Zasady projektowania i

kształtowania prostych

ustrojów konstrukcyjnych

(ramy)

Agnieszka Ćwiertniewska

DEFINICJA

Ramami nazywamy układy prętowe,
w których poszczególne pręty są ze
sobą połączone za pomocą
sztywnych węzłów, tj. tak, że przy
odkształcaniu sprężystym układu
kąty między stycznymi do osi
odkształconych prętów
zbiegających się w danym węźle nie
zmieniają się oraz nie zachodzi
wzajemne przesunięcie tych prętów.

W zależności od charakteru obciążenia, siatki podpór i
przewidywanego sposobu eksploatacji stosuje się:



ustroje płaskie z wyraźnie określonym kierunkiem głównym,
równolegle do którego pracują wszystkie elementy nośne,



ustroje przestrzenne, w których w ibu ortogonalnych kierunkach
pracują elementy o tej samej ważności.
ustroje zarówno przestrzenne, jak i płaskie, mogą być:



ustrojami monolitycznymi,



ustrojami prefabrykowanymi montowanymi bądź z elementów
prętowych, bądź ramowych,



ustrojami łączącymi elementy prefabrykowane z elementami
wykonywanymi jako monolityczne

WYTYCZNE DO PROJEKTOWANIA UKŁADÓW

RAMOWYCH

Przy projektowaniu układów ramowych zaleca się
uwzględnienie następujących wskazówek:



Wysokość ram i rozstaw słupów muszą być dostosowane do
potrzeb technologicznych, które determinują m.in.: liczbę
sposób usytuowania belek podsuwnicowych, świetlików i
otworów instalacyjnych oraz sposoby zabezpieczania
konstrukcji przed działaniem korozji (szczególnie w zakładach
chemicznych,



Rozstaw słupów oraz rozpiętość ram powinny być
wielokrotnością modułu obowiązującego aktualnie w
budownictwie przemysłowym, wynoszącego 3,0m,



Ze względów wykonawczych i ekonomicznych powinno się
dążyć do stosowania konstrukcji,



W niedużych i niewysokich budynkach 3- i więcej nawowych
celowe jest niekiedy zastąpienie żelbetowych słupów
zewnętrznych zwykłymi ścianami prefabrykowanymi lub
murowanymi z cegły na zaprawie cementowo wapiennej, z
filarkami międzyokiennymi betonowymi, żelbetowymi ze
zbrojeniem w postaci 4φ10÷12mm



W halach wysokich stosuje się niekiedy prefabrykowane
okna żelbetowe, wstawione pomiędzy słupy. Elementy
okienne przymocowuje się do słupów najczęściej przez
zaspawanie specjalnie w tym celu wypuszczonych
płaskowników (zarówno ze słupów, jak też i okien).
Stalowe okna nie stanowią dobrego stężenia hali w jej
podłużnym kierunku. Okna oraz mury parapetowe i w
ogóle wypełnienie ścian hali można posadawiać na
żelbetowej (zbrojonej konstrukcyjnie) lawie pomiędzy
stopami fundamentowymi (przy niższych halach) lub też
na specjalnie w tym celu skonstruowanych żelbetowych
podwalinach opartych na stopach ( zwłaszcza w halach
wysokich). Drugi sposób jest lepszy, gdyż eliminuje
możliwość powstania rys i pęknięć pomiędzy
żelbetowymi słupami i wypełnieniem ścian. W
przypadku stóp posadowionych na palach
niedopuszczalne jest stosowanie pod ścianami ław
opartych bezpośrednio na gruncie.

PRZYKŁAD SCHEMATÓW STATYSTYCZNYCH RAM
BEZPRZEGUBOWYCH:

Rys. 1 Ramy prostokątne bezprzegubowe:
a/ rama jednokondygnacyjna (typu halowego)
b/ rama dwukondygnacyjna

PRZYKŁAD SCHEMATÓW STATYSTYCZNYCH RAM
PRZEGUBOWYCH:

Rys. 2 Układ ramowy z węzłami przegubowymi
1 – rama,
2 – dwuprzegubowy łącznik-rozpórka

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

RYGLE (zwane też rozporami)pracują głównie na zginanie
ścinanie. Podłużnych sił ściskających w ryglach z reguły
nie uwzględnia się (jest to uproszczenie przeważnie na
korzyść bezpieczeństwa). W przypadku rozciągania
(zwłaszcza przy tzw. małych mimośrodach) siły podłużne
sumują się z siłami strefy rozciąganej przekroju rygla od
zginania i dlatego wówczas uwzględnianie podłużnych sił
rozciągających w ryglach jest konieczne. Szczególnie
niekorzystne dla rygla jest skręcanie, zwłaszcza w
przypadku jednoczesnego działania na niego dużych sił
poprzecznych , gdyż naprężenia główne od skręcania i
ścinania sumują się; w związku z tym powstaje
konieczność zastosowania dodatkowego, pracochłonnego
w wykonaniu zbrojenia, a niejednokrotnie również
konieczność znacznego zwiększenia przekroju rygla.

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Rys. 3 Najczęściej spotykane przekroje rygli:
a/ rygiel prostokątny nie współpracujący z przekryciem
stropowym,
b/ rygiel wykonany dwuetapowo (I etap – prefabrykowany, II
etap – nadbeton o wysokości dh),
c/ rygiel z otworami dla przepuszczania pionowych przewodów
instalacyjnych,
d/ i e/ rygle z poziomymi otworami instalacyjnymi

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Rys. 4 Przykładowa rama monolityczna:
a/ ogólne wymiary ramy,
b/ zbrojenie rygla

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

SŁUPY ram są elementami ściskanymi mimośrodowo; działają na nie
siła podłużna N i momenty zginające M, wynikające głównie z
monolitycznego połączenia z ryglami lub stopami fundamentowymi.
Tylko słupy dwuprzegubowe, tzw. wahaczowe (rys. 5a), i słupy
pośrednie w wieloprzęsłowych ramach o równych rozpiętościach
przęseł (rys. 5b), obciążonych równomiernie i symetrycznie, można
w uproszczeniu uważać za ściskane osiowo (wymiaruje się je jako
mimośrodowo ściskane o mimośrodzie technicznym, wynikającym z
niedokładności wykonania elementu słupowego). Zdarzają się
również przypadki pracy słupów ram na rozciąganie (rys. 5c)

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Rys. 5 Schemat ram parterowych:
a/ rama z tzw. wahaczowym słupem prawie osiowo
ściskanym,
b/ rama z pośrednimi słupami ściskanymi z reguły przy
małych mimośrodach (w uproszczeniu ściskanymi prawie
osiowo),
c/ rama ze słupem AC rozciąganym.

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Poprzeczy przekrój monolitycznych i prefabrykowanych słupów
żelbetowych przeważnie przyjmuje się kwadratowy lub
prostokątny, przy czym słupy o przekroju prostokątnym
umieszcza się wysokością h przekroju w płaszczyźnie ramy.
Rzadziej stosuje się teowe, ceowe lub wydrążone przekroje
poprzeczne. W przypadku gdy ze względów architektonicznych
niepożądane jest zainstalowanie rur na elewacji i konieczne
jest ich ukrycie wewnątrz budynku lub we wnękach słupów,
należy stosować rury żeliwne uszczelnione w stykach za
pomocą ołowiu, przy czym niedopuszczalne jest umieszczenia
w słupach przewodów cieplnych obetonowanych – bez
należytego ich zabezpieczenia termicznego. W tym przypadku
konieczne jest oddzielenie przewodu od konstrukcji słupa,
umożliwienie całkowicie niezależnych odkształceń, gdyż przy
tzw. ciasnym obetonowaniu przewodu cieplnego powstają w
słupach znaczne pionowe rysy i spękania.

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Rys. 6 Najczęściej spotykane przekroje jednogałęziowych
słupów:
a/ kwadratowy
b/ prostokątny
c/ teowy
d/ ceowy
e/ zamknięty(rurowy)
f/ dwuteowy
1 – rura instalacyjna, 2- izolacja termiczna na rurze

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Rys. 7 Szczegóły zbrojenia słupów ramy przestawionej na rys. 4

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

WSPORNIKI – długie przeważnie stanowią przedłużenie rygli ramy,
niczym w swej pracy nie różnią się od zwykłych elementów zginanych, z
tym że konieczne jest tu uwzględnienie specyficznych warunków ich
pracy. Krótkie wsporniki utwierdzone w słupie, służące do opierania na
nich elementów przekazujących duże siły skupione, pracują inaczej niż
długie wsporniki o charakterze belkowym. Jeszcze inaczej zachowują się
krótkie wsporniki na końcach belek, np. w miejscach dylatacji
szkieletów lub ram.

Rys. 8 Fragment
monolitycznej ramy
magazynu z długimi
wspornikami

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Rys. 9 Schemat krótkiego
wspornika

Rys. 10 Schemat wspornika na końcu
belki

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

DŁUGIE WSPORNIKI

Przy projektowaniu długich wsporników o charakterze belkowym (nie
płytowym) zaleca się uwzględnienie wytycznych:



wysokość wsporników powinna wynosić co najmniej 1/7 ich wysięgu; w
przypadku dużych sił skupionych o wysokości przekroju wspornika
przeważnie decydują nie naprężenia zginające, lecz naprężenia główne
rozciągające, a także ugięcia końca wspornika,



w przypadku dużych sił skupionych działających na końcu wspornika,
często bardziej niebezpiecznym przekrojem ze względu na naprężenia
główne rozciągające – pomimo korzystnego wpływu skosu – jest nie
przekrój B-B, lecz A-A,

Rys. 11 Długie wsporniki:
a/ schemat ramy ze wspornikami stanowiącymi
przedłużenie rygla,
b/ wspornik obciążony dużą siłą skupioną,
c/ przykład prawidłowego zakotwienia zbrojenia wspornika

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM



Pręty rozciąganej strefy muszą być dobrze zakotwione nie tylko w
przekroju utwierdzenia wspornika, lecz również na jego końcu; ma to
szczególne znaczenie w przypadku dużej siły skupionej umieszczonej w
bezpośrednim sąsiedztwie końcowej części wspornika. Rys. 12d podaje
błędny przykład skonstruowania końcowej części wspornika, jako
skutek niedostatecznej długości zakotwienia i niezastosowania
ukośnych ugięć prętów głównych. Rys. 12e pokazuje rozwiązanie
prawidłowe.

Rys. 12 Długie wsporniki:
d/ przykład błędnie skonstruowanego wspornika,
e/ przykład prawidłowo skonstruowanego wspornika,
f/ dozbrojenie strzemionami i ukośnymi prętami końca
wspornika na działanie obciążenia od żebra.

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM



W przypadku gdy siły skupione przekazywane są na wspornik
za pośrednictwem żeber połączonych ze wspornikiem,
konieczne jest - nawet jeżeli nie została przekroczona nośność
przekroju – stosowanie dodatkowych silnych strzemion,
przenoszących całość siły poprzecznej wynikającej z
przyłożenia reakcji tych żeber.

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

KRÓTKIE WSPORNIKI NA KOŃCACH BELEK

Stosuje się je głównie w miejscach dylatacji obiektów posadowionych na gruntach
o nierównomiernym osiadaniu lub w przypadku belek o znacznej długości.

Rys. 13 Ramy z belkami
łącznikowymi:
a/ schemat ram,
b/ szczegół wspornika, na
którym opiera się belka
wspornikowa (przykładowy
układ sił wewnętrznych we
wsporniku zbrojonym
poziomymi prętami i
pionowymi strzemionami)

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Przy projektowaniu krótkich wsporników na końcu belki należy kierować się
wytycznymi:



Zukosowanie dolnego załamania wspornika znacznie zmniejsza
niebezpieczny układ naprężeń wynikający ze zjawiska karbu,



Pręty zbrojenia u dołu wspornika, przyjmujące rozciągającą siłę Za, powinny
być ukształtowane w postaci pętli o zagięciach o zagięciach określonych
wzorem:

=0,4d(δ

)

Te pętle można umieszczać u dołu albo – przy większej ich liczbie – jedne nad
drugimi, jednakże w strefie nie wyższej niż 0,25h

licząc od dołu wspornika,



Pionowe strzemiona wspornika w liczbie 2÷4 na jego długości (z tym że
ostatnie strzemię od strony belki jest usytuowane blisko dolnego załamania
wspornika) znacznie wzmacniają strefę występujących naprężeń
ściskających o obszarze ponad miejscem przyłożenia siły podporowej. Strefę
tę również wzmacniają poziome strzemiona wspornika,



Pionowe strzemiona u skraju belki, przyjmujące rozciągającą siłę Zs, powinny
być usytuowane przy jej brzegu i rozłożone na długości nie większej niż
0,25h,



Pręty ukośne (lub ukośne strzemiona), przejmują rozciągającą siłę Zo.
Powinny one być usytuowane jak najbliżej dolnego naroża wspornikowego,
przy czym wypadkowa siła Zo musi przechodzić przez punkt przecięcia się
górnej wypadkowej poziomej siły ściskającej S z osią podparcia wspornika,
wzdłuż której działa reakcja P belki,

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM



Przy stosowaniu ukośnych strzemion należy zwracać uwagę, aby
przechodziły one jak najbliżej dolnego naroża wspornika i aby były
rozstawione na szerokość nie większą niż 0,25hw,



Wobec działania ściskającej siły Du, pręty dolne belki powinny być
zakotwione w dolnym jej narożu na siłę 0,5 P; gdy dla tych prętów nie
stosuje się poprzecznych elementów kotwiących , lecz jedynie zwykłe haki,
wówczas ta strefa powinna być wzmocniona poziomymi pętlowymi
strzemionami oraz pionowymi strzemionami przebiegającymi blisko czoła
belki,



Na strzemiona (również w postaci pętli) należy stosować pręty o niewielkiej
średnicy,



Pręty poziome wspornika, jak i pręty dochodzące do końca belki u jej dołu
(rozciągane) nie powinny być zginane ku górze przy końcach tych
elementów.

Rys. 14 Trzy rodzaje zbrojenia wsporników na końcach belki

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

WĘZŁY, ZAŁAMANIA I NAROŻA RAM należy tak konstruować,
aby pręty zbrojenia rozciąganej strefy nie miały tendencji do
wyrywania się przy ich prostowaniu się wskutek naprężeń
rozciągających.

Rys. 15 Schemat monolitycznej ramy wielokondygnacyjnej ze
wspornikiem

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

W celu niedopuszczenia do wyrywania prętów rozciąganych, znajdujących
się od wklęsłej strony załamań, należy stosować jedno z poniższych
rozwiązań.
Konstrukcja zbrojenia węzła A zależy od kąta jego załamania α.

W przypadku gdy α>15°, krzyżujące się pręty wpuszcza się końcami w
ściskaną strefę, przy czym przedłuża się je poza miejsce skrzyżowania o
odcinek l

=a+b≥30d. Strzemiona w tym przypadku mogą być

dwuramienne. Trudności konstrukcyjne w tego rodzaju załamaniach
polegają na konieczności stosowania bardzo długich odcinków la
umożliwiających zakotwienie pręta w strefie ściskanej; ma to zwłaszcza
miejsce przy wysokich przekrojach rygli.

Przy α<15° i zwłaszcza przy wysokich ryglach stosuje się rozwiązania,
polegające na znacznym zagęszczeniu strzemion w pobliżu miejsca
załamania zasadniczego zbrojenia rozciąganego,

Rys. 16 Konstrukcje węzła A
ramy podanej na rys. 15 przy
ryglu o kącie załamania α>15°,

ELEMENTY KONSTRUKCYJNE RAM

Prawidłowe rozwiązanie węzła D powinno przewidywać
wpuszczenie w słup wkładek górnych rygla oraz wspornika
(lub zbiegających się nad słupem dwóch rygli), tak aby
zbrojenie to było zarazem przedłużeniem zbrojenia słupów. W
ten sposób powstaje sztywny, monolityczny węzeł.

Rys. 17 Błędne (a) i
prawidłowe (b)
skonstruowanie węzła D ramy
podanej na rys. 15