De acordo com a Norma para Projeto de Estruturas de Aço (GB 50017), estruturas de telhado de grade espacial com vão de 60 metros ou mais são classificadas como Estruturas de Estrutura Espacial de Aço de Grande Vão. Eles são montados a partir de membros tubulares de aço e juntas esféricas em sistemas geométricos como pirâmides quadrangulares ou triangulares. Estes são sistemas espaciais altamente estaticamente indeterminados, onde as cargas são distribuídas globalmente e os membros sofrem principalmente tensão ou compressão axial. Eles oferecem alta rigidez geral e criam espaços abertos e sem colunas, tornando-os ideais para estádios, centros de exposições, estações ferroviárias de alta velocidade, galpões de armazenamento de carvão, terminais de aeroportos e muito mais.
A fundação da estrutura espacial é a subestrutura - normalmente de concreto ou baseada em estacas - que suporta os rolamentos da estrutura espacial e transfere todas as cargas da superestrutura (forças axiais, forças de cisalhamento, momentos fletores, forças horizontais e forças sísmicas) para o solo; serve como base estrutural para a estrutura espacial.
· Características Estruturais: Sujeito a pressão vertical, empuxo horizontal, forças de sustentação e torque; requer precisão extremamente alta em relação ao assentamento, elevação e posicionamento de peças embutidas.
· Principais pontos de controle: O recalque diferencial pode causar diretamente fissuras nas juntas de pórticos espaciais e instabilidade dos membros, tornando-se um fator crítico no sucesso ou fracasso de pórticos espaciais de grandes vãos.
· Space Frame Body: A estrutura superior da grade espacial (membros + juntas esféricas);
· Rolamento da Estrutura Espacial: O componente de transferência de carga que conecta a estrutura espacial à fundação;
· Fundação Space Frame: A estrutura de concreto armado, bloco de estaca ou sapata isolada localizada abaixo do rolamento.
1. Sistema Estrutural (Opções Principais)
· Moldura espacial de pirâmide quadrada ortogonal: Mais amplamente utilizada; oferece rigidez uniforme e instalação conveniente no telhado; escolha preferida para pegadas retangulares.
· Estrutura espacial em pirâmide quadrada diagonal: Desempenho estrutural superior e consumo de aço ligeiramente menor; adequado para vãos médios a grandes.
· Moldura Espacial Pirâmide Triangular: Alta estabilidade espacial; adequado para pegadas circulares ou poligonais.
· Estrutura espacial de esfera soldada: adequada para cargas pesadas, vãos ultragrandes (acima de 80m), sistemas de cobertura pesados e condições de carga elevada.
· Estrutura Espacial de Esferas Aparafusadas: Indicada para cargas mais leves e grandes vãos padrão; apresenta pré-fabricação de fábrica, montagem no local e construção rápida.
2. Configuração do material principal (especificações padrão)
· Membros: Tubos de aço sem costura ou tubos soldados com costura reta; Material: Q355B (mainstream para grandes vãos); Especificações comuns: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B pode ser usado para vãos menores.
· Bolas Articuladas:
o Esferas Aparafusadas: Φ200–Φ400; espessura da parede ≥12mm; Material: Q355B.
o Esferas soldadas: Φ250–Φ500; espessura da parede ≥14mm; inclui nervuras de reforço internas.
· Conectores: Parafusos de alta resistência grau 10.9 (especializados para estruturas espaciais); inclui cabeças cônicas, placas finais, mangas e parafusos de fixação correspondentes.
3. Componentes de cobertura e gabinete (sistema completo de cobertura)
· Painéis de cobertura: Painéis de alumínio-magnésio-manganês com costura vertical, chapas de aço coloridas perfiladas e painéis de iluminação natural (localizados).
· Estrutura secundária do telhado: terças de aço com seção C/Z (Q355B galvanizado por imersão a quente, espessura do revestimento ≥80μm), tirantes do telhado e escoras.
· Impermeabilização e Isolamento: Camada de isolamento de lã de rocha ou lã de vidro, membrana respirável impermeável, calhas, tubos de queda e cumeeiras.
Os rolamentos servem como únicos nós de transferência de carga entre a estrutura espacial e a fundação de concreto; a seleção para estruturas de longo vão deve ser baseada em requisitos de carga específicos:
1. Rolamentos de compressão de placa plana: Suportam apenas compressão vertical; usado para suportes de borda e áreas com baixas forças horizontais.
2. Rolamentos deslizantes unidirecionais/bidirecionais: Aliviam o estresse térmico e acomodam expansão/contração térmica; essencial para estruturas espaciais de longo vão.
3. Rolamentos articulados (rolamentos autocompensadores de articulação): Permitem rotação e transmissão de força multidirecional; utilizado em cantos, em áreas com elevadas forças horizontais e em zonas com requisitos sísmicos rigorosos.
4. Rolamentos de tração (rolamentos resistentes à elevação): Usados em beirais, cantilevers e áreas sujeitas a sucção significativa do vento para evitar que a estrutura espacial se levante.
Acessórios para rolamentos: Placas de base, nervuras de reforço, chumbadores e calços de ajuste (para ajuste de nivelamento e elevação).
A seleção é baseada nas condições geológicas, vão e classificação de carga; a escolha predominante para estruturas de vãos longos é a combinação estaca mais bloco:
I. Tipos comuns de fundação
1. Sapatas isoladas em concreto armado: vãos de 60 a 80 m, condições geológicas favoráveis, cargas moderadas.
2. Fundações em faixa (fundações contínuas): Estruturas espaciais alongadas, suportes contínuos, requisitos de alta resistência à força horizontal.
3. Fundações por estacas com blocos (preferenciais para vãos longos): Vãos superiores a 80m, fundações em solos moles, cargas pesadas, zonas de elevada intensidade sísmica.
o Tipos de estacas: Estacas escavadas e moldadas no local, estacas tubulares pré-moldadas.
o Blocos sobre estacas: Blocos sobre estacas quadrados/retangulares em concreto armado (concreto C30/C35).
4. Fundações de jangadas: Projetos com áreas superficiais extremamente grandes, condições geológicas complexas e requisitos rigorosos para controle de recalques diferenciais.
II. Estrutura central da fundação e peças incorporadas
1. Resistência do Concreto: Blocos/corpo principal da fundação C30–C35; cegamento de concreto C15;
2. Peças embutidas na fundação:
o Placas de aço embutidas para suportes: Espessura 16–20 mm, soldadas ao reforço do bloco;
o Parafusos de ancoragem embutidos: Para fixar os suportes da estrutura espacial; Parafusos de aço Q355, completos com porcas e placas de apoio;
3. Controle de Precisão (Normas obrigatórias para estruturas de grandes vãos):
o Desvio do eixo ≤ ±5 mm;
o Desvio de elevação da superfície superior ≤ ±3 mm;
o Diferença de altura entre apoios no mesmo vão ≤ 2 mm.
Estruturas espaciais de aço de grande vão envolvem alturas significativas e forças horizontais substanciais (vento, sísmica); um sistema de estabilidade abrangente é obrigatório:
1. Elementos de contraventamento do pórtico espacial interno: Elementos de alma verticais/diagonais entre os banzos superior e inferior (integrais ao pórtico espacial);
2. Contraventamento entre pilares: Contraventamento cruzado (cantoneira de aço ou tubo de aço) entre pilares de concreto para resistir às forças horizontais longitudinais;
3. Contraventamento horizontal do telhado: Tirantes horizontais e travessas diagonais dentro do plano do banzo superior, formando um diafragma rígido do telhado;
4. Estruturas espaciais de borda e empena: fecham as extremidades, aumentam a rigidez geral e resistem às cargas do vento;
5. Joelheiras/tirantes: Componentes de estabilidade lateral para terças (seguindo a mesma lógica das coberturas de aço leve).
1. Anticorrosão
· Componentes de fábrica: Totalmente galvanizado a quente (espessura do revestimento de zinco ≥85 μm); aumento da espessura para zonas costeiras ou industriais químicas;
· Soldas em obra e áreas soldadas para reparo: Jateamento abrasivo para remoção de ferrugem + primer epóxi rico em zinco + acabamento;
· Nós e parafusos esféricos: Galvanizados em fábrica; é proibido o corte no local que danifique o revestimento.
2. Proteção contra incêndio
· Aplicação de revestimentos ignífugos especializados (tipos ultrafinos ou de película fina) com base na classificação de incêndio do edifício; classificação de resistência ao fogo de 1,0 h a 2,0 h;
· Atenção especial ao revestimento de suportes, peças embutidas e parafusos. 3. Proteção contra raios
·A corda superior da estrutura espacial atua como sistema de terminação de ar;
·Condutores de descida formados através de suportes, chumbadores e reforço de fundações;
·Eletrodos de aterramento instalados na fundação e conectados à rede principal de proteção contra descargas atmosféricas do edifício.
1.Métodos de instalação: Montagem peça por peça em alta altitude, içamento modular, levantamento integral, deslizamento cumulativo (mainstream para grandes vãos);
2. Equipamento principal: Estação total, nível, chave dinamométrica, sistema hidráulico de elevação/deslizamento, grandes guindastes, guindastes de pórtico;
3.Materiais auxiliares: Lubrificante especializado para parafusos de alta resistência, selante, calços, estruturas de suporte temporárias, cabos de sustentação.
1. Estrutura do espaço superior: Membros do tubo de aço + esferas aparafusadas/esferas soldadas + parafusos de alta resistência + cabeças cônicas/placas finais;
2.Sistema de cobertura: Painéis de telhado + terças C/Z + isolamento e impermeabilização + calhas e tubos de queda;
3.Suportes portantes: Suportes fixos/deslizantes/esféricos/resistentes à elevação + chumbadores + placas de aço embutidas;
4.Subestrutura/Fundação: Sapatas isoladas/fundações em faixa/blocos de estacas (vergalhão + concreto + peças embutidas);
5. Contraventamento de estabilidade: Contraventamento entre colunas, contraventamento horizontal do telhado, estruturas espaciais de empena;
6.Sistemas de proteção: Galvanização por imersão a quente (anticorrosão), revestimentos resistentes ao fogo, proteção contra raios e aterramento;
7.Auxiliares de instalação: Suportes temporários, equipamentos de elevação, instrumentos de topografia, ferragens de fixação.
·Telhado de aço leve padrão: Principalmente estruturas rígidas de portal; vão < 60m; carece de um sistema de grade espacial;
·Estrutura da estrutura espacial de aço de grande vão: Vão ≥ 60m; estrutura de grade espacial; depende de uma ação integral de suporte de carga espacial; os requisitos para fundações, suportes e precisão são significativamente maiores do que aqueles para estruturas de aço leve.
1. A capacidade de vão extra grande permite projetos sem colunas, maximizando a utilização do espaço interior.
2. O comportamento estrutural tridimensional garante distribuição equilibrada de carga e excelente resistência às forças sísmicas e à pressão do vento.
3. Leve, porém rígido; a estrutura resiste à deformação geral e à flacidez.
4. Componentes pré-fabricados de fábrica permitem uma montagem rápida no local.
5. A geometria flexível suporta vários formatos, incluindo cúpulas planas, curvas, esféricas e irregulares.
6. Estrutura estável e durável; longa vida útil quando tratado para resistência à corrosão.
1. Distribuição tridimensional de carga: Ao contrário das estruturas de portal ou vigas de alma sólida (que estão sujeitas a flexão e cisalhamento), os membros de uma estrutura espacial sofrem principalmente tensão axial e compressão. Isto garante uma utilização eficiente do material e um peso próprio reduzido. As cargas de vãos extragrandes são distribuídas uniformemente pelos suportes, minimizando as cargas pontuais e reduzindo os custos de fundação.
2. Estrutura altamente estaticamente indeterminada: Oferece redundância de segurança significativa; a falha de um único membro não causará o colapso total. Ele supera treliças planas e estruturas de portal na resistência a terremotos, vento, neve e assentamentos irregulares, tornando-o ideal para grandes edifícios públicos, como estádios, galpões de armazenamento de carvão e terminais de aeroportos.
3. Grandes espaços sem colunas: Alcança facilmente vãos livres de 60 a 150 metros. Em contraste, as estruturas dos portais normalmente têm um limite de vão econômico de ≤36 metros, e as treliças de aço de grandes vãos muitas vezes carecem de relação custo-benefício; as molduras espaciais proporcionam interiores vastos, desobstruídos e sem colunas.
1. Redução do consumo de aço para vãos equivalentes
Para aplicações de grandes vãos, o consumo de aço por unidade de área projetada é inferior ao de treliças de aço ou vigas de telhado de alma sólida. As estruturas espaciais de esferas aparafusadas se beneficiam da produção em massa de fábrica padronizada e dos baixos custos através da aquisição em massa de materiais primários (tubos de aço e esferas de aço).
2. Ampla adaptabilidade de carga
Adequado para uma ampla gama de aplicações, desde telhados envidraçados leves até galpões de carvão seco para serviços pesados e telhados que suportam equipamentos. A seleção de materiais pode ser ajustada de forma flexível para controlar custos – usando aço Q235 para cargas mais leves e Q355 para cargas mais pesadas.
1. Estruturas espaciais de esferas aparafusadas pré-fabricadas de fábrica padronizadas: os membros dos tubos de aço são cortados no comprimento certo, as cabeças cônicas e as placas finais são pré-montadas e as esferas de aço são rosqueadas - tudo dentro da oficina - antes de serem classificadas e embaladas. O trabalho no local é limitado à montagem e aperto de parafusos de alta resistência, com necessidade mínima de soldagem. Em contraste, treliças e estruturas rígidas muitas vezes exigem extensas emendas e soldagens no local.
2. Alta versatilidade de componentes: Uma estrutura espacial única utiliza uma gama limitada de especificações de esferas, parafusos e tubos de aço, garantindo alta intercambialidade de peças. Isso facilita a produção em massa, o gerenciamento de estoque e a manutenção ou substituição futura.
1. Métodos de instalação flexíveis e diversos: Várias técnicas - como montagem peça por peça em altura, levantamento de bloco, levantamento hidráulico integral e deslizamento cumulativo - permitem a construção em espaços grandes, ultra-altos ou confinados. Por outro lado, as estruturas rígidas e treliças do portal são significativamente limitadas pelos raios de operação do guindaste.
2. Velocidade de construção controlável: A fabricação simultânea na fábrica e a montagem no local encurtam o cronograma geral do projeto. A ausência de soldagem extensa no local reduz a necessidade de detecção de falhas e retrabalho anticorrosivo.
1. Alta conformabilidade: Formas retangulares, circulares, elípticas, esféricas e duplamente curvas são possíveis. Estruturas rígidas e treliças planas lutam para criar telhados curvos de grandes vãos, tornando as estruturas espaciais ideais para estruturas de formatos exclusivos, como centros de exposições e estádios esportivos.
2. Layout conveniente do telhado: O arranjo uniforme e regular dos nós da corda superior facilita a colocação ordenada de terças, painéis de telhado e tiras de claraboia. Isso simplifica a construção de coberturas e oferece maior flexibilidade no projeto de sistemas de drenagem e layouts de claraboias.
1. Membros delgados e uniformes e galvanização por imersão a quente madura: Tubos e esferas de aço podem ser totalmente galvanizados por imersão a quente na fábrica sem as "zonas mortas" encontradas nas seções estruturais, resultando em qualidade anticorrosiva superior em comparação com estruturas rígidas de seção H. Isto oferece uma vantagem distinta na vida útil em ambientes costeiros ou quimicamente corrosivos.
2. Fácil aplicação de revestimentos retardadores de fogo: Com membros discretos e áreas de superfície gerenciáveis, a aplicação de revestimentos retardadores de fogo de película fina é mais eficiente em termos de material e mais rápida do que o revestimento de grandes vigas e colunas de alma sólida.
1. Leve com baixas cargas de manutenção do telhado; layout simples para passarelas de manutenção;
2. Comportamento estrutural claro; membros danificados individuais podem ser substituídos em pontos específicos sem desmontagem ou modificação extensa do telhado, resultando em baixos custos de manutenção.
1. Estruturas rígidas de portal: adequadas para vãos pequenos e médios; comportamento estrutural plano; depende de membros flexurais; baixo custo; o custo-benefício cai drasticamente para vãos superiores a 36 m;
2. Treliças Metálicas: Comportamento estrutural plano; rigidez lateral fraca; elevado peso próprio para grandes vãos; requer soldagem significativa no local;
3. Pórticos Espaciais em Aço: Comportamento estrutural espacial; escolha preferida para vãos ultragrandes; alta rigidez; geometria flexível; alta margem de segurança.
1. Corte e forjamento: Serrar barras de aço redondas → Aquecimento de média frequência e forjar em peças brutas de esferas de aço;
2. Usinagem: Torneamento da superfície esférica em torno → Furação multiângulo de furos para parafusos e rosqueamento usando furadeira indexadora conforme desenhos;
3. Inspeção e END: Inspeção de rosca; teste de partículas magnéticas (MPT) para detectar rachaduras;
4. Anticorrosão: Galvanização geral por imersão a quente.
Esferas soldadas: Estampagem de chapa de aço em dois hemisférios → Biselamento → Montagem de reforços de anel interno → Soldagem por arco submerso para unir hemisférios → END → Retificação → Galvanização.
1. Corte de tubos de aço: Corte de comprimento fixo de tubos sem costura ou soldados usando serras CNC; tolerância para contração de soldagem incluída; faces finais planas;
2. Fabricação de cabeça de cone e placa final: torneamento de peças forjadas em forma;
3. Montagem e Soldagem: Pré-montagem de cabeças cônicas/placas terminais nas extremidades dos tubos; posicionamento via ferramental; soldagem circunferencial de CO₂ com penetração total;
4. END de soldagem: Teste ultrassônico (UT) para membros críticos de grande vão; verificações pontuais para soldas de Grau II;
5. Endireitamento e Remoção de Ferrugem: Endireitamento de membros; jateamento até grau Sa2.5;
6. Anticorrosão: Galvanização geral por imersão a quente.
1. Corte de aço redondo → Têmpera e revenido → Torneamento externo → Laminação de roscas;
2. Teste de dureza, detecção de falhas e galvanização por imersão a quente; processamento e galvanização simultâneos de buchas e parafusos de fixação correspondentes.
1. Selecione 1–2 unidades padrão para montagem experimental em um gabarito;
2. Verifique o alinhamento do furo esférico, a profundidade de inserção do parafuso e o comprimento total do membro;
3. Ajuste as dimensões das peças não padronizadas para garantir uma montagem suave no local.
Numerar componentes por zona e especificação; embalar membros, esferas de aço e parafusos separadamente; marque com números de eixo.
1. Topografia e traçado; nivelamento e posicionamento de suportes;
2. Execução com base no plano de construção: montagem peça a peça em altura / levantamento de bloco / levantamento integral;
3. Monte as bolas e os membros da corda inferior primeiro → instale os membros da web → monte a corda superior; aperte os parafusos de alta resistência Grau 10.9 até o torque de projeto usando uma chave dinamométrica;
4. Inspeção de subitens, retoque de revestimento anticorrosivo em soldas e aplicação de revestimento resistente ao fogo.
Nota: Diferenças para Estruturas Espaciais de Esferas Soldadas
Soldagem de penetração total de juntas no local; detecção de falhas para cada passe de solda; nenhum processo de aperto de parafuso de alta resistência.
1. Membros tubulares de aço da estrutura espacial (Q235B/Q355B; Q355B preferido para grandes vãos)
Diâmetros de tubo comuns × espessuras de parede: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10
Comprimento do membro acabado: 1,0m–3,5m (tamanho da grade padrão: 1,5m–3,0m);
Tolerância de retilinidade de fabricação: ≤L/1000; desvio de perpendicularidade da face final: ≤0,5 mm.
2. Esferas Aparafusadas
Diâmetro da esfera: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;
Espessura da parede: 12–20 mm; tolerância angular para furos roscados na superfície da esfera: ±15′.
3. Fixadores Associados
Parafusos de alta resistência grau 10.9: M12, M14, M16, M20, M22, M24, M27, M30; acessórios: mangas, cabeças cônicas, placas finais, parafusos de fixação.
4. Placas de suporte
Espessura da placa base: 16–30 mm; espessura da placa de reforço: 12–20 mm; parafusos de ancoragem embutidos: Q355.
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Grau de material |
Força de rendimento |
Resistência à tracção |
Posição de aplicação |
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Q235B |
≥235MPa |
375~500MPa |
Barras de vão pequeno com carga leve no teto |
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Q355B |
≥355MPa |
470~630MPa |
Rede de grande vão superior a 60 m, depósitos de carvão para cargas pesadas e redes de construção de fábricas |
1. Características de suporte de carga: Todos os membros da Estrutura de Estrutura Espacial de Aço de Grande Vão estão sujeitos à tensão axial ou compressão; não há membros flexurais; é uma estrutura altamente estaticamente indeterminada; o fracasso de membros individuais não desencadeia o colapso geral.
2. Vãos Aplicáveis Típicos
1. Estruturas espaciais de esfera aparafusada: 12m–80m;
2. Estruturas espaciais de esferas soldadas: 50m–180m (para vãos ultragrandes e cargas pesadas). 3. Valores típicos de carga do telhado: Carga permanente 0,30–0,80 kN/m²; carga móvel 0,5–1,0 kN/m²; estruturas pesadas (por exemplo, depósitos de carvão seco) podem exceder 2,0 kN/m².
4. Deformação térmica: Devem ser instalados suportes deslizantes para vãos superiores a 60 m em um único sentido para aliviar tensões térmicas de expansão/contração.
1. Soldas circunferenciais entre membros e cabeças cônicas: Soldas grau II; 100% de testes ultrassônicos (UT) para membros críticos de longo vão; Amostragem aleatória de 20% para membros padrão.
2. Soldas de topo para esferas soldadas: Soldas grau II; 100% de detecção de falhas para projetos críticos.
V. Parâmetros anticorrosivos
1. Produtos acabados de fábrica: Galvanização por imersão a quente; espessura do revestimento de zinco ≥85 μm (≥120 μm para zonas corrosivas costeiras).
2. Reparação de áreas danificadas no local: Jateamento até grau Sa2.5 → primer epóxi rico em zinco + demão intermediária + demão de acabamento; espessura total do filme seco ≥120 μm.
Para edifícios públicos e instalações industriais, aplique revestimentos retardadores de fogo intumescentes de filme fino ou ultrafino com base na classificação de fogo exigida (limites de resistência ao fogo de 0,5h, 1,0h, 1,5h ou 2,0h); a espessura do revestimento deve estar em conformidade com os padrões relevantes.
1. Desvio do eixo de suporte ≤±5 mm; suporte para elevação da superfície superior ≤±3 mm; diferença de elevação entre suportes adjacentes ≤2 mm.
2. O torque de aperto final do parafuso de alta resistência deve aderir estritamente aos valores especificados; a profundidade de engate da rosca deve estar de acordo com os desenhos do projeto.
Telhados leves com iluminação natural: 12–22 kg/m²
Instalações e locais industriais padrão: 22–35 kg/m²
Galpões e telhados de carvão seco para serviços pesados que suportam equipamentos pesados: 35–60 kg/m²
Endereço
Parque Internacional de Logística de Metal de Tianjin, Zona de Desenvolvimento Econômico de Jinan (Zona Leste), Distrito de Jinan, Tianjin, China
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