Кровельные системы из стальных конструкций: проектирование, нагрузка и облицовка

Первичные конфигурации структурного каркаса

Система крыши начинается с основного каркаса, обычно это горячекатаные широкие фланцевые профили или конические сборные балки. Каждая из трех доминирующих типологий налагает определенные ограничения на конструкцию кровельного покрытия. Жесткие рамы с прямыми или сегментными колоннами и стропилами обеспечивают свободные пролеты до 150 футов без внутренних колонн , что делает их стандартными для складов и авиационных ангаров. Наклон стропил должен уравновешивать требования к дренажу и тоннаж стали; уклон 0,25:12 является абсолютным минимумом для трапециевидных панелей со сквозным креплением, а уклон 0,5:12 рекомендуется для систем со стоячим фальцем во избежание затопления.

Крыши с ферменным каркасом, в которых используются открытые балки или зубчатые балки, позволяют механическим воздуховодам и спринклерным линиям проходить через отверстия в перегородках, уменьшая общую высоту здания на От 18 до 30 дюймов по сравнению со сплошными балками. Компромиссом является увеличение стоимости изготовления и более сложная детализация соединений в точках панели. Для проектов с пролетами, превышающими 200 футов, пространственные рамы, построенные из трубчатых полых структурных секций (HSS), распределяют нагрузки через трехмерную сеть узлов и элементов, но переменные углы пересечения требуют изготовленных по индивидуальному заказу зажимов для крепления облицовки на каждом узле пояса.

Второстепенные элементы и проектирование прогонов

Стальные прогоны холодной штамповки, обычно Z-образные или C-образные, глубиной от 8 до 12 дюймов, пролегают между основными рамами с интервалом в от 4 до 6 футов . Z-образные прогоны обычно предпочтительнее, поскольку их асимметричная форма позволяет перекрывать опоры, создавая непрерывное действие балки, которое уменьшает прогиб до 40% по сравнению с просто поддерживаемыми разделами . Расстояние между прогонами не является произвольным; это определяется допустимым пролетом профиля облицовки при заданном давлении ветрового подъема. Для панели с открытым крепежом толщиной 24 мм могут потребоваться прогоны на высоте 4 футов по центру, в то время как более тяжелая структурная панель со стоячим фальцем толщиной 22 мм может растягиваться до 5 или 6 футов, устраняя одну линию прогонов на пролет.

Ориентация прогона относительно ската крыши приводит к появлению двуосного изгибающего компонента. Американский институт железа и стали (AISI S100) требует проверки изгиба как по сильной, так и по слабой оси в сочетании с кручением из-за эксцентрикового крепления диафрагмы крыши. Стержни провисания или углы провисания, установленные перпендикулярно стенке прогона в середине пролета или в третьих точках, предохраняют сжатую полку от продольного изгиба и передают гравитационную составляющую веса крыши на основной каркас.

Выбор профиля облицовки и способы крепления

Стальная облицовка крыши является погодным барьером и мембранной обшивкой, противостоящей боковым нагрузкам. Выбор между панелями со сквозным фальцем и панелями со стоячим фальцем определяет долговечность водонепроницаемости системы.

В системах сквозного крепления используются винты с неопреновой шайбой, прижимающиеся к короне панели. Шайбы разрушаются под воздействием УФ-излучения и термоциклирования, срок их службы составляет 15–20 лет, прежде чем потребуется замена . Панели со стоячим фальцем, изготовленные на месте из рулонного материала или поставляемые в виде формованных на заводе лотков, механически сшиваются вместе с помощью замка на 360 градусов, который герметизирует зажим. Основание зажима прочно прикручено к прогону, но скользящая лапка позволяет панели независимо расширяться и сжиматься. Для зданий с длиной карниза более 200 футов становится необходимым проектирование с фиксированной точкой; крыша крепится к одному коньку или линии карниза, а все остальные зажимы являются скользящими, с компенсационными швами, детализированными в местах проходов.

Действие диафрагмы крыши и путь боковой нагрузки

Стальной настил крыши действует как горизонтальная диафрагма, передающая ветровые и сейсмические силы от торцевых стен и промежуточных рам на вертикальные пролеты связей. Пропускная способность диафрагмы зависит от глубины профиля панели, толщины стали и схемы крепления. Дека типа B с широкими ребрами глубиной 1,5 дюйма и калибра 22, прикрепленная с помощью пороховых крепежных элементов Hilti X-HSN 24 или самосверлящих винтов № 12–24 на 6 дюймов по центру на концах панели и 12 дюймов по центру на промежуточных опорах. , обеспечивает допустимую нагрузку на сдвиг примерно от 300 до 500 фунтов на погонный фут, в зависимости от расчетных таблиц диафрагмы Steel Deck Institute.

Граничные условия определяют пропускную способность. Рама по периметру, параллельная направлению нагрузки, должна иметь конструктивные крепления на каждом ребре для создания граничных хордовых сил. Отсутствующий или недостаточно затянутый крепеж на карнизной стойке локально снижает жесткость диафрагмы и переносит нагрузку на соседние соединения - каскадный режим разрушения, который был задокументирован при обследовании повреждений предварительно спроектированных металлических зданий после урагана.

Тепловые характеристики и контроль конденсации

Сталь проводит тепло примерно В 400 раз быстрее, чем утепление минеральной ватой , что делает тепловые мостики на прогонах и зажимах основным путем потери тепла. Стальная крыша с изоляцией из стекловолокна R-30, накинутой на прогоны, имеет эффективное значение R всего лишь от Р-11 до Р-14 при учете теплового короткого замыкания в соответствии с методами расчета ASHRAE 90.1, Приложение A. Решением является тепловой разделительный блок, обычно 1,5-дюймовая жесткая полоса из полиизоцианурата, установленная между фланцем прогона и облицовкой, в сочетании с изоляцией высокой плотности, которая обеспечивает полный подъем над верхом прогона, а не сжимается до нулевой толщины на каждой структурной линии.

Пик риска конденсации приходится на точку пересечения точки росы внутри сборки. Невентилируемая стальная крыша в холодном климате требует непрерывного воздушного барьера и пароизоляции на внутренней теплой стороне. Консультанты по строительным наукам обычно указывают полиэтиленовый лист толщиной 10 мил или интеллектуальную пароизоляционную мембрану под прогонами, герметизированную на всех перехлестах и проходах, чтобы предотвратить попадание влажного внутреннего воздуха на холодную нижнюю часть стального настила. Без этого барьера иней накапливается внутри изоляционной полости, тает во время тепловых циклов и капает на потолочную плитку, что часто ошибочно принимают за протечку крыши.

Защита от коррозии и совместимость материалов

Условия эксплуатации определяют характеристики подложки и покрытия. Оцинкованная сталь G90 (0,90 унции цинка на квадратный фут) обеспечивает достаточную защиту для внутреннего, непромышленного применения, но требует воздействия на побережье или в тяжелых промышленных условиях. AZ55 крепеж из стали с покрытием из алюминиево-цинкового сплава (Galvalume) или из нержавеющей стали. . Galvalume обеспечивает примерно в два-четыре раза лучшую защиту кромок, чем оцинкованные покрытия, поскольку матрица, богатая алюминием, надежно защищает открытую сталь на срезанных кромках.

Гальваническая коррозия является предотвратимым механизмом отказа. Когда медные желоба, свинцовые отливы или пиломатериалы, обработанные под давлением консервантами на основе меди, контактируют со стальной крышей, образуется электролитическая ячейка. Предпочтительно корродирует менее благородный металл — цинковое или алюминиевое покрытие. Разделительный слой из мембраны EPDM или прокладочного листа из полиэтилена высокой плотности должен изолировать разнородные металлы. Даже застежки не застрахованы; Винты из углеродистой стали в панели из нержавеющей стали ржавеют в течение нескольких месяцев, а панель остается неповрежденной. Спецификация крепежа должна соответствовать коррозионной стойкости панели или превосходить ее.

Испытания и ввод в эксплуатацию во время строительства

Целостность кровельной системы проверяется посредством серии проверок точек фиксации. Перед монтажом обшивки выравнивание прогонов проверяется верёвкой или лазером; отклонение, превышающее ±1/4 дюйма на 20 футов на готовой панели будет видна видимая волнистость. После закрепления обшивки, но до нанесения отделки, проводится испытание стойки для разбрызгивания воды, имитирующей 6 дюймов осадков в час по всей площади крыши, выявляет пустоты в швах и неплотности обводов крепежных элементов, невидимые в сухих условиях.

Способность диафрагмы к сдвигу можно проверить в полевых условиях с помощью неразрушающего испытания на жесткость. Гидравлический цилиндр создает боковую нагрузку на карниз, а циферблатные индикаторы измеряют прогиб в плоскости. Сравнение измеренной гибкости с расчетной жесткостью позволяет выявить пробелы в схеме крепления или недостаточную опору в соединениях прогонов со стропилами до того, как здание подвергнется расчетному ветровому воздействию.

Триггеры технического обслуживания и индикаторы окончания обслуживания

Система стальной крыши требует документированного графика проверок, привязанного к наблюдаемому ухудшению качества. Следующий контрольный список определяет точку перехода от планового технического обслуживания к капитальной замене:

• Прокладки крепежа с растрескиванием по окружности или сжатием глубже 0,020 дюйма.
• Стоячие швы с видимыми разделительными зазорами, превышающими 1/16 дюйма, что указывает на усталость зажима или термическое трескание.
• Застойная вода остается на поверхности крыши более 48 часов после дождя, что указывает на недостаточный уклон или прогиб конструкции.
• Вздутие покрытия или появление красных пятен ржавчины на более чем 3% общей площади панели, что требует анализа повторного покрытия или замены панели.
• Выпучивание стенки прогона или удлинение соединительного болта, видимое с нижней стороны, требует немедленной оценки структурных опор.