Nove punti chiave per la progettazione e la costruzione di edifici industriali con struttura in acciaio

Edifici industriali con struttura in acciaiosono stati ampiamente riconosciuti nell’ingegneria delle costruzioni perché sono veloci da costruire, leggeri in termini di peso proprio, hanno buone prestazioni sismiche e sono rispettosi dell’ambiente. Nella progettazione degli edifici industriali hanno progressivamente sostituito la più pesante struttura in cemento armato.

Le strutture in acciaio non vengono utilizzate in Cina da molto tempo e le loro tecniche di progettazione e costruzione dettagliate sono ancora in fase di sviluppo. Sebbene gli edifici industriali con struttura in acciaio offrano molti vantaggi, l’acciaio come materiale presenta anche degli svantaggi, ad esempio una scarsa resistenza al fuoco e una tendenza alla corrosione. Questi fattori devono essere presi in considerazione sia in fase di progettazione che in fase di costruzione.

I. I principali vantaggi degli edifici industriali con struttura in acciaio

Come accennato nel riepilogo, i principali vantaggi diedifici industriali con struttura in acciaiosono i seguenti. Innanzitutto, in termini di velocità di costruzione: i componenti in acciaio possono essere prodotti in serie in una fabbrica; la costruzione è semplice e il montaggio è rapido, il che riduce notevolmente il periodo di costruzione. In secondo luogo, in termini di peso proprio: il peso strutturale dell'edificio può essere ridotto di circa il 30%; ciò è particolarmente economico in siti con bassa capacità portante delle fondazioni o elevata intensità di fortificazione sismica, dove l'economia complessiva è migliore di quella dei sistemi strutturali in cemento armato. Infine, in termini di tutela ambientale: le strutture in acciaio appartengono alla famiglia dei sistemi di bioedilizia ecocompatibili; l'acciaio stesso è un materiale ad alta resistenza e alta efficienza con un elevato valore di riciclaggio e non richiede casseforme durante la costruzione.

II. L'importanza della progettazione del disegno

I disegni sono la base della costruzione in qualsiasi progetto. Durante la fase di progettazione di un edificio industriale con struttura in acciaio, i tecnici professionisti dell'unità di costruzione dovrebbero essere organizzati per effettuare una revisione congiunta dei disegni, controllando i disegni per "errori, omissioni, collisioni e carenze" in modo che i problemi vengano risolti prima dell'inizio della costruzione e l'impatto dei problemi di disegno sulla qualità e sul programma sia ridotto al minimo. Per un progetto di struttura in acciaio, dovrebbero essere preparati progetti separati di organizzazione della costruzione per la fase di fabbricazione e la fase di costruzione; il documento del processo di fabbricazione dovrebbe coprire gli standard di qualità e i requisiti tecnici di ciascun processo e sottoarticolo nella fase di fabbricazione, nonché le misure specifiche adottate per garantire la qualità del prodotto.

III. Principi di progettazione per il sistema di controvento

Per garantire il comportamento spaziale dell'edificio, migliorare la sua rigidità complessiva, resistere e trasmettere le forze orizzontali longitudinali, prevenire un'eccessiva deformazione degli elementi, evitare la deformazione degli elementi di compressione e garantire la stabilità complessiva della struttura, un sistema di rinforzo affidabile dovrebbe essere predisposto in base alla forma strutturale dell'edificio, alla disposizione della gru, alle apparecchiature vibranti, alla campata e all'altezza dell'officina e alla lunghezza di ciascuna zona di temperatura. Ciascuna zona termica dovrebbe essere dotata di un sistema di controventamento intercolonna stabile, disposto in coordinamento con il controvento orizzontale laterale del tetto. La posizione del rinforzo della colonna inferiore è un fattore chiave che determina la direzione della deformazione longitudinale e influenza l'entità dello stress termico; il rinforzo della colonna inferiore dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile al centro della zona di temperatura, in modo che gli elementi longitudinali come le travi della gru possano espandersi e contrarsi liberamente verso entrambe le estremità al variare della temperatura. Quando la zona di temperatura è breve, un singolo set di rinforzi della colonna inferiore viene generalmente posizionato al centro. Tuttavia, quando la zona di temperatura è più lunga di 150 m, all'interno della zona dovrebbero essere installati due set di controventi della colonna inferiore per garantire la rigidità longitudinale; essi dovrebbero essere posizionati il ​​più possibile entro il terzo medio della zona termica e la distanza da centro a centro tra i due gruppi non dovrebbe superare i 72 m, in modo da evitare un eccessivo stress termico.

IV. Punti chiave per la progettazione sismica

Quando si esegue la progettazione sismica di un edificio industriale con struttura in acciaio, è necessario tenere conto dei seguenti punti. Innanzitutto, in termini di disposizione generale, la massa e la rigidezza della struttura dovrebbero essere distribuite uniformemente in modo che l'edificio venga caricato in modo uniforme e si deformi in modo coordinato; la rigidezza irregolare dovrebbe essere evitata poiché ha un effetto sfavorevole sulla prestazione sismica. Per la struttura trasversale si dovrebbe adottare un telaio rigido, ovvero un telaio in cui la capriata del tetto è rigidamente collegata alle colonne, in modo da sfruttare appieno le prestazioni portanti dell'acciaio e ridurre le deformazioni trasversali. In secondo luogo, gli edifici con struttura in acciaio di solito crollano non perché la resistenza degli elementi sia insufficiente, ma perché gli elementi cedono; pertanto, è particolarmente importante un sistema di controventamento ben organizzato che garantisca la stabilità complessiva dell'edificio. Infine, in caso di azione sismica, si verifica la fatica a basso numero di cicli e il suo effetto sull’edificio deve essere considerato nella progettazione. La progettazione delle connessioni strutturali dovrebbe garantire che il cedimento del giunto non avvenga prima dello snervamento dell'intera sezione degli elementi strutturali; agli elementi dovrebbe essere consentito di entrare nella fase plastica in modo che possano assorbire completamente l'energia sismica e sviluppare la loro capacità sismica.

V. L'importanza della progettazione della resistenza al calore e al fuoco

Edifici industriali con struttura in acciaiohanno una scarsa resistenza al fuoco. Quando l'acciaio viene riscaldato oltre i 100 °C, la sua resistenza alla trazione diminuisce e la sua plasticità aumenta all'aumentare della temperatura. Intorno ai 250°C, la resistenza alla trazione dell’acciaio aumenta leggermente mentre la sua plasticità diminuisce, un fenomeno noto come fragilità blu. Al di sopra dei 250°C l'acciaio inizia a deformarsi. A circa 500 °C la resistenza dell'acciaio diminuisce a tal punto che la struttura in acciaio potrebbe crollare. Pertanto, ogni volta che la temperatura superficiale di una struttura in acciaio supera i 150 °C, è necessario prevedere un isolamento termico e una progettazione antincendio (solitamente ottenuta mediante l'applicazione di rivestimenti resistenti al calore e ignifughi).

Nella costruzione diedifici industriali con struttura in acciaio, sorgono molti problemi pratici; qui analizziamo solo quelli più importanti.

VI. Inserimento dei tirafondi durante la costruzione

Si può dire che il fatto che i bulloni di ancoraggio siano installati saldamente è fondamentale per la stabilità di un edificio industriale con struttura in acciaio. La precisione dei bulloni di ancoraggio influisce direttamente sul posizionamento della struttura in acciaio. I bulloni di ancoraggio devono essere incorporati con estrema precisione: deviazione dell'asse ±2,0 mm e quota ±5,0 mm. Prima di installare i bulloni di ancoraggio della colonna, proiettare ogni asse della rete di controllo orizzontale sulla superficie superiore della fondazione della colonna e chiudere l'anello, in modo da garantire la precisione di installazione dei bulloni; quindi segnare i bordi esterni delle colonne secondo gli assi. Una volta eretto il telaio di supporto (puntellamento) per i tirafondi della colonna, trasferire la quota necessaria sul telaio in tubi di acciaio. 

VII. Precauzioni durante il sollevamento

Le principali precauzioni sono le seguenti. Innanzitutto, segnare le linee centrali trasversali sulla piastra di base del piede della colonna e le linee centrali dei bulloni di ancoraggio, quindi pulire i fori di taglio nella base della colonna; una volta posizionata la colonna in acciaio, regolarne l'elevazione e serrare i dadi. In secondo luogo, dopo aver eretto le colonne d'acciaio in un'area, installare i tiranti (elementi di collegamento), in modo da garantire la stabilità complessiva delle colonne ed evitare che si deformino quando le travi d'acciaio vengono sollevate. Infine issare le travi in ​​acciaio: collegare le coppie di travi a mezz'aria ed eseguire il primo serraggio dei bulloni ad alta resistenza; la prima trave deve essere fissata con quattro tiranti per evitare che si inclini da un lato.

VIII. Difficoltà nell'installazione del sistema di travi della gru

Durante la costruzione, le travi della gru devono essere installate rigorosamente dalla campata controventata, in conformità con le specifiche. Una volta installato e collegato, il controvento tra le colonne forma un'unità di rigidezza spaziale relativamente stabile; l'installazione da questa campata è più sicura e garantisce inoltre che il montaggio delle travi della gru non influisca sulla verticalità delle colonne. Durante l'installazione, le piastre di spessoramento devono essere posizionate sotto le travi della gru con ampie deviazioni della sezione terminale; questi spessori devono essere saldati in posizione dopo che il sistema di travi della gru è stato regolato e le travi devono essere allineate con precisione rispetto alle linee di posizionamento preimpostate. L'impianto frenante dovrà essere collegato formalmente solo dopo che le travi della gru siano state regolate e fissate. Quando la piastra del freno è collegata alla trave della gru tramite bulloni ad alta resistenza e alla capriata ausiliaria mediante saldatura, la sequenza è importante: collegare prima la piastra del freno alla trave della gru con bulloni ad alta resistenza ed eseguire il serraggio iniziale; quindi regolare la capriata ausiliaria, fissarla alla piastra del freno ed eseguire il serraggio finale dei bulloni ad alta resistenza; infine saldare la piastra freno al traliccio ausiliario. Sia il serraggio dei bulloni ad alta resistenza che la saldatura della piastra freno dovrebbero procedere dal centro di ciascuna piastra verso entrambi i bordi, al fine di ridurre le tensioni interne alla piastra.

IX. Impilamento di componenti in acciaio

Per facilitare il montaggio, i componenti in acciaio dovrebbero essere impilati in modo ragionevole dopo l'arrivo in cantiere. I principi sono: i componenti urgentemente necessari per il montaggio dovrebbero essere impilati direttamente sul posto, seguendo la sequenza di sollevamento: quelli da sollevare prima vanno in alto, e quelli da issare successivamente vanno in basso; i componenti che non sono urgentemente necessari dovrebbero essere temporaneamente immagazzinati fuori sede. Durante l'impilamento, mantenere le colonne e le travi separate e impilarle per asse. Il piazzale di stoccaggio dovrà essere gestito da personale preposto; i componenti dovrebbero essere conteggiati rispetto ai requisiti di fornitura e alla lista di consegna, e i registri dovrebbero essere archiviati. Gli elementi della sezione ad H devono essere conservati in posizione verticale, mai in piano. Ogni componente deve essere appoggiato su almeno due punti; i punti di appoggio dovranno essere posizionati a circa un settimo della campata dalle estremità dell'elemento. Quando si impila a strati, non sono consentiti più di tre strati; i blocchi di legno devono essere posizionati correttamente tra gli strati per mantenerli a livello e i punti di supporto devono essere allineati verticalmente.