Diseño de las bases de la estructura de acero: placas de base, anclajes y camino de carga

Cada estructura de acero termina de la misma manera: como una serie de reacciones de columnas concentradas que llegan a una fundación que las extiende al suelo. Suena trivial, pero los problemas de fundación generan algunas de las reclamaciones más caras en la construcción de acero pernos de anclaje que no se ajustan a las columnas erigidas, bases que rocan bajo el levantamiento de viento, y asentamiento diferencial que inclina las rieles de grúa o las particiones. La mayoría de estos no son fallos geotécnicos; son fallos de interfaz, causados por el diseñador de acero y el diseñador de fundación que trabajan en diferentes dibujos con diferentes supuestos.

Esta guía está escrita para los propietarios de proyectos, ingenieros y contratistas generales que necesitan revisar o especificar el lado concreto de un edificio con estructura de acero: selección del sistema de fundación, diseño de la placa base y el perno de anclaje, los datos de investigación que los alimentan y los límites de liquidación que protegen el acero de arriba. GB 50007-2011 (Código de diseño de la fundación de edificios) y GB 50010 para el hormigón, GB 50017-2017 para la conexión de acero, y referencias cruzadas a la guía de diseño AISC 1 (Diseño de la placa base y la barra de anclaje) y a la práctica del Eurocódigo cuando se realicen ofertas internacionales de proyectos.

Tratamos la conexión acero-fundamento como una ruta de carga continua, porque así es como se comporta realmente, y así es como debe ser diseñado, detallado y comprobado.

1. Selección del sistema de fundación

Cuatro familias cubren las bases de los edificios de acero, y la lógica de selección se basa en la carga de las columnas, la presión del suelo y la liquidación, en ese orden.

Tipo de fundación	Aplicación típica	Conducción de la condición del suelo	Cuestión de gobierno
Pedaje aislado (pedada independiente)	Enmarcos de luz, cargas de columna ≤ 3000 kN, soportes de red	Suelos competentes en poca profundidad	Distancia entre columnas > 2,5× ancho de pie
Piso de la banda	Las líneas de pared, las pistas de las grúas, las columnas muy espaciadas	Las bandas de rodamiento estrechas, cargas de línea	Asentamiento diferencial longitudinal
Aleros y demás	Suelos débiles, aguas subterráneas altas, equipos pesados	Capacidad de carga baja en todo el sitio	Flexión de la alfombra, elevación hidrostática
Grupo de pilas (PHC o aburrido)	Depósitos blandos sobre el estrato competente	Estrato portante a más de 4–6 m de profundidad	Disposiciones de las pilas en grupos de anclaje

La plataforma aislada es el estándar para los marcos de portales de un solo piso porque las cargas son moderadas y tolerantes a los asentamientos. Una balsa o pilas aparecen cuando la capacidad de carga es baja, cuando el asentamiento gobierna, o cuando el plan es tan denso que las almohadillas se superponen. Las bases de las tiras se adaptan a los miembros longitudinales de la pista de aterrizaje de la grúa y a las largas líneas de pared, donde la carga de la línea es continua y el pieza se duplica como un rayo distribuyendo las reacciones de columna de manera uniforme.

Fundamentos y pilas de tapón: cuando la lógica cambia

Cuando las cargas de las columnas superan aproximadamente 3.0004.000 kN o el espacio entre las columnas cae por debajo de unos 6 m para que las bases comiencen a superponerse de forma planificada, un fundación de balsas (mat) distribuye la carga y elimina el problema de la diferenciación de las bases adyacentes a costa de una losa gruesa; la balsa necesita un análisis de la situación al menos tan cuidadoso como la base aislada, ya que su rigidez flexionaria y el perfil de rodamiento del suelo interactúan en todo el plano. de acoplamiento Se vuelve más barato que la excavación y reemplazo: pilas de fundición aburridas en su lugar con un diámetro de 500800 mm hasta el estrato de rodamiento, con el momento de la columna de acero transferido a través de una tapa de pila de uno a cuatro pilas. La tapa de pila es entonces otra interfaz de acero a hormigón: la placa base y el grupo de anclaje se envuelven en la tapa exactamente como en un pieza aislada, y el grosor de la tapa de pila (6001,200 mm típicamente) se establece por el embebedimiento de anclaje y el perímetro de punción de las pilas, no solo por la tensión aplicada.

El mantenimiento de las pilas de hoja y la interfaz de excavación

Cuando la estructura se encuentra por debajo del nivel de acabado o adyacente a un edificio existente, el diseño de la fundación se extiende a las obras temporales: muros de contención de hojas o muros de contención de soldados, pozos de desagüe, y el vínculo bidireccional entre el soporte de excavación y el Permanent Steel Structure. La falla clásica de la interfaz es la plantilla de perforación del bucle de anclaje fijada en el eje de diseño mientras que la pared de contención limita la posición real de la columna la razón por la que especificamos un estudio de datos de la plantilla de anclaje después de que la excavación esté completa y antes de que se establezca la placa base. La excavación también admite la transferencia de cargas de recarga al suelo inferior, por lo que el cálculo geotécnico debe incluir la recarga temporal de grúas y reservas de material alrededor del perímetro de excavación, y la redacción de la seguridad del factor de retención debe ser parte del documento de diseño de la licitación en lugar de los documentos de riesgo privados de un contratista.

2. El camino de carga del acero al hormigón

Un modelo mental aclara cada detalle de base: la reacción de columna se divide en tres flujos independientes, y cada flujo debe tener una cadena continua desde el acero hasta el suelo.

• Compresión por eje fluye desde la sección de la columna hacia la placa base, a través de la plataforma de grúa, hacia el pedestal y el pilar de hormigón, y se extiende por el suelo. Los controles de diseño son la tensión de rodamiento entre la placa y el grueso (capacidad de rodamiento de hormigón de alrededor de 0,851,0 × resistencia de diseño), el grosor de la placa (doblamiento del clavo entre los tornillos y la telaraña) y la presión del suelo.
• Un momento . La placa debe ser lo suficientemente rígida como para distribuir las fuerzas del tornillo sin necesidad excesiva de exigir; los tornillos de anclaje deben estar incrustados lo suficientemente lejos como para movilizar su tensión en el hormigón (2535 diámetros de tornillo incrustado con una cabeza o placa de anclaje).
• Deshecho horizontal Es el camino más comúnmente sub-diseñado. Se lleva en gran parte por fricción entre la placa base y la gruta un factor de fricción de diseño de 0.350.45 de la carga axial es estándar y cualquier cosa más allá de la fricción disponible debe tomarse por una llave de corte (un corto estubre soldado incrustado en el hormigón) o por los pernos en el rodamiento contra la placa. Dependir de la sola cortadora de tornos para grandes cortadoras de base es un error; una llave de corte de 150200 mm es más barata y más confiable.

Para una columna de marco de portal típica que lleva 1.800 kN axial más un modesto momento de base, el paquete del practicante es una placa base de 500×500 mm, de 3035 mm de espesor, con cuatro pernos de anclaje M30; el grudo es 4050 mm de grudo cementício no encogido colocado después de alinear la columna. Cada dimensión en ese paquete tamaño de placa, grosor, tamaño de perno, profundidad de grudo es una salida verificada de la ruta de carga arriba, no un detalle estándar de la memoria.

El Cheque de Excentricidad Cada diseño debe pasar

Una vez que se conoce el perfil de reacción de la columna, la base se mide por dos desigualdades: la presión del suelo bajo la carga axial combinada, el momento y el peso propio deben permanecer dentro de la presión de rodamiento permitida, y la carga resultante debe permanecer dentro del núcleo del pilar para que no se desarrolle tensión debajo de la base.

e = M/N ≤ B/6 para un pie rectangular (sin elevación), o bien el área mínima de rodamiento A ≥ 2N / (3·σ)_{a) el}·(B/2 − e)) con σ_{a) el} la presión de suelo permitida

Cuando el viento y el levantamiento sísmico dominan la bahía hacia el viento de un marco de portal en una región de tifón, o una columna alta en viento fuerte el pie debe estar proporcionado de manera que la fuerza de levantamiento multiplica sus equilibrios de palanca contra el pie y sobrepese su propio peso con el factor de seguridad parcial. Este es el caso que convierte los pernos de ancla en detalle en diseño, y casi siempre es el caso que decide la longitud del ancla y el grosor de la placa base.

3. Grupos de anclaje de boltos: tensión, elevación y tolerancia a la construcción

El diseño del perno de anclaje tiene tres partes: capacidad estructural, capacidad de ruptura de concreto y tolerancia a la erección.

Las pruebas estructurales y de ruptura. El grupo de perforación se verifica en la combinación factorizada con elevación máxima. Para un marco de portal ligero con una bahía de 12 m y una absorción de techo factorizada de 0,9 kN/m2, la columna hacia el viento puede ver 150300 kN de elevación el grupo de perforación debe llevar esto en tensión, y el hormigón alrededor de cada perforación debe resistir el cono de ruptura correspondiente. Por GB 50010 para los anclajes en tensión y las comprobaciones de cono de estilo ACI 318 en la práctica internacional, el embebimiento, la distancia de borde y el espacio de grupo controlan la capacidad de ruptura mucho más que el propio perforación. Orientación y detalles de fundición: la plantilla del marco de anclaje (un modelo de construcción de taller que sostiene el perforación) no es opcional es la única manera de mantener ±23 mm de perforación en un gran, y evita el problema de alinear directamente las posiciones de los columnas clásicos con sus posiciones de fundación.

Causes de robo. Cada techo con una absorción significativa techos industriales ligeros, grandes dosellas, cubiertas de estadios debe comprobarse con el modelo de marco bajo elevación de viento, porque el diseño de la funda de anclaje de gobierno a menudo se eleva con carga muerta mínima, no gravedad máxima. Siempre ejecutamos las dos combinaciones de límite y diseñamos el grupo de perforación para lo peor.

4. Investigación de terreno: SPT, CPT y lo que necesita el diseñador

Ningún diseño de fundación debe comenzar sin un informe de investigación del sitio, y la GB 50007-2011 es explícita sobre el programa de investigación en la fase de diseño detallado: agujeros a 1530 m de distancia (menos cuando la geología es uniforme), con una profundidad que se extiende hasta el estrato competente o 0,51,0 veces el ancho de base esperado por debajo del nivel de fundación, según sea más profundo. Las dos pruebas in situ que más importan son la prueba de penetración estándar (SPT), que da N-valores utilizados con correlaciones empíricas para estimar la presión de rodamiento y los módulos del suelo permisibles, y la prueba de penetración del cono (CPT), que da resistencia continua a las puntas q_{c) El} y fricción de las mangas f_{de la} que resuelven las delgadas capas que el SPT perderá.

Para los pies de extensión, las arenas medianas con SPT N = 1525 típicamente indican presiones de rodamiento permitidas en la banda de 150250 kPa antes de la corrección de profundidad y ancho; las arcillas rígidas se rigen por la resistencia no drenada en lugar de N. La hoja que el ingeniero geotécnico debe entregar al diseñador de acero contiene tres números por capa: la presión de rodamiento permitida, el módulo utilizado para el análisis de asentamiento y el nivel de agua subterránea, más el nivel de fundación recomendado. Si falta alguno de los tres, el diseño de la fundación se basa en suposiciones, que es una decisión de asignación de riesgos que el propietario debe tomar conscientemente en lugar de por accidente.

Los resultados de la investigación en tierra

Un edificio de acero es tan bueno como el informe de suelo que se encuentra debajo de él, y el informe debe leerse para el diseño de la fundación, no para información general. Los resultados que mueven el diseño: pruebas de penetración de cono (CPT) cada 2530 m de huella en suelo variable a intervalos de profundidad de 1.52.0 m, SPT cuenta el soplo por debajo de la zona de rodamiento hasta la profundidad de influencia (generalmente de 1,5 a 2 veces la anchura del pie), el nivel de las aguas subterráneas registrado en las estaciones más secas y húmedas con un período de observación piezometro, y muestras no perturbadas para pruebas de compresión donde gobierna el asentamiento (algarras blandas y sedas).

• La capacidad de carga proviene de valores N de SPT o resistencia a la punta CPT, correlacionados a través de las correlaciones de código aplicables y nunca extrapolados más allá del perfil recogido en la muestra.
• La solución se realiza a partir de la curva del odómetro de las arcillas representativas; cuando el agua subterránea es alta, se utiliza el peso unitario flotante y se confirma la viabilidad del plan de desaguamiento de la excavación.
• La corrosividad de las aguas subterráneas contra el acero de anclaje (sulfato, cloruro, pH) determina si se especifican anclajes galvanizados, revestidos o revestidos con epoxia.
• El informe indica que la tabla de aguas subterráneas utilizada para el levantamiento de diseño verifica el número que mide el podio y las fundaciones de grado inferior contra la flotación.

5. La liquidación diferencial y el límite de 1/500

Los marcos de acero toleran un asentamiento uniforme casi perfectamente todo el edificio se mueve juntos y la estructura apenas se nota. liquidación diferencial que daña edificios de acero, por tres mecanismos: las columnas se inclinan e introducen una curva involuntaria en el marco; los grupos de anclaje en el lado inferior recogen el corte inverso; y los rieles de grúa pierden su alineación, que es lo primero que los operadores notan y lo último que aceptan.

GB 50007-2011 La tabla 5.3.4 limita el nivel diferencial entre columnas adyacentes de estructuras de marco a 0,002 L para suelos normales (no muy compresibles) , lo que es el límite de 1/500 que cotiza esta industria. En el espacio común de 6 m de columna, 1/500 permite 12 mm de movimiento diferencial entre los fondos adyacentes; en el espacio de 12 m de cuadrícula, 24 mm. El número importa porque es pequeño: un diseño que prediga un asentamiento diferencial más debe cambiar el sistema de fundación, la mejora del suelo o el espacio de columna antes de la licitación del edificio, no después.

Los edificios de grúas son aún más estrictos. La tolerancia de alineación a nivel de ferrocarril del orden de 1/1,000 de la franja y unos pocos milímetros de compensación lateral por soporte son límites comunes del fabricante de grúas, por lo que las fundaciones de la construcción de grúas son casi siempre controladas por la verificación de la liquidación en lugar de la verificación del rodamiento.

Lo que significa el límite de 1/500 en el costo

El límite de diferencia de liquidación de 1/500 del espacio entre columnas (GB 50007-2011, tabla 5.3.4 para estructuras de marcos, que es la referencia habitual para el portal de acero y los marcos de varios pisos) se traduce en 20 mm en una bahía de 10 m. El marco de acero en sí mismo tolera mucho más marcos de portal viajan rutinariamente 3050 mm de diferencia con solo ajuste de ranura de perforación pero los paneles de revestimiento, puertas correderas, rieles de grúa y el envolvente del edificio no lo hacen, y el número de 1/500 se establece para ellos. La consecuencia es práctica: las vías de puertas correderas montadas en resorte, los paquetes de ajuste de rieles de grúa y las juntas de revestimiento con 2030 mm de movimiento planeado son más baratas que un programa de improvisación de suelo, y decidir cuál toma el proyecto es una conversación geotécnica, no un camino estructural.

6. Agua subterránea, durabilidad y corrosión del acero incorporado

El agua subterránea cambia el problema de la fundación en dos direcciones. Durante la construcción, un nivel de agua a 12 m por debajo del nivel de excavación significa desagua, y para balsas poco profundas la estructura terminada debe verificarse contra el levantamiento hidrostático con peso vacío.

La protección de acero incrustada y enterrada sigue una jerarquía simple. Los pernos de anclaje están completamente protegidos por una cubierta de hormigón (4050 mm mínimo para entornos agresivos por GB 50010 clases ambientales) y nunca necesitan pintura lo que necesitan es un agujero que es denso y no se contrae, porque los vacíos de agujero crean la célula de oxígeno y humedad que corroe el acero incrustada. La parte expuesta de las placas y columnas de base por encima de la línea de la losa normalmente recibe el sistema anti-corrosión estándar del edificio (primario rico en zinc más epoxi, por ISO 12944 para la corrosividad relevante), y en las categorías costeras o industriales agresivas el diseñador extiende el detalle de protección explícitamente a través de la línea de aguas subterráneas el punto donde el acero pasa de protegido al servicio expuesto donde es más común la ruptura de la interfaz.

El grueto y el detalle de la corrosión de la interfaz

La interfaz acero-béton es el detalle en el que se ganan o pierden las bases. La placa base se encuentra en un lecho de 2550 mm de grúa de grúa cimentaria de alta resistencia no contraída (forza de compresión típicamente 6080 N/mm2), la placa está sellada alrededor de su perímetro cuando está expuesta, y los tornillos de anclaje están protegidos a través de la longitud expuesta con la misma clase de revestimiento que el acero de conexión. Cuando el ambiente es agresivo contacto industrial, costero o terrestre la columna se eleva por encima del piso terminado o se envuelve con una barrera de corrosión, porque la parte inferior de la placa base es el acero más frío, húmedo, menos inspeccionado en el edificio. El agua que se encuentra en una línea de anclaje de la placa base es el agua que llegará a la línea de anclaje, y la especificación no debe suponer que va a ser, espero que no.

Puntos clave

• La selección de la fundación se basa en la carga, el rodamiento y la liquidación en ese orden. almohadillas aisladas para marcos ligeros, fundamentos de tiras para paredes y líneas de grúas, balsas para suelo débil y elevación, montones para depósitos blandos profundos.
• Diseñar la ruta de carga en tres flujos: eje en rodamiento, momento en un par de tensión de tornillo/compresión de hormigón, y corte a través de la fricción más una llave de corte cuando la fricción se agota.
• Los pernos de anclaje son un paquete: La capacidad estructural, la ruptura de concreto y una plantilla construida en un taller que contenga posiciones de ±23 mm forman parte del mismo detalle.
• El levantamiento de viento a menudo gobierna el grupo de anclaje. Verifique la elevación máxima con carga muerta mínima; para los techos ligeros este es el caso de unión, no la gravedad.
• El límite de liquidación es 1/500 entre columnas adyacentes (GB 50007-2011), más apretado para edificios de grúas los datos geotécnicos deberán requerir parámetros de liquidación, no sólo de capacidad de carga.
• Las aguas subterráneas y la durabilidad son decisiones de interfaz. La cubierta de hormigón protege el acero incrustado; una gruesa gruta no encogida y una transición adecuada del revestimiento protegen el límite entre el expuesto y el incrustado.

Si usted está informando la investigación geotécnica de un edificio de acero, o revisando un diseño de la fundación contra nuestro paquete de acero, nuestro equipo de ingeniería puede proporcionar las reacciones de columna, la placa base y la disposición de anclaje, y los límites de liquidación que el diseño de la fundación debe cumplir. Contacte con nuestro equipo de ingeniería para un paquete estructural coordinado.