Amit Bharana, President, ERA BUILDS

Amit Bharana, President, ERA BUILDSYS Ltd.

The majority of industrial buildings are made out of steel for obvious reasons of high strength/weight ratio. A study, on the Efficient Design of Large span hangars/structures, ensuring lighter foundations is presented.
Introduction

Amit Bharana
Amit Bharana Structure with Span larger than 40 m can be regarded as long span structures and need to be carefully designed keeping a balance of all the aspects like its weight, deflections (sway) and foundation forces. There are many combinations of designing large spans, like conventional truss & RCC column combination, truss & steel columns, Pre-engineered building (PEB) etc.

These days with the concept of PEB, the major advantage we get is the use of high strength steel plates (usually Fe 350), lighter but high strength cold form purlins, and 550 Mpa Galvalume profiled sheets. The use of PEB not only reduces the weight of the structure because high tensile steel grades are used but also ensures quality control of the structure. In the following study, we have designed a hangar using this modern concept of PEB.
Design Philosphy

The design under discussion is a 42 meter clear span hangar for aircrafts maintenance. We have designed this Hangar in 3D on STAAD software, for proper simulation of the load distribution uniformly in three co-ordinates system i.e. X, Y and Z. All the Basic loads i.e. Dead, Live, Wind, Temperature, seismic etc have been taken into consideration for designing of the frames. The structure has been designed under enclosed as well as open condition for application of wind loads, because of the opening & closing of the large sized Hangar Door.

The basic philosophy of rigid frame design is by adopting ‘FIXED’ or ‘PINNED’ column base conditions. A fixed column base is always a sturdy frame and helps in controlling allowable deflection (side sway) in the frames. Steel designers always prefer fixed base to pinned base frames. On the contrary, for foundation designers the design of foundations becomes a nightmare particularly in large span buildings. In fixed base design, the frame is rigid, but transfers heavy moments to the foundations. On weak soil, designing foundations becomes tedious task. Likewise for pinned support, the frame does not transfer any moment to the foundation and only vertical & horizontal reactions affect the design of foundation. It looks simple but in case of large spans, controlling deflections of frame in pinned base condition is a challenging task.

To control this deflection, the simplest way is to increase the Geometrical properties/sectional sizes of frame, but it is not advisable as it adds to the tonnage of the whole building, adding not only to the seismic forces but also adding to the cost subsequently. We need a solution wherein the sway of the frame can be controlled and the section sizes are also not increased.

The best way we could find is to ‘BRACE’ the frame to control the excess deflection. In the present case we have provided bracing at eave level (braced eave) on both sides of the structure along the length for this purpose. Span of this Eave bracing is taken approximately L / 10 of each side. We can observe in the following example that eave bracing is of a great help in controlling Horizontal deflections and leading to lighter foundation design.
Example

To conclude above, as example hangar has done with following parameters having both side hangar doors with following details:

Span = 42 m
Length = 76 m
Bay Spacing = 7.6 m
Clear Ht. = 10 m
Wind Speed = 50 m/s
Roof Slope = 1 in 10
Alternate 1 (Fixed Base Design)

Fixed Base Design

Design of Long Span Steel Structures and Hangars

In fixed base, due of uniform moment distribution at base as well as eave, the straight column of section size Web = 1275 X 8 mm and Flange = 375 X 16 mm have been used. By using these dimensions of frame, the deflection is allowed in control. Please refer Table 1.

Design of Long Span Steel Structures and Hangars

As regards foundation forces, the moment (Mz) is approximately 165 MT and vertical force (Fy) is 41 MT at the base of the column, which is being transferred to foundation. Please refer forces generated at base of frame in Table 2.

Design of Long Span Steel Structures and Hangars

For above forces a tentative size of Isolated foundation is worked out as under -

Eccentricity (e)
e = (Mz/Vy) = (165 / 41) = 4.03

The length of the pedestrian (L/6) should be greater than eccentricity (e).
i.e. L/6 > e
L > 6e
L > 6 X 4.03 = 24.18 m ≈ 25 m (At Single Side)

Thus, it may be observed that the open foundation for this type of frame will be highly impractical & uneconomical and only solution is to provide pile foundation, which will again be time consuming & expansive.
Alternative 2 (Pinned Base design)

Pinned Base design

Design of Long Span Steel Structures and Hangars

As second option, the same structure has designed with Pinned Base condition, now we can have tapered columns where moment (Mz) at the base will be ZERO. Only lateral (Fx) and vertical (Fy) forces will be acting. Please refer forces generated at base of frame in Table 3.

Pinned Base design

Due to zero moment we could design very light foundation (Sub-structure) for the same structure.

It may be observed that the foundation forces are very limited and a small isolated foundation can be design for the columns.

But at the same time, in pinned base, the deflections of the Portals in lateral as well as longitudinal direction will become critical parameter. And in case no special provision is made to control this deflection, the frame will have a considerable sway. Therefore for control of deflection, the provision of Eave Bracing (braced eave as highlighted) longitudinally on both sides of the structure has been made.

Pinned Base design

Span of this Eave bracing should be approximately span / 10 of each side. For 42 m span the width of eave bracing used 42/10 m = 4.2 m ≈ 4 m at each side (see below 3 D model)

Pinned Base design

For comparison between the same sizes of frames with & without using the eave bracing, the deflection resulted in the framed are given in Table 4 and 5.

Pinned Base design

As per codal provisions, deflection allowed in columns is (H/150) that is 66 mm. In case of braced eave structure, deflection value was under control with 60 mm in longitudinal direction, however at the same time, the value was much more than allowable deflection in case the eave bracing is not provided i.e. 7566 mm which is very high.

Thus Eave Bbracing Concept is very beneficial in large span structures with pinned base concept and since no moment is transferred to base level, the design of foundation is also very economical.

Kết quả (Việt) 1:

Amit Bharana, chủ tịch, thời kỳ BUILDSYS Ltd

phần lớn các tòa nhà công nghiệp được làm ra thép cho các lý do rõ ràng của sức mạnh/trọng lượng cao tỷ lệ. Một nghiên cứu, trên các hiệu quả thiết kế của lớn khoảng nhà chứa máy bay/cấu trúc, đảm bảo cơ sở nhẹ hơn được trình bày.
giới thiệu

Amit Bharana
Amit Bharana cấu trúc với sải dài hơn lớn hơn 40 m có thể được coi là dài khoảng cấu trúc và cần phải cẩn thận thiết kế giữ sự cân bằng của tất cả các khía cạnh như trọng lượng của nó, deflections (sway) và lực lượng dự bị. Có rất nhiều kết hợp thiết kế kéo dài lớn, như thông thường giàn & kết hợp cột RCC, giàn & thép cột, tiền chế xây dựng (PEB) vv.

Những ngày này với các khái niệm về PEB, lợi thế lớn mà chúng tôi nhận được là việc sử dụng thép cường độ cao tấm (thường Fe 350), nhẹ nhưng cao sức mạnh lạnh hình thức purlins, và 550 Mpa Galvalume profiled tờ. Việc sử dụng của PEB không chỉ làm giảm trọng lượng cấu trúc vì các lớp thép độ bền kéo cao được sử dụng nhưng cũng đảm bảo kiểm tra chất lượng của cấu trúc. Trong nghiên cứu sau, chúng tôi đã thiết kế một nhà chứa máy bay bằng cách sử dụng này khái niệm hiện đại của PEB.
thiết kế Philosphy

thiết kế theo cuộc thảo luận là một rõ ràng khoảng 42 mét sàn chứa máy bay để bảo trì máy bay. Chúng tôi đã thiết kế này nhà chứa máy bay trong không gian 3D trên phần mềm STAAD, cho các mô phỏng thích hợp của việc phân phối tải thống nhất trong ba hệ thống hợp đồng nghĩa là X, Y và Z. Tất cả cơ bản tải tức là chết, Live, gió, nhiệt độ, địa chấn vv đã được đưa vào xem xét cho thiết kế của khung. Cấu trúc đã được thiết kế theo điều kiện kèm theo cũng như mở cho các ứng dụng của gió tải, vì & mở đóng của các lớn có kích thước sàn chứa máy bay cửa.

triết lý cơ bản của thiết kế khung cứng là bằng việc áp dụng 'Cố định' hoặc 'PINNED' cột cơ sở điều kiện. Một cơ sở cố định cột là luôn luôn một khung vững chắc và giúp trong việc kiểm soát cho phép độ lệch (bên sway) trong khung hình. Thép thiết kế luôn luôn thích cơ sở cố định để ghim khung cơ sở. Ngược lại, cho nền tảng thiết kế thiết kế cơ sở sẽ trở thành một cơn ác mộng đặc biệt là trong các tòa nhà lớn Sải. Trong thiết kế cơ sở cố định, khung là cứng nhắc, nhưng chuyển những khoảnh khắc nặng cho các cơ sở. Trên đất yếu, thiết kế cơ sở trở thành công việc tẻ nhạt. Tương tự như vậy cho hỗ trợ ghim, khung không chuyển bất cứ lúc nào để nền tảng và chỉ & dọc ngang phản ứng ảnh hưởng đến thiết kế của nền tảng. Nó có vẻ đơn giản nhưng trong trường hợp lớn kéo dài, việc kiểm soát deflections của khung trong tình trạng cơ sở ghim là một nhiệm vụ đầy thử thách.

để kiểm soát độ lệch này, cách đơn giản nhất là tăng các kích thước hình học tài sản/góc của khung, nhưng nó là không nên vì nó thêm vào trọng tải toàn bộ xây dựng, thêm không chỉ để các lực lượng địa chấn, nhưng cũng thêm vào chi phí sau đó. Chúng tôi cần một giải pháp mà trong đó sự thống trị của khung có thể được kiểm soát và các kích thước phần cũng không tăng.

Cách tốt nhất chúng tôi có thể tìm thấy là để 'Đôi' khung để kiểm soát độ lệch dư thừa. Trong trường hợp hiện nay chúng tôi đã cung cấp kết lại cho vưng eave cấp (braced eave) trên cả hai mặt của cấu trúc dọc theo chiều dài cho mục đích này. Khoảng này kết lại cho vưng Eave được lấy xấp xỉ L / 10 của mỗi bên. Chúng tôi có thể quan sát trong ví dụ sau eave kết lại cho vưng là một giúp đỡ rất nhiều trong việc kiểm soát ngang deflections và dẫn đến thiết kế nền tảng nhẹ.
ví dụ

để kết luận ở trên, như ví dụ sàn chứa máy bay đã thực hiện với tham số sau đây có cả hai sàn chứa máy bay bên cửa với các chi tiết:

khoảng = 42 m
chiều dài = 76 m
Bay khoảng cách = 7.6 m
rõ ràng Ht. = 10 m
tốc độ gió = 50 m/s
mái nhà dốc = 1 trong 10
Thay thế 1 (cố định thiết kế cơ sở)

cố định thiết kế cơ sở

thiết kế của Long Span thép cấu trúc và nhà chứa máy bay

ở cố định cơ sở, vì thời điểm thống nhất các phân phối cơ sở cũng như eave, cột thẳng của phần kích cỡ Web = 1275 X 8 mm và mặt bích = 375 X 16 mm đã được sử dụng. Bằng cách sử dụng các kích thước của khung, độ lệch được kiểm soát. Xin vui lòng tham khảo bảng 1.

Thiết kế của Long Span thép cấu trúc và nhà chứa máy bay

đối với lực lượng dự bị, thời điểm này (Mz) là khoảng 165 MT và lực lượng dọc (năm tài chính) là 41 MT tại cơ sở của cột, mà đang được chuyển giao cho tổ chức. Xin vui lòng tham khảo các lực lượng được tạo ra tại cơ sở của các khung hình trong bảng 2.

thiết kế của Long Span thép cấu trúc và nhà chứa máy bay

Cho trên lực lượng một kích thước dự kiến của nền tảng bị cô lập đã làm việc như dưới-

độ lệch tâm (e)
e = (Mz/Vy) = (165 / 41) = 4.03

chiều dài của người đi bộ (L/6) cần phải lớn hơn độ lệch tâm (e).
i.e. L/6 > e
L > 6e
L > 6 X 4.03 = 24,18 m ≈ 25 m (tại duy nhất bên)

vì vậy, nó có thể được quan sát thấy rằng nền tảng mở cho loại khung sẽ là đánh giá cao không thực tế & uneconomical và giải pháp duy nhất là để cung cấp nền tảng đống, một lần nữa sẽ tốn thời gian & mở rộng.
thay thế 2 (Pinned cơ sở thiết kế)

Pinned cơ sở thiết kế

thiết kế của Long Span thép cấu trúc và nhà chứa máy bay

như tùy chọn thứ hai, cùng cấu trúc đã thiết kế với điều kiện Pinned cơ sở, bây giờ chúng tôi có thể giảm dần cột nơi các thời điểm này (Mz) tại các cơ sở sẽ là ZERO. Chỉ bên (Fx) và lực lượng dọc (năm tài chính) sẽ diễn xuất. Xin vui lòng tham khảo các lực lượng được tạo ra tại cơ sở của khung trong bảng 3.

Pinned cơ sở thiết kế

do không thời điểm chúng tôi có thể thiết kế nền tảng rất nhẹ (cấu trúc phụ) cho cùng một cấu trúc.

Nó có thể được quan sát thấy rằng các lực lượng dự bị là rất hạn chế và một nền tảng bị cô lập nhỏ có thể là thiết kế cho cột.

nhưng cùng lúc đó, tại cơ sở ghim, deflections cổng bên cũng như theo chiều dọc hướng sẽ trở thành tham số quan trọng. Và trong trường hợp không có điều khoản đặc biệt được thực hiện để kiểm soát độ lệch này, khung sẽ có một sự thống trị đáng kể. Do đó để kiểm soát độ lệch, cung cấp Eave kết lại cho vưng (braced eave như đánh dấu) theo chiều dọc trên cả hai mặt của cấu trúc đã được thực hiện.

Pinned cơ sở thiết kế

khoảng này kết lại cho vưng Eave nên khoảng khoảng / 10 của mỗi bên. Cho khoảng 42 m, chiều rộng của kết lại cho vưng eave sử dụng 42/10 m = 4.2 m ≈ 4 m ở mỗi bên (xem dưới đây mô hình 3 D)

Pinned cơ sở thiết kế

Để so sánh giữa các kích thước tương tự của khung với & không cần dùng kết lại cho vưng eave, độ lệch kết quả trong các khung được đưa ra trong bảng 4 và 5.

Pinned cơ sở thiết kế

theo quy định codal, độ lệch được cho phép trong cột là (H/150) có nghĩa là 66 mm. Trong trường hợp cấu trúc braced eave, giá trị độ lệch là dưới sự kiểm soát với 60 mm hướng dọc, Tuy nhiên cùng một lúc, giá trị đã nhiều hơn cho phép độ lệch trong trường hợp kết lại cho vưng eave không được cung cấp tức là 7566 mm mà là rất cao.

Eave do đó khái niệm Bbracing là rất có lợi trong lớn khoảng cấu trúc với ghim khái niệm cơ bản và kể từ khi thời điểm không được chuyển đến cấp độ cơ bản, thiết kế của foundation là cũng rất kinh tế.

Kết quả (Việt) 2:

Amit Bharana, Chủ tịch, ERA BUILDSYS Ltd Phần lớn các tòa nhà công nghiệp được làm từ thép cho lý do rõ ràng tỷ lệ cường độ cao / cân. Một nghiên cứu về thiết kế hiệu quả của nhà chứa máy bay lớn tuổi / cấu trúc, đảm bảo cơ sở nhẹ hơn được trình bày. Giới thiệu Amit Bharana Cơ cấu Amit Bharana với Span lớn hơn 40 m có thể được coi cấu trúc tuổi như lâu dài và cần phải được thiết kế cẩn thận giữ một sự cân bằng của tất cả các các khía cạnh như trọng lượng, độ võng của nó (ảnh hưởng) và các lực lượng cơ sở. Có rất nhiều sự kết hợp của thiết kế nhịp lớn, như giàn thông thường & RCC kết hợp cột, kèo thép cột, xây dựng tiền chế (PEB) vv Những ngày này với các khái niệm về PEB, lợi thế lớn, chúng tôi nhận được là việc sử dụng sức mạnh cao thép tấm (thường là Fe 350), nhẹ hơn nhưng cường độ cao dạng xà gồ lạnh, và 550 Mpa Galvalume tấm định hình. Việc sử dụng các PEB không chỉ làm giảm trọng lượng của cấu trúc bởi vì lớp thép cường độ cao được sử dụng nhưng cũng đảm bảo kiểm soát chất lượng của cấu trúc. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế một nhà chứa máy bay sử dụng khái niệm hiện đại của PEB. Thiết kế philosphy Thiết kế được thảo luận là 42 mét chứa máy bay khẩu độ cho máy bay bảo trì. Chúng tôi đã thiết kế Hangar này trong 3D trên phần mềm Staad, để mô phỏng thích hợp của phân phối tải thống nhất trong ba hệ thống phối hợp tức là X, Y và Z. Tất cả các tải trọng cơ bản tức là chết, sống, gió, nhiệt độ, động đất vv đã được thực hiện xem xét cho thiết kế của khung hình. Cấu trúc đã được thiết kế theo kèm cũng như điều kiện mở cho các ứng dụng của tải trọng gió, vì nó mở ra và đóng cửa của cỡ lớn Hangar Door. Triết lý cơ bản của thiết kế khung cứng là bằng cách áp dụng "CỐ ĐỊNH 'hoặc' gắn 'chân cột điều kiện. Một cơ sở cột cố định luôn luôn là một khung mạnh mẽ và giúp trong việc kiểm soát độ lệch cho phép (bên thống trị) trong các khung. Thiết kế thép luôn luôn thích cơ sở cố định để gắn khung cơ sở. Ngược lại, các nhà thiết kế nền tảng thiết kế của cơ sở trở thành một cơn ác mộng đặc biệt là trong các tòa nhà nhịp lớn. Trong thiết kế cơ sở cố định, khung cứng nhắc, nhưng nếu truyền khoảnh khắc nặng cho cơ sở. Trên nền đất yếu, thiết kế cơ sở trở thành công việc tẻ nhạt. Tương tự như vậy để hỗ trợ gắn, khung không chuyển giao bất cứ lúc nào để nền tảng và chỉ phản ứng theo chiều dọc và ngang ảnh hưởng đến việc thiết kế các nền tảng. Có vẻ đơn giản nhưng trong trường hợp của nhịp lớn, kiểm soát độ võng của khung trong điều kiện cơ sở gắn là một nhiệm vụ đầy thử thách. Để kiểm soát độ lệch này, cách đơn giản nhất là tăng cường các thuộc tính hình học / kích thước mặt cắt của khung hình, nhưng nó không phải là khuyến khích vì nó thêm vào trọng tải của toàn bộ tòa nhà, thêm không chỉ cho các lực lượng địa chấn mà còn thêm vào các chi phí sau đó. Chúng ta cần một giải pháp trong đó sự thống trị của các khung có thể được kiểm soát và các kích thước phần cũng không tăng lên. Cách tốt nhất chúng ta có thể tìm thấy là 'ĐÔI' khung để kiểm soát sự lệch dư thừa. Trong trường hợp này, chúng tôi đã cung cấp ở mức độ giằng mép mái (chuẩn bị tinh thần mép mái) trên cả hai mặt của cấu trúc dọc theo chiều dài cho mục đích này. Khoảng thời gian giằng Eave này được thực hiện khoảng L / 10 của mỗi bên. Chúng ta có thể quan sát trong ví dụ sau đó giằng mép mái là một trợ giúp lớn trong việc kiểm soát độ võng ngang và dẫn đến thiết kế móng nhẹ hơn. Ví dụ Để kết luận trên, ví dụ như nhà chứa máy bay đã thực hiện với các thông số sau đây có cả cửa nhà chứa máy bay bên với các chi tiết sau đây: Span = 42 m Chiều dài = 76 m Bay Spacing = 7,6 m rõ ràng HT. = 10 m Tốc độ = 50 m / s gió mái nhà dốc = 1 trong 10 thay thế 1 (cố định cơ sở thiết kế) cố định cơ sở Thiết kế Thiết kế của các cấu trúc dài Span thép và Nhà vòm Trong cơ sở cố định, do đồng phục phân phối thời điểm tại cơ sở cũng như mép mái, cột thẳng của phần kích thước Web = 1275 X 8 mm và mặt bích = 375 X 16 mm đã được sử dụng. Bằng cách sử dụng các kích thước của khung hình, độ lệch được cho phép trong điều khiển. Vui lòng tham khảo bảng 1. Thiết kế của Long Span Kết cấu thép và Nhà vòm Khi quan lực lượng nền tảng, thời điểm (Mz) là khoảng 165 tấn và lực lượng theo chiều dọc (Fy) là 41 tấn tại các cơ sở của cột, đang được chuyển giao cho cơ sở. . Vui lòng tham khảo các lực lượng tạo ra tại cơ sở của khung trong bảng 2 Thiết kế của Long Span Kết cấu thép và Nhà vòm Đối với ở trên bắt buộc một kích thước dự kiến của nền tảng Isolated là làm việc ra như dưới - Độ lệch tâm (e) e = (Mz / Vy) = (165 / 41) = 4.03 Chiều dài của người đi bộ (L / 6) nên lớn hơn độ lệch tâm (e). tức là L / 6> e L> 6e L> 6 X 4,03 = 24,18 m ≈ 25 m (Tại Single Side) Như vậy, nó có thể được quan sát thấy rằng nền tảng mở cho loại khung sẽ được đánh giá cao không thực tế và không kinh tế và giải pháp duy nhất là cung cấp cho móng cọc, trong đó một lần nữa sẽ được thời gian và mở rộng. thay thế 2 (Pinned thiết kế cơ sở) Pinned cơ sở thiết kế Thiết kế của Long Kết cấu nhịp thép và Nhà vòm Khi lựa chọn thứ hai, cấu trúc tương tự đã được thiết kế với điều kiện Pinned Base, bây giờ chúng tôi có thể đã giảm dần cột mà thời điểm (Mz) tại các cơ sở sẽ ZERO. Chỉ bên (Fx) và dọc (Fy) lực lượng sẽ được diễn xuất. Vui lòng tham khảo các lực lượng được tạo ra tại cơ sở của khung trong bảng 3. Pinned thiết kế cơ sở Do không thời điểm chúng tôi có thể thiết kế nền tảng rất nhẹ (tiểu cấu trúc) cho cấu trúc tương tự. Nó có thể được quan sát thấy rằng các lực lượng cơ sở là rất hạn chế và cô lập nhỏ nền tảng có thể được thiết kế cho các cột. Nhưng cùng một lúc, trong cơ sở gắn, các độ võng của Cổng thông tin ở bên cũng như định hướng theo chiều dọc sẽ trở thành thông số quan trọng. Và trong trường hợp không có điều khoản đặc biệt được thực hiện để kiểm soát độ lệch này, khung sẽ có một ảnh hưởng đáng kể. Do đó, để kiểm soát độ lệch, việc cung cấp các Eave thanh giằng (chuẩn bị tinh thần mép mái như đánh dấu) theo chiều dọc trên cả hai mặt của cấu trúc đã được thực hiện. thiết kế cơ sở Pinned Span của thanh giằng Eave này nên được khoảng trải / 10 của mỗi bên. 42 m khoảng chiều rộng của thanh giằng mép mái sử dụng 42/10 m = 4,2 m ≈ 4 m ở mỗi bên (xem bên dưới 3 D mô hình) Pinned thiết kế cơ sở Để so sánh giữa các kích thước cùng một khung với & mà không sử dụng thanh giằng mép mái, các lệch dẫn đến việc đóng khung được đưa ra trong Bảng 4 và 5. thiết kế cơ sở Pinned Theo quy định Codal, lệch cho phép trong các cột là (H/150) là 66 mm. Trong trường hợp chuẩn bị tinh thần cấu trúc mép mái, giá trị sai lệch đã được kiểm soát với 60 mm theo hướng dọc, tuy nhiên cùng một lúc, giá trị hơn rất nhiều so với độ lệch cho phép trong trường hợp các thanh giằng mép mái không được cung cấp tức là 7566 mm mà là rất cao. Do đó mép mái Bbracing Khái niệm là rất có lợi trong cơ cấu nhịp lớn với khái niệm cơ sở gắn và vì không có thời điểm được chuyển giao cho cấp cơ sở, thiết kế của cơ sở cũng rất kinh tế.