Struktur keluli rentang besar digunakan secara meluas di stadium, dewan pameran, terminal lapangan terbang, bangunan perindustrian, hab pengangkutan, dan kemudahan awam atau perindustrian besar yang lain.

Dalam sistem struktur rentang besar, susunan titik sokongan mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap fleksibiliti seni bina. Secara amnya, semakin tersebar sokongan, semakin besar sekatan ke atas perancangan lantai dan organisasi spatial. Sebaliknya, sistem sokongan tertumpu biasanya memberikan fleksibiliti yang lebih besar untuk reka bentuk seni bina.

Artikel ini memperkenalkan bentuk struktur utama struktur keluli rentang besar dan meringkaskan beberapa kaedah pembinaan dan pemasangan yang biasa digunakan.

1. Bentuk Struktur Utama bagi Struktur Keluli Span Besar

1.1 Struktur Kerangka Ruang

Rangka ruang ialah sistem struktur tiga dimensi yang terdiri daripada berbilang anggota yang disambungkan melalui nod mengikut corak geometri tertentu.

Sistem grid planar dua lapisan atau berbilang lapisan biasanya dirujuk sebagai bingkai ruang. Ia biasanya dibuat daripada tiub keluli, bahagian keluli struktur, atau komponen keluli berkekuatan tinggi yang lain.

Jenis biasa struktur rangka ruang termasuk:

• Bingkai ruang yang terdiri daripada sistem kekuda satah

• Bingkai ruang piramid segi empat sama

• Bingkai ruang piramid segi tiga

• Bingkai ruang piramid heksagon

Struktur rangka ruang menawarkan beberapa kelebihan penting:

• Pengagihan beban tiga dimensi yang cekap

• Laluan pemindahan beban yang jelas dan terus

• Pembinaan ringan

• Kekakuan struktur yang tinggi

• Prestasi seismik yang baik

• Fabrikasi dan pemasangan yang mudah

• Ahli standard dan nod sambungan

• Sesuai untuk prefabrikasi kilang dan pengeluaran besar-besaran

• Susun atur seni bina yang fleksibel

• Penyepaduan mudah siling, saluran paip dan peralatan mekanikal

• Penampilan seni bina yang ringan dan menarik

Oleh kerana kelebihan ini, bingkai ruang digunakan secara meluas untuk bumbung rentang besar dan bangunan awam.

1.2 Struktur Shell Grid Angkasa

Struktur grid melengkung biasanya dikenali sebagai cengkerang grid atau cengkerang grid ruang. Mengikut konfigurasinya, ia boleh dibahagikan kepada sistem shell grid satu lapisan dan dua lapisan.

Bergantung pada bahan binaan, cengkerang grid boleh diperbuat daripada keluli, kayu, konkrit bertetulang atau bahan komposit.

Bentuk struktur biasa termasuk:

• Cengkerang grid sfera

• Cangkerang grid hiperbolik

• Cengkerang grid silinder

• Cangkerang grid paraboloid hiperbolik

Struktur cengkerang grid menggabungkan ciri-ciri struktur kekisi dan struktur cangkerang nipis.

Kelebihan utama mereka termasuk:

• Tingkah laku struktur yang rasional dan cekap

• Ahli struktur yang agak mudah

• Kekakuan keseluruhan yang tinggi

• Keupayaan rentang besar yang sangat baik

• Keupayaan untuk memasang struktur besar daripada komponen pasang siap yang lebih kecil

• Pengeluaran kilang ahli dan nod sambungan

• Pemasangan di tapak yang agak mudah

• Mengurangkan pergantungan pada peralatan mengangkat yang sangat besar

• Prestasi ekonomi keseluruhan yang baik

• Bentuk seni bina yang fleksibel dan geometri melengkung

Sistem cengkerang grid amat sesuai untuk projek yang memerlukan kedua-dua rentang panjang dan reka bentuk seni bina tersendiri.

1.3 Struktur Membran

Struktur membran, juga dikenali sebagai struktur fabrik, ialah sistem struktur rentang besar ringan yang berkembang pesat pada separuh kedua abad ke-20.

Mereka menggunakan bahan membran fleksibel berprestasi tinggi sebagai sistem penutup utama. Kestabilan struktur boleh dicapai melalui tekanan udara, kabel keluli tegang, atau bingkai penyokong tegar yang memasukkan prategasan terkawal ke dalam membran.

Sistem struktur membran biasa termasuk:

• Struktur membran yang disokong udara

• Struktur membran tegangan

• Struktur membran yang disokong bingkai

Kelebihan utama struktur membran termasuk:

• Berat diri yang sangat rendah

• Keupayaan rentang besar yang sangat baik

• Bentuk seni bina yang fleksibel dan ekspresif

• Pembinaan yang cepat dan mudah

• Prestasi ekonomi yang baik

• Kecekapan struktur yang tinggi

• Sifat pemancar cahaya yang baik

• Ciri-ciri pembersihan diri dengan bahan membran yang sesuai

Walau bagaimanapun, ketahanan membran dan keperluan penyelenggaraan jangka panjang mesti dipertimbangkan dengan teliti semasa reka bentuk dan pemilihan bahan.

1.4 Struktur Gantung Kabel

Struktur digantung kabel menggunakan kabel tegangan berkekuatan tinggi sebagai elemen galas beban utama.

Sistem bumbung gantung biasa biasanya terdiri daripada tiga bahagian utama:

• Sistem kabel

• Sistem bumbung

• Sistem sokongan

Bentuk struktur kabel biasa termasuk:

• Sistem kabel digantung satu lapisan satu hala

• Sistem kabel digantung satu lapisan jejari

• Sistem kabel digantung satu lapisan dua hala

• Sistem kabel prategasan dua lapisan sehala

• Sistem kabel prategasan jejari

• Sistem kabel prategasan dua lapis dua hala

• Struktur kabel-jaring prategasan

Ciri struktur utama sistem kabel terampai ialah beban luaran terutamanya ditentang melalui tegangan paksi dalam kabel.

Ini membolehkan kekuatan tegangan tinggi keluli digunakan dengan cekap sambil meminimumkan kesan lenturan dan ricih.

Kelebihan tambahan termasuk:

• Sistem bumbung ringan

• Susunan struktur yang fleksibel

• Kebolehsuaian kepada pelan seni bina yang berbeza

• Mengurangkan permintaan untuk peralatan angkat berat

• Kecekapan penggunaan bahan yang tinggi

Walau bagaimanapun, analisis struktur, kawalan prategasan, pengiraan ubah bentuk, dan pemantauan pembinaan sistem kabel adalah agak kompleks. Oleh itu, reka bentuk kejuruteraan yang teliti dan kawalan pemasangan yang tepat adalah penting.

1.5 Struktur Cangkang Nipis

Struktur cangkerang nipis ialah sistem struktur melengkung dengan ketebalan yang agak kecil berbanding dengan jejari kelengkungannya.

Dalam kejuruteraan struktur, cengkerang memenuhi kira-kira:

t / R ≤ 1 / 20

biasanya dianggap sebagai cangkang nipis, di mana:

• t mewakili ketebalan cangkerang

• R mewakili jejari kelengkungan

Mengikut bentuk geometri, struktur cengkerang boleh dikelaskan sebagai cengkerang putaran atau cengkerang translasi.

Menurut bahan binaan, mereka boleh termasuk:

• Cengkerang nipis konkrit bertetulang

• Cengkerang nipis batu

• Cengkerang nipis keluli

• Cengkerang nipis komposit

Struktur cangkerang nipis memberikan kecekapan galas beban yang sangat baik.

Kekuatan dan kekakuan mereka terutamanya berasal dari bentuk geometri melengkungnya, yang membolehkan beban dipindahkan terutamanya melalui daya membran dan bukannya lentur.

Akibatnya, struktur cangkerang nipis boleh menyediakan:

• Kekuatan tinggi

• Kekakuan yang tinggi

• Mengurangkan penggunaan bahan

• Pemindahan beban yang cekap

• Ekonomi struktur yang sangat baik

Oleh itu, ia sesuai untuk banyak bangunan bersilang besar yang memerlukan prestasi struktur yang cekap dan geometri seni bina yang tersendiri.

2. Kaedah Pembinaan Biasa untuk Struktur Keluli Span Besar

2.1 Perhimpunan In-Situ Altitud Tinggi

Pemasangan in-situ altitud tinggi merujuk kepada memasang anggota struktur dan nod sambungan terus pada kedudukan reka bentuk akhir mereka.

Untuk struktur keluli rentang besar, sokongan sementara selalunya diperlukan semasa pemasangan untuk meningkatkan kestabilan struktur dan mengawal ubah bentuk.

Selepas struktur utama telah siap dan stabil, penyokong sementara dipunggah atau dikeluarkan secara beransur-ansur supaya struktur mencapai keadaan reka bentuk akhir.

Kaedah ini adalah salah satu teknik yang paling asas untuk membina struktur spatial rentang besar yang kompleks.

Bergantung kepada sistem sokongan, ia secara amnya boleh dibahagikan kepada dua kaedah.

Pemasangan Perancah Penuh

Perancah penuh didirikan mengikut ketinggian dan geometri struktur, membolehkan keseluruhan sistem dipasang pada ketinggian.

Kaedah ini biasanya sesuai untuk struktur dengan rentang dan ketinggian yang sederhana, seperti dewan tertutup dan bangunan pameran.

Kelebihan termasuk:

• Pembinaan yang fleksibel

• Kebolehgunaan semula tinggi perancah

• Kawalan koordinat dan penjajaran yang mudah

• Kerumitan teknikal yang agak rendah

Kelemahan termasuk:

• Kuantiti besar perancah diperlukan

• Lebih banyak kerja pada ketinggian

• Pendedahan yang lebih tinggi kepada risiko keselamatan

• Masa penyediaan lebih lama

Pemasangan Menara Sokongan Sementara

Menara sokongan sementara atau bingkai pendirian direka khas mengikut geometri, beban, ketinggian dan berat struktur.

Kaedah ini lebih sesuai untuk bangunan yang lebih tinggi atau struktur rentang besar dengan komponen struktur yang lebih berat.

Kelebihan termasuk:

• Kestabilan struktur yang tinggi semasa pemasangan

• Kedudukan yang tepat

• Konfigurasi sokongan yang fleksibel

• Keselamatan pembinaan yang lebih baik

Kelemahan utamanya ialah kadar penggunaan semula yang agak rendah bagi sokongan sementara yang direka khas, yang boleh meningkatkan kos bahan dan pembinaan.

2.2 Kaedah Pemasangan Gelongsor

Kaedah pemasangan gelongsor melibatkan pemasangan bahagian struktur keluli di satu kawasan dan kemudian mengalihkannya di sepanjang trek yang direka khas ke kedudukan terakhirnya.

Selepas setiap bahagian mencapai lokasi reka bentuknya, ia disambungkan dengan unit struktur bersebelahan.

Kaedah ini amat sesuai apabila:

• Tapak pembinaan mempunyai ruang kerja yang terhad

• Peralatan angkat berat tidak boleh mengakses kawasan pemasangan dengan mudah

• Pelan bangunan agak teratur

• Strukturnya termasuk bumbung besar, stadium, atau bangunan terbuka

Kaedah gelongsor boleh memendekkan tempoh pemasangan dengan ketara.

Walau bagaimanapun, beberapa faktor teknikal mesti dikawal dengan teliti, termasuk:

• Pemilihan dan reka bentuk trek gelongsor

• Rintangan gelongsor

• Penyegerakan antara berbilang titik gelongsor

• Kelajuan gelongsor

• Ubah bentuk struktur semasa pergerakan

• Kestabilan sementara

2.3 Kaedah Pengangkatan Kamiran

Pengangkatan bersepadu melibatkan pemasangan bahagian struktur yang besar di aras tanah dan kemudian menaikkan struktur lengkap ke ketinggian terakhirnya menggunakan peralatan mengangkat hidraulik atau sistem pengangkatan disegerakkan yang lain.

Kaedah ini biasanya digunakan untuk:

• Struktur bumbung rentang besar

• Cengkerang grid satu lapisan

• Cengkerang grid dua lapisan

• Kekuda bumbung yang besar

• Struktur keluli spatial berat

Kelebihan utamanya termasuk:

• Mengurangkan sokongan sementara

• Kurang kerja pemasangan altitud tinggi

• Peningkatan kecekapan pembinaan

• Tempoh pemasangan yang lebih pendek

• Keadaan kerja yang lebih baik di aras tanah

Cabaran teknikal utama termasuk:

• Kedudukan titik angkat yang tepat

• Kawalan pengangkatan disegerakkan

• Kawalan tekanan dan ubah bentuk

• Kestabilan struktur semasa mengangkat

• Pemantauan pembinaan masa nyata

Pengangkatan bersepadu sering digabungkan dengan kaedah pemasangan lain mengikut keadaan projek.

2.4 Kaedah Penegangan Kamiran

Penegangan bersepadu digunakan terutamanya untuk struktur kabel dan struktur membran tegangan.

Semasa pembinaan, berbilang bicu hidraulik atau peranti penegang digunakan untuk menegangkan kabel atau sistem membran secara serentak sehingga prategasan dan geometri reka bentuk yang diperlukan dicapai.

Kaedah ini amat sesuai untuk struktur besar yang disokong kabel dan membran.

Kelebihannya termasuk:

• Kawalan prategasan yang tepat

• Penyegerakan tinggi

• Pembinaan yang cekap

• Mengurangkan beban kerja manual

• Keperluan sokongan sementara yang lebih rendah

• Ketepatan pemasangan yang lebih baik

Oleh kerana struktur kabel dan membran sangat sensitif terhadap prategasan, penegangan disegerakkan dan pemantauan masa nyata adalah penting untuk memastikan prestasi struktur.

2.5 Kaedah Pengembangan Progresif untuk Cangkerang Grid

Kaedah pengembangan progresif ialah teknik pemasangan lanjutan yang biasa digunakan untuk struktur cengkerang grid besar.

Prosedur pembinaan biasa ialah:

1. Pasang bahagian tengah cengkerang grid di aras tanah.

2. Angkat bahagian yang dipasang ke ketinggian yang telah ditetapkan.

3. Pasang bahagian cengkerang grid tambahan di sekeliling perimeter.

4. Naikkan semula struktur yang diperbesarkan.

5. Ulangi proses sehingga keseluruhan shell grid selesai.

Kaedah pembinaan ini menawarkan beberapa kelebihan:

• Mengurangkan struktur sokongan sementara

• Sebilangan besar kerja pemasangan boleh disiapkan di aras tanah

• Kualiti pembinaan yang lebih baik

• Mengurangkan kerja pada ketinggian

• Keselamatan pekerja yang lebih baik

• Kawalan kualiti sambungan yang lebih mudah

Oleh kerana faedah ini, kaedah pengembangan progresif semakin digunakan dalam projek struktur keluli spatial rentang besar.

2.6 Kaedah Pemasangan Cantilever

Dalam kaedah pemasangan julur, unit struktur yang agak kecil mula-mula dipasang di aras tanah.

Unit-unit ini kemudiannya diangkat oleh kren atau peralatan mengangkat lain ke kedudukan akhir mereka dan disambungkan secara progresif ke struktur yang dipasang sebelum ini.

Kaedah ini secara amnya sesuai untuk struktur spatial yang agak kecil atau kurang rumit.

Kelebihannya termasuk:

• Mengurangkan sokongan sementara

• Kos pembinaan sementara yang lebih rendah

• Urutan pemasangan yang fleksibel

Walau bagaimanapun, kaedah ini juga memberikan beberapa cabaran:

• Ketidakstabilan struktur yang lebih besar semasa pemasangan

• Risiko yang lebih tinggi semasa ereksi julur

• Kawalan ubah bentuk yang sukar

• Kemungkinan tekanan sekunder tambahan

• Keperluan yang lebih besar untuk pendakap sementara

Sebelum menggunakan kaedah ini, unit struktur yang dipasang mesti disahkan untuk memastikan kestabilan dan kekukuhan geometri yang mencukupi.

Simulasi dan analisis struktur peringkat pembinaan juga perlu dijalankan untuk meramalkan ubah bentuk, pengagihan semula tegasan dan kestabilan sementara.

3. Kesimpulan

Struktur keluli rentang besar boleh mengguna pakai banyak sistem struktur, termasuk bingkai ruang, cengkerang grid, struktur membran, sistem digantung kabel dan struktur cangkerang nipis.

Setiap bentuk struktur mempunyai ciri yang berbeza dari segi pemindahan beban, keupayaan span, fleksibiliti seni bina, kecekapan bahan, fabrikasi dan keperluan pemasangan.

Begitu juga, kaedah pembinaan seperti pemasangan in-situ altitud tinggi, pemasangan gelongsor, pengangkatan integral, ketegangan yang disegerakkan, pengembangan cengkerang grid progresif, dan pendirian julur hendaklah dipilih mengikut sistem struktur, skala projek, keadaan tapak pembinaan, peralatan yang tersedia, keperluan keselamatan dan jadual pembinaan.

Untuk projek struktur keluli rentang besar, penyelesaian pembinaan yang berjaya bukan sahaja perlu menumpukan pada kecekapan pemasangan tetapi juga mempertimbangkan kestabilan struktur, kawalan ubah bentuk, reka bentuk sokongan sementara, penyegerakan angkat, analisis peringkat pembinaan dan keselamatan pekerja.

Reka bentuk kejuruteraan profesional, fabrikasi keluli yang tepat, pemeriksaan kualiti yang ketat, dan prosedur pemasangan yang dirancang dengan baik adalah penting untuk memastikan keselamatan, kualiti dan prestasi jangka panjang struktur keluli rentang besar.