Systemy dachowe o konstrukcji stalowej: projektowanie, obciążenie i okładziny

Podstawowe konfiguracje ram konstrukcyjnych

System dachowy rozpoczyna się od ramy głównej, zazwyczaj walcowanych na gorąco szerokich profili kołnierzowych lub stożkowych dźwigarów złożonych. Każda z trzech dominujących typologii nakłada odrębne ograniczenia na przegrodę dachową. Sztywne ramy z prostymi lub segmentowymi słupami i krokwiami zapewniają rozpiętość w świetle do 150 stóp bez kolumn wewnętrznych , co czyni je standardem w magazynach i hangarach lotniczych. Nachylenie krokwi musi równoważyć wymagania dotyczące drenażu z tonażem stali; Dla płyt trapezowych mocowanych przelotowo absolutnym minimum jest nachylenie 0,25:12, natomiast dla systemów na rąbek stojący zalecane jest nachylenie 0,5:12, aby zapobiec tworzeniu się zacieków.

Dachy o konstrukcji kratownicowej, w których zastosowano belki stropowe lub belki ażurowe, umożliwiają przejście kanałów mechanicznych i instalacji tryskaczowych przez otwory w środniku, zmniejszając całkowitą wysokość budynku o 18 do 30 cali w porównaniu do belek ze środnikiem pełnym. Kompromisem są zwiększone koszty produkcji i bardziej złożone szczegóły połączeń w punktach paneli. W przypadku zastosowań o dużej rozpiętości przekraczającej 200 stóp ramy przestrzenne zbudowane z rurowych pustych kształtowników konstrukcyjnych (HSS) rozkładają obciążenia poprzez trójwymiarową sieć węzłów i prętów, ale zmienne kąty przecięcia wymagają specjalnie wykonanych zacisków mocujących okładzinę w każdym węźle cięciwy.

Elementy drugorzędne i inżynieria płatwi

Płatwie stalowe formowane na zimno, zwykle o przekroju Z lub C o głębokości od 8 do 12 cali, rozpięte pomiędzy ramami głównymi w odstępach co 4 do 6 stóp . Płatwie Z są ogólnie preferowane, ponieważ ich asymetryczny kształt umożliwia zachodzenie na podpory, tworząc ciągłe działanie belki, które zmniejsza ugięcie nawet o 40% w porównaniu do sekcji z prostym podparciem . Rozstaw płatwi nie jest dowolny; jest to podyktowane dopuszczalną rozpiętością profilu okładzinowego przy określonym ciśnieniu parcia wiatru. Panel z odsłoniętymi elementami złącznymi o grubości 24 może wymagać płatwi w odległości 4 stóp pośrodku, podczas gdy cięższy panel konstrukcyjny o grubości 22 może rozciągać się do 5 lub 6 stóp, eliminując jedną linię płatwi na przęsło.

Orientacja płatwi względem połaci dachu wprowadza dwuosiową składową zginania. Amerykański Instytut Żelaza i Stali (AISI S100) wymaga sprawdzenia zarówno zginania w osi mocnej, jak i słabej w połączeniu ze skręcaniem od mimośrodowego mocowania membrany dachowej. Pręty ugięcia lub kątowniki ugięcia, instalowane prostopadle do środnika płatwi w połowie rozpiętości lub w trzecich punktach, usztywniają pas ściskany przed wyboczeniem boczno-skrętnym i przenoszą składnik ciężkości ciężaru dachu na ramę główną.

Dobór profili okładzinowych i sposoby mocowania

Stalowa okładzina dachowa stanowi barierę przed warunkami atmosferycznymi, a poszycie membrany wytrzymuje obciążenia boczne. Wybór pomiędzy panelami mocowanymi przelotowo a panelami na rąbek stojący decyduje o trwałości wodoszczelności systemu.

Systemy łączone na wskroś opierają się na śrubach z podkładką neoprenową dociskających się do korony panelu. Podkładki ulegają degradacji pod wpływem promieniowania UV i cykli termicznych, a ich żywotność wynosi 15 do 20 lat, zanim będzie konieczna wymiana . Panele na rąbek stojący, formowane na miejscu ze zwojów lub dostarczane w formie fabrycznie formowanych patelni, łączą się mechanicznie za pomocą 360-stopniowego zamka zamykającego klips. Podstawa klipsa jest mocno przykręcona do płatwi, ale przesuwana wypustka umożliwia niezależne rozszerzanie i kurczenie się panelu. W przypadku budynków o długości okapu przekraczającej 200 stóp, inżynieria punktów stałych staje się niezbędna; dach jest kotwiony w pojedynczej linii kalenicy lub okapu, a wszystkie pozostałe zaciski są typu przesuwnego, ze szczelinami dylatacyjnymi wyszczególnionymi w miejscach przejść.

Działanie membrany dachowej i boczna droga obciążenia

Stalowe poszycie dachowe pełni funkcję poziomej przepony przenoszącej siły wiatru i sejsmiczne ze ścian czołowych i ram pośrednich na pionowe przęsła usztywniające. Wydajność membrany jest funkcją głębokości profilu panelu, grubości stali i układu łączników. Agregat typu B z szerokimi żebrami o głębokości 1,5 cala, o średnicy 22, mocowany za pomocą wkręcanych proszkowo łączników Hilti X-HSN 24 lub wkrętów samowiercących nr 12-24 6 cali pośrodku na końcach panelu i 12 cali pośrodku na podporach pośrednich , zapewnia dopuszczalną wytrzymałość na ścinanie od około 300 do 500 funtów na stopę liniową, w zależności od tabel projektowych membran Steel Deck Institute.

Warunki brzegowe regulują pojemność. Rama obwodowa równoległa do kierunku obciążenia musi posiadać łączniki konstrukcyjne na każdym żebrze, aby wytworzyć siły graniczne. Brakujący lub słabo wkręcony łącznik na rozpórce okapowej zmniejsza lokalnie sztywność membrany i przenosi obciążenie na sąsiednie połączenia, co jest kaskadowym trybem awarii, który został udokumentowany podczas badań uszkodzeń prefabrykowanych budynków metalowych po huraganie.

Wydajność cieplna i kontrola kondensacji

Stal z grubsza przewodzi ciepło 400 razy szybciej niż izolacja z wełny mineralnej , co sprawia, że mostki termiczne na płatwiach i zaciskach są dominującą drogą utraty ciepła. Dach stalowy z izolacją z włókna szklanego R-30 naciągniętą na płatwie ma efektywną wartość R wynoszącą tylko R-11 do R-14 po uwzględnieniu zwarć termicznych, zgodnie z metodami obliczeniowymi ASHRAE 90.1 Załącznik A. Rozwiązaniem jest termiczny blok dystansowy, zwykle 1,5-calowy sztywny pasek poliizocyjanurowy instalowany pomiędzy kołnierzem płatwi a okładziną, w połączeniu z izolacją kocową o dużej gęstości, która pozwala uzyskać pełny strych nad wierzchołkiem płatwi, a nie jest ściskana do zerowej grubości na każdej linii konstrukcyjnej.

Szczyt ryzyka kondensacji występuje na przecięciu punktu rosy w zespole. Niewentylowany dach stalowy w zimnym klimacie wymaga ciągłej bariery powietrznej i środka opóźniającego parowanie po ciepłej stronie wewnętrznej. Konsultanci z zakresu nauk budowlanych powszechnie określają: Arkusz polietylenowy o grubości 10 mil lub inteligentną membranę paroizolacyjną pod płatwiami, uszczelnioną na wszystkich zakładkach i przejściach, aby zapobiec przedostawaniu się wilgotnego powietrza z wnętrza do zimnej spodu stalowego poszycia. Bez tej bariery szron gromadzi się we wnętrzu izolacji, topi się podczas cykli termicznych i kapie na płyty sufitowe, co często jest mylone z nieszczelnością dachu.

Ochrona przed korozją i kompatybilność materiałowa

Środowisko usługowe dyktuje specyfikację podłoża i powłoki. Ocynkowana stal G90 (0,90 uncji cynku na stopę kwadratową) zapewnia odpowiednią ochronę w zastosowaniach śródlądowych, nieprzemysłowych, ale wymagają narażenia przybrzeżne lub w przemyśle ciężkim Elementy złączne ze stali powlekanej stopem aluminium i cynku AZ55 (Galvalume) lub stali nierdzewnej . Galvalume zapewnia około dwa do czterech razy lepszą ochronę krawędzi cięcia niż powłoki ocynkowane, ponieważ bogata w aluminium matryca w sposób ofiarny chroni odsłoniętą stal na ściętych krawędziach.

Korozja galwaniczna jest mechanizmem awarii, któremu można zapobiec. Kiedy miedziane rynny, obróbki blacharskie ołowiane lub drewno impregnowane ciśnieniowo środkami konserwującymi na bazie miedzi stykają się ze stalowym dachem, tworzy się ogniwo elektrolityczne. Mniej szlachetny metal, powłoka cynkowa lub aluminiowa, koroduje preferencyjnie. Warstwa oddzielająca z membrany EPDM lub arkusza transportowego z polietylenu o dużej gęstości musi izolować różne metale. Nawet elementy złączne nie są odporne; śruby ze stali węglowej w panelu ze stali nierdzewnej rdzewieją w ciągu kilku miesięcy, podczas gdy panel pozostaje nienaruszony. Specyfikacja łącznika musi odpowiadać lub przekraczać odporność panelu na korozję.

Testowanie i uruchomienie w trakcie budowy

Integralność systemu dachowego jest weryfikowana poprzez serię kontroli punktów mocowania. Przed montażem okładziny sprawdza się ustawienie płatwi za pomocą sznurka lub lasera; odchylenie przekraczające ±1/4 cala na 20 stóp będzie widoczny przez gotowy panel jako widoczna falistość. Po zabezpieczeniu okładziny, ale przed nałożeniem wykończenia, przeprowadza się symulację testu na stojaku z natryskiem wodnym 6 cali opadów na godzinę na całej powierzchni dachu, identyfikuje puste przestrzenie w szwach i nieszczelności łączników, które są niewidoczne w suchych warunkach.

Wytrzymałość membrany na ścinanie można sprawdzić w terenie za pomocą nieniszczącego testu sztywności. Siłownik hydrauliczny przykłada obciążenie boczne na okap, a czujniki zegarowe mierzą ugięcie w płaszczyźnie. Porównanie zmierzonej elastyczności ze sztywnością obliczeniową pozwala zidentyfikować luki w układzie łączników lub niewystarczające łożysko na połączeniach płatwi z krokwiami, zanim budynek zostanie poddany obliczeniowemu działaniu wiatru.

Wyzwalacze konserwacji i wskaźniki końca usługi

Stalowy system dachowy wymaga udokumentowanego harmonogramu przeglądów powiązanego z zauważalną degradacją. Poniższa lista kontrolna określa punkt przejścia od rutynowej konserwacji do wymiany kapitału:

• Uszczelki elementów złącznych wykazujące pęknięcia obwodowe lub odkształcenia po ściskaniu głębsze niż 0,020 cala.
• Połączenia na rąbek stojący z widocznymi odstępami przekraczającymi 1/16 cala, wskazującymi na zmęczenie zacisku lub zapadkę termiczną.
• Woda zastoinowa pozostająca na powierzchni dachu dłużej niż 48 godzin po opadach deszczu, wskazująca na nieodpowiednie nachylenie lub ugięcie konstrukcji.
• Pęcherze powłoki lub czerwone plamy rdzy na ponad 3% całkowitej powierzchni panelu, powodujące konieczność analizy ponownego pokrycia lub wymiany panelu.
• Widoczne od spodu wyboczenie środnika płatwi lub wydłużenie śrub łączących wymagające natychmiastowej oceny podparcia konstrukcyjnego.