XXIV

awarie budowlane

XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna

Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009

Dr inż. J

ACEK

T

ASAREK

, [e-mail]

Politechnika Poznańska

OCENA WYTĘśENIA ŁĄCZNIKÓW TYPU SCHÖCK ISOKORB

W WĘZŁACH PODPOROWYCH NOWYCH BUDYNKÓW

LOTNISKA OKĘCIE

STRENGHT ESTIMATION OF SCHÖCK ISOKORB TYPE CONNECTIONS AT CANOPIES

OF NEW BUILDINGS OF OKĘCIE AIRPORT

Streszczenie W artykule przedstawiono rezultaty analiz statycznych nieosłoniętych konstrukcji wspornikowych
daszków budynków Terminala II na lotnisku Okęcie wraz z oceną nośności złączy ISOKORB zastosowanych
w ich połączeniach podporowych. W szczególności analizowano wpływ obciążeń termicznych na siły w węzłach
podporowych. We wnioskach wskazano na znaczenie tych obciążeń na nośność węzłów podporowych daszków,
oraz zalecono w badanym przypadku prowadzenie stałego monitoringu konstrukcji.

Abstract The article presents some results of static analysis of no insulated construction of canopies at Terminal
II of Okęcie Airport together with load capacity estimation of ISOKORB type joins used in their support
connections. Particularly the influence of thermal loads on internal forces in the support nodes were analyzed.
In conclusions there are pointed out the significant meaning of this loads on carrying capacity of support nodes
of the canopies and recommended to establish a permanent monitoring of the construction in analyzed case.

1. Wstęp

Budynki Terminala (rys. 1.) i Piersów (rys. 2.) na nowo wybudowanej części lotniska

Okęcie wyposażono w szereg wspornikowych daszków i osłon przeciwsłonecznych.
Konstrukcję nośną obydwu budynków stanowi szkielet stalowy.

Rys.1. Fragment Terminala

Rys.2. Fragment Piersu

Do zabezpieczenia przed powstawaniem mostków termicznych zewnętrzne, wspornikowe

elementy konstrukcyjne połączono z wewnętrzną konstrukcją budynku poprzez doczołowe

Konstrukcje stalowe

886

łączniki typu SCHÖCK ISOKORB. Łączniki te obciążone są obciążeniami pochodzenia gra-
witacyjnego z wystających części połaci dachowych oraz poziomymi oddziaływaniami wsku-
tek termicznych odkształceń elementów podłużnych daszków (płatwi). Niewłaściwie wykona-
ne połączenia elementów podłużnych daszków i brak odpowiednio rozmieszczonych dylatacji
mógł w istotny sposób obniżyć bezpieczeństwo konstrukcji przedmiotowych budynków.

2. Konstrukcja stalowa budynków

Układ konstrukcyjny budynku Piersu składa się z jednokondygnacyjnych, jednonawowych,

stalowych ram płaskich o wysokości i szerokości całkowitej odpowiednio ok. 9,00 m, i 40,96 m,
rozpiętości nawy ok. 27,0 m w rozstawach co 9,60 m (rys.3 i rys.4). Konstrukcja nośna ścian
zewnętrznych opiera się na dodatkowym oddzielnym ruszcie odsuniętym od słupów głównych
o około 4,5 m z każdej strony i połączonym sztywno ze wspornikami rygli ram. Do węzłów
okapowych tych ram przymocowano wspornikowe rygle o długości 2,95 m podtrzymujące
zewnętrzne daszki. Wszystkie rygle główne układu konstrukcyjnego są dwuteowe spawane lub
walcowane, a słupy główne rurowe, ścienne-teowe.

Pokrycie dachowe opiera się na ciągłych płatwiach rozmieszczonych równomiernie nad

częścią wewnętrzną i na zewnętrznych belkach wspornikowych rozmieszczonych w rozsta-
wach co ok. 3,60 m. Dach kryty jest blachą fałdową z izolacją termiczną i przeciwwodną.
Od spodu blachy i elementy konstrukcji stalowej nie są izolowane termicznie. Sztywność hali
w kierunku podłużnym zapewniono poprzez układ stężeń połaciowych, poprzecznych i stężeń
w ścianach szczytowych, rozmieszczonych co 4 pola. Co szóste pole tj. co 57,6 m rozmiesz-
czono dylatacje termiczne. Wszystkie węzły ram są sztywne, a połączenia z fundamentem
przegubowe. Natomiast połączenia płatwi z ryglami i połączenia stężeń wykonano jako
przegubowo-nieprzesuwne

.

Rys. 3. Rama płaska budynku Piersu

Rys. 4. Model przestrzenny części budynku Piersu

Budynek Terminala ukształtowano w postaci przestrzennej ramownicy wielonawowej

o dachu w kształcie szedowym z wystającymi wspornikowo daszkami osłonowymi (rys. 5
i rys.6). Przestrzenne rurowe słupy tej konstrukcji rozmieszczone na siatce prostokątnej w roz-
stawie 19,20 m

×

19,20 m podtrzymują rygle poprzeczne nadające szedowy kształt dachu.

Rygle te w kierunku podłużnym połączono belkami co 4,80 m. Wysokość całkowita konstru-
kcji wynosi 10,40m a wymiary w rzucie 132,6 m

×

137,7 m. Wspornikowe daszki oparte na

wspornikowych ryglach sztywno połączonych z węzłami przestrzennej ramy mają wysięg
l = 9,65 m i L = 2,30 m. Sztywność w kierunku poprzecznym i podłużnym zapewniona jest
przez przestrzenną sztywność układu składającego się z belek poprzecznych sztywno połą-
czonych w węzłach ze słupami i przegubowo nieprzesuwnie połączonymi belkami podłuż-
nymi. Dach jest bezpłatwiowy na blachach fałdowych, jedynie na końcach wspornikowe
daszki połączono podłużną belką wieńczącą. Blachy pokrycia są od góry ocieplone na całej
powierzchni, natomiast od spodu zarówno konstrukcja jak i blachy są nieocieplone. Ściany

Tasarek J.: Ocena wytężenia łączników typu SCHÖCK ISOKORB w węzłach podporowych nowych...

887

osłonowe budynku są samonośne i nie przekazują żadnych pionowych obciążeń na konstru-
kcję podpierającą dach. W budynku nie zastosowano dylatacji termicznych.

Rys. 5. Fragment ramy stalowej Terminala

Rys. 6. Model przestrzenny konstrukcji Terminala

3. Połączenia Schöck Isokorb

Łączniki Schöck Isokorb stosowane do połączeń doczołowych konstrukcji stalowych

składają się z dwóch blach czołowych przedzielonych warstwą izolacji termicznej. Przeniesię-
nie obciążeń rozciągających w tym połączeniu zapewnione jest przez śruby wysokiej
wytrzymałości – łączniki ZST. Siły ściskające i ścinające przenoszone są poprzez rurę kwa-
dratową przyspawaną do blach czołowych – łączniki QST. Ponadto rozróżnia się dwa inne
mieszane typy połączeń; KST – do połączeń obciążonych momentem i siłą poprzeczną oraz
ZQST – do połączeń obciążonych siłą ściskającą, siłą rozciągającą oraz siłą poprzeczną.
Ś

ruby łączników wykonuje się ze stali nierdzewnej gatunku 1.4401, 1.4404 lub. 1.4571 wg

PN-EN 10088-1:1988 a pozostałe elementy ze stali gatunku S235 lub S355. Zasady projekto-
wania i stosowania tych elementów zawarto w aprobacie technicznej [1] i opracowaniu [2].

Rys. 7 Łączniki typu QST

Rys.8. Łączniki typu ZST

Analizując dokumentacje techniczną połączeń Isokorb należy zauważyć, że we wszystkich

tablicach określających nośności standardowych połączeń podane są tyko wartości sił normal-
nych, rozciągających Z(łączniki ZST). Wartości nośności na zginanie określa się mnożąc
nośność na rozciąganie przez odpowiednie ramię sił (łączniki KST, QST i ZQST) Przeniesie-
nie sił poprzecznych, pionowych V oraz niewielkie wartości sił poprzecznych, poziomych H
jest możliwe tylko w przypadku niektórych typów łączników (łączniki KST, QST i ZQST).
Oznacza to, że połączenia te wymagają ograniczenia oddziaływania od siły poziomej poprzez
np. odpowiednie rozmieszczenie dylatacji termicznych w rozstawach co najwyżej 6m [1], [2],
[3]. Schematy łączników ZST i QST pokazano na rysunkach rys. 7 i 8

Konstrukcje stalowe

888

W przypadku połączeń elementów konstrukcyjnych daszków budynku Terminala i Piersu

zastosowano złożony układ łączników KST22 i QST22 dobrany po konsultacjach z producen-
tem łączników.

4. Sprawdzenie połączeń Schöck Isokorb Terminala II

Ocenę stanu wytężenia wbudowanych w budynki Terminala II połączeń Isokorb przepro-

wadzono w Instytucie Konstrukcji Budowlanych Politechniki Poznańskiej na zlecenie firmy
Schöck Bauteile GmbH. W ramach tej pracy wykonano obliczenia statyczne konstrukcji
obydwu budynków Terminala II, w szczególności uwzględniając wpływ zmian temperatury na
siły wewnętrzne w wybranych węzłach.

Do obliczeń przyjęto dwa modele węzłów podporowych wspornikowych elementów daszków:
a) model sztywny,
b) model sprężysty.
Skończoną sztywność tych węzłów przyjęto na podstawie badań przeprowadzonych przez

Ingenieursozietät Peil, Ummenhofer und Partner Consultants, IPU [4], [5], [6]. Badania te doty-
czyły oceny wytrzymałości zmęczeniowej połączeń doczołowych wsporników dwuteowników
z elementów Schöck Isokorb Typ KST 22 obciążonych w płaszczyźnie poziomej (mniejszej
sztywności dwuteownika). Na podstawie tych badań określono wartość średnią sztywności bada-
nego połączenia Isokorb jako S = 424 kNm/rad. Należy podkreślić, że konstrukcja rzeczywi-
stych połączeń wsporników w budynkach Terminala II była bardziej złożona ze względu na
ilość zastosowanych łączników od badanych połączeń, jednakże oszacowane wartości sztywno-
ś

ci przyjęto jako dolne ograniczenie rzeczywistej sztywności połączenia. Obciążenia termiczne

o wartości ∆T = ±30

0

C przyjęto zgodnie z [7]. Wyniki obliczeń zamieszczono w tablicy 1 i 2.

Tablica1 Wyniki obliczeń konstrukcji Terminala

TERMINAL WSPORNIK T1

TERMINALWSPORNIK T2

Wspornik nad wej

ś

ciem głównym l=9,65m

Wspornik na elementach szedowych l=2,30m

Przemieszczenia w płaszczy

ź

nie poziomej

Przemieszczenia w płaszczy

ź

nie poziomej

Model

Model

W

ę

zeł

UY (cm) RZ (Rad) UY (cm)

RZ (Rad)

W

ę

zeł

UY (cm) RZ (Rad) UY (cm) RZ (Rad)

275

-2,4379

0,0027

-2,4686

0,0023

276

-1,8800

0,0096

-2,2529

0,0097

310

-0,0494

0,0019

-0,0151

0,0005

273

-0,1091

0,003

-0,0401

0,0007

275-310

-2,3885

0,0008

-2,4535

0,0018

-1,7709

0,0066

-2,2128

0,009

Siły w w

ęź

le styku

Siły w w

ęź

le styku

Model

Model

Pr

ę

t/W

ę

zeł

FY (kN)

MZ (kNm)

FY (kN)

MZ (kNm)

Pr

ę

t/W

ę

zeł

FY (kN) MZ (kNm) FY (kN) MZ (kNm)

521/310

-0,6350

-4,1864

-0,273

-0,9612

576/273

-8,8099 -17,0725

-3,007

-3,721

T 2.1

T 2.2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

T 2.1

T 2.2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

Połaczenia sztywne

Połaczenia spr

ęż

yste

T 1.1

T 1.2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

T1.1

T1.2

9 65

2 7 5

3 10

5 21

9 65

2 7 5

3 10

5 21

Y

Z

Z

X

230

2 7 6

27 3

5 7 6

Y

Z

Z

X

Z analizy przedstawionych wyników obliczeń wynika, że we wszystkich badanych połącze-

niach występują dość znacznej wartości siły poziome i momenty zginające w płaszczyźnie
poziomej spowodowane oddziaływaniami termicznymi. Najniekorzystniejsze wartości tych sił
wyznaczono we wspornikach Piersu PN – elementy P1 i P2 oraz wsporniku T2 Terminala.

Tasarek J.: Ocena wytężenia łączników typu SCHÖCK ISOKORB w węzłach podporowych nowych...

889

Maksymalny moment w płaszczyźnie poziomej M

z

= 18,3 kNm oraz poziomą silę poprzeczną

F

y

= 82,3 kN obliczono w węźle podporowym belki P1 Piersu. Wprowadzenie jednakowej

sprężystej sztywności w węzłach podporowych wsporników zmniejszyło w istotny sposób
wartości momentów M

z,

jednakże ich nie wyeliminowało. Natomiast nie we wszystkich przy-

padkach uzyskano istotne zmniejszenie poziomych sił porzecznych H (wsporniki P1 i P2) ze
względu na niewielki mimośród sił poziomych względem węzła podporowego.

Tablica2. Wyniki obliczeń konstrukcji Piersu PN

WSPORNIK P 1

WSPORNIK P2

Wspornik wzdłu

ż

ś

ciany podłu

ż

nej l=2,95m

Wspornik wzdłu

ż

ś

ciany szczytowej l=4,98m

Przemieszczenia w płaszczy

ź

nie poziomej

Przemieszczenia w płaszczy

ź

nie poziomej

Model

Model

W

ę

zeł

UY (cm) RZ (Rad) UY (cm)

RZ (Rad)

W

ę

zeł

UY (cm) RZ (Rad) UY (cm) RZ (Rad)

132

1,2716

-0,00051

1,2153

-0,0007

347

1,987

2,002

401

0,9062

-0,00348

0,9056

-0,0024

133

2,130

2,140

116

0,8308

-0,00399

0,8542

-0,0027

834

2,050

2,055

347

0,6246

-0,00594

0,7208

-0,0087

2028

1,382

1,385

132-347

0,647

0,00543

0,4945

0,008

2000

0,082

0,082

132-347

1,9042

2,0581

Siły w w

ęź

le styku

Siły w w

ęź

le styku

Model

Model

Pr

ę

t/W

ę

zeł

FY (kN) MZ (kNm) FY (kN)

MZ (kNm)

Pr

ę

t/W

ę

zeł

FY (kN) MZ (kNm) FY (kN) MZ (kNm)

399/347

82,292

-18,2785

75,045

-2,2948

399/347

28,21

3,1100

26,085

1,4395

C1

C2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

P 1.1

P 1.2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

C1

C2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

P 1.1

P 1.2

Połaczenia sztywne Połaczenia spr

ęż

yste

4 0

1 1 6

4 0 1

2 0

2 35

2 9 5

13 2

3 47

3 99

Y

Z

Z

X

4 0

1 1 6

4 0 1

2 0

2 35

2 9 5

13 2

3 47

3 99

Y

Z

Z

X

4 0

1 1 6

4 0 1

2 0

2 3 5

2 9 5

1 3 2

3 4 7

3 9 9

Porównując analizowane wartości sił w węzłach podporowych z granicznymi wartościami

określonymi w tablicy 3 załącznika aprobaty [1] należy stwierdzić, że wartości te przekraczają
wartości graniczne wyznaczone dla łączników typu KST 22 i QST 22. W tablicy tej określo-
no, że dla tego typu łączników maksymalna siła pozioma wynosi H = ±6,0 kN (dla jednego
elementu QST), a wartości momentów w płaszczyźnie poziomej My = 0. Wynika stąd, że
węzły podporowe wsporników daszków mogą być przeciążone. Rzeczywista wartość przecią-
ż

enia mogłaby być określona na podstawie bardziej dokładnych danych co do zmian tempe-

ratury konstrukcji i sztywności połączeń.

Ponadto uwzględniając zalecenia przepisów [8], wszystkie analizowane połączenia, ze

względu na to, iż są wykonane ze stali nierdzewnej i poddane działaniom obciążeń zmiennych
spowodowanych wahaniami temperatur powinny być sprawdzone pod względem wytrzyma-
łości zmęczeniowej.

4.Wnioski

W wykonanej konstrukcji budynków nie zapewniono odpowiedniego rozmieszczenia

dylatacji termicznych na elementach podłużnych wspornikowych daszków, co jest niezgodne
z zaleceniami wytycznych aprobaty[1] i informacji technicznej [2].

Konstrukcje stalowe

890

Na podstawie przeprowadzonej analizy statycznej budynków nowego terminala stwierdzo-

no, że konstrukcja węzłów podporowych wsporników daszków może być przeciążona obcią-
ż

eniami statycznymi spowodowanymi przyrostami temperatury.

Analizując postanowienia wytycznych [8] można przypuszczać, że pod wpływem cyklicz-

nych zmian temperatury mogą również wystąpić przekroczenia wytrzymałości zmęczeniowej
ś

rub ze stali nierdzewnej zastosowanych w połączeniach ISOKORB. Szczegółowa ocena tego

zagadnienia byłaby możliwa po weryfikacji w lokalnych warunkach obciążeń temperaturą,
zalecanych w [8].

Wobec zrealizowania już całości prac montażowych elementów daszków, w opracowaniu

[7] zalecono prowadzenie stałego monitoringu elementów konstrukcyjnych daszków obejmu-
jącego przeglądy konstrukcji, a także, dla sprawdzenia zachowania się konstrukcji, ciągłe
w okresie 1 roku pomiary przemieszczeń wsporników przy równoczesnych pomiarach
temperatury w sąsiedztwie obiektu. W przypadku stwierdzenia w czasie przeglądu powstawa-
nia uszkodzeń, zalecono przekonstruowanie omawianych połączeń lub wprowadzenie odpo-
wiednich dylatacji termicznych. Natomiast zebrane dane z monitoringu przemieszczeń i tem-
peratury miały by posłużyć do weryfikacji wytrzymałości zmęczeniowej śrub w węzłach
podporowych wsporników.

Ponadto analizując podane w aprobacie [1] w tablicy 3 wartości maksymalnych momentów

obliczeniowych M

d

stwierdzono, że występują tam istotne błędy. Zamieniono wartości M

d

dla

KST16 i KST22, co może prowadzić do awarii konstrukcji w przypadku bezkrytycznego
zastosowania przy projektowaniu podanych tam wartości.

Ze względu na istotną rolę obciążeń termicznych w niektórych konstrukcjach należałoby

przeprowadzić szersze badania połączeń w szczególności wykonanych za pomocą śrub ze
stali nierdzewnych określając ich sztywność w płaszczyźnie poziomej i nośność w warunkach
obciążeń stycznych oraz cyklicznych, zmiennych.

Literatura

1. ITB Aprobata Techniczna AT 15–6079/2004 . Łączniki typu Schöck Isokorb
2. Informacja Techniczna Schöck Isokorb dla połączeń stalowych Schöck Bauteile GmbH

Anwedungs Technik Styczeń 2005

3. Prüfamt für Baustatik, LGA, Nürmberg Typenprüfung, Prüfbericht „Isokörbe KST und

QST bestehend aus Druck – Querkraft – Modulen (QST) und Zugkraftmodulen (KST)”
Project S-N 010415, 31.07.2003.

4. Schöck, Prüfbericht KST22 – ERMV 1 Ermüdungsversuch eines Schöck Isokorb Typ KST

22 Versuchsdatum 5.01.2006

5. Schöck, Prüfbericht KST22 – ERMV 2 Ermüdungsversuch eines Schöck Isokorbs Typ

KST 22Versuchsdatum 6.03.2006

6. Schöck, Prüfbericht KST22 – ERMV 3 Ermüdungsversuch eines Schöck Isokorbs Typ

KST 22 Versuchsdatum 7.03.2006

7. Garstecki A., Rakowski J., Tasarek J. Expert opinionon the technical conditions of

application of ISOKORB elements, KST type, at the terminal of Okęcie Airport under
construction in Warszawa, including a position regarding the previous opinions in that
matter Prace IKB PP.Poznań 2006.

8. Deutsches Institut für Bautechnik, Anstalt des öffentlichen Rechts, Berlin
9. Allgemeine bauafsichtliche Zulassung Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteile aus

nichtrostenden Stählen Zulassung No Z-30.3-6, date 5.12.2003.

Prace wykonano w ramach grantu 11-035/2009 DS w IKB PP.