Guía de diseño de los marcos del portal: conexiones, optimización y puntos de referencia de consumo de acero

Para los almacenes, fábricas, talleres y edificios de logística, el marco de portal de un solo piso es el caballo de trabajo de la construcción de acero en todo el mundo. También es el producto donde el consumo de acero, los tiempos de fabricación y la velocidad de construcción varían más entre los proveedores, porque la geometría del marco no está fijada por un arquitecto se establece por las elecciones del ingeniero de la corteza, el tipo de conexión, la fijación de la base y el diseño de la sujeción. En un edificio industrial de 5.000 m2, una diferencia de 8 kg / m2 en el acero estructural significa aproximadamente 40 t de acero y un swing de seis cifras en el contrato, por lo que los propietarios y contratistas que revisan un diseño de marco del portal deben poder interrogar cada número en este artículo.

Esta guía sigue el estándar de marco de portales de luz chino GB 51022-2015 (Norma para el diseño de estructuras de acero de edificios ligeros con marcos de acero), referencias cruzadas, cuando sea pertinente, a la GB 50017-2017 para el diseño general de acero, y a la AISC 360-16 y al Eurocode 3 (EN 1993-1-1 y EN 1993-1-8) para proyectos ofertados en virtud de la práctica norteamericana o europea. Los siguientes indicadores de consumo provienen de nuestros propios registros de fabricación de edificios de marcos de portales en la banda de 12 m a 36 m, fabricados en nuestros talleres de Xuzhou, incluidos los componentes suministrados a grandes programas industriales como la expansión de la fase III del aeropuerto internacional de Guangzhou Baiyun (450.000 m2, 42.000 t de acero).

Las cinco decisiones controlan el resultado: el diseño del marco y el sistema de estabilidad, el detalle de conexión de momento, el taper de sección, la fijación de la base de la columna y el acero secundario (purines, cinturones y brazajes).

1. La disposición del marco y el sistema de estabilidad

El marco del portal en sí mismo dos columnas y un par de barras con conexiones de rodilla resiste la carga vertical en la flexión, pero su estabilidad fuera del plano depende enteramente de los miembros secundarios. La dirección transversal (gable a gable) se estabiliza por los marcos que actúan con el sujetamiento del techo; la dirección longitudinal se estabiliza por las columnas que trabajan con el sujetamiento de la pared. Retire el sujetamiento del modelo y el marco es un mecanismo en una dirección; por eso el diseño del sujetamiento debe fijarse antes del tamaño del miembro, no después.

• Los elementos de los elementos de la sección de los puntos de referencia se pueden utilizar en el punto de referencia. X-bracing en al menos dos calas, típicamente ángulo L75×6 o barra redonda de alta tensión φ24 mm con tornos, colocada en la primera o segunda calas desde cada gable.
• Aparecimientos de los planos del techo: X-bracing horizontal en la primera bahía del techo y cada segunda bahía más allá, con barras de atadura rígidas (φ89×3.5 a φ114×4 CHS) en la cresta y las líneas de ease para distribuir las fuerzas.
• Los aparatos de apoyo para volar (parantes para rodillas): Los ángulos pequeños que conectan la flange inferior de la raqueta a cada línea de la raqueta, evitando el encubrimiento lateral de la flange de compresión entre los puntos de la braza.
• Columnas de viento: en el caso de las longitudes de los gables superiores a unos 30 m, las columnas de viento intermedias transferen la carga del viento de los gables a los diafragmas del techo y del suelo, que por lo general se extienden a toda la altura con extremos fijos.
• Edificios de grúas: añadir columnas de grúa o marcos más pesados, una correa de enlace longitudinal adicional a nivel de la vía de grúa y tolerancias de pista de grúa que regulan todo el presupuesto de deriva.

En la práctica, los casos de carga se regulan

Los tres casos de carga regulan casi todos los cuadros del portal, y los dibujos de las etapas de esquema deben mostrarlos todos. Muerto más vivo tamaño de la caja de la barandilla en el medio de la franja y la columna en la región de ápice; elevación de viento el caso invierte la flexión de la baranda y rige las curvas, la elevación de la base y, a menudo, la placa base de la columna; y Drift hacia el viento el caso con viento sobre el hastial define el arriostramiento longitudinal y las columnas de los pórticos extremos. En pórticos con grúas, el cargas de las ruedas de grúa con factores de impacto añadir el momento excéntrico en el paso de la columna que a menudo rige la sección de la columna inferior, y el caso de aumento de grúa (lateral) rige el corte de la base de la columna y los anclajes de la base. El informe del marco debe indicar la combinación que rige para cada línea miembro, porque la conversación de ingeniería de valor del propietario debemos reducir el espacio entre las bahías, profundizar la barandilla o añadir una bahía de apoyo solo se puede responder con esa tabla en la mano.

Reglas de geometría de marco del pulgar

Tres relaciones geométricas comienzan cada esquema preliminar, y sus valores son notablemente estables en todos los códigos. La pendiente de la rafter de 1/10 a 1/20 equilibra el derramamiento de nieve contra la altura interior y el costo del revestimiento; el espacio entre los marcos de 6.58.5 m es establecido por la economía de purlin (el peso de la rafter sube pronunciadamente por encima de 8 m); y la relación entre el espacio entre el espacio de la rafter y la profundidad de la rafter en el tiempo de la rafter de 30 a 40 para edificios sin grúas da la sección de inicio antes de la optimización. Un 30 m por lo tanto se abre con un espacio de 7501,000 mm de rafter de la rafter, y el análisis de la sección reducida en la sección 3 luego reduce el peso desde allí. Estas reglas producen un esquema que es 510% óptimo antes de que se abra cualquier software, y anclan la conversación de ingeniería de valor cuando el espacio entre la bahía cambia a la distancia en el horario tardío.

2. Conexiones de momento: Hachos, placas finales y pernos de alta resistencia

La articulación de rodilla (columna a raft) y la articulación de la cresta tienen el momento completo del marco y deben ser detalladas como conexiones de momento rígido. En la práctica china se fabrican con placas de extremo extendidas conectadas por tornillos de alta resistencia de grado 10.9s (M20 a M24 típicamente, diseñados como juntas de tipo friccionante resistentes a resbalones con pretensión por GB 50017-2017), más un el agua en la rodilla: una extensión encurtida de la red de columnas y la flanca hacia la zona de la baranda, 0,150,25 de la franja de la baranda donde los momentos son más altos.

Tres detalles deciden si la conexión realmente proporciona la rigidez modelada. Primero, la placa final debe ser lo suficientemente rígida como para evitar la acción de rigidez que consume la capacidad del tornillo el espesor de la placa es generalmente 2025 mm y las filas de tornillo están proporcionadas de modo que la fila de tornillo más externa no lleve más de su tensión de diseño, incluido el rigidez. Segundo, las flanges de columna y de raft en la conexión necesitan rigidez transversal alineadas con las filas de tornillo; sin ellas, el espesor reducido de la red da lugar a la carga mucho antes de los tornillos. Tercero, detalles de soldadura: las flanges de la culata soldan la penetración completa en la trama, los filetes de la web de tamaño por GB 50661, y la inspección de la soldadura mediante pruebas ultrasónicas para todos los bols de penetración completa en el momento de las soldas.

Para la práctica europea y estadounidense, el mismo concepto conjunto se valida de manera diferente método de componentes EN 1993-1-8 o conexiones precalificadas AISC pero los hábitos geométricos anteriores se transfieren directamente.

Reglas de conexión que sobreviven a la tienda

Las conexiones de momento fallan de dos maneras: al no entregar el momento de diseño y al no ser construibles dentro de la tolerancia. Las reglas que mantienen ambos fallos fuera de los planos de taller son pocas y fijas. La placa final es más gruesa que la pared de viga que transfiere (1625 mm típico), las filas de tornillo se colocan cerca de las paredes donde la placa está más estresada, la profundidad de la búsqueda sigue la pendiente de la raqueta para que la trama aterribe donde el momento es bajo, y las soldas de paredilla a placa son de plena penetración con la raíz verificada por pruebas magnéticas-partículas o ultrasónicas.

3. Optimización de las secciones con tapis

La característica definitorio del marco del portal de luz es la sección H soldada y con tendencias de corte: la profundidad de la red varía linealmente desde la base de la columna (baja) hasta la rodilla (profunda) y desde la rodilla hacia atrás hasta la cresta (baja). 1020% menos acero que un marco prismático de capacidad igual, por lo que la GB 51022-2015 está escrita en torno a miembros de profundidad variable y permite verificar su capacidad mediante análisis elástico con propiedades de sección efectivas.

• Ratio de profundidad de la web: La profundidad de rodilla a profundidad en el extremo de 2,02,5× es el óptimo práctico; más allá de ese local de costos de vendaje y fabricación se consumen los ahorros.
• Control local de la hebilla: Los límites de terqueza de la red y de la flanja se comprueban según el GB 51022-2015 Sección 6: cuando la relación altura- espesor de la red exceda de 80ε (donde ε = √(235/fy) se requieren rígidos intermedios o una verificación post-buckling (campo de tensión); la altura- espesor de la flanja se mantiene por debajo de 15ε.
• Materiales: Las secciones de las placas soldadas Q355B y Q355C son las estándar, con espesores de la flanca de 1016 mm y espesores de la tela de 610 mm (mínimo de 6 mm para la robustez de la erección).
• Utilización de la meta: un marco optimizado ejecuta acordes a 0,800,90 de utilización en la combinación de control; cualquier cosa inferior a 0,7 indica que la sección no se ha adaptado al envoltorio.

4. Bases de columna: pinados o fijos, y detalles de la correa de anclaje

La fijación de base es una palanca de costo que la mayoría de los propietarios nunca ven. base fijada una placa base de 350450 mm cuadrados con cuatro pernos de anclaje M24M30 y sin rigidantes de la red pasa el momento cero a la base y mantiene la sección de columna económica en la base. base fija En el mismo marco se añade un grupo de pernos de 810, una placa más pesada con rígidos, rígidos de la red de columnas en la base y una base más grande y reforzada. El coste adicional sólo se justifica cuando el presupuesto de deriva del marco lo obliga (edificios de grúas, aleros de más de 10 m, zonas de viento fuerte) o cuando los cimientos son caros y la capacidad de momento permite que el marco se desvíe menos.

El detalle del tornillo de anclaje sigue las mismas reglas en cada familia de códigos: incorporación de 2535 diámetros de tornillo con gancho, placa de anclaje o T-head; una distancia mínima de borde clara; espacio de garracha de 4050 mm lleno de garracha no encogida después de la erección; y una verificación de la tensión de elevación del viento en el lado hacia el viento, que a 0,60,9 kN / m2 de succión de techo puede regir el grupo de tornillo de anclaje en techos ligeros. Los tornillos de anclaje no son tornillos de alta resistencia: son típicamente material de Q355B o 8,8 grados, controlados con su propio tratamiento cuidadoso de la rigidez acoplada entre el tornillo, la placa y la garracha.

Las opciones de base de columna y las tolerancias de bols de anclaje

Las bases fijas utilizan dos pernos de anclaje y una placa base lo suficientemente gruesa como para distribuir los pequeños momentos excéntricos de la erección; las bases fijas utilizan cuatro a ocho pernos, una placa más rígida y a menudo gussets embrujados en las flanges de la columna. Independientemente de cuál sea el especificado, la tolerancia de la plantilla de pernos de anclaje es el número del que depende todo el marco: la práctica conforme a GB 51022 mantiene la posición del grupo de anclaje a ±23 mm y la proyección del perno a ±10 mm, con la placa base enlazada o re-mecanizada donde se deriva la plantilla.

La base fija también cambia el comportamiento del marco aguas arriba: una base resistente al momento fija la columna en la línea del suelo, aumenta la rigidez del marco contra los golpes de viento y grúa y reduce el momento de la barandilla en la cima.

5. Purlinos, girts y acero secundario

El acero secundario generalmente agrega 58 kg/m2 al peso del marco y es el lugar más barato para ahorrar dinero. Las purlinas y cinturones son secciones Z o C de forma fría (por ejemplo, Z220 a Z300, acero base de 2.03.0 mm, S350GD+Z con galvanización Z275) diseñadas según la norma GB 50018-2015 para acero de forma fría, con purlinas Z continuamente recobertas sobre las vigas a un espacio de 1.21.5 m. La purlin más barata nunca es el techo más barato: límites de desviación de/150 a span/200, cuenta de tirón de fijación bajo succión y rigidez de manejo son todos los factores que impulsan la elección, y un espacio de 1.5 m con una sección pesada es generalmente más ligero que 1.2 m con un brackets y un brackets caros una vez que se fijan.

Racionalizar el acero secundario una vez por todas en la licitación: una sección de purlin, una sección de cerradura, un espacio en la sección Z, un rincón/tributo de recorte.

Flujo de trabajo de diseño de purlin y girte

Las purlinas Zed tienen el tamaño de GB 51022 reglas para el levantamiento de viento el caso de gobierno para las purlinas de techo en la mayor parte de la China costera con límites de desviación de span/180 bajo la carga muerta más carga viva y span/150 bajo la carga viva solo. La caja de levantamiento es sorprendente para los propietarios: la succión de viento invierte la flexión de la purlin y coloca la flange de compresión en la parte inferior, no soportada por la hoja, por lo que la conexión de la purlin a la rafter debe ser detallada para ese signo de carga, con la clave endurecida para llevar la reacción de levantamiento a la rafter sin distorsión de la red local. Las barras anti-salto entre las filas de purlin controlan la torsión de la sección Z bajo la combinación de la torsión de la barra de dobla y la tensión, y la purlin es parte de la torsión, no después de un cheque.

6. Indicadores de consumo de acero

Los rangos siguientes son para acero primario completo (marcos de tapa, sujetos, cortes, cinturones y sujetos de mosca) excepto revestimientos, aislamiento y particiones interiores, para cargas normales de techo de 0,30,5 kN/m2 y viento y nieve moderados. Los valores son para Q355B/Q355C y alturas típicas de abismo; cada 10 m de altura de abismo añadido se suma aproximadamente 36 kg/m2.

Especialidad (m)	Alturas típicas de las gradas	Acero primario (kg/m2)	Notas
8 – 14	6 8 m	18 – 25	Almacenes ligeros, talleres, sin grúa
14 – 24	8 10 m	22 – 30	Logística y zonas de fábrica estándar
24 – 30	9 12 m	25 – 35	Techos más pesados, aleros más altos
30 – 45	10 14 m	30 – 45	Cargas de múltiples calas, grúas o equipos

En la práctica se aplican dos correcciones: las zonas de nieve pesada (neve de diseño ≥ 1,5 kN/m2) añaden 510 kg/m2; los edificios de grúas añaden 515 kg/m2 adicionales, incluidos los giros de la pista de grúa. Una licitación que cotiza fuera de estas bandas, ya sea muy por encima o muy por debajo, es una licitación que debe ser solicitada para explicar sus números.

7. Código base: GB 51022, AISC 360 y Eurocódigo 3 en un vistazo

GB 51022-2015 es el estándar de gobierno para los marcos de portales ligeros en China y difiere de los códigos internacionales en dos aspectos que importan en las licitaciones. Primero, las combinaciones de carga siguen la familia de códigos de carga chinos (GB 50009): la carga hacia el viento funciona con factores de forma y factores parciales específicos de los techos ligeros, y el código acepta conscientemente límites de capacidad de uso más generosos porque los marcos ligeros son tolerantes a la deformación: la deriva superior de la columna bajo el viento es de aproximadamente H/60 para los marcos sin grúas (H/120H/180 se especifica comúnmente cuando los mecanismos de revestimiento o puerta son sensibles), la desviación de la raqueta de L/180L/240 dependiendo del caso de carga, y los edificios de grúas se rigen en su lugar por límites de nivel de tren cerca de H/400. AISC 360-16 se aproxima a la misma estructura a través de LRFD o ASD con la tradición de desvío de 1/400 pisos para edificios sensibles al revestimiento, mientras que Eurocode 3 se basa en las reglas de control de flujo de la norma EN 1993-1-1 con una imperfección inicial explícita de span/200 a h/200 aplicada en el modelo.

Cuando fabricamos a varias familias de códigos, una regla mantiene los planos de taller consistentes: la base de modelado (fijación de la articulación, rigidez del soporte, imperfección) se fija primero, aprobada por el ingeniero del propietario, y sólo entonces es de tamaño de acero. Cambiar la base después de que comience la fabricación es el error más caro en el edificio de acero ligero.

Leer la familia de códigos para un proyecto de exportación

Cuando se fabrica un marco de portal en China para la exportación, la base de diseño debe indicarse una vez y respetarse en todas partes: el análisis de marcos por GB 51022 utiliza combinaciones de carga y formatos de factores de capacidad chinos; una base Eurocode importa combinaciones de carga EN 1990, EN 1993-1-1 controles de miembros con_M0 = 1.00 / γ_M1 = 1.10, y la verificación de la torsión lateral de la EN 1993-1-1 cláusula 6.3.2; una base de AISC utiliza factores de carga LRFD y las verificaciones de vigas del capítulo F y de columna del capítulo E del AISC 360 con φ_{b) El} = 0,90 y φ_{c) El} = 0,90. Los dibujos de la fábrica, las clases de soldadura, las especificaciones de los pernos y las especificaciones de pintura deben seguir cada una la misma familia de códigos un marco analizado según el Eurocódigo pero detallado con símbolos de soldadura y marcas de pernos específicos para China es un riesgo de cumplimiento que ningún certificado puede curar, y la lista de verificación de la consistencia del código de exportación debe verificar línea por línea antes de comenzar la fabricación.

Puntos clave

• El sistema de estabilidad se diseña ante los miembros. Las barras de frenado, las barras de atadura y las barras de mosca forman parte de la estructura principal; omitirlas en el modelo hace que todos los miembros se equivoquen.
• Las conexiones de momento solo proporcionan rigidez cuando se detallan. Las placas finales de 20 25 mm, los rígidos sobre las filas de los perforaciones, las soldas de la flange de penetración completa y los perforaciones de 10,9s resistentes al deslizamiento son el paquete, no las opciones.
• Enlaza la sección al sobre del momento. Una relación de profundidad de la web de 2,02,5× con control local de hebillada ahorra 1020% de acero frente a un marco prismático.
• Las bases fijadas son la excepción por defecto, las bases fijas la excepción. Utilice la fijación, los anclajes y las fundaciones como un presupuesto: los marcos de grúas y las altas corchas justifican las bases fijas; los almacenes comunes generalmente no lo hacen.
• Indique su oferta: 1825 kg/m2 a 814 m de distancia, 2535 kg/m2 a 2430 m, 3045 kg/m2 a 3045 m de distancia, con correcciones de nieve y grúa.
• Enfies primero la base de análisis. Los límites de deriva, la rigidez del sujetador y las imperfecciones iniciales deben acordarse antes de dimensionar la sección y nunca deben cambiarse después de que comience la fabricación.

Envíanos tu huella de edificio, altura de la abertura, requisitos de grúas y datos locales de viento y nieve, y nuestro equipo de ingeniería devolverá un esquema de marco del portal con tamaños de miembros, detalles de conexión, diseño de fijación y una estimación del consumo de acero que puedes comparar con las tablas anteriores. Contacte con nuestro equipo de ingeniería para el estudio preliminar de diseño.