GAC Nuevo aumento de la capacidad de producción de energía
Un taller de montaje y proceso de vehículos eléctricos de 85.000 m2 abarcado por una red plana de pirámide cuadrada ortogonales de doble capa diseñada, fabricada y erigida por Jiangsu Permanent Steel Structure Co., Ltd. con un sistema de unión de esfera híbrida a perforación y soldadura.
Una fábrica de tamaño para una ampliación de la producción no para un techo
Este proyecto es una expansión de la capacidad de producción para uno de los principales fabricantes de vehículos de nueva energía (NEV) de China. Cuando una marca EV escala de decenas de miles a cientos de miles de unidades al año, la restricción rara vez es la línea de montaje es el edificio que la contiene. Toda la instalación de 85.000 m2 es el suelo de la carrocería, las calas de integración de baterías, las líneas de montaje finales y los mezzanines de soporte de procesos se encuentra bajo una sola estructura continua de techo: una red plana ortogonales cuadrada-pirámida de doble capa que abarca todo el ancho de las calas de producción sin columnas intermedias.
El alcance de Permanent Steel cubría toda la cadena de ingeniería: análisis estructural y diseño de conexiones, fabricación de todos los miembros y nodos de la red en nuestra base de fabricación de Xuzhou, tratamiento de superficie, ensayo de montaje, transporte al sitio y construcción del sistema estructural completo. El cliente y los consultores recibieron una contraparte responsable de la siderurgia no una cadena de subcontratistas que desviaban cada una la responsabilidad a la siguiente. Este modelo de responsabilidad única es la razón por la que el proyecto mantuvo su programa estructural mientras los paquetes de servicios civiles y de servicios circundantes se movían en paralelo.
El proyecto de construcción fue inusualmente exigente precisamente porque el edificio es ordinario. Una planta de vehículos eléctricos del siglo XXI es una máquina justo a tiempo: cada metro cuadrado de piso debe ser utilizable, cada ubicación de columna es un conflicto con una célula robótica, una ruta AGV o una columna superior. El cliente especificó por lo tanto el máximo espacio libre, la máxima flexibilidad del piso y la velocidad máxima de recinto. Una red de doble capa cumplió con los tres; este estudio de caso explica cómo y por qué la estrategia conjunta importaba tanto como la geometría.
Por qué una fábrica de vehículos eléctricos no puede tolerar una cuadrícula de columnas
Los edificios convencionales de fábricas de portales de acero se basan en una cuadrícula de columnas a 7,512 m de altura. Esta geometría es perfectamente adecuada para almacenes y cobertizos de montaje discretos.
- Los diseños de robots y herramientas siguen líneas de producto, no líneas de columna. Las células de soldadura de un carrocería se colocan para una plataforma de automóvil específica; cuando la plataforma cambia, la herramienta se mueve y las columnas no. Cada obstrucción cuesta la ingeniería de nuevo diseño y la pérdida de rendimiento.
- Los corredores de transporte y transporte necesitan bandas ininterrumpidas. Los vehículos guiados automáticos, los skillets y los transportistas sin energía y sin energía ocupan continuamente las tiras de suelo.
- Los servicios aéreos son densos. Las barras de autobús, las redes de aire comprimido, los retiros de líquido de refrigeración, los conductos de ventilación, los encabezados de la supresión de incendios y las corrientes de iluminación quieren seguir rutas rectas y predecibles.
- Las mejoras de capacidad no deben requerir cirugía estructural. Se espera que la estructura del techo de una planta de vehículos eléctricos sobreviva a tres o cuatro generaciones de vehículos.
- El rendimiento del control ambiental. Las zonas de pintura de cuerpo en blanco y de montaje de baterías requieren una temperatura estable, humedad controlada y filtración de aire limpio.
Estos son argumentos de ingeniería de producción, y decidieron el sistema estructural antes de que se ordenara cualquier acero. Para una anchura de la bahía en la clase de 3060 m con claridad de altura completa debajo, la red plana de doble capa es la solución de acero más económica disponible en las normas de fabricación chinas más material eficiente que las celosías en este número de nodos, más rápido de erigir que las celosías soldadas en el sitio, y inherentemente redundante porque la carga puede redistribuirse a través de dos direcciones ortogonales de los miembros.
La red plana de doble capa: el caballo de trabajo de los techos industriales de gran luz
Una cuadrícula plana de doble capa es una celosía tridimensional en la que todos los miembros se encuentran en uno de dos planos paralelos el plano de acordes superior y el plano de acordes inferior conectados diagonalmente entre ellos. El resultado se comporta como una placa muy profunda: la flexión se lleva principalmente por los planos de acordes que actúan en tensión y compresión, mientras que las diagonales transferen el corte entre ellos. Debido a que los dos planos de acordes están separados por la profundidad de la cuadrícula (generalmente 1/12 a 1/18 del espacio en esta clase de edificios), la estructura es muchas veces más rígida que un marco de plano de una sola capa del mismo peso.
Por qué ganó la comparación para este sitio
- Contra el marco del portal: Las conexiones de momento del portal son de gran necesidad de fabricación y su alcance práctico está limitado por la profundidad de los miembros y el espacio de la grúa.
- Contra el trasero del avión: La red transporta carga en dos direcciones, por lo que los miembros críticos son más pequeños, el daño local o la sobrecarga se redistribuye, y el patrón bidireccional permite diseños de soporte equilibrados que una celosía no puede explotar.
- Contra el marco espacial con geometría compleja: Una cuadrícula ortogonale mantiene las coordenadas de los nodos en una red matemática regular. Esa regularidad es la diferencia entre una estructura que puede ser optimizada numéricamente en horas y una que consume semanas de clasificación geométrica y es decisiva para la repetibilidad de fabricación.
La configuración ortogonal de la pirámide cuadrada (cuatro pirámides) se especificó porque es la forma de cuadrícula bidireccional más uniforme y repetitiva: el módulo estándar se puede repetir en ambas direcciones del plan con miembros idénticos o casi idénticos, lo que comprime el tiempo de ingeniería, la configuración de herramientas en el taller y el inventario de piezas únicas.
La configuración ortogonal de la pirámide cuadrada, explicada
Imagina la rejilla como una tabla de ajedrez. En cada cuadrado de la tabla se forma una pirámide: su base es un cuadrado de cuerda inferior, su ápice se eleva al plano de cuerda superior donde se une por miembros de cuerda superior a los cuatro ápices vecinos. Las diagonales que van desde el ápice hasta las cuatro esquinas de la base completan cada célula de la pirámide. Zhengfang Sizhuijiao, la pirámide de cuatro ángulos positivo).
Tres propiedades estructurales hacen que este patrón sea ideal para un piso de fabricación de 85.000 m2:
- Distribución bidireccional de la carga. Una carga aplicada en cualquier nodo fluye hacia los soportes a través de ambas familias ortogonales de líneas de cuadrícula.
- Hieraquía uniforme de miembros. En una cuadrícula ortogonala optimizada, los tamaños de miembros de acordes siguen un gradiente suave desde la mitad del rango hasta el soporte, y los tamaños diagonales varían en una banda estrecha.
- Descargo inherente. El patrón bidireccional proporciona caminos de carga alternativos. Si un solo miembro es dentado por un montacargas o se encuentra un defecto de soldadura en la inspección, la red redistribuye alrededor del daño sin colapso progresivo una propiedad de resistencia que los sistemas de una sola dirección no pueden ofrecer en el mismo nivel.
El diseño se llevó a cabo según el estándar chino de diseño de estructuras de acero GB 50017 con acciones sísmicas y de viento por GB 50011 y GB 50009, utilizando un análisis tridimensional completo en lugar de modelos de marcos idealizados. Se explicaron directamente las excéntricidades de los nodos, la delgadez de los miembros en la compresión y los efectos de segundo orden; las columnas de soporte fueron modeladas con la red como un sistema acoplado de modo que la rigidez real del diafragma del techo influyó en el comportamiento del portal de las columnas, no al revés.
¿Por qué se juntan esferas híbridas con pernos y soldas y por qué es la respuesta honesta?
Muchos techos de red se comercializan como bolted o welded como si las dos fueran ideologías.
El bolsado conjunto de esferas
Un nodo de esfera rotada es una esfera de acero rotada por máquina con agujeros perforados y tapados en sus caras. Los miembros terminan en el extremo del nodo en un conector cónico (un accesorio de llave de corte) que se conecta con la esfera con tornillos de alta resistencia (grado 8.8 o 10.9). La conexión se ensambla en minutos con una llave de par, no requiere trabajo caliente en el lugar y puede ser totalmente controlada de calidad por par medible del tornillo en lugar de por la habilidad del soldador. En este proyecto, se utilizaron nodos con perforación para la gran mayoría de las conexiones los miembros internos de carga media que dominan el número de miembros de una cuadrícula.
La economía del soldado es convincente en volumen: soldar un nodo esférico en el sitio requiere posicionar el miembro, acoplamiento, múltiples pasos de esfuerzo calificado del soldador, inspección NDT y riesgo de retorno. Un nodo soldado en el mismo miembro se instala en menos de un quinto del tiempo de trabajo y con cero consumibles de soldado. En una red de 85.000 m2 con decenas de miles de juntas, esa diferencia se mide en meses de programa de erección y una operación de soldado a prueba de viento y lluvia es mucho menos sensible al clima que la soldadura en el sitio.
El conjunto de esferas soldadas
La esfera soldada es el clásico nodo chino de estructura espacial desarrollado por primera vez en la década de 1960 precisamente para redes de este tipo: los miembros tubulares se cortan en perfil y se soldan en un caparazón de esfera hueca. Su ventaja es la capacidad de conexión un nodo soldado puede aceptar fuerzas miembros sustancialmente más altas en todas direcciones que un nodo boltado práctico, ya que la capacidad del nodo boltado es limitada por la geometría del grupo del bolt, el compromiso de hilo de esfera y la precisión de forja de ajuste de los conectores.
En este proyecto, se especificaron los nodos soldados dondequiera que las fuerzas miembros se sentaran por encima del dominio eficiente del nodo envuelto:
- en las zonas de alta tensión adyacentes a las columnas de soporte, donde las fuerzas de acorde alcanzan su punto máximo;
- alrededor de puntos de carga concentrados plataformas de plantas en techos, puntos de suspensión de equipos pesados y líneas de integración de gruas y pistas de aterrizaje;
- en los detalles de conexión columna-red cuando un nodo soldado transfiera una fuerza más limpia a la tapa de la columna;
- en las zonas de borde y esquina donde las fuerzas asimétricas de los miembros sobrecargarían el patrón de perforación más conveniente.
Optimización de costes sin perder la redundancia
La estrategia híbrida es una optimización directa de costos frente a la robustez, y funciona porque los dos tipos de articulaciones fallan de manera diferente. Una conexión con perforación muestra un deslizamiento medible antes de la carga final y se comporta semirrigidamente; una conexión soldada es rígida hasta la fractura. Colocar las articulaciones soldadas en las vías de carga más calientes y las articulaciones con perforación en la red de distribución significa que la rigidez general de la estructura se rige donde importa (el esqueleto de alta fuerza), mientras que la gran población de articulaciones ordinarias sigue siendo rápida, económica y reemplazable en el campo. Si un nodo con perforación se daña, puede ser desbolado y intercambiado sin cortar. Esta capacidad de mantenimiento es realmente valiosa en un edificio de producción que no puede pausar para cirugía.
La regla de diseño que aplicamos fue simple y defendible: parabolos donde los sujetadores puedan transportar el envoltorio de fuerzas con reserva; soldadura donde no pueden. Cuando ambos eran aceptables, la solución de perforación ganó en el programa y el costo total. El resultado es un sistema híbrido cuya redundancia es estrictamente mayor que cualquiera de los sistemas uniformes, porque una falla en la población de perforación es ductile y local, mientras que el esqueleto soldado mantiene la coherencia de la red general.
Desde el taller de Xuzhou hasta la estructura de espacio claro: cómo fue construida
Cada miembro, esfera y conector para esta red se produjo en la propia base de fabricación de Permanent Steel en Xuzhou, un sitio de 300 mu equipado para la escala que este proyecto exigía. El flujo de líneas se organizó de manera que los miembros de la cuerda, las diagonales, las esferas, los conectores y las placas finales se movieran a través del corte CNC, la perforación de agujeros, la explosión de disparos y la preparación sin retroceso.
Control de fabricación
- Acero: las secciones y placas huecas estructurales de grado Q355B se adquirieron con certificados de molino (equivalentes a la norma EN 10204 3.1) y se etiquetaron con código por pieza, de modo que cada miembro puede ser rastreado a sus resultados de ensayos térmicos y mecánicos.
- Esferas: Las esferas de soldadura se fabricaron a partir de hemisferios prensados con soldadura de circunferencia de penetración completa sometida a pruebas de ultrasonido del 100%.
- Preparación final de los miembros: los accesorios de extremo diagonales y los accesorios de extremo de miembro soldados se cortaron mediante CNC con bises controlados numéricamente, eliminando la variación manual de corte de llama que socava el ajuste de campo.
- Explosiones de disparos y primeras: todas las superficies fueron limpiadas a Sa 2.5 y preparadas antes de la expedición, con la especificación del revestimiento verificada por el indicador DFT en una muestra estadística por lote.
Ensayo de ensayo
Antes de la fabricación en masa, las bahías representativas incluyendo módulos de esquina, módulos de soporte y módulos interiores típicos fueron ensambladas en el taller en un piso fuerte encuestado. Las coordenadas de los nodos se verificaron con el modelo, y el ajuste del tornillo se verificó con los conectores reales. El ensamblaje de prueba sirvió como la puerta de calidad que desarriccaba cada módulo posterior: los problemas de clasificación geométrica y ajuste del tornillo se encontraron en Xuzhou, donde costaron días, en lugar de en el sitio, donde habrían costado semanas.
Secuencia de erección
Cuando el acceso al sitio, la construcción de la fundación y el suelo de la grúa permitían, la red se erigió en bloques construidos en tiendas: grupos de módulos ensamblados en el suelo con tornillos tensionados permanentemente, luego levantados como unidades rígidas sobre las columnas de soporte y conectados a un alto nivel. Los bloques se reconciliaron dimensionalmente contra el control de la encuesta antes de levantar; los tipos de estabilización temporal se liberaron solo después de que se hicieron las conexiones de bloques adyacentes. La regularidad bidireccional de la configuración de la pirámide ortogonales hizo predecibles los límites de los bloques, por lo que cada geometría de levantamiento y reacción de soporte temporal se calculaban con anticipación en lugar de improvisarse.
El estiramiento de pernos de alta resistencia se realizó en un orden definido desde el centro de cada bloque hacia afuera, con control de par verificado por llaves calibradas y una tasa de muestreo de campo por encima del mínimo de código. Las soldadas en el sitio en las zonas de nodos soldados fueron realizadas por soldadores certificados, inspeccionados por MPI o UT según la especificación, y reconciliados con los registros de soldadura fabricados de miembros en un único registro NDT un archivo que cubría cada soldadura, dentro y fuera de la estructura.
El cumplimiento del código, la capacidad de servicio y las cargas que realmente importaron
Un techo de fábrica se juzga por la desviación y durabilidad más que por la resistencia una red que es fuerte pero se desliza de manera medible romperá su revestimiento, atará sus puertas rodantes y alarmará a los ingenieros de proceso.
- Deflexión: la rejilla se proporcionó de modo que la desviación de vida y muerte permanezca dentro del límite de código para esta clase de duración, con una pre-camera adicional incorporada en el plano de acorde inferior para que el soffit terminado aparezca en nivel bajo carga muerta la expectativa estética de una sala de procesos donde los servicios suspendidos siguen un dato de nivel.
- Viento: se evaluaron la elevación y la aspiración en un plano de techo plano de gran superficie por GB 50009 con parámetros de viento regionales; se comprobaron las conexiones de perforación de los pernos críticos para la elevación para determinar la capacidad de la conexión para transportar tensión y corte, y se proporcionaron detalles de anclaje/capuchón de columna para la elevación neta en el perímetro.
- Seísmica: La redundancia de la red bidireccional se traduce directamente en un comportamiento sísmico favorable muchos miembros iguales y conexiones ductiles permiten la disipación de energía en toda la estructura en lugar de la concentración en unas cuantas bisagras de plástico.
- Movimiento térmico: se colocaron disposiciones de ampliación en los soportes del perímetro con rodamientos deslizantes y detalles guiados, de modo que una extensión de techo de más de 200 m respire térmicamente sin bloquear las tensiones internas en la red o en el revestimiento.
- Fuego: los miembros del techo reciben tratamiento de resistencia al fuego en las zonas críticas según la clasificación del código de construcción de la ocupación, con la especificación del revestimiento seleccionada para la adhesión en acero encasillado limpiado a gran velocidad.
La finalización estructural se verificó mediante encuestas independientes contra el modelo de diseño: coordenadas de nodos dentro de la tolerancia, camber confirmada después de despropping, y la red terminada que no muestra diferenciales de liquidación medibles a través de las líneas de soporte tres meses después de la finalización el final de la historia de cada techo de gran luz entregado por un equipo que mantiene sus propios registros de erección como evidencia, no como una reflexión posterior.
Los sistemas detrás de esta estructura
Este proyecto es una aplicación de la línea de tecnología de la rejilla espacial de Permanent Steel. Si su plan de instalaciones plantea las mismas preguntas hasta dónde puede alcanzar el techo, qué sistema conjunto se adapta a mis cargas, qué tan rápido puede aterrizar el acero en el sitio las siguientes páginas documentan la tecnología subyacente y las capacidades adyacentes:
- Las estructuras de la red de esferas con bolsas el sistema conjunto que dominó este proyecto, con capacidad, tolerancia y racionalidad de ensamblaje en el campo.
- Sistemas de construcción industrial envuelo, grúa e integración de procesos para grandes instalaciones de fabricación.
- Techo y envoltura de metal las capas de revestimiento y techado que convierten la red en un edificio útil.
- Taller de montaje de camiones pesados Sinotruk una red de doble capa de 77.000 m2 comparable que sirve a un proceso industrial diferente.
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