ระบบหลังคาโครงสร้างเหล็ก: การออกแบบ การรับน้ำหนัก และการหุ้ม

การกำหนดค่าเฟรมโครงสร้างหลัก

ระบบหลังคาเริ่มต้นด้วยโครงหลัก ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นส่วนหน้าแปลนกว้างรีดร้อนหรือคานที่สร้างขึ้นเรียว ประเภทที่โดดเด่นทั้งสามประเภทแต่ละประเภทมีข้อจำกัดที่แตกต่างกันบนซองมุงหลังคา โครงที่แข็งแรงพร้อมเสาและจันทันแบบตรงหรือแบบแบ่งส่วนช่วยให้มีระยะที่ชัดเจนได้สูงสุดถึง 150 ฟุต โดยไม่มีเสาภายใน ทำให้เป็นมาตรฐานสำหรับคลังสินค้าและโรงเก็บเครื่องบิน ความลาดชันของขื่อต้องปรับสมดุลความต้องการระบายน้ำกับน้ำหนักเหล็ก ความชัน 0.25:12 เป็นค่าต่ำสุดสัมบูรณ์สำหรับแผงสี่เหลี่ยมคางหมูที่ยึดทะลุ ในขณะที่ 0.5:12 เป็นที่แนะนำสำหรับระบบตะเข็บแบบยืนเพื่อป้องกันการเกิดน้ำ

หลังคาโครงทรัสโดยใช้ตงแบบเปิดหรือคานแบบคาสเตลเลท อนุญาตให้ท่อกลและสายสปริงเกอร์ผ่านช่องเปิด ซึ่งจะลดความสูงของอาคารโดยรวมลง 18 ถึง 30 นิ้ว เมื่อเทียบกับคานแบบทึบ ข้อเสียคือต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้นและรายละเอียดการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนมากขึ้นที่จุดแผง สำหรับการใช้งานระยะยาวเกิน 200 ฟุต กรอบพื้นที่ที่สร้างจากส่วนโครงสร้างกลวงแบบท่อ (HSS) จะกระจายโหลดผ่านเครือข่ายโหนดและสมาชิกสามมิติ แต่มุมของจุดตัดที่แปรผันได้นั้นจำเป็นต้องมีคลิปแนบหุ้มที่ประดิษฐ์ขึ้นเองที่ทุกโหนดคอร์ด

สมาชิกรองและวิศวกรรมแป

แปเหล็กขึ้นรูปเย็น โดยทั่วไปจะเป็นส่วน Z หรือส่วน C ที่มีความลึกตั้งแต่ 8 ถึง 12 นิ้ว อยู่ระหว่างเฟรมหลักโดยมีระยะห่าง 4 ถึง 6 ฟุต . โดยทั่วไปนิยมใช้แป Z-purlins เนื่องจากรูปร่างไม่สมมาตรทำให้สามารถทับซ้อนกันที่จุดรองรับได้ ทำให้เกิดลำแสงต่อเนื่องที่ลดการโก่งตัวได้มากถึง 40% เมื่อเทียบกับส่วนที่รองรับ . ระยะห่างแปไม่ได้กำหนดไว้ ถูกกำหนดโดยช่วงที่อนุญาตของโปรไฟล์การหุ้มภายใต้แรงดันลมที่ระบุ แผงยึดแบบสัมผัสขนาด 24 เกจอาจต้องใช้แปที่กึ่งกลาง 4 ฟุต ในขณะที่แผงตะเข็บตะเข็บแบบยืนที่มีโครงสร้างขนาด 22 เกจที่หนักกว่าสามารถยืดได้ถึง 5 หรือ 6 ฟุต ช่วยลดเส้นแปหนึ่งเส้นต่อช่อง

การวางแนวแปที่สัมพันธ์กับความลาดเอียงของหลังคาทำให้เกิดส่วนประกอบการดัดงอแบบสองแกน สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าอเมริกัน (AISI S100) กำหนดให้ตรวจสอบการดัดงอทั้งแกนแข็งและแกนอ่อน ร่วมกับแรงบิดจากการยึดเยื้องศูนย์ของไดอะแฟรมหลังคา เหล็กเส้นหรือมุมหย่อน ซึ่งติดตั้งในแนวตั้งฉากกับแผ่นแปที่จุดกึ่งกลางหรือจุดที่สาม ค้ำยันหน้าแปลนอัดกับการโก่งงอแบบบิดด้านข้าง และถ่ายโอนองค์ประกอบแรงโน้มถ่วงของน้ำหนักหลังคาไปยังเฟรมหลัก

การเลือกโปรไฟล์การหุ้มและวิธีการแนบ

การหุ้มหลังคาเหล็กเป็นเกราะป้องกันสภาพอากาศและผิวหนังของไดอะแฟรมที่ต้านทานการรับน้ำหนักด้านข้าง ทางเลือกระหว่างแผงตะเข็บแบบยึดทะลุและแบบยืนจะกำหนดอายุการใช้งานที่กันน้ำของระบบได้ยาวนาน

ระบบที่ยึดทะลุต้องใช้สกรูนีโอพรีนที่อัดเข้ากับเม็ดมะยมของแผง เครื่องซักผ้าจะเสื่อมสภาพภายใต้รังสี UV และการหมุนเวียนของความร้อน โดยมีอายุการใช้งาน 15 ถึง 20 ปีก่อนที่จะต้องเปลี่ยน . แผงตะเข็บแบบยืน ขึ้นรูปจากสต๊อกคอยล์หรือจัดส่งเป็นกระทะที่ขึ้นรูปจากโรงงาน เย็บแบบกลไกพร้อมกับตัวล็อค 360 องศาที่ห่อหุ้มคลิปไว้ ฐานคลิปถูกขันเกลียวเข้ากับแปอย่างแน่นหนา แต่แถบเลื่อนช่วยให้แผงขยายและหดตัวได้อย่างอิสระ สำหรับอาคารที่มีความยาวชายคามากกว่า 200 ฟุต วิศวกรรมจุดคงที่ถือเป็นสิ่งสำคัญ หลังคาจะยึดอยู่ที่แนวสันหรือเชิงชายเดี่ยว และคลิปอื่นๆ ทั้งหมดเป็นแบบเลื่อน โดยมีรายละเอียดรอยต่อขยายที่การเจาะทะลุ

การทำงานของไดอะแฟรมหลังคาและเส้นทางการรับน้ำหนักด้านข้าง

ดาดฟ้าหลังคาเหล็กทำหน้าที่เป็นไดอะแฟรมแนวนอน ถ่ายเทลมและแรงแผ่นดินไหวจากผนังด้านท้ายและโครงกลางไปยังช่องค้ำยันแนวตั้ง ความจุของไดอะแฟรมขึ้นอยู่กับความลึกของโปรไฟล์แผง ความหนาของเหล็ก และรูปแบบตัวยึด กระดานซี่โครงกว้าง Type B ลึก 1.5 นิ้วที่ 22 เกจ ติดตั้งด้วยตัวยึดแบบใช้ผง Hilti X-HSN 24 หรือสกรูเจาะตัวเอง #12-24 ที่ ตรงกลาง 6 นิ้วที่ปลายแผง และ 12 นิ้วตรงกลางที่ส่วนรองรับตรงกลาง ให้ความสามารถในการรับแรงเฉือนที่อนุญาตประมาณ 300 ถึง 500 ปอนด์ต่อฟุตเชิงเส้น ขึ้นอยู่กับตารางการออกแบบไดอะแฟรมของ Steel Deck Institute

เงื่อนไข Edge จะควบคุมความจุ กรอบเส้นรอบวงที่ขนานกับทิศทางการรับน้ำหนักจะต้องมีตัวยึดโครงสร้างอยู่ที่ทุกซี่โครงเพื่อพัฒนาแรงยึดแนวขอบเขต ตัวยึดที่หายไปหรืออยู่ใต้การขับเคลื่อนที่สตรัทชายคาจะช่วยลดความแข็งของไดอะแฟรมในพื้นที่ และเปลี่ยนภาระไปยังการเชื่อมต่อที่อยู่ติดกัน ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวแบบเรียงซ้อนที่ได้รับการบันทึกไว้ในการสำรวจความเสียหายหลังพายุเฮอริเคนของอาคารโลหะที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า

ประสิทธิภาพความร้อนและการควบคุมการควบแน่น

เหล็กนำความร้อนได้ประมาณ เร็วกว่าฉนวนขนแร่ถึง 400 เท่า ทำให้การเชื่อมความร้อนที่แปและคลิปเส้นทางการสูญเสียความร้อนที่โดดเด่น หลังคาเหล็กที่มีฉนวนใยแก้ว R-30 หุ้มทับแป มีค่า R ที่มีประสิทธิภาพเพียง R-11 ถึง R-14 เมื่อคำนึงถึงกางเกงขาสั้นระบายความร้อนตามวิธีการคำนวณ ASHRAE 90.1 ภาคผนวก A วิธีการแก้ปัญหาคือบล็อกตัวเว้นระยะระบายความร้อน ซึ่งโดยทั่วไปคือแถบโพลีไอโซไซยานูเรตแข็งขนาด 1.5 นิ้วที่ติดตั้งระหว่างหน้าแปลนแปและส่วนหุ้ม รวมกับฉนวนแบบคลุมความหนาแน่นสูงที่ให้ลอฟท์เต็มเหนือแปด้านบน แทนที่จะถูกบีบอัดจนมีความหนาเป็นศูนย์ในทุกแนวโครงสร้าง

ความเสี่ยงจากการควบแน่นจะถึงจุดสูงสุดที่จุดตัดของจุดน้ำค้างภายในชุดประกอบ หลังคาเหล็กที่ไม่มีการระบายอากาศในสภาพอากาศหนาวเย็นจำเป็นต้องมีแผงกั้นอากาศอย่างต่อเนื่องและสารหน่วงไอระเหยที่ด้านอุ่นภายใน ที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์อาคารมักระบุก แผ่นโพลีเอทิลีน 10 มิล หรือเมมเบรนหน่วงไออัจฉริยะใต้แปที่ปิดผนึกทุกรอบและการเจาะ เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศชื้นภายในไปถึงด้านล่างเย็นของกระดานเหล็ก หากไม่มีสิ่งกีดขวางนี้ น้ำค้างแข็งจะสะสมภายในโพรงฉนวน ละลายในระหว่างรอบความร้อน และหยดลงบนกระเบื้องเพดาน ซึ่งมักเข้าใจผิดว่าเป็นหลังคารั่ว

การป้องกันการกัดกร่อนและความเข้ากันได้ของวัสดุ

สภาพแวดล้อมการบริการจะกำหนดข้อกำหนดของวัสดุพิมพ์และการเคลือบ เหล็กชุบสังกะสี G90 (สังกะสี 0.90 ออนซ์ต่อตารางฟุต) ให้การปกป้องที่เพียงพอสำหรับการใช้งานภายในประเทศและนอกอุตสาหกรรม แต่ต้องสัมผัสกับชายฝั่งหรือในอุตสาหกรรมหนัก เหล็กเคลือบโลหะผสมอลูมิเนียม-สังกะสี AZ55 (Galvalume) หรือตัวยึดสแตนเลส . Galvalume ให้การป้องกันคมตัดมากกว่าการเคลือบสังกะสีประมาณสองถึงสี่เท่า เนื่องจากเมทริกซ์ที่อุดมด้วยอะลูมิเนียมจะช่วยปกป้องเหล็กที่ถูกเปิดที่ขอบที่ถูกตัดเฉือน

การกัดกร่อนของกัลวานิกเป็นกลไกความล้มเหลวที่ป้องกันได้ เมื่อรางน้ำทองแดง สารตะกั่ว หรือไม้แปรรูปด้วยแรงดันที่มีสารกันบูดที่มีทองแดงสัมผัสกับหลังคาเหล็ก เซลล์อิเล็กโทรไลต์จะก่อตัวขึ้น โลหะมีค่าน้อยกว่า การเคลือบสังกะสีหรืออลูมิเนียม จะกัดกร่อนได้ดีกว่า ชั้นแยกของเมมเบรน EPDM หรือแผ่นกันลื่นโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูงจะต้องแยกโลหะที่ไม่เหมือนกันออกจากกัน แม้แต่ตัวยึดก็ไม่สามารถต้านทานได้ สกรูเหล็กกล้าคาร์บอนในแผงสแตนเลสจะเกิดสนิมภายในไม่กี่เดือน ในขณะที่แผงยังคงสภาพเดิม ข้อมูลจำเพาะของตัวยึดต้องตรงหรือเกินกว่าความต้านทานการกัดกร่อนของแผง

การทดสอบและการว่าจ้างระหว่างการก่อสร้าง

ความสมบูรณ์ของระบบหลังคาได้รับการตรวจสอบโดยลำดับการตรวจสอบจุดยึด ก่อนการติดตั้งแผ่นปิด จะมีการตรวจสอบการวางแนวแปด้วยเส้นเชือกหรือเลเซอร์ ส่วนเบี่ยงเบนเกิน ±1/4 นิ้วใน 20 ฟุต จะโทรเลขผ่านแผงที่เสร็จแล้วเป็นคลื่นที่มองเห็นได้ หลังจากการหุ้มอย่างปลอดภัย แต่ก่อนที่จะใช้การตัดแต่ง การทดสอบชั้นวางสเปรย์น้ำ การจำลอง ปริมาณน้ำฝน 6 นิ้วต่อชั่วโมง ครอบคลุมพื้นที่หลังคาทั้งหมด ระบุช่องว่างของตะเข็บและรอยรั่วบายพาสของตัวยึดซึ่งมองไม่เห็นในสภาพแห้ง

ความสามารถในการรับแรงเฉือนของไดอะแฟรมสามารถตรวจสอบภาคสนามได้โดยใช้การทดสอบความแข็งแบบไม่ทำลาย ตัวกระทุ้งไฮดรอลิกใช้แรงด้านข้างที่ชายคา และไดอัลเกจจะวัดการโก่งตัวในระนาบ การเปรียบเทียบความยืดหยุ่นที่วัดได้กับความแข็งของการออกแบบจะระบุช่องว่างในรูปแบบตัวยึดหรือแบริ่งไม่เพียงพอที่การเชื่อมต่อแปถึงขื่อก่อนที่อาคารจะต้องเผชิญกับเหตุการณ์ลมออกแบบ

ทริกเกอร์การบำรุงรักษาและตัวบ่งชี้การสิ้นสุดการบริการ

ระบบหลังคาเหล็กจำเป็นต้องมีกำหนดการตรวจสอบที่เป็นเอกสารซึ่งเชื่อมโยงกับการย่อยสลายที่สังเกตได้ รายการตรวจสอบต่อไปนี้ระบุจุดเปลี่ยนจากการบำรุงรักษาตามปกติไปสู่การเปลี่ยนทุน:

• ปะเก็นตัวยึดที่แสดงการแตกร้าวตามเส้นรอบวงหรือชุดการบีบอัดที่ลึกกว่า 0.020 นิ้ว
• ข้อต่อตะเข็บแบบยืนที่มีช่องว่างในการแยกที่มองเห็นได้เกิน 1/16 นิ้ว บ่งชี้ถึงความล้าของคลิปหนีบหรือการหมุนวงล้อด้วยความร้อน
• น้ำในบ่อคงเหลืออยู่บนผิวหลังคานานกว่า 48 ชั่วโมงหลังฝนตก แสดงว่ามีความลาดเอียงไม่เพียงพอหรือการโก่งตัวของโครงสร้าง
• การเคลือบพุพองหรือคราบสนิมสีแดงบนมากกว่า 3% ของพื้นที่พื้นผิวแผงทั้งหมด ทำให้เกิดการวิเคราะห์การเคลือบผิวใหม่หรือการเปลี่ยนแผง
• การโก่งงอของราง Purlin หรือการยืดตัวของสลักเกลียวเชื่อมต่อที่มองเห็นได้จากด้านล่าง โดยต้องมีการประเมินการค้ำยันโครงสร้างทันที