o stalowej ramie portalowej?
W większości ram portalowych stosuje się nachylenie dachu od 5 do 10 stopni. Płytsze nachylenie zmniejsza wysokość ramy i ciężar stali, natomiast nieco bardziej strome nachylenie poprawia odprowadzanie wody deszczowej i odśnieżanie w regionach o dużych opadach śniegu.
Czy budynki z ramą portalową wymagają słupów wewnętrznych przy dużych rozpiętościach?
Nie koniecznie. Pojedyncze ramy portalowe o wolnej rozpiętości mogą zakrywać otwory o średnicy do około 60 do 100 metrów bez żadnych słupów wewnętrznych, chociaż bardzo duże rozpiętości wymagają głębszych skosów i cięższych sekcji, co zwiększa tonaż stali i koszt.
Jak obciążenie wiatrem wpływa na konstrukcję ramy portalowej?
Obciążenie wiatrem reguluje system stężeń i wielkość połączeń w większości niskich budynków z ramą portalową, często w większym stopniu niż obciążenia grawitacyjne. Budynki w regionach przybrzeżnych o silnym wietrze lub narażonych na cyklony wymagają dodatkowych przęseł usztywniających i mocniejszych mocowań okładzin, aby wytrzymać podnoszenie dachu.
Czy portalowy budynek o stalowej ramie nadaje się do zimnego klimatu?
Tak, pod warunkiem, że rama jest zaprojektowana na lokalne obciążenie śniegiem, a system okładzin zawiera odpowiednią izolację. Izolowane płyty warstwowe lub system dachów dwuwarstwowych są powszechnie stosowane w budynkach z ramą portalową w zimnym klimacie, aby kontrolować straty ciepła i zapobiegać kondensacji.
