Estructura de la red de gran luz: 229 m de ingeniería de cobertizo de carbón

La planta de energía de Ningxia Fangjiazhuang de Guodian abarca 229 metros el espacio más largo del mundo para una estructura de almacenamiento de carbón. Para poner esto en perspectiva: 229 metros es la longitud de dos campos de fútbol y medio, colocados de extremo a extremo, sin columnas interiores. El techo debe llevar carga de nieve, carga de viento, su propio peso muerto y la presión lateral del carbón almacenado contra las paredes inferiores todo sin ningún soporte intermedio.

Este artículo es un relato de ingeniería de cómo hemos logrado este récord. No es material de marketing. Cubre el concepto estructural (por qué la cuerda de haz, no la rejilla espacial), la secuencia de pre-tensión, la carga del viento en una estructura con más de 40.000 m² El número de los elementos de la estructura de la estructura del proyecto se basa en el número de puntos de referencia de la superficie, en el anclaje de las bases para las fuerzas de cable y en el método de construcción.

1. ¿Por qué la cuerdas de haz y no la rejilla espacial?

Nuestros talleres en Xuzhou producen más de 3.000.000 m² El proyecto de 229 metros de altura es una de las más de 500 estructuras que hemos entregado desde 1999. Para la mayoría de las extensiones de hasta 120 metros, una rejilla espacial de doble capa es la estructura más eficiente. ¿Por qué no usamos una rejilla espacial para el cobertizo de carbón de 229 metros?

La respuesta es: eficiencia de peso en el espacio de trayectoria extremo. El peso de una estructura de rejilla espacial por metro cuadrado aumenta aproximadamente linealmente con el espacio, ya que las fuerzas de los miembros crecen con el espacio y los tamaños de los miembros deben aumentar proporcionalmente. A 229 m de espacio, una red de doble capa requeriría miembros con fuerzas axiales superiores a 2.500 kN, requiriendo nodos de esfera soldada pesados y tubos de gran diámetro (Ø273 × 16 mm o más). El consumo de acero sería de aproximadamente 85-95 kg/m², con un total de 3.400-3.800 toneladas de acero para los 40.000 m² ¿Qué es eso?

Una estructura de cuerdas de haz alcanza la misma extensión con aproximadamente 45-55 kg/m² una reducción del 40-45% en el peso del acero. El tonelaje total del acero es de 1.800-2,200 toneladas, ahorrando 1.600 toneladas de acero. A los precios del acero de 2023, esto supone un ahorro de material de aproximadamente 12-15 millones de RMB (1.7-2.1 millones de dólares). El ahorro compensa más que el costo adicional de los cables de prerrección, anclajes de cable y el proceso de fabricación y erección más complejo.

El concepto de la cuerda de haz

Una estructura de cuerdas de haz se compone de tres componentes:

1. El acorde superior (miembro de compresión)Un tronco o haz de acero que lleva la carga de gravedad en compresión y flexión.
2. La cuerda inferior (membro de tensión): Un cable o una varilla de acero de alta resistencia que se tensa para crear una fuerza ascendente en la parte superior del acorde, contrarrestando la carga de gravedad.
3. Las piezas de contacto verticalesLas partes verticales que conectan el acorde superior y el cable inferior, transfieren la fuerza ascendente del cable al acorde.

El principio estructural es elegante: la carga de gravedad dobla la cuerda superior hacia abajo, y el cable tensado la tira hacia arriba a través de las trampas. La tensión del cable se calcula previamente para compensar un porcentaje específico de la carga muerta (generalmente 70-90%), de modo que bajo la carga muerta + viva completa, la cuerda superior experimenta un momento de flexión reducido en comparación con un haz convencional. El cable lleva la carga en tensión pura a una eficiencia que ningún miembro de compresión puede igualar, porque los cables no se encurvan.

Comparación estructural a 229 m

La cuerda de haz no sólo es más ligera, sino también más rígido (L/400 vs L/250 deformación), porque el cable pre-tenso proporciona un soporte elástico a lo largo de la franja que reduce la longitud de flexión efectiva. La compensación es la fuerza del cable horizontal (850 kN por soporte), que debe anclarse en la base una consideración adicional de diseño significativa discutida en la sección 4.

2. La secuencia de pre-tensión

El desafío de ingeniería más crítico en una estructura de cuerdas de haz es la secuencia de pre-tensión. El cable no puede ser tensado en una sola operación La geometría de la estructura cambia a medida que el cable se tensa, y estos cambios de geometría afectan la distribución de la fuerza en cada miembro.

Tensión en etapas

El cobertizo de carbón tiene 7 unidades de cuerdas de vigas a lo largo de su longitud, cada una de las cuales abarca 229 m en la dirección transversal. Cada unidad tiene 5 cables (ordenados en un patrón de ventilador desde los anclajes finales), creando 5 puntos de tensión por unidad.

• Estadio 1 (10% de tensión de diseño, 85 kN)Los cables se tensan simultáneamente hasta el 10% de la tensión de diseño, lo que elimina la desviación del cable y asienta los anclajes.
• Fase 2 (30% de tensión de diseño, 255 kN)El cable se tensa hasta el 30%. La cuerda superior comienza a levantarse de la plataforma. La deflexión se controla en 12 puntos a lo largo del intervalo con la medición total de la estación (acurateza ±1 mm). Si algún punto se desvía de la deflexión prevista en más de 5 mm, se detiene la tensión y se vuelve a comprobar el modelo estructural.
• Etapa 3 (60% de la tensión de diseño, 510 kN)El cable se tensa hasta el 60%. Las torres de contraposición temporales se eliminan. La estructura ahora soporta su propio peso muerto a través de la acción de la cuerda de vigas.
• Estadio 4 (85% de la tensión de diseño, 723 kN)El cable se tensa hasta el 85%. La estructura alcanza la condición de precarga, con una desviación de 45 mm hacia arriba. Esta desviación hacia arriba está diseñada para ser cancelada por la carga muerta del revestimiento, aislamiento y purlins, que se instalan después de esta etapa.
• Estadio 5 (100% de tensión de diseño, 850 kN)La estructura alcanza su geometría de diseño: desviación cero en el medio de la distancia bajo carga muerta, con el cable proporcionando una fuerza ascendente que compensa el 80% de la carga muerta.

Cada etapa requiere un mínimo de 4 horas para la redistribución de la fuerza y la relajación de arrastre antes de que comience la siguiente etapa. El tiempo total de tensión por unidad es de 2-3 días.

Monitoreo de la fuerza durante la tensión

Cada cable está equipado con una célula de carga (tipo de medidor de tensión de alambre vibratorio) en el anclaje, proporcionando lecturas de tensión en tiempo real durante la secuencia de tensión. Además, el acorde superior está equipado con medidores de tensión en 8 lugares por unidad, monitoreando la redistribución de tensión. Los datos de monitoreo se comparan con el modelo de análisis estructural en tiempo real, y cualquier desviación superior al 10% desencadena una pausa para la investigación. Durante la tensión real, la desviación máxima de las fuerzas previstas fue de 6% bien dentro de la tolerancia del 10%.

3. Carga del viento en una estructura de 229 metros de luz

El área de techo del cobertizo de carbón es de aproximadamente 40.000 m² (229 m × 175 m) Esta enorme superficie presenta un importante desafío para la carga del viento.La estructura se encuentra en Ningxia, una región interior con una presión de viento básica de 0,45 kN/m.² (50 años de retorno por GB 50009).

Calculo de la carga del viento

La presión del viento en el techo depende del factor de forma del techo (Cp), que varía según la posición.

• Cuarto de viento: Cp = −0,2 (elevación, moderada)
• Corona (arriba): Cp = −0,8 (elevación, alta)
• Cuarto de Leeward: Cp = −0,5 (elevación, moderada)
• Pared hacia el viento: Cp = +0,6 (presión)
• Pared de la parte delantera: Cp = −0,3 (succión)

La fuerza total de elevación del techo bajo viento de diseño (0,45 kN/m)² presión básica, con factores de altura y terreno que aumentan a 0,68 kN/m² a una altura de 45 m):

F_{el levantamiento} = 0,68 × (−0,8) × 40,000 m² = -21 760 kN (elevación)

Esta fuerza de elevación de 21.760 kN debe ser resistida por el peso muerto de la estructura y por la unión de la fundación. El peso muerto de la estructura del techo (1.800 toneladas) proporciona 17.640 kN de resistencia a la gravedad. Los 4.120 kN restantes de elevación deben ser resistidos por los anclajes de la fundación que también deben resistir la fuerza horizontal de cable de 850 kN por soporte. Las cargas verticales y horizontales combinadas hacen que el diseño de la fundación sea un componente crítico del proyecto.

Prueba de los túneles de viento

Para una estructura de esta escala e importancia, complementamos el cálculo de la carga del viento basado en código con pruebas de túnel de viento en el túnel de viento de capa límite de la Universidad Tongji. Se probó un modelo a escala de 1:200 en las direcciones de viento y de viento transversal, con grifos de presión en 120 lugares en la superficie del techo. Los resultados del túnel del viento confirmaron los coeficientes basados en código dentro del 10%, con dos excepciones notables:

• Zonas de esquinaEl túnel de viento mostró coeficientes de elevación localizados de −1.2 en las esquinas del techo (vs valor de código de −0.8), debido a la formación de vórtices.
• Respuesta contra el vientoLa dirección de viento transversal (perpendicular al espacio de 229 m) mostró una respuesta dinámica de la descarga de vórtice, con una frecuencia de resonancia de 0,8 Hz. La frecuencia natural de la estructura es de 1,2 Hz, lo cual es lo suficientemente diferente de la frecuencia de descarga de vórtice para evitar el bloqueo, pero añadimos amortiguadores de masa sintonizados (TMD) en la corona para mitigar cualquier amplificación de resonancia.

4. Ancón de la Fundación para las Fuerzas de Cables

La estructura de la cuerda de haz transfiere dos fuerzas a cada fundamento: una carga vertical (1.800 kN hacia abajo bajo el viento muerto + vivo, o 520 kN hacia arriba bajo el viento levantado) y una carga horizontal (850 kN hacia afuera de la tensión del cable).

Selección de tipo de fundación

El sitio se encuentra en suelo aluvia con una capacidad de carga de 180 kPa (arena de grava de densidad media).

• Fundamento de balsas poco profundasResistiendo a la fricción del suelo en la parte inferior de la balsa. La superficie requerida de la balsa para resistir a la fuerza horizontal de 850 kN (con un coeficiente de fricción del suelo de 0,35) es de 850 / (0,35 × 180) = 13,5 m² alcanzable, pero el caso de elevación (520 kN) requiere que el peso de la balsa exceda de 520 kN, requiriendo 53 m³ La balsa sería de 6 m × 3 m × 3 m de profundidad grande pero factible.
• Las pilas de motorLas pilas de baterías (inclinadas a 15°) pueden resistir tanto cargas verticales como horizontales. 4 pilas de Ø600 mm por soporte, con una capacidad vertical de 1.200 kN y una capacidad horizontal de 350 kN cada una, proporcionan una capacidad horizontal total de 1.400 kN 65% superior a la demanda de 850 kN. Esta fue la opción seleccionada porque las pilas también resisten al caso de elevación a través de la fricción de la piel (200 kN por pila).
• Anclas de roca: No es posible porque el sitio es suelo aluvia con roca de base a 25 m de profundidad.

Conexión de pila a estructura

La tapa de la pila es un bloque de hormigón armado (3.5 m × 3.5 m × 1.5 m de profundidad) que transfiere la fuerza de tensión del cable a las pilas de batería a través de un sistema de estruendo y atadura de hormigón armado. El anclaje del cable es un bloque de anclaje de acero fundido incrustado en la tapa de la pila, diseñado para transferir 850 kN de tensión al hormigón a través de la unión y el rodamiento. El bloque de anclaje está diseñado por cada GB 50010 (código estructural de hormigón) con una longitud mínima de desarrollo de 1,2 m para las barras de anclaje del cable (o75 mm, acero 40Cr).

5. Método de construcción: Asamblea en el suelo y elevador sincronizado

El método de construcción del cobertizo de carbón fue dictado por dos restricciones: el abanico de 229 m (demasiado grande para el montaje a granulado a altura) y el requisito de pre-tensión (los cables deben ser tensados desde el suelo antes de que la estructura se eleve a su posición final).

Paso 1: Asamblea en el suelo

Las 7 unidades de cuerdas de vigas se montaron a nivel del suelo en un área de laydown adyacente al sitio del cobertizo de carbón. Cada unidad se montó en soportes temporales (torres de escalón) que posicionaban el acorde superior a 1,5 m por encima del grado suficiente para que los trabajadores accedieran a la parte inferior para la instalación de pernos y el cableado. Las unidades se montaron en secuencia, con el montaje de cada unidad tardando 8-10 días (equipamiento de 4 personas por unidad, utilizando conexiones de pernos para los miembros de la celosía y los bloques de anclaje de cable).

Paso 2: Instalación del cable y tensión inicial

Los cables fueron ensamblados a través de las conexiones de las estrutas y anclados en ambos extremos. Las etapas 1-3 de la secuencia de pretensión (10%, 30%, 60%) se completaron a nivel del suelo, con la estructura todavía sostenida en las torres de andamios. Esto permitió verificar la distribución de fuerza y la geometría antes del ascensor un paso crítico de gestión de riesgos, ya que cualquier problema encontrado después del ascensor sería extremadamente difícil y costoso de corregir a 45 m de altura.

Paso 3: Elevador sincronizado

El ascensor usó un sistema de jacking hidráulico sincronizado con 4 puntos de empuje por unidad (en los cuartos de puntos de la extensión de 229 m). Cada empuje tenía una capacidad de 2.500 kN y era controlado por ordenador para mantener la sincronización dentro de ±5 mm de desplazamiento vertical en todos los puntos. La carga total de elevación por unidad fue de aproximadamente 6.800 kN (el peso de la estructura de acero más los cables parcialmente tensados).

La velocidad de elevación fue de 0,5 m por hora deliberadamente lenta para permitir el seguimiento continuo de la distribución de la fuerza, la tensión del cable y la geometría estructural. A cada incremento de 5 m, el elevador se pausaba para una inspección completa y la comprobación de la fuerza. El total de elevación desde el nivel del suelo hasta la posición final (alteza de la corteza de 18 m, altura de la corona de 45 m) tomó aproximadamente 50 horas por unidad.

Paso 4: Conexión con los cimientos y tensión final

Una vez que la unidad estaba en la elevación final, las conexiones finales se vincularon a los bloques de anclaje de la tapa de la pila. Las etapas 4 y 5 de la pretensión (85% y 100%) se completaron luego con la estructura en su posición final. Las torres de contraposición temporales se retiraron después de la etapa 5, y la estructura era autosuficiente.

Paso 5: Instalación de revestimientos y purlin

Las purlinas y los revestimientos fueron instalados después de que la estructura se sostenga por sí misma y el cable se tensione.²) se aplicó simétricamente para evitar una carga desequilibrada en el sistema de cuerdas de vigas.

6. Análisis y verificación estructural

El análisis estructural de la estructura de 229 m de cuerdas de vigas se realizó utilizando el análisis de elementos finitos no lineales (FEA) con no linealidad geométrica (efectos P-Δ y cable sag).

• 1.847 elementos de haz para los miembros de la trasa de acorde superior, con modelos de material de plástico elástico para acero Q355B.
• 35 elementos de cable (5 unidades por unidad × 7 unidades) con comportamiento de sólo tensión y una pretensión inicial de 850 kN.
• 140 elementos de celosía para las trampas verticales, con un comportamiento de compresión exclusiva.
• Condiciones de límite no lineales en las fundaciones, modelado de la rigidez de la pila en direcciones verticales y horizontales.

El análisis comprobó:

• La fuerza: La tensión máxima de los miembros bajo todas las combinaciones de carga (muerta, viva, viento, nieve, temperatura) es de 285 MPa 81% de la resistencia de rendimiento de Q355B (355 MPa), con un factor de seguridad de 1,25.
• Estabilidad: La carga crítica elástica de la cordilla superior es 2,8 veces la carga de diseño, superando el mínimo de GB 50017 de 2,0 para las estructuras primarias.
• Servicios: La desviación máxima bajo carga completa muerta + viva es de 573 mm (L/400), muy dentro del límite GB 50017 de L/250 (916 mm) para las estructuras de techo.
• Fatiga de los cables: El rango de tensión del cable bajo carga eólica es de 45 MPa, que está por debajo del límite de fatiga de 70 MPa para los cables de acero de primera calidad (por GB/T 18306), con una vida útil superior a 2 millones de ciclos.

7. Por qué es importante este proyecto

El cobertizo de carbón de 229 m no es sólo un récord, sino que demuestra tres principios de ingeniería que se aplican a cualquier proyecto de estructura de acero de gran luz:

En primer lugar, la selección de sistemas estructurales debe estar basada en el tiempo de actividad y no en la preferencia. Fabricamos más rejilla espacial que cualquier otro tipo de estructura (más de 3.000.000 m)² El sistema de cuerdas de vigas ahorró 1.600 toneladas de acero y produjo una estructura más rígida y eficiente. La estructura adecuada para su proyecto depende de su duración, carga y sitio no de lo que prefiere construir su fabricante.

En segundo lugar, el pre-tensión es una disciplina de ingeniería, no una tarea de construcción. La secuencia de tensión de 5 etapas, con monitoreo de la fuerza en tiempo real y verificación geométrica, tardó 2-3 días por unidad y requirió un equipo de ingeniería dedicado en el sitio.

En tercer lugar, el extremo de la extensión requiere una verificación extrema. Las pruebas de túnel de viento, FEA no lineal, monitoreo de la estensión y sistemas de elevación sincronizados no son lujosos. Son el rigor de ingeniería que hace posible y confiable un tramo de 229 m. El costo de esta verificación es aproximadamente del 3-5% del costo total del proyecto; el costo de un fallo en un tramo de 229 m es inconmensurable.

Para más información sobre nuestro sistema estructural de cuerdas de vigas, visite nuestro Estructuras de cuerdas de haz página de productoPara obtener detalles completos del proyecto, consulte el Página del proyecto de cobertizo de carbón de NingxiaPara conocer las estructuras de la rejilla espacial para las extensiones donde son la elección correcta, visite nuestro sitio web. página del producto de la cuadrícula de esfera enbolzada.

Conclusión

El cobertizo de carbón de 229 m de luz representa la intersección de la innovación estructural, la capacidad de fabricación y la disciplina de la construcción. No es el espacio más largo que hemos construido (nuestro portafolio incluye puentes e infraestructuras en grandes extensiones), sino que es el más largo espacio de la estructura del techo, y los desafíos de ingeniería que presentó pre-tensión, carga de viento, anclaje de las fundaciones, elevación sincronizada son aplicables a cualquier proyecto de estructura de acero de gran luz.

Si su proyecto requiere una estructura de acero de gran luz, ya sea un cobertizo de carbón, una arena deportiva, un hangar de aviones o una instalación industrial, la elección del sistema estructural es la primera y más importante decisión. Podemos diseñar rejilla espacial para extensiones de hasta 120 m, sistemas de cuerdas de vigas para extensiones de 60 a 250 m y sistemas híbridos que combinan las ventajas de ambos. Contacte con nuestro equipo de ingeniería con su capacidad de carga y requisitos de sitio, y recomendaremos el sistema que sea adecuado para su proyecto no el sistema que preferimos construir.