Krovni sustavi čeličnih konstrukcija: dizajn, opterećenje i oblaganje

Konfiguracije primarnog konstrukcijskog okvira

Krovni sustav počinje s primarnim okvirom, obično toplo valjanim širokim prirubnicama ili konusnim ugrađenim nosačima. Svaka od tri dominantne tipologije nameće različita ograničenja krovnoj ovojnici. Kruti okviri s ravnim ili segmentiranim stupovima i rogovima osiguravaju čiste raspone do 150 stopa bez unutarnjih stupova , što ih čini standardnim za skladišta i hangare za zrakoplove. Nagib rogova mora uravnotežiti zahtjeve za drenažu u odnosu na tonažu čelika; nagib od 0,25:12 apsolutni je minimum za trapezoidne panele pričvršćene kroz prolaz, dok se 0,5:12 preporučuje za sustave stojećih spojeva kako bi se spriječilo nakupljanje.

Krovovi s rešetkastim okvirom, koji koriste grede s otvorenim mrežama ili zupčaste grede, dopuštaju mehaničkim kanalima i cjevovodima za prskanje da prođu kroz otvore u mreži, smanjujući ukupnu visinu zgrade za 18 do 30 inča u usporedbi s gredama s čvrstom mrežom. Kompromis je povećani trošak izrade i složeniji detalji povezivanja na točkama ploče. Za primjene dugog raspona preko 200 stopa, svemirski okviri izrađeni od cjevastih šupljih strukturnih dijelova (HSS) raspoređuju opterećenja kroz trodimenzionalnu mrežu čvorova i članova, ali promjenjivi kutovi presjeka zahtijevaju posebno izrađene spojnice za pričvršćivanje obloge na svakom čvoru tetive.

Sekundarni članovi i konstrukcija greda

Hladno oblikovane čelične grede, obično Z-profila ili C-profila dubine od 8 do 12 inča, raspoređuju se između primarnih okvira u intervalima od 4 do 6 stopa . Općenito se preferiraju Z-podrožnice jer njihov asimetrični oblik omogućuje preklapanje na osloncima, stvarajući kontinuirano djelovanje grede koje smanjuje progib za do 40% u usporedbi s jednostavno podržanim odjeljcima . Razmak greda nije proizvoljan; diktira ga dopušteni raspon profila obloge pod specificiranim pritiskom vjetra. Ploča s izloženim pričvrsnim elementima promjera 24 može zahtijevati podrožnice na 4 stope u središtu, dok se teža strukturna ploča sa stojećim spojevima promjera 22 može rastegnuti na 5 ili 6 stopa, eliminirajući jednu liniju obruba po nizu.

Orijentacija grede u odnosu na nagib krova uvodi dvoosnu komponentu savijanja. Američki institut za željezo i čelik (AISI S100) zahtijeva provjeru savijanja jake i slabe osi u kombinaciji s torzijom od ekscentričnog pričvršćenja krovne dijafragme. Ugibne šipke ili kutovi ugiba, postavljeni okomito na gredu na sredini raspona ili trećim točkama, podupiru kompresijsku prirubnicu protiv bočno-torzijskog izvijanja i prenose gravitacijsku komponentu težine krova na primarni okvir.

Izbor profila za oblaganje i metode pričvršćivanja

Čelična krovna obloga je vremenska barijera i dijafragma koja se odupire bočnim opterećenjima. Odabir između panela s prohodnim pričvršćenjem i ploča sa stojećim šavovima određuje dugovječnost vodonepropusnosti sustava.

Sustavi koji se pričvršćuju oslanjaju se na vijke isprane neoprenom koji se pritišću na krunu ploče. Perilice se razgrađuju pod UV zračenjem i toplinskim ciklusima, s vijekom trajanja od 15 do 20 godina prije nego što je potrebna zamjena . Samostalne šavne ploče, oblikovane na licu mjesta od zaliha u koturima ili isporučene kao tvornički oblikovane posude, mehanički se spajaju pomoću brave od 360 stupnjeva koja zatvara kopču. Baza kopče je čvrsto pričvršćena vijcima na gredu, ali klizni jezičak omogućuje da se ploča neovisno širi i skuplja. Za zgrade preko 200 stopa duljine strehe, inženjering fiksne točke postaje bitan; krov se ankerira na jednoj liniji sljemena ili strehe, a sve ostale obujmice su klizne vrste, s dilatacijskim fugama na mjestima prodora.

Djelovanje krovne dijafragme i bočni put opterećenja

Čelična krovna paluba funkcionira kao vodoravna dijafragma, prenoseći vjetar i seizmičke sile s krajnjih zidova i srednjih okvira na okomita ukrućenja. Kapacitet dijafragme je funkcija dubine profila panela, debljine čelika i uzorka spojnica. 1,5 inča duboka platforma tipa B sa širokim rebrima na kalibru 22, pričvršćena sa Hilti X-HSN 24 zatvaračima koji se aktiviraju prahom ili #12-24 samobušećim vijcima na 6 inča u sredini na krajevima panela i 12 inča u sredini na srednjim nosačima , osigurava dopušteni kapacitet smicanja od približno 300 do 500 funti po linearnoj stopi, ovisno o tablicama dizajna dijafragme Steel Deck Institute.

Rubni uvjeti određuju kapacitet. Perimetralni okvir paralelan sa smjerom opterećenja mora imati konstrukcijske pričvrsne elemente na svakom rebru za razvijanje sila granične tetive. Spojni element koji nedostaje ili je nedovoljno zabijen na podupiraču strehe lokalno smanjuje krutost dijafragme i prebacuje opterećenje na susjedne spojeve, kaskadni način kvara koji je dokumentiran u pregledima oštećenja gotovih metalnih zgrada nakon uragana.

Toplinska izvedba i kontrola kondenzacije

Čelik grubo provodi toplinu 400 puta brže od izolacije od mineralne vune , čineći toplinske mostove na gredama i spojnicama dominantnim putem gubitka topline. Čelični krov s izolacijom od stakloplastike R-30 prevučenom preko greda ima efektivnu R-vrijednost od samo R-11 do R-14 kada se uračunaju toplinski kratki spojevi, prema metodama izračuna ASHRAE 90.1 Dodatak A. Rješenje je toplinski odstojni blok, obično 1,5-inčna traka od krutog poliizocijanurata postavljena između prirubnice grede i obloge, u kombinaciji s izolacijom deke visoke gustoće koja postiže potpuni potkrovlje preko gornje strane grede umjesto da bude sabijena do nulte debljine na svakoj strukturnoj liniji.

Rizik od kondenzacije doseže vrhunac na sjecištu točke rosišta unutar sklopa. Čelični krov bez ventilacije u hladnoj klimi zahtijeva kontinuiranu zračnu barijeru i usporivač pare na unutrašnjoj toploj strani. Stručni konzultanti za građenje obično navode a 10-mil polietilenska ploča ili pametna membrana za usporavanje pare ispod greda, zabrtvljena na svim preklopima i prodorima, kako bi se spriječilo da vlažan unutarnji zrak dopre do hladne donje strane čelične palube. Bez ove barijere, mraz se nakuplja unutar izolacijske šupljine, topi se tijekom toplinskih ciklusa i kaplje na stropne ploče, što se često pogrešno smatra krovnim curenjem.

Zaštita od korozije i kompatibilnost materijala

Uslužno okruženje diktira specifikaciju podloge i premaza. Galvanizirani čelik G90 (0,90 unci cinka po kvadratnom stopalu) pruža odgovarajuću zaštitu za kopnene, neindustrijske primjene, ali zahtijeva izloženost obalnim područjima ili teškoj industriji AZ55 čelik obložen legurom aluminija i cinka (Galvalume) ili pričvršćivači od nehrđajućeg čelika . Galvalume nudi otprilike dva do četiri puta veću zaštitu rubova od pocinčanih premaza jer matrica bogata aluminijem žrtvovano štiti izloženi čelik na posječenim rubovima.

Galvanska korozija je mehanizam kvara koji se može spriječiti. Kada bakreni oluci, olovni opšivci ili drvena građa obrađena pod pritiskom s konzervansima na bazi bakra dođu u kontakt s čeličnim krovom, formira se elektrolitička ćelija. Manje plemeniti metal, premaz od cinka ili aluminija, preferirano korodira. Sloj za odvajanje od EPDM membrane ili klizna ploča od polietilena visoke gustoće mora izolirati različite metale. Čak ni pričvršćivači nisu imuni; vijci od ugljičnog čelika u ploči od nehrđajućeg čelika zahrđat će u roku od nekoliko mjeseci, dok ploča ostaje netaknuta. Specifikacija pričvršćivača mora odgovarati ili premašivati ​​otpornost ploče na koroziju.

Ispitivanje i puštanje u rad tijekom izgradnje

Integritet krovnog sustava provjerava se nizom inspekcija na točkama zadržavanja. Prije ugradnje obloge, poravnanje grede se provjerava žicom ili laserom; odstupanje koje prelazi ±1/4 inča u 20 stopa će telegrafirati kroz gotovu ploču kao vidljiva valovitost. Nakon što je obloga pričvršćena, ali prije nanošenja obloga, simulacija testa raspršene vodene rešetke 6 inča padalina na sat po cijeloj površini krova, identificira praznine u šavovima i propuštanja zaobilaznih spojnica koja su nevidljiva u suhim uvjetima.

Kapacitet smicanja dijafragme može se provjeriti na terenu pomoću ispitivanja krutosti bez razaranja. Hidraulički cilindar primjenjuje bočno opterećenje na strehu, a brojčanici mjere otklon u ravnini. Usporedba izmjerene fleksibilnosti s projektiranom krutošću identificira praznine u uzorku pričvrsnih elemenata ili nedovoljan ležaj na spojevima grede i grede prije nego što zgrada bude izložena projektiranom udaru vjetra.

Okidači za održavanje i indikatori završetka rada

Sustav čeličnog krova zahtijeva dokumentirani raspored inspekcije vezan uz vidljivu degradaciju. Sljedeći kontrolni popis identificira prijelaznu točku s rutinskog održavanja na zamjenu kapitala:

• Brtve pričvršćivača pokazuju periferne pukotine ili kompresiju dublju od 0,020 inča.
• Spojevi stojećih šavova s ​​vidljivim razmacima odvajanja većim od 1/16 inča, što ukazuje na zamor stezaljke ili toplinsko zakretanje.
• Nakupljena voda ostaje na površini krova dulje od 48 sati nakon padalina, što ukazuje na neadekvatan nagib ili deformaciju konstrukcije.
• Mjehurići na premazu ili mrlje od crvene hrđe na više od 3% ukupne površine ploče, što pokreće analizu ponovnog premazivanja ili zamjene ploče.
• Izvijanje rebraste grede ili izduženje spojnog vijka vidljivo s donje strane, zahtijeva neposrednu strukturnu procjenu nosača.