Что такое портальное здание со стальным каркасом
Портальное здание со стальным каркасом представляет собой одноэтажную или малоэтажную конструкцию, построенную на жестких стальных рамах в форме перевернутой буквы «U» или портала. Каждый каркас состоит из двух вертикальных колонн и горизонтального или наклонного стропила, соединенного по углам моментными соединениями, называемыми коленными соединениями. Это жесткое соединение на карнизе и вершине позволяет каркасу воспринимать как вертикальные нагрузки, так и боковые ветровые или сейсмические нагрузки, не опираясь на внутренние несущие стены. Поскольку каркас сам выполняет структурную работу, здания с портальным каркасом могут иметь длину от 20 до 100 метров без колонн, поэтому они доминируют над складами, мастерскими, авиационными ангарами, сельскохозяйственными сараями и спортивными аренами.
Определяющей особенностью, которая отличает портальную раму от простой стоечно-балочной стальной конструкции, является жесткое соединение. В стандартной системе балка-колонна соединение ведет себя как шарнир, и изгибающие моменты не распределяются между балкой и колонной. В портальной раме опорный кронштейн непрерывно передает изгибающий момент через угол, поэтому колонны и стропила действуют как один непрерывный конструктивный элемент. Именно это придает зданиям с портальным каркасом длинные светлые пролеты и относительно легкий вес стали на квадратный метр.
Каждое портальное здание со стальным каркасом, независимо от его размера и назначения, собирается из единого набора деталей. Понимание каждого компонента помогает покупателям читать структурные чертежи и сравнивать предложения разных производителей на равных условиях.
Основная рама
Колонны и стропила изготавливаются из горячекатаных двутавровых балок или сварных двутавров. Стропила обычно имеют переменную глубину: от глубокого выступа у карниза до более мелкой в середине пролета для экономии веса стали.
Прогоны и пояса
Холодноформованные секции C или Z, расположенные на расстоянии от 1,2 до 1,8 метра друг от друга, поддерживают настил крыши и обшивку стен, передавая нагрузки обратно на основную раму.
Брекет-система
Поперечная или портальная связь в плоскости крыши и торцевых стен, противостоящая продольным ветровым нагрузкам и сохраняющая устойчивость каркаса по длине.
Опорные пластины и анкерные болты
Стальные пластины, приваренные к основанию колонны и прикрепленные к бетонному фундаменту анкерными болтами, передают реакции колонны на фундамент.
Облицовка крыши и стен
Профилированные стальные листы, сэндвич-панели или изолированные композитные панели, прикрепленные к прогонам и балкам для ограждения ограждающей конструкции здания.
Крановые балки
Дополнительные кронштейны или кронштейны на колонне для поддержки мостовых кранов в промышленных и производственных зданиях.
Почему портальные здания со стальным каркасом предпочтительнее других конструкций
По сравнению с железобетонными каркасами или традиционной каменной конструкцией портальная стальная рама предлагает сочетание скорости, пролета и экономической эффективности, которое трудно сравнить с большими одноэтажными ограждениями.
- Длинные светлые пролеты без внутренних колонн , что имеет решающее значение для складов, спортивных залов и производственных линий, которым требуется беспрепятственное пространство для перемещения стеллажей, оборудования или транспортных средств.
- Сокращение времени строительства, поскольку элементы изготавливаются и сверлятся на заводе, а затем просто скрепляются болтами на месте, что сокращает график на несколько недель по сравнению с монолитным бетоном.
- Меньшая нагрузка на фундамент, поскольку хорошо спроектированная портальная рама значительно легче аналогичной бетонной рамы, что позволяет уменьшить размер фундамента и стоимость земляных работ.
- Гибкость конструкции для будущего расширения, поскольку концевые отсеки можно оставить открытыми для расширения с помощью болтов, не нарушая существующую стальную конструкцию.
- Высокая ценность восстановления материала, поскольку элементы конструкционной стали можно демонтировать, перемещать или перерабатывать с высоким процентом от их первоначальной стоимости.
- Предсказуемые, контролируемые на заводе допуски при изготовлении, которые уменьшают необходимость доработки на месте и отклонения в качестве по сравнению с бетоном, заливаемым на месте.
Типичные пролеты, расстояние между пролетами и диапазоны высоты карниза
Пролет, расстояние между пролетами и высота карниза — это три параметра, которые определяют тоннаж стали и, следовательно, стоимость проекта. В таблице ниже приведены диапазоны, обычно используемые в проектах складских помещений, мастерских и сельскохозяйственных порталов.
Типовые размеры портальных зданий со стальным каркасом в зависимости от типа здания | Тип здания | Очистить диапазон | Расстояние между заливами | Высота карниза |
| Склад хранения | от 20 до 40 м | от 6 до 9 м | от 6 до 9 м |
| Производственный цех | от 24 до 36 м | от 6 до 8 м | от 7 до 12 м |
| Ангар для самолетов | от 40 до 100 м | от 7,5 до 9 м | от 9 до 18 м |
| Сельскохозяйственный сарай | от 12 до 24 м | от 5 до 6 м | от 4 до 6 м |
| Крытая спортивная арена | от 30 до 60 м | от 6 до 9 м | от 8 до 15 м |
Как правило, используемое инженерами-строителями, расход стали увеличивается примерно пропорционально площади пролета, когда рама портала проходит около 36 метров, потому что секции стропил и колонн должны расти глубже, чтобы контролировать прогиб. Покупатели, планирующие здания с очень большими пролетами, часто оценивают, является ли многопролетный каркас с промежуточными колоннами более экономичным, чем одиночный гигантский чистый пролет.
Марки стали и характеристики материалов
Эксплуатационные характеристики любого портального здания со стальным каркасом во многом зависят от марки стали, используемой для изготовления основного каркаса, второстепенных элементов и соединений. Производители обычно работают в узком диапазоне известных марок конструкционных сталей, поскольку они предлагают надежный, хорошо документированный баланс прочности, свариваемости и стоимости.
Распространенные марки конструкционной стали, используемые при изготовлении портальных рам. | Марка стали | Предел текучести | Типичное использование |
| Q235B | 235 МПа | Прогоны, пояса, вторичные связи |
| Q345B | 345 МПа | Колонны и стропила основного каркаса |
| АСТМ А572 Гр50 | 345 МПа | Тяжелые элементы каркаса, крановые колонны |
| S355JR | 355 МПа | Экспортные проекты европейского уровня |
Для основной жесткой рамы обычно используются более прочные марки, такие как Q345B или S355JR, поскольку они позволяют более легким секциям нести тот же изгибающий момент, что снижает общий тоннаж и транспортировочный вес. Прогоны и пояса, которые в основном сопротивляются местному изгибу, а не большим моментам рамы, обычно сохраняются на более низком уровне, поскольку экономия веса от их модернизации минимальна по сравнению с увеличением стоимости.
Варианты облицовки крыши и стен
Система облицовки, выбранная для здания с портальным каркасом, влияет на тепловые характеристики, акустический комфорт, противопожарные характеристики и стоимость долгосрочного обслуживания. Сегодня на рынке доминируют три семейства облицовок.
Однослойный профилированный лист
Гофрированный или трапециевидный лист из оцинкованной стали или стали Galvalume, прикрепленный непосредственно к прогонам. Это самый дешевый вариант, который обычно используется для сельскохозяйственных навесов, открытых хранилищ и зданий без необходимости строгого контроля температуры.
Изолированные Сэндвич-панели
Две стальные оболочки, прикрепленные к наполнителю из полиуретана, полистирола или минеральной ваты, обычно толщиной от 50 до 150 миллиметров. Сэндвич-панели являются стандартным выбором для холодильных складов, предприятий пищевой промышленности и цехов с климат-контролем, поскольку они сочетают в себе структурную облицовку и изоляцию в одном компоненте, устанавливаемом за один проход.
Застроенные двухскатные кровельные системы
Внутренний лист облицовки, слой изоляционного покрытия, распорки и внешний лист защиты от атмосферных воздействий собираются на месте. Эта система подходит для коммерческих и торговых зданий с большими пролетами, где требуется более гладкая внутренняя отделка потолка и умеренная изоляция.
Последовательность строительства от проектирования до сдачи
Типичный проект строительства портального здания со стальным каркасом проходит предсказуемую последовательность этапов. Знание этой последовательности помогает покупателю планировать реалистичные сроки поставки и координировать строительные работы с поставкой стали.
- Структурное проектирование и расчет нагрузки, охватывающий собственную, временную, ветровую, снеговую и сейсмическую нагрузки, в соответствии с действующими местными нормами проектирования для проектной площадки.
- Подготовка цеховых чертежей и закупка материалов, где перед началом изготовления детализируется каждый элемент с точным расположением отверстий для болтов и длиной резки.
- Заводское изготовление, включая резку, сверление, сварку сборных секций и обработку поверхности, такую как дробеструйная очистка и покраска или горячее цинкование.
- Фундаментные и строительные работы выполняются параллельно с изготовлением, поэтому положения анкерных болтов точно соответствуют утвержденному чертежу компоновки фундамента.
- Транспортировка готовых элементов на площадку, обычно в связках, размер которых соответствует стандартным бортовым прицепам или транспортным контейнерам для экспортных проектов.
- Монтаж на месте, начиная с временного закрепления первых двух концевых рам, а затем последовательно устанавливая прогоны, пояса и раскосы по мере подъема каждой рамы.
- Установка облицовки с последующей установкой оклада, желобов, водосточных труб и любых дверей, окон или вентиляционных жалюзи.
- Окончательная проверка момента затяжки болтов, качества сварных швов и допусков размеров перед сдачей здания в эксплуатацию.
Поскольку основная рама крепится болтами, а не приваривается на месте, склад среднего размера с портальной рамой площадью около 3000 квадратных метров обычно может быть возведен за четыре-восемь недель после того, как фундамент будет готов, что значительно меньше времени, необходимого для аналогичного здания с бетонным каркасом.
Защита от коррозии и срок службы
Сталь прочная, но реактивная, поэтому каждая стальная конструкция портальной рамы нуждается в системе защитного покрытия, соответствующей окружающей среде. На практике используются три метода защиты, каждый из которых подходит для различных условий воздействия.
Алкидная или эпоксидная грунтовка
Грунтовка с содержанием красного оксида или цинка, за которой следуют промежуточные и финишные покрытия, обеспечивающие общую толщину сухой пленки примерно от 120 до 200 микрон. Подходит для сухих внутренних помещений с периодической перекраской каждые 8–12 лет.
Горячее цинкование
Элементы погружают в расплавленный цинк для образования металлургически связанного покрытия, обычно толщиной от 65 до 100 микрон, обеспечивающего не требующую обслуживания защиту в течение 25 и более лет даже во влажных или прибрежных условиях.
Дуплексное покрытие
Оцинковка в сочетании с верхним слоем краски, используемая в агрессивных морских или промышленных средах, где слой краски продлевает интервал до того, как слой цинка потребует ухода, часто превышающий 30 лет комбинированной защиты.
От чего зависит стоимость портального здания со стальным каркасом
Покупатели, сравнивающие предложения, часто видят значительную разницу в ценах на здания, которые на бумаге выглядят одинаково. Разрыв почти всегда сводится к нескольким переменным.
- Тоннаж стали на квадратный метр, который увеличивается в зависимости от пролета, расстояния между пролетами, уклона крыши, снеговой нагрузки и зоны ветровой нагрузки.
- Загрузка краном, поскольку даже один 5-тонный мостовой кран может увеличить вес колонн и распорок по сравнению с конструкцией без крана.
- Спецификация облицовки: изолированные сэндвич-панели стоят значительно дороже за квадратный метр, чем однослойные листы, но снижают текущие затраты на электроэнергию.
- Система покрытия, при которой горячее цинкование требует более высоких первоначальных затрат, чем покраска, но требует меньших затрат на техническое обслуживание в течение всего срока службы.
- Логистика на площадке, в том числе, насколько далеко от площадки находится производственный цех и доступны ли краны и подъездные пути для монтажа.
- Требования местных норм проектирования, поскольку сейсмические зоны или зоны с сильными ветрами требуют более тяжелых распорок и деталей соединений, чем внутренние площадки с низким уровнем риска.
Практический ориентир: простой однопролетный склад с умеренной снеговой и ветровой нагрузкой обычно находится в диапазоне от 25 до 45 килограммов конструкционной стали на квадратный метр крытой площади, тогда как широкопролетные здания или здания с кранами могут превышать 60 килограммов на квадратный метр.
Стальная рама портала и стальная конструкция ферменной крыши
Покупатели иногда путают портальный каркас с ферменно-колоннным зданием, но под нагрузкой они ведут себя совершенно по-разному.
Сравнение жестких портальных рам с шарнирно-ферменными конструкциями кровли | Особенность | Портальная рамка | Ферма и колонна |
| Угловое соединение | Жесткий, устойчивый к моментам | Закреплено, без минут |
| Глубина элемента в середине пролета | Неглубокое коническое стропило | Глубокая открытая ферма |
| Лучший диапазон диапазона | Примерно до 60-100 м | Очень длинные пролеты, более 60 м. |
| Сложность изготовления | Ниже, меньше участников | Выше, многие участники сети |
| Ощущение внутреннего пространства над головой | Чище, бесперебойно | Визуально занят веб-брекингом |
Отрасли промышленности и типы зданий, в которых используются портальные рамы
Поскольку стальная конструкция с портальной рамой эффективна в широком диапазоне пролетов, она стала выбором по умолчанию во многих секторах, а не нишевым решением.
- Логистические и распределительные склады, которым необходимы длинные свободные проходы для стеллажей и проходов для вилочных погрузчиков.
- Автомобильные, электронные и общепроизводственные мастерские, в которых расположены производственные линии и мостовые краны.
- На предприятиях холодовой цепи и пищевой промышленности используется изоляционная панельная обшивка для контроля температуры.
- Сельскохозяйственные постройки, такие как коровники, зернохранилища и навесы для сельскохозяйственной техники.
- Авиационные ангары, требующие очень широких пролетов для размещения размаха крыльев самолетов.
- Развлекательные и спортивные объекты, включая крытые корты, манежи для верховой езды и выставочные залы.
- Здания розничной торговли и выставочных залов, которые имеют открытую планировку без колонн для гибкой планировки.
Часто задаваемые вопросы
Как долго обычно служит портальное здание со стальным каркасом?
При правильно спроектированной системе покрытия и регулярном осмотре основная рама стальной конструкции обычно работает хорошо в течение 30–50 лет или дольше. Облицовочные листы и герметики обычно требуют замены или ремонта раньше, часто в течение 15–25 лет, в зависимости от климатических условий.
Можно ли расширить портальное здание после его постройки?
Да. Поскольку нагрузки проходят через отдельные рамы, расположенные в обычных пролетах, новый пролет обычно можно прикрепить болтами к открытой торцевой стене, не нарушая существующую конструкцию, при условии, что первоначальный фундамент и конструкция рамы допускают расширение в будущем.
Какой уклон крыши используется в портальных зданиях из металлокаркаса?
В большинстве портальных рам используется уклон крыши от 5 до 10 градусов. Меньший уклон уменьшает высоту рамы и вес стали, а немного более крутой уклон улучшает дренаж дождевой воды и сбрасывание снега в регионах с сильными снегопадами.
Нужны ли портальным зданиям внутренние колонны для больших пролетов?
Не обязательно. Одинарные портальные рамы со свободными пролетами могут перекрывать проемы длиной примерно до 60–100 метров без каких-либо внутренних колонн, хотя для очень широких пролетов требуются более глубокие пролеты и более тяжелые секции, что увеличивает тоннаж стали и стоимость.
Как ветровая нагрузка влияет на конструкцию каркаса портала?
Ветровая нагрузка влияет на систему распорок и размеры соединений в большинстве малоэтажных зданий с портальным каркасом, часто в большей степени, чем гравитационные нагрузки. Здания в прибрежных регионах с сильными ветрами или в регионах, подверженных циклонам, требуют дополнительных распорных пролетов и более прочных креплений облицовки, чтобы противостоять подъему крыши.
Подходит ли портальное здание со стальным каркасом для холодного климата?
Да, при условии, что рама рассчитана на местную снеговую нагрузку, а система обшивки включает достаточную изоляцию. Изолированные сэндвич-панели или сборная двухслойная кровля обычно используются для зданий с портальным каркасом в холодном климате, чтобы контролировать потери тепла и предотвращать конденсацию.
English 
русский 
Español 
Português 
