Strešné systémy s oceľovou konštrukciou: Dizajn, zaťaženie a opláštenie

Konfigurácie primárneho konštrukčného rámu

Strešný systém začína primárnym rámom, typicky za tepla valcovanými širokými prírubovými profilmi alebo kužeľovými zostavenými nosníkmi. Všetky tri dominantné typológie kladú odlišné obmedzenia na plášť strechy. Pevné rámy s rovnými alebo segmentovými stĺpikmi a krokvami poskytujú jasné rozpätia až 150 stôp bez vnútorných stĺpov , čím sa stávajú štandardom pre sklady a letecké hangáre. Sklon krokiev musí byť v rovnováhe s požiadavkami na odvodnenie a tonážou ocele; sklon 0,25:12 je absolútnym minimom pre priečne pripevnené trapézové panely, zatiaľ čo 0,5:12 sa odporúča pre systémy so stojatou drážkou, aby sa predišlo zrážaniu.

Krovové strechy, využívajúce nosníky s otvoreným pásom alebo lemované trámy, umožňujú mechanickému potrubiu a zavlažovacím potrubiam prechádzať cez otvory v páse, čím sa znižuje celková výška budovy o 18 až 30 palcov v porovnaní s pevnými nosníkmi. Kompromisom sú zvýšené výrobné náklady a zložitejšie detaily spojov v bodoch panelov. Pri aplikáciách s dlhým rozpätím presahujúcim 200 stôp priestorové rámy konštruované z rúrkových dutých konštrukčných profilov (HSS) rozdeľujú zaťaženie cez trojrozmernú sieť uzlov a členov, ale premenlivé uhly priesečníkov vyžadujú na mieru vyrobené spony na pripevnenie obkladu v každom uzle pásu.

Sekundárne prvky a väznicové inžinierstvo

Oceľové väznice tvarované za studena, zvyčajne profily Z alebo C s hĺbkou od 8 do 12 palcov, sa rozprestierajú medzi primárnymi rámami v intervaloch 4 až 6 stôp . Z-väznice sú všeobecne preferované, pretože ich asymetrický tvar umožňuje prekrývanie na podperách, čím sa vytvára súvislý lúč, ktorý znižuje vychýlenie až o 40 % v porovnaní s jednoducho podporovanými sekciami . Rozstup väzníc nie je ľubovoľný; je diktovaný povoleným rozpätím obkladového profilu pri špecifikovanom tlaku vztlaku vetra. Panel odkrytých upevňovacích prvkov s mierou 24 môže vyžadovať väznice so 4 stopami v strede, zatiaľ čo ťažší panel so stojatou drážkou s rozchodom 22 sa môže natiahnuť na 5 alebo 6 stôp, čím sa eliminuje jedna čiara väznice na pole.

Orientácia väznice vzhľadom na sklon strechy zavádza biaxiálny ohybový komponent. Americký inštitút železa a ocele (AISI S100) vyžaduje kontrolu ohybu v silnej aj slabej osi v kombinácii s krútením z excentrického uchytenia strešnej membrány. Prúty priehybu alebo uhly priehybu inštalované kolmo na stojinu väznice v strednom rozpätí alebo v tretích bodoch podopierajú kompresnú prírubu proti priečnemu torznému vybočeniu a prenášajú tiažovú zložku hmotnosti strechy do primárneho rámu.

Výber profilu obkladu a spôsoby pripevnenia

Oceľový strešný plášť je bariérou proti poveternostným vplyvom a plášť membrány odoláva bočnému zaťaženiu. Voľba medzi panelmi s priebežným a stojatým švom určuje životnosť vodotesnosti systému.

Priebežne upevnené systémy sa spoliehajú na neoprénové skrutky s podložkou, ktoré sa pritlačia k korune panelu. Podložky sa vplyvom UV žiarenia a tepelných cyklov degradujú so životnosťou 15 až 20 rokov pred požiadavkou na výmenu . Panely so stojatým švom, vytvorené na mieste zo zvitkov alebo dodávané ako továrenské plechy, sa mechanicky spájajú pomocou 360-stupňového zámku, ktorý zapuzdruje sponu. Klipová základňa je pevne priskrutkovaná k väznici, ale posuvný jazýček umožňuje samostatné rozťahovanie a zmršťovanie panelu. Pri budovách s dĺžkou odkvapu viac ako 200 stôp sa inžinierstvo s pevným bodom stáva nevyhnutným; strecha je ukotvená v jednej línii hrebeňa alebo odkvapu a všetky ostatné príchytky sú posuvné, s dilatačnými škárami podrobne popísanými pri prestupoch.

Účinok strešnej membrány a dráha priečneho zaťaženia

Oceľová strešná doska funguje ako horizontálna membrána, prenášajúca veterné a seizmické sily z koncových stien a medziľahlých rámov na vertikálne výstužné polia. Kapacita membrány je funkciou hĺbky profilu panelu, hrúbky ocele a vzoru upevňovacích prvkov. 1,5-palcová hlboká rebrová plošina typu B s mierou 22, pripevnená práškom Hilti X-HSN 24 alebo samoreznými skrutkami #12-24 na 6 palcov v strede na koncoch panelov a 12 palcov v strede na medziľahlých podperách , poskytuje prípustnú kapacitu v šmyku približne 300 až 500 libier na lineárnu stopu, v závislosti od tabuliek konštrukcie membrány Steel Deck Institute.

Okrajové podmienky riadia kapacitu. Obvodový rám rovnobežný so smerom zaťaženia musí mať konštrukčné upevňovacie prvky na každom rebre, aby sa vyvinuli sily na hraničnom páse. Chýbajúci alebo nedostatočne zatlačený upevňovací prvok na odkvapovej vzpere lokálne znižuje tuhosť membrány a presúva zaťaženie na susedné spoje, čo je kaskádový poruchový režim, ktorý bol zdokumentovaný pri prieskumoch poškodení po hurikáne vopred pripravených kovových budov.

Tepelný výkon a kontrola kondenzácie

Oceľ vedie teplo zhruba 400-krát rýchlejšie ako izolácia z minerálnej vlny , čím sú tepelné mosty na väzniciach a príchytkách dominantnou cestou tepelných strát. Oceľová strecha s izoláciou zo sklenených vlákien R-30 prekrytá cez väznice má efektívnu hodnotu R iba R-11 až R-14 keď sa započítajú tepelné skraty, podľa metód výpočtu ASHRAE 90.1 Príloha A. Riešením je tepelný dištančný blok, typicky 1,5-palcový pevný polyizokyanurátový pás inštalovaný medzi prírubou väznice a opláštením, kombinovaný s izoláciou prikrývky s vysokou hustotou, ktorá dosahuje plné pokrytie nad vrchom väznice a nie je stlačený na nulovú hrúbku pri každej konštrukčnej línii.

Riziko kondenzácie vrcholí na priesečníku rosného bodu v rámci zostavy. Nevetraná oceľová strecha v chladnom podnebí vyžaduje súvislú vzduchovú bariéru a parotesnú zábranu na teplej strane interiéru. Konzultanti stavebnej vedy bežne špecifikujú a 10-mil polyetylénová fólia alebo inteligentná parotesná membrána pod väznicami, utesnená vo všetkých presahoch a prestupoch, aby sa zabránilo vlhkému vnútornému vzduchu dostať sa k studenej spodnej strane oceľovej konštrukcie. Bez tejto bariéry sa námraza hromadí v dutine izolácie, topí sa počas tepelných cyklov a kvapká na stropné dosky, čo je často mylne považované za netesnosť strechy.

Ochrana proti korózii a materiálová kompatibilita

Servisné prostredie určuje špecifikáciu substrátu a náteru. Pozinkovaná oceľ G90 (0,90 uncí zinku na štvorcovú stopu) poskytuje primeranú ochranu pre vnútrozemské, nepriemyselné aplikácie, ale pobrežné alebo ťažké priemyselné aplikácie si vyžadujú Spojovacie prvky AZ55 z hliníkovo-zinkovej zliatiny (Galvalume) alebo z nehrdzavejúcej ocele . Galvalume ponúka približne dvojnásobnú až štvornásobnú ochranu rezných hrán ako galvanizované povlaky, pretože matrica bohatá na hliník obetavo chráni odhalenú oceľ na strihaných hranách.

Galvanická korózia je mechanizmus zlyhania, ktorému sa dá predísť. Keď sa medené odkvapy, olovené lemovanie alebo tlakovo ošetrené rezivo s ochrannými prostriedkami na báze medi dostanú do kontaktu s oceľovou strechou, vytvorí sa elektrolytický článok. Prednostne koroduje menej ušľachtilý kov, zinkový alebo hliníkový povlak. Separačná vrstva z EPDM membrány alebo klznej fólie z polyetylénu s vysokou hustotou musí izolovať rozdielne kovy. Dokonca ani upevňovacie prvky nie sú imúnne; skrutky z uhlíkovej ocele v paneli z nehrdzavejúcej ocele zhrdzavejú v priebehu niekoľkých mesiacov, zatiaľ čo panel zostane neporušený. Špecifikácia upevňovacieho prvku sa musí zhodovať s odolnosťou panelu proti korózii alebo ju prevyšovať.

Testovanie a uvedenie do prevádzky počas výstavby

Integrita strešného systému sa overuje pomocou sledu kontrol záchytných bodov. Pred inštaláciou opláštenia sa skontroluje vyrovnanie väznice pomocou šnúrky alebo lasera; odchýlka presahujúca ± 1/4 palca na 20 stôp bude telegrafovať cez hotový panel ako viditeľné vlnenie. Po upevnení opláštenia, ale pred aplikáciou obloženia, sa simuluje test stojana s vodným striekaním 6 palcov zrážok za hodinu po celej ploche strechy identifikuje medzery vo švíkoch a netesnosti spojovacieho obtoku, ktoré sú za sucha neviditeľné.

Šmyková kapacita membrány môže byť overená v teréne pomocou nedeštruktívnej skúšky tuhosti. Hydraulické baranidlo aplikuje bočné zaťaženie na odkvap a číselníkové meradlá merajú výchylku v rovine. Porovnanie nameranej pružnosti s konštrukčnou tuhosťou identifikuje medzery v vzore upevňovacích prvkov alebo nedostatočné podopretie v spojoch medzi väznicami a krokvami predtým, ako je budova vystavená vplyvu projektovaného vetra.

Spúšťače údržby a indikátory ukončenia prevádzky

Oceľový strešný systém si vyžaduje zdokumentovaný plán kontroly viazaný na pozorovateľnú degradáciu. Nasledujúci kontrolný zoznam identifikuje prechod od bežnej údržby k výmene kapitálu:

• Upevňovacie tesnenia vykazujúce obvodové praskanie alebo kompresiu usadené hlbšie ako 0,020 palca.
• Spoje so stojatou drážkou s viditeľnými oddeľovacími medzerami presahujúcimi 1/16 palca, čo naznačuje únavu klipu alebo tepelné rachovanie.
• Jazierková voda zostávajúca na povrchu strechy dlhšie ako 48 hodín po daždi, čo naznačuje neadekvátny sklon alebo deformáciu konštrukcie.
• Pľuzgiere na povlaku alebo červené hrdzavé škvrny na viac ako 3 % celkovej plochy panelu, čo spúšťa analýzu opätovného náteru alebo výmeny panelu.
• Vybočenie stojiny väznice alebo predĺženie spojovacej skrutky viditeľné zo spodnej strany, čo si vyžaduje okamžité posúdenie konštrukčného podopretia.