Macarale pentru construcții: tipuri, cum funcționează, ghid de montaj și istorie

Macarale pentru construcții: Ghidul complet

Macaralele de construcție sunt coloana vertebrală a clădirii verticale moderne. De la blocuri de birouri cu înălțime mijlocie până la zgârie-nori foarte înalți, niciun alt echipament nu poate egala combinația de rază, capacitate de ridicare și înălțime operațională a unei macarale turn. Acest ghid acoperă totul, de la istoria și invenția macaralei până la modul în care operatorii ajung la vârf, cum sunt propulsate macaralele și cum să alegeți tipul potrivit pentru un anumit proiect.

Istoria lui Macarale turn : De la trolii antice la giganți moderni

Istoria macaralelor turn se întinde mai departe decât își dau seama majoritatea oamenilor. Grecii antici au dezvoltat prima macara mecanică adevărată - trispastos — în jur 515 î.Hr , folosind un sistem simplu de frânghie și scripete alimentat de efort uman sau animal. Aceste dispozitive timpurii puteau ridica sarcini de aproximativ 150 kg, suficient pentru a poziționa blocurile de piatră îmbrăcată utilizate în construcția templului.

Inginerii romani au extins acest concept cu polispaston , o macara compusă cu scripete capabilă să ridice până la 3.000 kg — o cifră care nu ar fi depășită de nicio mașină portabilă de ridicat până la Revoluția Industrială. Macaraua cu roată de rulare, obișnuită în Europa medievală începând cu secolul al XII-lea, a introdus rotația umană printr-o roată mare de lemn, permițând construirea de catedrale gotice cu ziduri care se înălțau peste 30 de metri.

Întrebarea de care a inventat macaraua în forma sa modernă se răspunde în general cu două nume. Inginerul scoțian William Fairbairn a proiectat prima macara de călătorie alimentată cu abur în anii 1840, transformând operațiunile șantierului naval și depozitelor. Cu toate acestea, macaraua turn așa cum este recunoscută astăzi - un braț pivotant montat pe un catarg vertical - a fost inițiat de inginerul german Hans Liebherr, care a construit prima macara turn comercială în 1949 în efortul de reconstrucţie german postbelic. Compania sa, Liebherr, rămâne unul dintre cei mai mari producători de macarale turn din lume până în prezent.

Tipuri de macarale pentru constructii

Nu toate macaralele de construcție sunt macarale turn. Tipul corect de macara depinde de domeniul de aplicare al proiectului, constrângerile amplasamentului, înălțimea de ridicare necesară și capacitatea de încărcare. Principalele tipuri de macarale utilizate pe șantiere includ:

Macara turn Hammerhead

The macara turn cu cap de ciocan — numită și macara cu rotire de sus sau cu braț de șa — este cea mai recunoscută formă. Are un braț orizontal și un contra-jib de lungime aproximativ egală care se extinde de la un inel de rotire central din partea de sus a catargului, dându-i forma caracteristică în T vizibilă pe orizonturile urbane din întreaga lume. Căruciorul se deplasează de-a lungul brațului pentru a poziționa sarcinile la raze variabile până la atingerea maximă a brațului, care poate depăși 80 de metri pe modele mari. Macaralele cu cap de ciocan sunt preferate pentru construcția înaltă datorită diagramei de încărcare previzibile și a funcționării simple în spațiul aerian aglomerat.

Macara turn cu vârf plat

The macara turn cu vârf plat (de asemenea, luffing flat-top sau auto-montable flat-top, în funcție de variantă) elimină tradiționalul cadru în A sau vârful de deasupra inelului de rotire. Rezultatul este un profil general mai scăzut, care reduce semnificativ separarea minimă necesară între macaralele adiacente pe un amplasament strâmt - motivul principal pentru care modelele cu vârf plat domină în proiectele din centrul orașului unde mai multe macarale turn trebuie să funcționeze în imediata apropiere. Asamblarea și dezasamblarea sunt, de asemenea, mai rapide datorită absenței structurii cadrului superior.

Macara turn montată pe șină

A macara turn montată pe șină se deplasează de-a lungul unei căi fixe așezate la nivelul solului, combinând raza verticală a unei macarale turn cu mobilitatea orizontală pe toată lungimea unei structuri. Această configurație este deosebit de eficientă pentru șantierele de construcții navale, instalațiile prefabricate din beton și proiectele de construcții liniare, cum ar fi viaducte sau clădiri industriale lungi. Ecartamentul șinei, capacitatea portantă a căii și viteza de deplasare trebuie să fie proiectate ca parte a planului de amplasament.

Macara turn cu plumb

Acolo unde limitele amplasamentului sau restricțiile spațiului aerian împiedică balansarea liberă a brațului orizontal, o macara cu braț rulant își ridică și coboară brațul printr-un arc în loc să folosească un cărucior de transport. Acest lucru reduce drastic raza de rotire necesară și permite operarea în siguranță lângă pereți de frontieră, alte macarale sau coridoare ale spațiului aerian protejat - o cerință comună pe amplasamentele constrânse din centrul orașului.

Macara mobilă și macara pe șenile

Dincolo de macaralele turn, macaralele telescopice mobile (montate pe camioane) și macaralele pe șenile (scănile de rulare) se ocupă de ascensoare care necesită repoziționare între pick-uri sau care cad în afara anvelopei macaralei turn. Macaralele mobile sunt indispensabile în timpul montajului macaralei turn, ridicând secțiunile catargului și componentele structurale în poziție înainte ca mecanismul de auto-cățărare să preia controlul.

Piese ale unei macarale de construcție

Înțelegerea componentelor cheie ale unei macarale turn clarifică modul în care funcționează și modul în care fiecare element contribuie la o ridicare sigură și eficientă.

• Catarg (turn): Structura verticală cu zăbrele din oțel care conferă macaralei înălțimea sa. Secțiunile catargului standard sunt de obicei 3-6 metri înălțime și fixate cu șuruburi sau prinse împreună în timpul erecției. Catargul transferă toate sarcinile – inclusiv vântul – către fundație.
• Unitate de rotire: Montat în partea de sus a catargului, acest rulment inel motorizat permite întregii structuri superioare să se rotească la 360°. Motorul de rotire și angrenajul oferă de obicei o viteză de rotație de 0,6-0,8 rpm.
• Jib (brațul unei macarale): Brațul de lucru orizontal care se extinde spre exterior de la unitatea de rotire. The brațul unei macarale transportă căruciorul și funia de ridicare. Lungimea brațului variază de obicei între 40 și 80 de metri, în funcție de model.
• Contra-jib: Brațul spate mai scurt care poartă contragreutățile - de obicei blocuri grele de beton sau oțel - pentru a echilibra sarcina pe brațul de lucru. Masele de contragreutate variază de la câteva tone la macaralele mici până la peste 20 de tone la modelele cu cap de ciocan mari.
• cărucior: Se deplasează orizontal de-a lungul brațului pentru a modifica raza de încărcare (distanța de la centrul catargului la cârlig). Viteza căruciorului variază de obicei între 20 și 80 m/min la macaralele moderne.
• Bloc de cârlig și cablu de ridicare: Cârligul atârnă de un cablu de oțel înfășurat pe tamburul palanului. Motorul de ridicare ridică și coboară sarcina; vitezele de ridicare ajung de obicei la 60–120 m/min la tracțiune pe o singură linie.
• Cabina macaralei turn: Cabina operatorului închisă, poziționată în partea de sus a catargului, chiar sub sau lângă unitatea de rotire. The cabina macaralei turn conține toate comenzile de operare, afișajele de monitorizare a sarcinii, citirile anemometrelor și echipamentele de comunicație. Cele mai multe cabine moderne oferă control climatic și scaune ergonomice pentru a reduce oboseala operatorului în timpul schimburilor care depășesc în mod regulat 8 ore.
• Cadru de cățărare (cușcă hidraulică): Mecanismul care permite macaralei să crească odată cu clădirea. Un berbec hidraulic împinge structura superioară a macaralei în sus cu o înălțime a secțiunii catargului, după care o nouă secțiune a catargului este introdusă dedesubt. Acest proces – numit „săritură” – poate fi finalizat în 2-4 ore de un echipaj experimentat.
• Ancoră de fundație: Baza macaralei - fie un balast cruciform din beton, fie un șurub de fundație turnat ancorat în placa structurală a șantierului sau un suport dedicat. Proiectarea fundației trebuie să țină cont de momentul maxim de răsturnare la sarcina maximă a brațului și în condiții de vânt maxim proiectate.

Cum funcționează macaralele

O macara turn funcționează combinând trei mișcări simultane — ridicarea (ridicarea sarcinii pe verticala), rotind (rotirea brațului pe orizontală) și cărucior (deplasarea radial a încărcăturii de-a lungul brațului) — pentru a poziționa o sarcină oriunde în interiorul anvelopei sale de operare cu precizie milimetrică.

Fizica care stă la baza funcționării macaralei este echilibrarea momentelor. Capacitatea de sarcină nominală la orice rază dată este determinată de momentul de încovoiere maxim admisibil la inelul de rotire - adică o macara cu o capacitate de vârf de 6 tone la o rază de 60 de metri poate ridica mult mai multă greutate mai aproape de catarg. Acest lucru este exprimat în diagrama de încărcare a macaralei, pe care operatorii trebuie să o consulte înainte de fiecare ridicare.

Macarale turn moderne sunt echipate cu limitatoare de moment de sarcină (LML) și dispozitive anti-două blocuri care împiedică operatorul să depășească accidental capacitatea nominală a macaralei sau să conducă blocul cârlig în structura brațului. Variatoarele de frecvență (VFD) ale motoarelor de ridicare și de rotire asigură o accelerare și decelerare lină, reducând oscilația sarcinii și îmbunătățind timpul ciclului.

Cum sunt alimentate macaralele? Practic, toate macaralele turn utilizate în prezent sunt alimentate electric printr-un cablu de remorcare sau prin conexiune permanentă la tabloul de distribuție al șantierului. O macara cu cap de ciocan de dimensiuni medii necesită de obicei a 50–100 kVA alimentare trifazată. Sistemele de acționare electrică sunt preferate față de alternativele hidraulice sau diesel pentru aplicațiile cu macarale turn datorită eficienței energetice, controlului precis al vitezei și adecvării pentru frânarea regenerativă - unde energia din scăderea sarcinilor este reintrodusă în rețea.

Montarea macaralei turn: Cum se ridică macaralele

Montarea macaralei turn este o operațiune secvențială precisă care durează de obicei 1–3 zile pentru o macara de sine stătătoare standard, în funcție de model și de condițiile locului. Înțelegerea procesului clarifică de ce planificarea montajului este la fel de importantă ca orice altă fază a programului proiectului.

1. Pregatirea fundatiei: Un bloc de ancorare din beton - de obicei armat cu șuruburi de ancorare sau cu o cușcă de șuruburi pre-proiectată specificată de producătorul macaralei - este turnat în pământ sau în placa structurală a clădirii cu săptămâni în avans pentru a permite o întărire adecvată.
2. Ansamblul bazei catargului: Primele secțiuni de catarg sunt coborâte pe șuruburile de fundație și instalate exact vertical folosind o nivelă cu burlă sau un inclinometru digital. Toleranța de abatere este de obicei mai mică de 1 mm pe metru de înălțime a catargului.
3. Instalare cadru de catarare: Cușca hidraulică de urcare este montată în jurul catargului de la baza structurii superioare, gata să ridice fiecare nouă secțiune în poziție.
4. Unitate de rotire, cabină și ansamblu braț: O macara mobilă ridică inelul de rotire, cabina operatorului, contra-jib (cu contragreutăți deja montate) și apoi secțiunile brațului în poziție. Bracul este asamblat pe sol și ridicat ca o singură unitate sau pe secțiuni în funcție de lungimea acestuia.
5. Reeving și punere în funcțiune: Cablul de ridicare este trecut prin cărucior și blocul cârlig, toate conexiunile electrice sunt realizate, iar macaraua este supusă testării funcționale, testării sarcinii și verificării sistemului de siguranță înainte de eliberarea certificatului de predare.

Pe măsură ce clădirea se ridică, macaraua crește odată cu ea prin proces de auto-cățărare (săritură). : berbecul hidraulic se extinde, structura superioară este ținută de știfturi de cățărare în timp ce o nouă secțiune de catarg este glisată în poziție dedesubt, iar macaraua este coborâtă pe noua secțiune. Acest ciclu se repetă la fiecare câteva etaje, de obicei ori de câte ori structura clădirii depășește înălțimea cârligului de sine stătător a macaralei.

Înălțimea unei macarale și cât cântărește o macara

The înălțimea unei macarale pe un șantier nu este fix - crește pe măsură ce proiectul progresează. O macara turn de sine stătătoare poate sta între ele 50 și 80 de metri fără legătură cu structura. Atunci când este ancorată de clădire la intervale regulate (de obicei la fiecare 20-30 de metri de catarg), macaraua se poate extinde până la câteva sute de metri. Cele mai înalte macarale turn utilizate vreodată în construcții au atins înălțimi de sus 100 de metri , cu înălțimi de cârlig la macaralele legate care depășesc 300 de metri în proiectele de zgârie-nori superînalți.

Greutatea unei macarale turn variază semnificativ în funcție de dimensiune și tip. O macara compactă auto-montabilă poate cântări chiar și 3-5 tone , în timp ce o macara cu cap de ciocan mare poate cântări peste 200 de tone când toate secțiunile catargului, contragreutățile și componentele brațului sunt incluse. Seria Liebherr EC-B și seria Potain MDT - ambele oferte comune ale producătorilor de macarale turn la nivelul mediu al pieței - cântăresc de obicei între 40 și 120 de tone în configurația de șantier.

Cum ajung operatorii de macara în vârf

Accesul la cabina macaralei turn este unul dintre aspectele mai puțin discutate, dar foarte reale, ale funcționării macaralei. Cum ajung operatorii de macara în vârf? În aproape toate macaralele turn, accesul se face printr-o scară verticală fixă ​​care rulează în interiorul sau de-a lungul catargului, cu platforme de odihnă la intervale regulate - de obicei la fiecare 6 metri, corespunzătoare îmbinărilor secțiunii catargului. Pe macaralele înalte, operatorii pot urca 150–250 de trepte sau mai mult la începutul fiecărei ture.

Unele macarale turn moderne, în special pe structuri foarte înalte sau pe piețele cu standarde stricte de bunăstare a forței de muncă, sunt echipate cu un palan de personal pentru catarg — o mașină mică închisă care urcă pe exteriorul catargului, eliminând cerințele fizice ale urcării pe scări. Cu toate acestea, acest lucru adaugă costuri și necesită întreținere suplimentară, așa că multe site-uri – în special pe piețele în curs de dezvoltare – continuă să se bazeze pe accesul la scară.

Operatorii petrec de obicei o întreagă tură - de obicei 8-10 ore — în cabină fără a coborî. Mesele, apa și, în unele cazuri, instalațiile sanitare sunt fie aduse la începutul schimbului, fie furnizate prin intermediul cablului de ridicare într-o găleată. Prin urmare, gestionarea oboselii este o parte esențială a planificării responsabile a funcționării macaralei.

Producători de macarale turn: cine produce macarale de construcții din lume

Piața globală a macaralelor turn este deservită de un număr relativ mic de producători dominanti, deși peisajul competitiv s-a extins semnificativ odată cu creșterea producției chineze.

• Liebherr (Germania): Considerat numele fondator al macaralelor turn moderne, producând o gamă completă de la modele auto-montante până la macarale cu cap de ciocan pentru sarcini grele, cu capacități de vârf de până la 64 de tone.
• Manitowoc / Potain (Franța/SUA): Potain este cea mai mare marcă de macarale turn din lume după baza instalată, oferind gamele MDT flat top și MCT luffing pe toate piețele globale majore.
• Terex Comedil (Italia): Este specializat în macarale cu vârf plat și cu braț basculant, deosebit de populare pe piețele europene și australiane.
• Wolffkran (Germania): Cunoscut pentru macaralele cu cap de ciocan de mare capacitate și modelele specializate de mare capacitate pentru aplicații industriale și de infrastructură.
• XCMG, Zoomlion, SANY (China): Producătorii din China și-au extins rapid prezența globală de macarale, oferind prețuri competitive pentru toate categoriile de macarale și acum reprezintă o parte semnificativă a livrărilor de macarale noi în Asia, Orientul Mijlociu și Africa.

Atunci când selectează un producător de macarale turn, echipele de achiziții ar trebui să evalueze nu numai prețul unitar, ci și disponibilitatea pieselor locale, acoperirea rețelei de service, timpul de livrare pentru secțiunile catargului și valoarea de revânzare — toate acestea pot afecta în mod substanțial costul total de proprietate pentru un proiect pe mai mulți ani.

Planificarea macaralei înalte: Considerații privind macaraua pe șantier

Poziționarea a macara pe un șantier — în special pentru a macara mare aplicație — necesită o analiză inginerească cu mult înainte ca terenul să fie spart. Variabilele cheie de planificare includ:

• Analiza acoperirii: Brațul macaralei trebuie să atingă fiecare punct al amprentei clădirii plus zonele de așezare a cheilor. Pentru clădirile mari sau cu formă neregulată, pot fi necesare mai multe macarale, necesitând o coordonare atentă a spațiului aerian pentru a preveni coliziunea brațului.
• Integrare structurală: Pentru macaralele legate pe structuri înalte, cadrele de legătură trebuie să fie proiectate în desenele structurale ale clădirii la nivelurile corespunzătoare ale podelei. Fiecare cravată transferă sarcini orizontale de câteva sute de kilonewtoni în cadrul clădirii.
• Alpinism intern vs. extern: La clădirile superînalte, macaralele sunt adesea „sărite” în interiorul puțului central al clădirii - macaraua se află în miezul ascensorului și urcă folosind pereții miezului ca puncte de ancorare. Acest lucru protejează macaraua de sarcinile extreme ale vântului la înălțime și evită necesitatea unor suporturi de legătură exterioare pe fațada clădirii.
• Planificarea dezasamblarii: La clădirile înalte, macaraua nu poate fi pur și simplu demontată invers. Este adesea necesară o „macara de salvare” mai mică sau o macara care urcă pe structura acoperișului - un proces care trebuie planificat de la început.
• Limitele vitezei vântului: Macaralele turn au definit viteze maxime de funcționare ale vântului - în mod obișnuit 72 km/h (20 m/s) — și ratinguri de vânt în afara serviciului care definesc momentul în care macaraua trebuie lăsată în modul de mișcare liberă, astfel încât brațul să se întâmple în vânt. La înălțimi semnificative, vitezele vântului sunt constant mai mari decât la nivelul solului, ceea ce face ca datele anemometrelor să fie o intrare operațională critică.

Întrebări frecvente despre macarale pentru construcții

• Care este diferența dintre un cap de ciocan și o macara turn cu vârf plat?

  O macara cu cap de ciocan are un cadru structural în A sau un vârf deasupra inelului de rotire de pe care funii suspendate susțin brațul. O macara cu vârf plat nu are un astfel de vârf - brațul este susținut de o structură interioară a coardelor - oferindu-i un profil general mai scăzut. Macaralele cu vârf plat sunt preferate acolo unde mai multe macarale trebuie să lucreze în imediata apropiere, deoarece brațurile lor pot trece una peste alta la diferențe de înălțime mai mici.

• Cât de înălțime poate avea o macara turn?

  De sine stătătoare, o macara turn este de obicei limitată la 50-80 de metri, în funcție de model și de designul fundației. Atunci când sunt ancorate de structura clădirii la intervale regulate, nu există o limită superioară practică dictată de macara în sine - macaralele din proiectele superînalte au funcționat la înălțimi ale cârligului care depășesc 600 de metri deasupra solului.

• Cum se alimentează macaralele pe un șantier?

  Macaralele turn sunt alimentate electric aproape universal, conectate la tabloul de distribuție al șantierului printr-un cablu care crește pe măsură ce macaraua urcă. Cerințele de alimentare cu energie electrică variază de la aproximativ 30 kVA pentru modelele mici auto-montante până la peste 200 kVA pentru macaralele mari cu cap de ciocan cu palanuri de mare viteză.

• Cât durează ridicarea unei macarale turn?

  O macara turn de sine stătătoare poate fi ridicată în 1-3 zile de către un echipaj experimentat care folosește o macara mobilă, presupunând că ancora de fundație este deja la locul său. Modelele auto-montante cu brațuri pliante pot fi instalate în doar 20-30 de minute, o dată pe șantier. Dezasamblarea necesită o perioadă similară de timp până la montare.

• Cine a inventat macaraua turn modernă?

  Hans Liebherr este creditat cu construirea primei macarale turn moderne de succes comercial în 1949, concepută pentru a sprijini reconstrucția rapidă a orașelor germane după cel de-al Doilea Război Mondial. Designul său – combinând un braț pivotant cu un catarg auto-cățărător – a stabilit șablonul pe care l-au urmat toate macaralele turn ulterioare.