Як розрахувати навантаження для дахових ферм на складах?

Типи навантажень на дах, що впливають на проектування ферм для складів

Монтаж ферм даху на складах має витримувати три основні категорії навантажень. Точний розрахунок цих сил є обов’язковим для забезпечення міцності конструкції та відповідності нормам.

Постійне навантаження: вага конструкції даху, прогонів і постійних елементів кріплення

Постійне навантаження стосується тих постійних вертикальних навантажень, що виникають від самого будівлі. Маються на увазі такі елементи, як матеріали покриття даху, шари ізоляції, прогони, розташовані поперек даху, а також усе, що міцно прикріплено, наприклад, витяжні вентиляційні отвори чи віконні пристрої на даху. Зокрема для складських приміщень горизонтальні прогонові балки, які передають навантаження від даху на ферми, зазвичай створюють навантаження близько 3–5 фунтів на квадратний фут. Сталевий настил додає ще 2–4 фунти на квадратний фут. Не слід забувати й про обладнання! Наприклад, протипожежна система поливу сама по собі створює навантаження приблизно 1–2 фунти на квадратний фут. Ігнорування цих факторів може призвести до серйозних помилок у розрахунках навантаження на нижній пояс ферм, іноді до 15%. Тому точне визначення постійного навантаження має велике значення для структурної міцності.

Корисне навантаження: стелажі для зберігання, установки HVAC та персонал технічного обслуговування

Корисні навантаження включають тимчасові або рухомі вагові навантаження. До специфічних для складів факторів належать:

• Стелажі для зберігання : Системи з високою щільністю створюють концентроване навантаження 20–50 фунтів на квадратний фут у точках ферм
• Кондиціонери повітря : Блоки на даху додають 10–30 фунтів на квадратний фут; їх розташування суттєво впливає на розподіл навантаження та проектування з'єднань
• Персонал, який обслуговує : OSHA вимагає, щоб конструкції враховували концентроване тимчасове навантаження в 250 фунтів під час ремонтних робіт

Хоча ASCE 7-22 передбачає мінімальне рівномірне тимчасове навантаження на дахах 20 фунтів на квадратний фут, склади зі зберіганням на даху або механічним обладнанням часто значно перевищують цей базовий рівень — і мають бути спроектовані відповідно.

Експлуатаційні навантаження: Нагромадження снігу, вітрове відривання та сейсмічні фактори згідно ASCE 7

Кліматичні загрози вимагають ретельного аналізу, специфічного для конкретного місця:

• Снігові навантаження варіюються в залежності від регіону (наприклад, 30 фунтів на кв. фут у Мічигані проти 5 фунтів на кв. фут у Техасі). Намети поблизу парапетів можуть збільшити локальні навантаження до 300%, згідно розділу 7 ASCE 7.
• Вітрове відривання сили можуть змінювати напруження в фермах — перетворюючи стиснуті елементи на розтягнуті, що вимагає міцних з'єднань на розтяг. Склади з відкритою планувальною схемою мають на 25% вищий ризик підйому даху в зонах, схильних до ураганів.
• Сейсмічні навантаження , регульовані ASCE 7 Розділ 12.4, визначають конфігурацію підкосів та роботу систем, що сприймають горизонтальні зусилля, у зонах активних розломів.

Дослідження галузі 2023 року показало, що 68% випадків руйнування ферм складів було спричинено помилками у розрахунку навантажень від навколишнього середовища — через що стає очевидно, що загальні припущення недостатні.

Чинники, специфічні для складів, які впливають на несучу здатність дахових ферм

Конструкції великих прольотів і наслідки для вигину та втрати стійкості ферм

Ферми даху в складах зазвичай використовуються для великих відкритих просторів, де немає потреби у внутрішніх колонах. Проблема виникає тоді, коли ці довгі прольоти створюють більші згинальні зусилля в поясах ферм. Згідно з базовою теорією балок, ці зусилля фактично зростають пропорційно квадрату довжини прольоту. Коли мова йде про дійсно широкі прольоти, наприклад понад 24 метри, проектувальники зазвичай більше турбуються про те, наскільки конструкція буде прогинатися, а не просто про те, чи вона зможе витримати навантаження. Саме тому глибина ферм збільшується або можуть знадобитися інші матеріали для довших прольотів. Зменшення відстані між фермами, наприклад кожні 1,2 метра замість кожних 2,4 метра, допомагає скоротити прольоти прогонів і рівномірніше розподілити навантаження від обладнання чи людей, які пересуваються. Це робить усю систему менш схильною до втрати стійкості під навантаженням. Більшість будівельних норм обмежує прогин приблизно L/240 для тимчасових навантажень, головним чином тому, що ніхто не хоче, щоб стелі тріскалися або щоб робочий процес порушувався через конструктивні проблеми в майбутньому.

Навантаження з високою щільністю зберігання та їх вплив на розтягування нижніх поясів

Коли ми говоримо про системи стелажів з високою щільністю, вони створюють концентровані точкові навантаження, які безпосередньо передаються через прогони й потрапляють у вузли ферм. Це створює значне зусилля розтягування в нижніх поясах, особливо в середній частині прольоту. Розрахункові моделі показують, що кожні додаткові 1000 фунтів на квадратний фут площі можуть збільшити напруження в нижньому пояcі на 15–20%. Навантаження від навколишнього середовища розподілені на більшій площі, тоді як сили від стелажів створюють різкі піки напружень у конкретних місцях. Це означає, що інженерам необхідно посилювати вузлові з'єднання, використовувати більш потужні перерізи поясів або переглянути шляхи передачі навантажень через конструкцію. Збереження безперервності шляхів передачі навантажень без переривань залишається критичним для запобігання ситуації, коли одна аварія призводить до повного руйнування системи.

Покроковий процес розрахунку навантажень для дахових ферм у складських застосуваннях

Збір критичних вхідних даних: розміри боксу, класифікація використання та вимоги місцевих норм

При початку процесу важливо зібрати дані, що стосуються безпосередньо складської приміщення. Виміряйте такі параметри, як розміри відсіків, у тому числі ширину, довжину між колонами, і зафіксуйте, як нахилена дахова конструкція. Також визначте, за яким призначенням буде використовуватися приміщення — чи воно призначене для зберігання великої кількості інвентарю, щільно розташованого один до одного, чи всередині буде вестись легке виробництво. Має значення також кліматичні умови. Навантаження від снігу може відрізнятися аж на 40% залежно від регіону розташування будівлі в країні, згідно зі стандартами, наприклад ASCE 7-22. Місцеві органи влади часто додатково коригують ці норми, тому перевірка конкретних вимог є критично важливою. Візьмемо, наприклад, сейсмічні зони. Будівлі в зоні 4 потребують приблизно на 30% більшої міцності проти бічних навантажень порівняно з будівлями в зоні 1. Правильне визначення всіх цих параметрів створює основу для усіх наступних етапів проектування та забезпечує дотримання місцевих нормативів.

Застосування комбінацій навантажень ASCE 7 для ферм даху складу

При проектуванні конструкцій інженери мають враховувати кілька різних типів навантажень, що діють одночасно. Постійні навантаження зазвичай становлять близько 12 фунтів на квадратний фут для таких елементів, як металева дека. Тимчасові навантаження варіюються в межах від 20 до 25 psf залежно від того, що зберігається у приміщенні. Снігове навантаження може сягати 50 psf у районах навколо Великих озер. І не варто забувати також про вітрове навантаження, що викликає підйомну силу. Усі ці фактори поєднуються відповідно до рекомендацій ASCE 7-22. Деякі комбінації важливіші за інші. Наприклад, 1,2D + 1,6L + 0,5S. Цей конкретний випадок визначає величину розтягувального зусилля в нижніх поясах ферм у зонах зберігання з великим навантаженням. Навіть при використанні програм, таких як Revit, які автоматично виконують більшість розрахунків, цей окремий випадок все ще потребує перевірки класичним способом — олівцем на папері. Програмне забезпечення безперечно прискорює процес, це факт. Але ніщо не замінює реального інженерного досвіду, коли аналізуються форми ферм, робота з'єднань під навантаженням чи логічність шляхів передачі навантаження з конструктивної точки зору.

Перевірка з урахуванням коефіцієнтів безпеки та галузевих стандартів (AISC, NDS)

Завжди двічі перевіряйте результати проектування за допомогою коефіцієнтів безпеки AISC, які зазвичай коливаються від 1,5 до 2,0 для розрахунків межі плинності. Працюючи з дерев'яними елементами, не забувайте враховувати специфікації NDS щодо допустимих напружень. Особливу увагу також слід приділити проектуванню стальних ферм. Опір втраті стійкості має бути принаймні на 25% вищим, ніж значення, отримані нами для осьових навантажень і згинальних моментів, згідно з останніми рекомендаціями AISC 360-23. І перш ніж різати метал, обов’язково пройдіть перевірку сторонніми експертами. Перевірка колегами через затверджені розрахунки — це не просто формальність; це абсолютно необхідна гарантія проти дорогих помилок під час фактичного виготовлення.

Забезпечення відповідності та структурної цілісності для проектів дахових ферм для складських приміщень

Дотримання структурних стандартів не є факультативним при проектуванні фермових систем складських приміщень. Інженери повинні перевіряти, чи всі навантаження — від постійного вагового до тимчасових та впливу зовнішніх чинників — відповідають вимогам IBC та специфікаціям ASCE 7. Для складів, де зберігаються важкі вантажі, особливо важливою є перевірка розтягування нижнього пояса. Це стосується не лише забезпечення міцності в звичайних умовах, а й запобігання руйнуванням під час раптової зміни навантажень. Під час виготовлення та монтажу цих конструкцій необхідно регулярно проводити перевірки, щоб переконатися у достатній міцності зварних швів, правильному нанесенні захисних покриттів від корозії та відповідності матеріалів для вогнезахисту стандартам ASTM. Після завершення будівництва стан ферм слід контролювати шляхом оглядів кожні два роки, щоб виявити ознаки утворення тріщин від напружень, початку корозії металу чи просто зносу матеріалів з часом. Усі розрахунки, результати випробувань матеріалів та звіти незалежних лабораторій мають зберігатися в надійному місці для подальшої перевірки відповідності вимогам. І, по суті, довгостроковий успіх значною мірою залежить від спостереження за станом конструкції після монтажу. Особливу увагу слід приділяти накопиченню снігу на дахах та стійкості конструкції до відшарування під дією вітрового навантаження в районах із жорсткими погодними умовами. Навіть різниця всього в один градус Цельсія може вплинути на прогин і деформацію ферм приблизно на піввідсотка.

Часто задані питання

Які основні типи навантажень впливають на проектування ферм складу?

Основні типи навантажень, що впливають на проектування ферм складу, включають постійні навантаження, тимчасові навантаження та природні навантаження, такі як нагромадження снігу, вітрове підняття та сейсмічні умови.

Чому важливо розраховувати постійне навантаження для проектування ферм складу?

Розрахунок постійного навантаження є критичним, оскільки воно складається з постійних вертикальних навантажень від покрівельного настилу, прогонів і постійних елементів, які безпосередньо впливають на конструктивну міцність складу.

Як можуть змінюватися природні навантаження в різних регіонах?

Природні навантаження, такі як снігове навантаження, можуть значно відрізнятися залежно від регіону (наприклад, 30 psf у Мічигані проти 5 psf у Техасі) і мають аналізуватися з урахуванням кліматичних умов конкретного місця.

Яку роль відіграють тимчасові навантаження у проектуванні покрівельних ферм складу?

Тимчасові навантаження включають тимчасові або рухомі вантажі, такі як стелажі для зберігання, установки кондиціонування повітря та персонал технічного обслуговування, і є важливими чинниками, що забезпечують здатність ферм витримувати додаткові динамічні навантаження.

Чому важливо дотримання стандартів, таких як ASCE 7?

Дотримання стандартів, таких як ASCE 7, має вирішальне значення для забезпечення міцності та безпеки конструкцій, оскільки ці стандарти встановлюють рекомендації щодо розрахунку навантажень і проектних характеристик, адаптованих до конкретних умов довкілля та будівель.