In conformità con lo standard per la progettazione delle strutture in acciaio (GB 50017), le strutture del tetto a griglia spaziale con una campata di 60 metri o superiore sono classificate come strutture a telaio spaziale in acciaio a grande campata. Sono assemblati da elementi tubolari in acciaio e giunti sferici in sistemi geometrici come piramidi quadrangolari o triangolari. Si tratta di sistemi spaziali altamente staticamente indeterminati in cui i carichi sono distribuiti globalmente e gli elementi sono sottoposti principalmente a tensione o compressione assiale. Offrono un'elevata rigidità complessiva e creano spazi aperti e privi di colonne, rendendoli ideali per stadi, centri espositivi, stazioni ferroviarie ad alta velocità, capannoni per lo stoccaggio del carbone, terminal aeroportuali e altro ancora.
La fondazione del telaio spaziale è la sottostruttura, tipicamente in cemento o su pali, che supporta i cuscinetti del telaio spaziale e trasferisce tutti i carichi dalla sovrastruttura (forze assiali, forze di taglio, momenti flettenti, forze orizzontali e forze sismiche) al suolo; funge da base strutturale per il telaio spaziale.
· Caratteristiche strutturali: soggetto a pressione verticale, spinta orizzontale, forze di sollevamento e torsione; richiede una precisione estremamente elevata per quanto riguarda l'assestamento, l'elevazione e il posizionamento delle parti incastonate.
· Punti chiave di controllo: i cedimenti differenziali possono causare direttamente fessurazioni nei giunti delle strutture spaziali e l'instabilità degli elementi, rendendolo un fattore critico per il successo o il fallimento di strutture spaziali di grandi dimensioni.
· Space Frame Body: la struttura a griglia spaziale superiore (membri + giunti sferici);
· Cuscinetto del telaio spaziale: il componente di trasferimento del carico che collega il telaio spaziale alla fondazione;
· Fondazione Space Frame: la struttura in cemento armato, la copertura del palo o il plinto isolato situato sotto l'appoggio.
1. Sistema strutturale (opzioni tradizionali)
· Struttura spaziale a piramide quadrata ortogonale: la più utilizzata; offre rigidità uniforme e comoda installazione sul tetto; scelta preferita per impronte rettangolari.
· Telaio spaziale a piramide quadrata diagonale: prestazioni strutturali superiori e consumo di acciaio leggermente inferiore; adatto per luci medio-grandi.
· Struttura spaziale piramidale triangolare: elevata stabilità spaziale; adatto per impronte circolari o poligonali.
· Telaio spaziale con sfere saldate: adatto a carichi pesanti, campate estremamente grandi (oltre 80 m), sistemi di copertura pesanti e condizioni di carico elevato.
· Telaio Space Bolted-Ball: adatto a carichi più leggeri e ampie campate standard; prevede prefabbricazione in fabbrica, assemblaggio in loco e costruzione rapida.
2. Configurazione del materiale principale (specifiche standard)
· Membri: Tubi di acciaio senza saldatura o tubi saldati con giunture diritte; Materiale: Q355B (mainstream per grandi luci); Specifiche comuni: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B può essere utilizzato per campate più piccole.
· Sfere articolate:
o Sfere imbullonate: Φ200–Φ400; spessore della parete ≥12mm; Materiale: Q355B.
o Sfere saldate: Φ250–Φ500; spessore della parete ≥14mm; comprende nervature interne di rinforzo.
· Connettori: bulloni ad alta resistenza di grado 10.9 (specializzati per telai spaziali); include teste coniche, piastre terminali, manicotti e viti di fissaggio abbinate.
3. Componenti di copertura e recinzione (sistema di copertura completo)
· Pannelli del tetto: pannelli in alluminio-magnesio-manganese con aggraffatura verticale, lamiere profilate in acciaio colorato e pannelli per l'illuminazione naturale (localizzati).
· Struttura secondaria del tetto: arcarecci in acciaio con sezione a C/Z (Q355B zincato a caldo, spessore del rivestimento ≥ 80μm), tiranti del tetto e montanti.
· Impermeabilizzazione e isolamento: strato isolante in lana di roccia o lana di vetro, membrana impermeabile e traspirante, grondaie, pluviali e colmi.
I cuscinetti fungono da unici nodi di trasferimento del carico tra il telaio spaziale e la fondazione in cemento; la scelta delle strutture a campata lunga deve essere basata su requisiti di carico specifici:
1. Cuscinetti di compressione a piastra piana: sopportano solo la compressione verticale; utilizzato per supporti di bordi e aree con basse forze orizzontali.
2. Cuscinetti scorrevoli unidirezionali/bidirezionali: alleviano lo stress termico e assecondano l'espansione/contrazione termica; essenziale per strutture spaziali di lunga portata.
3. Cuscinetti incernierati (cuscinetti sferici incernierati): consentono la rotazione e la trasmissione della forza multidirezionale; utilizzato negli angoli, in aree con elevate forze orizzontali e in zone con severi requisiti sismici.
4. Cuscinetti di trazione (cuscinetti resistenti al sollevamento): utilizzati su grondaie, mensole e aree soggette a una significativa aspirazione del vento per impedire il sollevamento del telaio spaziale.
Accessori dei cuscinetti: piastre di base, nervature di irrigidimento, bulloni di ancoraggio e spessori di regolazione (per la regolazione del livellamento e dell'elevazione).
La selezione si basa sulle condizioni geologiche, sulla campata e sulla classificazione del carico; la scelta prevalente per le strutture a campata lunga è la combinazione palo-palo-cappuccio:
I. Tipi di fondazioni comuni
1. Basamenti isolati in cemento armato: luci di 60–80 m, condizioni geologiche favorevoli, carichi moderati.
2. Fondazioni a nastro (fondazioni continue): telai spaziali allungati, supporti continui, requisiti elevati di resistenza alla forza orizzontale.
3. Fondazioni su pali con testate su pali (preferibili per campate lunghe): campate superiori a 80 m, fondazioni su terreno soffice, carichi pesanti, zone ad alta intensità sismica.
o Tipi di pali: pali trivellati gettati in opera, pali con tubi prefabbricati.
o Copripali: Copripali quadrati/rettangolari in cemento armato (calcestruzzo C30/C35).
4. Fondazioni di zattere: progetti con superfici estremamente grandi, condizioni geologiche complesse e requisiti rigorosi per il controllo dei cedimenti differenziali.
II. Struttura principale della fondazione e parti incorporate
1. Resistenza del calcestruzzo: Testate su pali/corpo principale della fondazione C30–C35; calcestruzzo accecante C15;
2. Parti incorporate nella fondazione:
o Piastre in acciaio incassate per i supporti: spessore 16–20 mm, saldate all'armatura della testata del palo;
o Bulloni di ancoraggio incorporati: per fissare i supporti del telaio spaziale; Bulloneria in acciaio Q355, completa di dadi e piastre portanti;
3. Controllo di precisione (Norme obbligatorie per strutture di grandi dimensioni):
o Deviazione dell'asse ≤ ±5 mm;
o Deviazione dell'elevazione della superficie superiore ≤ ±3 mm;
o Differenza di altezza tra supporti all'interno della stessa campata ≤ 2 mm.
Le strutture a telaio spaziale in acciaio a grande campata comportano altezze significative e forze orizzontali sostanziali (vento, sismico); è obbligatorio un sistema di stabilità globale:
1. Elementi di rinforzo del telaio spaziale interno: elementi d'anima verticali/diagonali tra i correnti superiori e inferiori (integrali al telaio spaziale);
2. Rinforzo intercolonna: rinforzo incrociato (angolo in acciaio o tubo in acciaio) tra colonne di cemento per resistere alle forze orizzontali longitudinali;
3. Controventi orizzontali del tetto: tiranti orizzontali e controventi diagonali all'interno del piano della corda superiore, formando un diaframma rigido del tetto;
4. Telai dei bordi di gronda e delle estremità del timpano: chiudono le estremità, migliorano la rigidità complessiva e resistono ai carichi del vento;
5. Ginocchiere/tiranti: Componenti di stabilità laterale per arcarecci (seguendo la stessa logica delle coperture in acciaio di basso spessore).
1. Anticorrosivo
· Componenti realizzati in fabbrica: Globale zincato a caldo (spessore del rivestimento di zinco ≥85 μm); spessore maggiorato per zone costiere o industriali chimiche;
· Saldature in cantiere e aree saldate di riparazione: sabbiatura abrasiva per rimozione della ruggine + primer epossidico ricco di zinco + finitura;
· Nodi sferici e bulloni: zincati in fabbrica; è vietato tagliare in cantiere che danneggi il rivestimento.
2. Protezione antincendio
· Applicazione di rivestimenti ignifughi specializzati (tipi ultrasottili o a film sottile) in base alla resistenza al fuoco dell'edificio; valutazione di resistenza al fuoco da 1,0 h a 2,0 h;
· Particolare attenzione ai supporti di rivestimento, alle parti incassate e ai bulloni. 3. Protezione contro i fulmini
·La corda superiore del telaio spaziale funge da sistema di captazione;
·Calate formate tramite supporti, bulloni di ancoraggio e rinforzo della fondazione;
·Elettrodi di messa a terra installati all'interno della fondazione e collegati alla rete principale di protezione contro i fulmini dell'edificio.
1. Metodi di installazione: assemblaggio pezzo per pezzo ad alta quota, sollevamento modulare, sollevamento integrale, scorrimento cumulativo (principale per grandi campate);
2.Attrezzatura principale: stazione totale, livella, chiave dinamometrica, sistema idraulico di sollevamento/scorrevole, gru di grandi dimensioni, gru a portale;
3. Materiali ausiliari: lubrificante specializzato per bulloni ad alta resistenza, sigillante, spessori, telai di supporto temporanei, tiranti.
1. Telaio spaziale superiore: elementi tubolari in acciaio + sfere imbullonate/sfere saldate + bulloni ad alta resistenza + teste coniche/piastre terminali;
2. Sistema di copertura: pannelli del tetto + arcarecci a C/Z + isolamento e impermeabilizzazione + grondaie e pluviali;
3.Supporti portanti: Supporti fissi/scorrevoli/sferici/resistenti al sollevamento + tirafondi + piastre in acciaio incassate;
4.Sottostruttura/Fondazione: Fondazioni isolate/fondazioni continue/cappelli su pali (armatura + calcestruzzo + parti incastonate);
5. Rinforzi di stabilità: rinforzi tra le colonne, rinforzi orizzontali del tetto, strutture del timpano;
6. Sistemi di protezione: zincatura a caldo (anticorrosione), rivestimenti resistenti al fuoco, protezione contro i fulmini e messa a terra;
7. Ausiliari di installazione: supporti temporanei, attrezzature di sollevamento, strumenti topografici, hardware di fissaggio.
·Tetto leggero in acciaio standard: principalmente telai rigidi a portale; campata < 60 m; manca un sistema di griglia spaziale;
·Struttura a telaio spaziale in acciaio ad ampia campata: campata ≥ 60 m; struttura della griglia spaziale; si basa su un'azione portante spaziale integrale; i requisiti per fondazioni, supporti e precisione sono significativamente più elevati di quelli per le strutture leggere in acciaio.
1. La capacità di campata extra-ampia consente progetti senza colonne, massimizzando l'utilizzo dello spazio interno.
2. Il comportamento strutturale tridimensionale garantisce una distribuzione equilibrata del carico e un'eccellente resistenza alle forze sismiche e alla pressione del vento.
3. Leggero ma rigido; la struttura resiste alla deformazione generale e al cedimento.
4. I componenti prefabbricati in fabbrica consentono un rapido assemblaggio in loco.
5. La geometria flessibile supporta varie forme, comprese cupole piatte, curve, sferiche e irregolari.
6. Struttura stabile e durevole; lunga durata se trattato per resistere alla corrosione.
1. Distribuzione tridimensionale del carico: a differenza dei telai a portale o delle travi a struttura solida (che sono soggette a flessione e taglio), gli elementi di un telaio spaziale sono sottoposti principalmente a tensione e compressione assiale. Ciò garantisce un utilizzo efficiente del materiale e un peso proprio ridotto. I carichi provenienti da campate molto grandi sono distribuiti uniformemente sui supporti, riducendo al minimo i carichi puntuali e i costi di fondazione.
2. Struttura altamente staticamente indeterminata: offre una significativa ridondanza di sicurezza; il cedimento di un singolo elemento non causerà il collasso totale. Supera le capriate planari e i telai dei portali nella resistenza ai terremoti, al vento, alla neve e agli assestamenti irregolari, rendendolo ideale per i principali edifici pubblici come stadi, depositi di carbone e terminal aeroportuali.
3. Grandi spazi senza colonne: raggiunge facilmente luci libere di 60–150 metri. Al contrario, i telai dei portali hanno tipicamente un limite economico di campata di ≤36 metri, e le capriate in acciaio di grandi dimensioni spesso non hanno un buon rapporto costo-efficacia; le strutture spaziali forniscono interni vasti, senza ostacoli e senza colonne.
1. Ridotto consumo di acciaio a parità di campate
Per applicazioni di grandi dimensioni, il consumo di acciaio per unità di area proiettata è inferiore a quello delle capriate in acciaio o delle travi del tetto a rete piena. I telai spaziali con sfere imbullonate beneficiano della produzione di massa in fabbrica standardizzata e dei bassi costi attraverso l'approvvigionamento in grandi quantità di materie prime (tubi e sfere d'acciaio).
2. Ampia adattabilità al carico
Adatto per un'ampia gamma di applicazioni, dai tetti vetrati leggeri ai depositi di carbone secco per carichi pesanti e ai tetti portanti di attrezzature. La selezione dei materiali può essere adattata in modo flessibile per controllare i costi, utilizzando l'acciaio Q235 per carichi più leggeri e Q355 per carichi più pesanti.
1. Telai spaziali con sfere imbullonate prefabbricate in fabbrica standardizzate: gli elementi tubolari in acciaio vengono tagliati a misura, le teste dei coni e le piastre terminali sono preassemblate e le sfere in acciaio vengono maschiate, il tutto all'interno dell'officina, prima di essere smistate e imballate. Il lavoro in loco è limitato all'assemblaggio e al serraggio di bulloni ad alta resistenza, con saldature minime richieste. Al contrario, le capriate e i telai rigidi spesso richiedono estese giunzioni e saldature in loco.
2. Elevata versatilità dei componenti: un telaio a spazio singolo utilizza una gamma limitata di specifiche relative a sfere, bulloni e tubi in acciaio, garantendo un'elevata intercambiabilità delle parti. Ciò facilita la produzione di massa, la gestione dell'inventario e la futura manutenzione o sostituzione.
1. Metodi di installazione flessibili e diversificati: varie tecniche, come l'assemblaggio pezzo per pezzo in altezza, il sollevamento dei blocchi, il sollevamento idraulico integrale e lo scorrimento cumulativo, consentono la costruzione in spazi ampi, ultra alti o ristretti. Al contrario, i telai rigidi e le capriate del portale sono significativamente vincolati dai raggi operativi della gru.
2. Velocità di costruzione controllabile: la fabbricazione simultanea in fabbrica e l'assemblaggio in loco riducono il programma complessivo del progetto. L'assenza di estese saldature in loco riduce la necessità di rilevamento dei difetti e di rilavorazioni anticorrosione.
1. Elevata formabilità: sono tutte realizzabili forme rettangolari, circolari, ellittiche, sferiche e doppiamente curve. I telai rigidi e le capriate planari faticano a creare tetti curvi di grandi dimensioni, rendendo i telai spaziali ideali per strutture dalla forma unica come centri espositivi e stadi sportivi.
2. Comoda disposizione del tetto: la disposizione uniforme e regolare dei nodi della corda superiore facilita il posizionamento ordinato di arcarecci, pannelli del tetto e strisce di lucernario. Ciò semplifica la costruzione della copertura del tetto e offre una maggiore flessibilità nella progettazione dei sistemi di drenaggio e nella disposizione dei lucernari.
1. Elementi sottili e uniformi e zincatura a caldo matura: i tubi e le sfere in acciaio possono essere completamente zincati a caldo in fabbrica senza le "zone morte" presenti nelle sezioni strutturali, con conseguente qualità anticorrosione superiore rispetto ai telai rigidi con sezione ad H. Ciò offre un netto vantaggio in termini di durata di servizio in ambienti costieri o chimicamente corrosivi.
2. Facile applicazione di rivestimenti ignifughi: con componenti discreti e aree superficiali gestibili, l'applicazione di rivestimenti ignifughi a film sottile è più efficiente dal punto di vista dei materiali e più veloce rispetto al rivestimento di travi e colonne di grandi dimensioni a struttura solida.
1. Leggero con bassi carichi di manutenzione del tetto; disposizione semplice delle passerelle di manutenzione;
2. Chiaro comportamento strutturale; i singoli elementi danneggiati possono essere sostituiti in punti specifici senza grandi interventi di smantellamento o modifica del tetto, con conseguenti bassi costi di manutenzione.
1. Telai rigidi a portale: adatti per campate medio-piccole; comportamento strutturale planare; si basa su elementi flessionali; basso costo; l'economicità cala drasticamente per luci superiori a 36 m;
2. Capriate in acciaio: comportamento strutturale planare; debole rigidità laterale; peso proprio elevato per grandi luci; richiede significative saldature in loco;
3. Strutture spaziali in acciaio: comportamento strutturale spaziale; scelta preferita per campate ultra-grandi; elevata rigidità; geometria flessibile; elevato margine di sicurezza.
1. Taglio e forgiatura: segatura di barre tonde di acciaio → Riscaldamento e forgiatura a media frequenza in grezzi di sfere di acciaio grezzo;
2. Lavorazione: Tornitura della superficie sferica → Foratura multiangolo di fori per bulloni e maschiatura utilizzando un trapano a indicizzazione secondo i disegni;
3. Ispezione e CND: ispezione del filetto; test con particelle magnetiche (MPT) per rilevare cricche;
4. Anticorrosivo: zincatura a caldo complessiva.
Sfere saldate: Stampaggio di lamiera d'acciaio in due emisferi → Smussatura → Assemblaggio di rinforzi dell'anello interno → Saldatura ad arco sommerso per unire le emisferi → CND → Rettifica → Galvanizzazione.
1. Taglio di tubi in acciaio: taglio a lunghezza fissa di tubi senza saldatura o saldati utilizzando seghe CNC; indennità per ritiro saldatura inclusa; facce terminali piatte;
2. Fabbricazione della testa del cono e della piastra terminale: tornitura di pezzi fucinati per modellarli;
3. Assemblaggio e saldatura: preassemblaggio delle teste dei coni/piastre terminali alle estremità dei tubi; posizionamento tramite utensileria; saldatura circonferenziale a CO₂ a piena penetrazione;
4. NDT di saldatura: test ad ultrasuoni (UT) per elementi critici di grandi dimensioni; controlli a campione per saldature di Grado II;
5. Raddrizzatura e rimozione ruggine: Raddrizzatura organi; granigliatura al grado Sa2.5;
6. Anticorrosivo: zincatura a caldo complessiva.
1. Taglio di acciaio tondo → Tempra e rinvenimento → Tornitura esterna → Rullatura di filetti;
2. Prove di durezza, rilevamento di difetti e zincatura a caldo; lavorazione e zincatura simultanee di manicotti e grani abbinati.
1. Selezionare 1–2 unità standard per l'assemblaggio di prova su una maschera;
2. Verificare l'allineamento del foro sferico, la profondità di inserimento del bullone e la lunghezza totale dell'elemento;
3. Regolare le dimensioni delle parti non standard per garantire un assemblaggio regolare in loco.
Numero di componenti per zona e specifica; imballare i membri, le sfere d'acciaio e i bulloni separatamente; contrassegnare con i numeri degli assi.
1. Rilievo e impaginazione; livellamento e posizionamento dei supporti;
2. Esecuzione in base al piano di costruzione: montaggio pezzo per pezzo in quota / sollevamento del blocco / sollevamento integrale;
3. Assemblare prima le sfere e i membri dell'accordo inferiore → installare i membri del web → assemblare l'accordo superiore; serrare i bulloni ad alta resistenza di grado 10.9 alla coppia prevista utilizzando una chiave dinamometrica;
4. Ispezione dei sottoelementi, ritocco del rivestimento anticorrosivo sulle saldature e applicazione del rivestimento resistente al fuoco.
Nota: differenze per i telai spaziali con sfere saldate
Saldatura a piena penetrazione dei giunti in cantiere; rilevamento dei difetti per ogni passata di saldatura; nessun processo di serraggio dei bulloni ad alta resistenza.
1. Elementi tubolari in acciaio Space Frame (Q235B/Q355B; Q355B preferibile per campate di grandi dimensioni)
Diametri comuni dei tubi × spessori delle pareti: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10
Lunghezza elemento finito: 1,0 m–3,5 m (dimensione griglia standard: 1,5 m–3,0 m);
Tolleranza di rettilineità di produzione: ≤L/1000; deviazione della perpendicolarità della faccia finale: ≤0,5 mm.
2. Sfere imbullonate
Diametro della sfera: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;
Spessore della parete: 12–20 mm; tolleranza angolare per fori filettati sulla superficie della sfera: ±15′.
3. Elementi di fissaggio associati
Bulloni ad alta resistenza grado 10.9: M12, M14, M16, M20, M22, M24, M27, M30; accessori: manicotti, teste coniche, piastre terminali, grani di bloccaggio.
4. Piastre di supporto
Spessore della piastra di base: 16–30 mm; spessore della piastra di irrigidimento: 12–20 mm; bulloni di ancoraggio incorporati: Q355.
|
Grado materiale |
Forza di snervamento |
Resistenza alla trazione |
Posizione dell'applicazione |
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Q235B |
≥235MPa |
375~500MPa |
Elementi della griglia di piccola campata con carico leggero sul tetto |
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Q355B |
≥355MPa |
470~630MPa |
Griglie di grandi dimensioni superiori a 60 m, depositi di carbone per carichi pesanti e griglie di edifici industriali |
1. Caratteristiche portanti: tutti gli elementi della struttura a telaio spaziale in acciaio a grande campata sono soggetti a tensione assiale o compressione; non sono presenti elementi flessionali; è una struttura altamente staticamente indeterminata; il fallimento dei singoli membri non innesca il collasso generale.
2. Campate tipiche applicabili
1. Strutture spaziali a sfera bullonata: 12-80 m;
2. Strutture spaziali a sfera saldata: 50 m–180 m (per campate molto grandi e carichi pesanti). 3. Valori tipici del carico sul tetto: carico proprio 0,30–0,80 kN/m²; carico accidentale 0,5–1,0 kN/m²; le strutture pesanti (ad esempio, depositi di carbone secco) possono superare 2,0 kN/m².
4. Deformazione termica: Per luci superiori a 60 m in un'unica direzione devono essere installati supporti scorrevoli per alleviare le sollecitazioni di dilatazione/contrazione termica.
1. Saldature circonferenziali tra membri e teste di cono: saldature di II grado; Test a ultrasuoni (UT) al 100% per elementi critici a lunga campata; Campionamento casuale del 20% per i membri standard.
2. Saldature di testa per sfere saldate: saldature di grado II; Rilevamento dei difetti al 100% per progetti critici.
V. Parametri anticorrosione
1. Prodotti finiti in fabbrica: zincatura a caldo; spessore del rivestimento di zinco ≥85 μm (≥120 μm per zone corrosive costiere).
2. Riparazione in loco delle aree danneggiate: sabbiatura al grado Sa2,5 → primer epossidico ricco di zinco + mano intermedia + finitura; spessore totale del film secco ≥120 μm.
Per edifici pubblici e impianti industriali, applicare rivestimenti ignifughi intumescenti a film sottile o ultrasottile in base al grado di reazione al fuoco richiesto (limiti di resistenza al fuoco di 0,5h, 1,0h, 1,5h o 2,0h); lo spessore del rivestimento deve essere conforme agli standard pertinenti.
1. Deviazione dell'asse di supporto ≤±5 mm; elevazione della superficie superiore del supporto ≤±3 mm; dislivello tra appoggi adiacenti ≤2 mm.
2. La coppia di serraggio finale del bullone ad alta resistenza deve rispettare rigorosamente i valori specificati; la profondità di impegno della filettatura deve essere conforme ai disegni di progettazione.
Tetti leggeri con illuminazione naturale: 12–22 kg/m²
Impianti e locali industriali standard: 22–35 kg/m²
Capannoni per carbone secco per carichi pesanti e tetti che supportano attrezzature pesanti: 35–60 kg/m²
Indirizzo
Parco internazionale della logistica dei metalli di Tianjin, zona di sviluppo economico di Jinan (zona est), distretto di Jinan, Tianjin, Cina
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