Ce este o clădire cu cadru de oțel cu portal
O clădire cu cadru de oțel portal este o structură cu un singur etaj sau mică, construită în jurul cadrelor rigide din oțel, în formă de „U” sau portal răsturnat. Fiecare cadru este alcătuit din două coloane verticale și o căprioară orizontală sau înclinată, conectate la colțuri prin îmbinări rezistente la moment numite conexiuni de genunchi. Această conexiune rigidă la streașină și vârf permite cadrului să suporte atât sarcini verticale, cât și sarcini laterale ale vântului sau seismice, fără a se baza pe pereții portanți interni. Deoarece cadrul în sine efectuează lucrările structurale, clădirile cu cadru portal se pot întinde pe 20 până la 100 de metri fără coloane, motiv pentru care domină depozitele, atelierele, hangarele de avioane, magaziile agricole și arenele sportive.
Caracteristica definitorie care separă un cadru portal de o simplă structură de oțel cu stâlp și grinzi este conexiunea rigidă a colțului. Într-un sistem standard de grinzi și stâlpi, îmbinarea se comportă ca o balama, iar momentele de încovoiere nu sunt împărțite între grindă și stâlp. Într-un cadru portal, suportul pentru cârlige transferă momentul de încovoiere continuu prin colț, astfel încât stâlpii și căpriorii acționează ca un element structural continuu. Acesta este ceea ce conferă clădirilor cu cadru portal deschiderile lor lungi și clare și un tonaj relativ ușor de oțel pe metru pătrat.
Componentele de bază ale unui cadru portal Structură de oțel
Fiecare clădire cu cadru de oțel portal, indiferent de dimensiune sau utilizare, este asamblată dintr-un set consistent de piese. Înțelegerea fiecărei componente îi ajută pe cumpărători să citească un desen structural și să compare ofertele de la diferiți producători în condiții egale.
Cadru principal
Stâlpi și căpriori fabricate din grinzi în H laminate la cald sau secțiuni în I sudate. Căprioria are de obicei o adâncime variabilă, înclinându-se de la o cotă adâncă la streașină la o secțiune mai mică la mijloc pentru a economisi greutatea oțelului.
Pane și centuri
Secțiuni C sau Z formate la rece distanțate între 1,2 și 1,8 metri, care susțin foile acoperișului și placarea pereților, transferând sarcinile înapoi la cadrul principal.
Sistem de contravântuire
Contravântuire transversală sau contravântuire portal în planul acoperișului și pereții de capăt care rezistă la sarcinile longitudinale ale vântului și menține cadrul stabil pe lungimea sa.
Plăci de bază și șuruburi de ancorare
Plăci de oțel sudate la baza stâlpului și fixate pe fundația de beton cu șuruburi de ancorare, transferând reacțiile stâlpului în suport.
Acoperiș și placare pereți
Table profilate de oțel, panouri sandwich sau panouri compozite izolate fixate pe pane și bare pentru a închide anvelopa clădirii.
Grinzi de macara
Corbele sau console opționale pe coloană pentru susținerea macaralelor rulante în clădiri industriale și de producție.
De ce sunt alese clădirile cu cadru de oțel portal față de alte structuri
În comparație cu cadrele din beton armat sau cu construcția tradițională din zidărie, cadrul din oțel portal oferă o combinație de viteză, deschidere și eficiență a costurilor care este dificil de egalat pentru incinte mari cu un singur etaj.
- Întinderi libere lungi fără coloane interne , care este esențial pentru depozite, săli de sport și linii de producție care au nevoie de spațiu neobstrucționat pentru rafturi, mașini sau deplasarea vehiculelor.
- Timp de construcție mai scurt, deoarece elementele sunt fabricate și forate într-o fabrică și pur și simplu înșurubate pe șantier, reducând săptămâni de la program în comparație cu betonul turnat pe loc.
- Sarcina de fundație mai mică, deoarece un cadru portal bine proiectat este semnificativ mai ușor decât un cadru echivalent din beton, reducând dimensiunea talpii și costul excavației.
- Flexibilitate de proiectare pentru extinderea ulterioară, deoarece compartimentele de capăt pot fi lăsate deschise pentru o extensie cu șuruburi fără a perturba structura de oțel existentă.
- Valoare mare de recuperare a materialului, deoarece elementele structurale din oțel pot fi demontate, relocate sau reciclate la un procent ridicat din valoarea lor originală.
- Toleranțe de fabricație previzibile, controlate din fabrică, care reduc repetarea la fața locului și variațiile de calitate în comparație cu betonul turnat pe câmp.
Intervalele tipice de înălțime, spațiere între golfuri și streșină
Spațiul, distanța dintre trave și înălțimea streașinei sunt cele trei dimensiuni care conduc tonaj de oțel și, prin urmare, costul proiectului. Tabelul de mai jos rezumă intervalele utilizate în mod obișnuit în cadrul proiectelor de depozit, atelier și cadru de portal agricol.
Intervalele dimensionale tipice pentru clădirile cu cadru de oțel portal în funcție de tipul clădirii | Tip clădire | Clear Span | Spațierea golfurilor | Înălțimea streașinei |
| Depozit depozitare | 20 până la 40 m | 6 până la 9 m | 6 până la 9 m |
| Atelier de fabricatie | 24 până la 36 m | 6 până la 8 m | 7 până la 12 m |
| Hangar pentru avioane | 40 până la 100 m | 7,5 până la 9 m | 9 până la 18 m |
| Magazin agricol | 12 până la 24 m | 5 până la 6 m | 4 până la 6 m |
| Arena de sport în interior | 30 până la 60 m | 6 până la 9 m | 8 până la 15 m |
Ca regulă generală folosită de inginerii structurali, consumul de oțel crește aproximativ odată cu pătratul travei odată ce un cadru portal trece de aproximativ 36 de metri, deoarece secțiunile de căpriori și coloane trebuie să crească mai adânc pentru a controla deformarea. Cumpărătorii care plănuiesc clădiri foarte largi evaluează adesea dacă un cadru cu mai multe deschideri cu coloane intermediare este mai economic decât o singură deschidere uriașă.
Clasele de oțel și specificațiile materialelor
Performanța oricărei clădiri cu cadru de oțel portal depinde în mare măsură de calitatea oțelului utilizat pentru cadrul principal, elementele secundare și conexiunile. Producătorii lucrează în mod obișnuit într-o bandă îngustă de clase de oțel structurale stabilite, deoarece oferă un echilibru fiabil și bine documentat de rezistență, sudabilitate și cost.
Calități comune de oțel structural utilizate în fabricarea cadrului portal | Oțel de calitate | Puterea de curgere | Utilizare tipică |
| Q235B | 235 MPa | Pane, brațe, contravântuiri secundare |
| Q345B | 345 MPa | Coloane și căpriori ale cadrului principal |
| ASTM A572 Gr50 | 345 MPa | Elemente grele ale cadrului, coloane de macara |
| S355JR | 355 MPa | Proiecte de export cu specificații europene |
Clasele de rezistență mai mare, cum ar fi Q345B sau S355JR, sunt în general specificate pentru cadrul principal rigid, deoarece permit secțiunilor mai ușoare să suporte același moment de încovoiere, ceea ce reduce tonaj total și greutatea de transport. Pane și barele, care rezistă în principal la îndoirea locală, mai degrabă decât momentele mari ale cadrului, sunt de obicei menținute la un grad mai scăzut, deoarece reducerea greutății prin modernizarea lor este minimă în raport cu creșterea costului.
Opțiuni de placare pentru acoperiș și pereți
Sistemul de placare ales pentru o clădire cu cadru portal afectează performanța termică, confortul acustic, comportamentul la foc și costul de întreținere pe termen lung. Trei familii de placare domină astăzi piața.
Folie profilată cu o singură piele
Tablă de oțel ondulată sau trapezoidală galvanizată sau Galvalume fixată direct pe pane. Aceasta este opțiunea cu cel mai mic cost și este comună pentru magaziile agricole, depozitele deschise și clădirile fără necesități stricte de control al temperaturii.
Panouri izolate sandwich
Două învelișuri de oțel lipite de un miez de poliuretan, polistiren sau lână de rocă, de obicei de 50 până la 150 de milimetri grosime. Panourile sandwich sunt alegerea standard pentru depozitarea la rece, prelucrarea alimentelor și atelierele cu climă controlată, deoarece combină placarea structurală și izolația într-o singură componentă instalată într-o singură trecere.
Sisteme de acoperiș încorporate cu două învelișuri
O foaie de căptușeală interioară, un strat de izolație cu pătură, bare de distanță și o foaie exterioară de intemperii asamblate la fața locului. Acest sistem se potrivește clădirilor comerciale și de vânzare cu amănuntul de dimensiuni mari, unde sunt necesare un finisaj interior mai neted al tavanului și o izolație moderată.
Secvența de construcție de la proiectare la predare
Un proiect tipic de construcție cu cadru de oțel portal trece printr-o secvență previzibilă de etape. Cunoașterea acestei secvențe ajută un cumpărător să planifice termene realiste de livrare și să coordoneze lucrările civile cu livrarea de oțel.
- Proiectarea structurală și calculul sarcinii, care acoperă sarcina moartă, sarcina sub tensiune, sarcina vântului, încărcarea pe zăpadă și sarcina seismică conform codului de proiectare local care reglementează amplasamentul proiectului.
- Pregătirea desenelor de magazin și achiziționarea de materiale, unde fiecare membru este detaliat cu pozițiile exacte ale orificiilor pentru șuruburi și lungimile de tăiere înainte de începerea fabricării.
- Fabricare în fabrică, inclusiv tăierea, găurirea, sudarea secțiunilor construite și tratarea suprafețelor, cum ar fi sablare și vopsire sau galvanizare la cald.
- Lucrări de fundație și civile efectuate în paralel cu fabricarea, astfel încât pozițiile șuruburilor de ancorare sunt turnate cu precizie în raport cu desenul de amenajare a fundației aprobat.
- Transportul elementelor fabricate la șantier, de obicei în pachete dimensionate pentru a se potrivi cu remorci standard sau containere de transport pentru proiecte de export.
- Montare la fața locului, începând cu primele două cadre de capăt împodobite temporar, apoi progresând pas cu pas cu pane, brațe și contravântuiri instalate pe măsură ce fiecare cadru se ridică.
- Instalarea placajelor, urmată de tablie, jgheaburi, burlane și orice uși, ferestre sau jaluzele de ventilație.
- Inspecția finală a cuplului șuruburilor, a calității sudurii și a toleranței dimensionale înainte ca clădirea să fie predată pentru utilizare.
Deoarece cadrul principal este înșurubat mai degrabă decât sudat la fața locului, un depozit de cadru portal de dimensiuni medii de aproximativ 3.000 de metri pătrați poate fi ridicat de obicei în patru până la opt săptămâni, odată ce fundația este gata, o fracțiune din timpul necesar pentru o clădire echivalentă cu cadru de beton.
Protecție împotriva coroziunii și durată de viață
Oțelul este puternic, dar reactiv, astfel încât fiecare cadru de portal Structură de oțel are nevoie de un sistem de acoperire de protecție adaptat mediului său. În practică sunt utilizate trei metode de protecție, fiecare potrivită pentru o condiție de expunere diferită.
Vopsea de grund alchidic sau epoxidic
Un grund bogat în oxid roșu sau zinc, urmat de straturi intermediare și de finisare, dând o grosime totală a peliculei uscate de aproximativ 120 până la 200 de microni. Potrivit pentru medii uscate interioare, cu revopsire periodică la fiecare 8 până la 12 ani.
Galvanizare la cald
Elementele sunt scufundate în zinc topit pentru a forma o acoperire metalurgică, de obicei cu o grosime de 65 până la 100 de microni, oferind protecție fără întreținere timp de 25 de ani sau mai mult chiar și în condiții umede sau de coastă.
Acoperire duplex
Galvanizarea combinată cu un strat superior de vopsea, utilizată în atmosfere marine sau industriale agresive unde stratul de vopsea prelungește intervalul înainte ca stratul de zinc să necesite atenție, depășind adesea 30 de ani de protecție combinată.
Ce determină costul unei clădiri cu cadru de oțel portal
Cumpărătorii care compară cotațiile văd adesea diferențe mari de preț pentru clădirile care arată similar pe hârtie. Decalajul se reduce aproape întotdeauna la o mână de variabile.
- Tonajul de oțel pe metru pătrat, care crește odată cu deschiderea, distanța dintre travii, panta acoperișului, sarcina de zăpadă și zona de încărcare a vântului.
- Încărcarea macaralei, deoarece chiar și o singură macara rulantă de 5 tone poate adăuga o greutate substanțială a coloanei și contravântuiri în comparație cu o structură fără macara.
- Specificații de placare, în care panourile sandwich izolate costă considerabil mai mult pe metru pătrat decât foile cu o singură piele, dar reduc cheltuielile curente cu energie.
- Sistem de acoperire, cu galvanizare prin imersie la cald suportând un cost inițial mai mare decât vopsirea, dar un cost de întreținere pe durata de viață mai mic.
- Logistica șantierului, inclusiv cât de departe este atelierul de fabricație de șantier și dacă macaralele și drumurile de acces sunt ușor disponibile pentru montare.
- Cerințele codului de proiectare local, deoarece zonele seismice sau cu vânt puternic necesită contravântuiri și detalii de conexiune mai grele decât un site cu risc scăzut.
Ca punct de referință practic, un depozit simplu cu o singură deschidere, cu încărcare modestă de zăpadă și vânt, se încadrează de obicei în intervalul de 25 până la 45 de kilograme de oțel structural pe metru pătrat de suprafață acoperită, în timp ce clădirile cu deschidere largă sau echipate cu macara pot depăși 60 de kilograme pe metru pătrat.
Cadru de oțel al portalului versus structură de oțel pentru acoperiș cu ferme
Cumpărătorii confundă uneori un cadru de portal cu o clădire cu ferme și stâlpi, dar cele două se comportă foarte diferit la sarcină.
Comparând cadrele portalului rigide cu structurile de acoperiș cu articulație prin știft | Caracteristică | Cadrul portalului | Sticlă și coloană |
| Conexiune la colț | Rigidă, rezistentă la momente | Fixat, fără momente |
| Adâncimea membrului la mijlocul deschiderii | Căprioră mică, conică | Sarpă adâncă, deschisă |
| Cel mai bun interval de interval | Până la aproximativ 60 până la 100 m | Lucrări foarte lungi, peste 60 m |
| Complexitatea fabricării | Mai jos, mai puțini membri | Mai sus, mulți membri web |
| Senzație de înălțime interioară | Mai curat, neîntrerupt | Ocupat din punct de vedere vizual cu întărirea web |
Industrii și tipuri de clădiri care se bazează pe rame de portal
Deoarece cadrul portal Structura de oțel este eficient pe o gamă largă de deschideri, a devenit alegerea implicită în multe sectoare, mai degrabă decât o soluție de nișă.
- Depozite de logistică și distribuție care au nevoie de parcursuri lungi libere pentru rafturi și stivuitoare.
- Ateliere de automobile, electronice și producție generală care adăpostesc linii de producție și macarale rulante.
- Lanțul de frig și instalațiile de prelucrare a alimentelor care folosesc placarea cu panouri izolate pentru controlul temperaturii.
- Clădiri agricole, cum ar fi hambare pentru animale, depozite de cereale și hale pentru utilaje agricole.
- Hangare de aviație care necesită deschideri clare foarte largi pentru a găzdui anvergura aripilor aeronavei.
- Facilități de recreere și sport, inclusiv terenuri interioare, arene de echitație și săli de expoziție.
- Clădiri comerciale și de showroom care beneficiază de planuri de etaj deschise, fără coloane, pentru un aspect flexibil.
Întrebări frecvente
Cât durează de obicei o clădire cu cadru de oțel portal?
Cu un sistem de acoperire proiectat corespunzător și o inspecție de rutină, cadrul principal al structurii de oțel funcționează de obicei bine timp de 30 până la 50 de ani sau mai mult. Foile de placare și materialele de etanșare au, în general, nevoie de înlocuire sau recondiționare mai devreme, adesea în decurs de 15 până la 25 de ani, în funcție de expunerea la climă.
Poate fi extinsă o clădire cu cadru portal după ce este construită?
Da. Deoarece încărcăturile se deplasează prin cadre discrete distanțate la locații obișnuite, un nou compartiment poate fi de obicei fixat pe un perete de capăt deschis fără a perturba structura existentă, cu condiția ca fundația și designul cadrului inițial să permită extinderea viitoare.
Ce pantă a acoperișului este utilizată pentru clădirile cu cadru de oțel portal?
Majoritatea cadrelor de portal utilizează o pantă a acoperișului între 5 și 10 grade. O pantă mai mică reduce înălțimea cadrului și greutatea oțelului, în timp ce o pantă puțin mai abruptă îmbunătățește scurgerea apei de ploaie și vărsarea zăpezii în regiunile cu zăpadă abundentă.
Clădirile cu cadru portal au nevoie de coloane interne pentru deschideri largi?
Nu neapărat. Cadrele portal cu o singură deschidere pot acoperi deschideri de până la aproximativ 60 până la 100 de metri fără coloane interne, deși deschiderile foarte largi necesită cote mai adânci și secțiuni mai grele, ceea ce crește tonaj și costul de oțel.
Cum afectează sarcina vântului designul cadrului portalului?
Sarcina vântului guvernează sistemul de contravântuire și dimensionarea conexiunii în majoritatea clădirilor cu cadru de portal cu înălțime joasă, adesea mai mult decât sarcinile gravitaționale. Clădirile din regiunile de coastă cu vânt puternic sau predispuse la cicloni necesită golfuri de contravântuire suplimentare și elemente de fixare de placare mai puternice pentru a rezista ridicării de pe acoperiș.
Este o clădire cu cadru de oțel portal potrivită pentru climatele reci?
Da, cu condiția ca cadrul să fie proiectat pentru sarcina locală de zăpadă și sistemul de placare să includă izolație adecvată. Panourile sandwich izolate sau un sistem de acoperiș încorporat cu două învelișuri sunt în mod obișnuit specificate pentru clădirile cu cadru de portal cu climă rece pentru a controla pierderile de căldură și a preveni condensul.
