Guía de diseño de marcos espaciales: tipos de redes, selección de nodos y flujo de trabajo de ingeniería

Para un complejo de estaciones de ferrocarril, sala de exposiciones, arena deportiva o patio de almacenamiento en granel cerrado, el techo es a menudo el paquete estructural de plomo más grande y largo del proyecto. Un marco espacial una red de dos capas de tubos de acero que funcionan en tres dimensiones sigue siendo una de las soluciones más eficientes para espacios entre 30 m y 120 m porque su trayectoria de carga es corta, su peso propio por metro cuadrado es bajo y su redundancia significa que una sola falla de miembro no compromete todo el sistema. Pero el margen entre una red económica y una sobreespecificada se decide muy temprano: la topología de la red, el tipo de nodo, la delgadez de los miembros y la profundidad de la red se fijan en las dos primeras semanas de diseño y son casi imposibles de cambiar económicamente después.

Esta guía está escrita para los propietarios de proyectos, ingenieros de diseño y contratistas que necesitan especificar, evaluar o revisar por pares un marco espacial antes de cortar acero. JGJ 7-2010 (especificidad técnica para estructuras de marcos espaciales), la norma de diseño de acero GB 50017-2017Las recomendaciones reflejan estructuras que hemos fabricado y erigido en nuestros talleres de Xuzhou, incluidas las cubiertas de gran luz donde la profundidad de la red, la capacidad de los nodos y la secuencia de la erección fueron los parámetros de control.

El artículo abarca cuatro decisiones que impulsan el 80% del coste y el calendario: tipo de red, sistema de nodos, proporción de miembros y profundidad, y el flujo de trabajo de análisis utilizado en SAP2000, MIDAS Gen y ANSYS.

1. Topología de la red: configuraciones de dos vías, diagonales y de tres vías

JGJ 7-2010 Capítulo 4 clasifica las redes de doble capa principalmente por su disposición en plano. Las tres familias que cubren casi todos los proyectos prácticos son la red ortogonala bidireccional, la red diagonal-en-cuadrado y la red tridireccional, los términos chinos para los cuales se utilizan a lo largo de JGJ 7-2010. Cada una produce una distribución de rigidez diferente, un número de nodos diferente y un costo de fabricación diferente, por lo que la elección debe seguir el plan de construcción y la condición de soporte en lugar de la costumbre.

• Ortegales bidireccionales (rejillas ortogonales, 90°). Los miembros se ejecutan en dos direcciones perpendiculares con un módulo de plano cuadrado. Este es el estándar para los planos rectangulares con perímetro o soportes de red en el rango de 3090 m. Produce el recuento de nodos más bajo por metro cuadrado, las longitudes de miembros más simples y la fabricación más repetitiva, por lo que también es el más económico de fabricar.
• diagonal bidireccional (red girada 45°). Los mismos miembros ortogonales se colocan a 45° a los ejes de plano. Debido a que la diagonal llega directamente al límite, la rejilla es notablemente más rígida en los bordes y transfiere cargas en el perímetro de soporte de manera más uniforme. Es una buena opción cuando el techo se apoya en sólo cuatro lados, o cuando las desviaciones en las esquinas de un plano rectangular están controlando.
• Grilla de tres vías. Las células de los miembros corren en tres direcciones a 120° de distancia, formando células triangulares. La rigidez es casi isotrópica, que se adapta a extensiones superiores a 80 m, planos irregulares, soportes de puntos pesados (columnas a 1224 m de distancia) y techos que transportan grandes cargas de equipo.

Tipo de red	Rango de duración típico	Orientación del módulo	Características clave
Origonal de dos vías	30 90 m	3 6 m cuadrado	Con un número de nodos más bajo, la fabricación más repetitiva
diagonal de dos vías	40 80 m	3 6 m a 45°	Más rígido en los bordes, mejor para los soportes del perímetro
Tres vías	80 m y más	2,5 4,5 m	Regreciencia isotrópica, traje pesado o carga de punto

2. Selección de nodos: Esfera con bolta, Esfera hueca soldada y nodos del centro

El nodo es donde se oculta el costo. El hardware del nodo normalmente representa el 1525% del tonelaje total de acero de un marco espacial, y decide si la erección de campo es una operación de soldadura o una operación de soldadura.

Nodo de esfera con enchufe

El nodo de esfera de perforación conecta a cada miembro a través de un perforación de alta resistencia (grados 10.9S, M12 a M64, por GB/T 16939) para un proyecto de construcción de una esfera forjada, con la fuerza del perforación transferida al tubo a través de un cono o manga. No requiere soldadura de campo en absoluto: los miembros llegan pre-cortados a la longitud exacta con el cono y el perforación pre-ensamblada, y el equipo simplemente los paragarra en las esferas. Esto lo convierte en el sistema más rápido y más independiente del clima, y es el estándar para nuestros techos industriales y proyectos de exportación donde la soldadura en el sitio no está disponible. La capacidad es limitada por el bolto: los miembros de cuerda muy cargados cerca del bolto pueden superar la capacidad de M56M64 y empujará al diseñador hacia un nodo de soldado o un estribil de acero (stifado).

Nodo de esfera hueca soldada

La esfera hueca soldada es un par de cáscara hemisférica soldada en una esfera, con cada tubo de total penetración soldado a la superficie de la esfera. Tiene fuerzas más altas que un nodo cerrado de tamaño igual, por lo que las zonas de apoyo, caminos de cuerdas pesadas y redes de tres vías de gran alcance suelen usarla. Todas las soldas deben hacerse según un procedimiento calificado (GB 50661) e inspeccionarse, y los diámetros de la esfera se dimensionan para que el ángulo de tubo a esfera se mantenga práctico. Para cargas más allá de la esfera plana, una esfera de ribas (rigida internamente) se suma hasta 4050% a un costo adicional modesto.

Los nodos de la manija

Los nodos de tipo hub con conectores fundidos o mecanizados y tornillos son comunes en las redes de luz de América del Norte y Europa. Ofrecen un excelente control de tolerancia y son reutilizables por naturaleza, pero los fundidos son caros y el sistema tiene un techo de fuerza más bajo por nodo, por lo que los especificamos principalmente cuando la base de diseño del propietario del proyecto ordena un conector propietario.

Tipo de nodo	Método de conexión	Rango típico de miembros	Montaje del sitio
Esfera con bolsas	Bolos de 10,9S, GB/T 16939	Tubos D 60180 mm	Las máquinas de soldadura de los tipos de los demás tipos de soldadura de los tipos de los demás tipos de soldadura de los tipos de los demás tipos de soldadura de los demás tipos de soldadura
Esfera hueca soldada	Soldadura de traseros de penetración completa	Tubo D 76219 mm	Soldadura en tienda o en el sitio + NDT
El centro / manga	Cubo de trabajo + perforación	Tubo D 48114 mm	Cintas de fundición exclusivas

Impacto de la selección de nodos en el método de erección

El tipo de nodo decide la historia de la erección tanto como el análisis: las redes de esfera con perforación se ensamblan pieza por pieza en el aire con llaves de espudo y pequeñas torres de andamios, las redes de esfera hueca soldadas se preensamblan en el taller en grandes subensambles (generalmente 400900 m2) y se elevan con grúas o equipos de conexión, y los sistemas de hub envían con mangas pre-perforaciones que se perfora rápidamente en el sitio. Para un proyecto con una ventana de sitio lógica severa como la estructura de almacenamiento de carbón transparente de 229 m que entregamos, donde el trabajo de aire sobre el depósito de carbón estaba estrechamente restringido la elección de los nodos fue impulsada por la erección primero y segundo. La discusión pertenece a la etapa de esquema: el dibujo que bloquea el nodo ya tiene el tipo de declaración de bloqueo.

3. Limitos de tamaño y belleza de los miembros

Los miembros del marco espacial son casi siempre secciones huecas circulares (CHS): tienen la misma rigidez en cada eje, un bajo coeficiente de resistencia para el viento y el perímetro de soldadura más pequeño en el nodo para un área dada.

El miembro controlador de control de una cuerda de compresión es casi siempre estabilidad, y los límites del código son explícitos. JGJ 7-2010 La cláusula 5.1.4 establece los límites de delgadez de los miembros: 180 para los miembros de compresión, 400 para los miembros de tensión y 250 para los miembros de tensión que llevan directamente cargas dinámicas. Los acordes adyacentes de soporte se mantienen comúnmente a 150 para evitar el acoplamiento prematuro de los miembros más cargados. El factor de reducción de estabilidad φ se calcula sobre la longitud completa del miembro sobre cualquiera de los ejes (para CHS los dos radios son idénticos), utilizando la curva a o b de GB 50017-2017 dependiendo del proceso de formación del tubo y el grosor de la pared.

4. Profundidad de la rejilla y proporción de módulos

La profundidad de la rejilla es el parámetro más influyente para la rigidez y el peso. profundidad de la cuadrícula = span / 12 a span / 16, con JGJ 7-2010 aceptando 1/10 a 1/18 dependiendo de la carga, el tipo de soporte y el sistema de nodos. A 60 m de luz, es una cuadrícula de 4,05,0 m de profundidad; a 90 m, 5,67,5 m. Ir más profundo que 1/12 compra rigidez a una penalidad pesada en longitud de braza y número de nodos; más poco que 1/16 fuerza los acordes en secciones cada vez más grandes y generalmente cuesta más acero, no menos.

El módulo de plan sigue la acumulación del techo. Un módulo de 36 m coincide con las extensiones estándar de la purlina y el revestimiento, mantiene las longitudes de las cuerdas económicas y limita el número de nodos. Hay un compromiso bien conocido: la reducción a la mitad del módulo duplica aproximadamente el número de nodos (y las horas del taller) mientras que el corte de los tamaños de miembros sólo modestamente, por lo que los propietarios deben tratar las propuestas con módulos por debajo de 2,5 m o por encima de 6 m con una solicitud de justificación.

Rango de profundidad práctico por extensión

Para las redes de doble capa, la profundidad estructural la distancia entre los planos de cordas superior y inferior es la palanca de tamaño único más poderosa. La práctica y la guía de diseño JGJ 7-2010 convergen en una relación profundidad-ampliación de 1/12 a 1/16 para las redes cuadradas y cercanas a la cuadrada, con relaciones inferiores a 1/16 reservadas para las redes de carga ligera o donde la desviación no es la restricción vinculante. Una cubierta de cuadradas de 60 m utiliza por lo tanto una profundidad nominal de 4.05.0 m, y la elección de profundidad debe bloquearse antes de comenzar el tamaño de los miembros, porque cambia las fuerzas de cordas, los ángulos de los nodos y todo el universo de detalles del taller.

Verificación de profundidad: h ≥ L/16 → 60 m de distancia; h ≥ 3,75 m mínimo; banda de diseño típica de 4,05,0 m (L/15 a L/12)

Dentro de la banda, el módulo sigue la profundidad: un módulo de 0,81.0 veces la profundidad es típico, por lo que una cuadrícula de 4,5 m de profundidad utiliza 3.64.5 m de células. La interacción entre la profundidad, el módulo y el recuento de nodos es donde la optimización de la cuadrícula realmente ocurre.

5. Control de la deflexión

JGJ 7-2010 limita la desviación del marco del espacio del techo a espano / 250 Cuando la red soporta un piso, plataformas mecánicas o particiones, aplicamos los límites más estrictos de espacio / 300 a espacio / 400 de GB 50017-2017 para las estructuras de piso. La deflexión rara vez es la comprobación de que los tamaños de los miembros en una red bien proporcional estabilidad es pero se vuelve controlante a profundidades muy poco profundas o cuando existen cantilevers largos.

Dos medidas prácticas cuestan casi nada y deben aparecer en cada especificación. Primero, especifique camber: fabricar la rejilla con un aumento preestablecido de 0.51.0 veces la desviación de la carga muerta lleva el techo terminado a un nivel o perfil ligeramente coronado. Segundo, decida el límite de soporte honestamente en el modelo: una rejilla asumió simplemente apoyado pero soldado a un anillo de borde rígido atraerá fuerzas el diseño nunca tuvo en cuenta, por lo general apareciendo como soldadura inesperada o estrés esférico en los nodos de límite.

6. Análisis del flujo de trabajo: SAP2000, MIDAS Gen y ANSYS

La secuencia de modelado a continuación es la que usamos para cada marco espacial, y se aplica con pequeñas variaciones en SAP2000, MIDAS Gen o ANSYS Mechanical.

1. Generación de geometría. Construir la cuadrícula a partir de la regla de topología (module, profundidad, límite). Compruebe los nodos duplicados, miembros cortos y conectividad nodo a nodo antes de aplicar cualquier carga.
2. Idealización de miembros y nodos. Los nodos de esfera boltada se muestran como miembros fijados (celosía) con fuerza axial solamente. Los nodos de esfera soldados se muestran como miembros continuos (beam) o como miembros fijados con rigidez de rotación en nodos pesados, coincidiendo con el tratamiento JGJ 7-2010 de los dos sistemas.
3. Cargas por GB 50009-2012. Muertos, impuestos, nieve/hielo, viento (incluida la succión en grandes techos planos), acciones térmicas (±30°C es una banda común) y sísmicas, con las combinaciones de carga de código aplicadas en los niveles ULS y SLS.
4. Análisis global. El análisis elástico de primer orden es generalmente suficiente para las redes profundas; para las conchas de red superficiales o delgadas, ejecuta el análisis de segundo orden (P-Δ) y la comprobación de perturbaciones requeridas por el JGJ 7-2010, con una imperfección geométrica inicial de span / 300.
5. Verificación de los miembros. Capacidad y estabilidad axial por GB 50017-2017, utilizando los límites de delgadez de la sección 3.
6. Verificación de nodos. Verifique cada esfera y perno con las fórmulas de capacidad de JGJ 7-2010 (tensión del perno φ f, rodamiento de esfera, rodamiento de cono/mancha).
7. Deflección y camber. Confirme la desviación de SLS contra el span / 250 y ajuste el camber de fabricación.
8. capa de verificación ANSYS. Para los nodos de alto uso, zonas de soporte y cualquier articulación con una consecuencia de falla, ejecute un modelo FE sólido o con cáscara para verificar las tensiones locales.

Dos hábitos de QA capturan la mayoría de los errores de modelado. Primero, suma las reacciones verticales y comparalas con las cargas aplicadas, incluyendo el peso propio de los miembros, nodos y revestimiento un desequilibrio de 510% es normal solo cuando el modelo lleva el peso del revestimiento; cualquier cosa más grande indica un defecto de conectividad. Segundo, revise los primeros diez modos de vibración: un modo dominado por un solo miembro indica un error de modelado, no una condición estructural.

7. Realidad de la fabricación y la erección

Un marco de espacio se gana o se pierde en la tolerancia de fabricación. Las longitudes de los miembros se mantienen a ±12 mm, los hilos de esfera se verifican con medidores, y preensamblamos cada bloque de red en el taller antes de la expedición para que las placas de cierre de campo y las esferas se verifiquen en las juntas de bloque. En el sitio, dominan tres métodos de erección: montaje de piezas pequeñas en el andamio completo para las redes pequeñas donde el costo del andamio es bajo; elevación de bloque con grúas móviles para las redes medianas; y elevación integral con conectores de hilo para las cubiertas grandes que abarcan las instalaciones existentes. Nuestro trabajo de fundición de carbón de larga duración, incluido el cobertizo cerrado de carbón de 229 m de luz entregado para Guodian Ningxia Fangjiazhuang, utiliza esquemas de elevación en etapas donde la red se monta a nivel del suelo y se coloca en posición en secuencia un método que es más rápido y seguro que trabajar a altura, pero que requiere que el modelo de diseño incluya todos los soportes temporales y cargas de carga de conexión.

Secuencia de validación de análisis

Un modelo de cuadrícula confiable es uno que se puede derivar de forma independiente. La secuencia de validación que aplicamos cubre tres capas: (1) una comprobación manual de una fuerza acorde representativa utilizando el área tributaria y la regla de profundidad a ancho, para detectar errores globales de modelado antes de que se propaguen; (2) una comparación de las reacciones de soporte con la carga total aplicada, cerrando el equilibrio de fuerza vertical a un 2%; y (3) un escaneo de las primeras cinco frecuencias naturales contra el espectro de respuesta viento y sísmica de diseño, confirmando la respuesta dinámica se captura donde importa el confort o los modos de deslizamiento de nieve.

Para los nodos de esfera hueca soldados, la verificación de elementos finitos comproba además la garganta de soldadura entre el extremo del miembro de la tubería y la cáscara de la esfera en la combinación de carga de gobierno, utilizando las fuerzas de miembro del modelo de marco. Esto cierra el bucle: las fuerzas de miembro que impulsan el tamaño también impulsan la verificación del nodo, y no se deja ningún cálculo a una tabla separada y desconectada.

Puntos clave

• El tipo de red sigue el plan y la condición de soporte. Las rejillas ortogonales bidireccionales son el estándar económico para los planos rectangulares; las redes diagonales endurecen los bordes; las redes tridireccionales son para extensiones superiores a 80 m y cargas de puntos pesados.
• La selección de nodos determina la velocidad de erección. Los nodos de esfera con bolta eliminan la soldadura de campo y se adaptan a los horarios de exportación y invierno; las esferas huecas soldadas llevan más fuerza en los soportes; los nodos de hub se adaptan a las redes de luz propietarias.
• Los límites de esplendor están fijados por código. JGJ 7-2010 Cláusula 5.1.4: 180 para miembros de compresión, 400 para miembros de tensión, 250 cuando la carga dinámica es directa.
• Proporción de profundidad a ancho de 1/12 a 1/16 con un módulo de 36 m, la mayoría de los techos se ubican en el rango eficiente de 4090 kg/m2 de acero de rejilla dependiendo de la estatura y la carga.
• La desviación se controla, no se persigue. span / 250 por JGJ 7-2010, más camber de fabricación de 0,51,0 veces la desviación de carga muerta.
• Verifique todos los nodos. La utilización de los miembros no significa nada hasta que se hayan comprobado las capacidades de la esfera, del tornillo y del cono y se hayan diseñado las cargas de carga de la erección (cobertura, soportes temporales).

Si su proyecto necesita un marco espacial sea de 40 m o 120 m de luz envíenos su plan, diseño de soporte y datos de carga. Contacte con nuestro equipo de ingeniería para iniciar la evaluación.