16. Zagadnienia konstrukcyjne i obliczeniowe stalowych budynków halowych/szkieletowych

II/11. Projektowanie kratownic dachowych i ich stężeń

Kratownice spełniają rolę dźwigara dachowego, czyli elementu nośnego zazwyczaj ustawionego poprzecznie do osi podłużnej hali.

Mogą stanowić one:

• element samodzielny (przegubowo oparty na słupach)

• rygiel ramy (sztywne połączenie ze słupami)

Ukształtowanie

• jednospadowe

• dwuspadowe

Smukłość pręta ściskanego: λ<250

Gdy rzut poziomy pręta ≤ 6,0 m nie trzeba uwzględniać zginania pręta wywołanego ciężarem własnym

Długości wyboczeniowe prętów /l_w/

1. przy wyboczeniu w płaszczyźnie kraty

- dla pasów oraz słupki i krzyżulce podporowe l_w=l_t (l_t-długość teoretyczna)

- krzyżulce i słupki pośrednie l_w=l_t

2. przy wyboczeniu z płaszczyzny kraty

- pasy, krzyżulce, słupki l_w=l_t

Za ogólne wymiary przyjmuje się wysokość kratownicy i rozpiętość

Optymalna wysokość kratownicy h=(1/6-1/12)l

Dobrze jest stosować poziomy moduł = 3,0 m

SGU

Ugięcie

musi być mniejsze niż

gdzie:

N_i-siłą charakterystyczna w pręcie

N_1i-siła w pręcie od obciążenia siłą jednostkową P=1

A_g-pole przekroju pasa górnego

A_d-pole przekroju pasa dolnego

e- odległość pasa górnego i dolnego

Przy dużych rozpiętościach można zastosować odwrotną strzałkę ugięcia

SGN

Wymiarowanie obejmuje poszczególne pręty (rozciąganie lub ściskanie) oraz połączenia (śrubowe, spawane)

STĘŻENIA

Zadanie: mają zapewnić stateczność płaskim niestatecznym wiązarom

Rozróżniamy tężniki:

• połaciowe

• pionowe

• podłużne w poziomie pasów górnych

• podłużne w poziomie pasów dolnych

Tężniki połaciowe

• kraty łączące górne pasy dwu sąsiednich wiązarów

• zabezpieczają pręty pasa górnego przed wyboczeniem z płaszczyzny wiązara

• stosowane między pasami dwu sąsiednich wiązarów skrajnych (obok ścian szczytowych i dylatacji) i co ósme pole, w odległościach < 60m

• z pasami połączone bezpośrednio lub za pomocą blach węzłowych

Tężniki pionowe

• stanowią podporę dla tężników połaciowych

• zapewniają prawidłowe ustawienie wiązarów w czasie montażu

• stosowane w płaszczyźnie słupów podporowych

Tężniki podłużne w poziomie pasów górnych

• projektowane gdy w linii słupów występują kraty podwiązarowe

• zapewniają stateczność krat

Tężniki podłużne w poziomie pasów dolnych

• zapewniają stateczność górnych pasów krat podwiązarowych

• zabezpieczają przed wyboczeniem pasy dolne

• 
  umieszczone na całej długości hali

• umieszczone na całej długości hali

Obowiązkowe są stężenia połaciowe i pionowe.

II/12. Układy konstrukcyjne parterowych hal przemysłowych i ich stężenia, słupy w halach z transportem podpartym.

Hale jednonawowe

Układ poprzeczny

1. słupy utwierdzone i przegubowo połączone z ryglem

• najczęściej stosowane, często rygiel kratowy a słup pełnościenny lub kratowy

• zalety: duża sztywność w kierunku poprzecznym, łatwa adaptacja do nowych procesów technologicznych, stosunkowo niskie zużycie stali

• wady: niekorzystny dla słabych gruntów (ponieważ obrót słupa wraz z fundamentem ma znaczny wpływ na przemieszczenia toru suwnicy)

2. sztywne połączenie słupa z fundamentem i ryglem

• bardziej sztywny niż a)

• niekorzystny dla gruntów i niejednolitych

• należy unikać gdy hale o dużym stosunku rozpiętości do wysokości

• bardzo ważny dobór odpowiednich sztywności słupów i rygla

• ze względu na bardzo dużą sztywność zalecany przy ciężkich suwnicach

3. układ ramowy, słupy przegubowo połączone z fundamentem

• zalecane dla hal wysokich, rozpiętość 12-24m

• słupy i rygle najczęściej pełnościenne

• trudności w czasie montażu

• można zastosować dodatkowy przegub kalenicowy

HALE WIELONAWOWE

1. układy poprzeczne

• hale typu lekkiego

najczęściej o jednakowej wysokości i rozpiętości

• nawy o dużych wymiarach na środku

• gdy sąsiadujące nawy są różnych wysokości a suwnice oparte na różnych poziomach to zwykle ustawia się obok siebie dwa słupy (ale niekoniecznie)

2. układy podłużne

• z reguły przegubowe (słup - fundament)

Stężenia - tworzą geometrycznie niezmienną konstrukcję.

Stężenia stosuje się we wszystkich płaszczyznach zamykających przestrzeń hali

• dachowe (opracowane w pytaniu II/11)

• w ścianach szczytowych i ścianach podłużnych

Stężenia ścienne pionowe poprzeczne i ścienne poziome stosuje się rzadko.

Tężniki ścienne pionowe podłużne

• kratowe lub ramowo kratowe

• często belka podsuwnicowa wykorzystywana jest do stężenia podłużnego

• w halach wielonawowych stężenia pionowe podłużne umiejscowione są też w płaszczyznach słupów międzynawowych (zapewniają one stateczność płaskich układów wzdłuż budynku, gdyż słupy w tym kierunku najczęściej są przegubowe)

• stężenie pionowe podłużne oblicza się na działanie wiatru na ścianę szczytową hali oraz na poziome oddziaływanie suwnicy

Stateczność ogólną konstrukcji hali w pewnych przypadkach można zapewnić przez zaprojektowanie sztywnych tarcz z żelbetu, betonu, muru oraz blachy falistej lub fałdowej.

Słupy w halach z transportem podpartym

W halach przemysłowych stosuje się zarówno słupy pełnościenne jak i kratowe. Przekrój słupa może być stały na całej wysokości lub zmienny w sposób schodkowy. Słupy o stałym przekroju stosuje się w halach wyposażonych w suwnice o małym udźwigu lub w halach z transportem podwieszonym do konstrukcji dachu.

Przy większych suwnicach stosuje się najczęściej słupy o zmiennym przekroju. Mogą to być konstrukcje blachownicowe (pełnościenne), jak i kratowe. Można stosować również konstrukcje, w których górna część słupa jest pełnościenna a dolna kratowa.

W słupach dwudzielnych w płaszczyznach równoległych do płaszczyzn działania momentu zginającego poszczególne gałęzie łączy się skratowaniem, natomiast w pozostałych płaszczyznach, w których momenty nie występują stosuje się zwykłe przewiązki.

Schematy statyczne słupów zależne są od schematów obliczeniowych głównych układów poprzecznych i podłużnych hali. W halach jednonawowych najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest słup utwierdzony w fundamencie dla płaszczyzn układu poprzecznego i utwierdzony lub przegubowy dla płaszczyzny układu podłużnego. w halach wielonawowych można też spotkać słupy wahliwe, połączone przegubowo z wiązarem i fundamentem.

Słupy hal

• o stałym przekroju

• o zmiennym przekroju

II/13. Obciążenia i obliczenia belek podsuwnicowych

Obecnie dominują belki podsuwnicowe pełnościenne jednoprzęsłowe, swobodnie podparte o rozpiętościach takich jak rozstaw słupów hal (6-24m).

Rozbudowuje się górny pas belki lub wzmacnia się go poziomym tężnikiem (z/w na poziome prostopadłe oddziaływanie suwnicy), dodatkowo korzystne jest to też ze względu że pas górny jest ściskany (stateczność)

Tory jezdne suwnic to najczęściej szyny dźwigowe, które przy odpowiednim połączeniu z belką można włączyć w projektowaniu do współpracy z belką.

OBCIĄŻENIA

Belki podsuwnicowe przejmują obciążenia:

1. pionowe

• skupione: naciski kół suwnicy (krótkotrwałe, a dla grup U5, U6 długotrwałe)

• równomiernie rozłożone od ciężaru: własnego belki, tężnika przeciwhamownego, obciążenia użytkowego (na pomoście i tężniku)

2. poziome

• od poprzecznego hamowania wózka suwnicy (+ uderzenia boczne kół)

• od podłużnego hamowania mostu

3. dodatkowe typowe obciążenia środowiskowe (gdy brak hali np. wiatr)

Rozróżnia się 6 grup natężenia pracy belek podsuwnicowych (U1-U6) na podstawie

• klasy obciążenia belek (Q1-Q4) i

• klasy wykorzystania suwnicy (C1-C8)

Grupy natężenia pracy belki podwyższa się o jeden stopień gdy założono stałą współpracę dwóch suwnic.

Schematy (geometria + wartość) obciążeń po wybraniu suwnicy ustala się na podstawie aktualnych katalogów suwnic.

Do wymiarowania belek podsuwnicowych w zasadzie stosuje się postanowienia PN-90/B-03200 (główna norma do konstrukcji stalowych), za wyjątkiem wytrzymałości zmęczeniowej i teorii uplastycznienia.

Muszą być spełnione warunki sztywności (SGU), wytrzymałości (SGN) i wytrzymałości zmęczeniowej.

SGU

wymaga sprawdzenia ugięć z uwzględnieniem długotrwałej części obciążenia zmiennego.

ugięcie pionowe a<a_gr a_gr=l/400 - l/600 (zależy od rodzaju suwnicy)

ugięcie poziome a_gr=l/1000 a_gr≤10mm

SGN

Projektuje się metodą stanów granicznych jak typowe belki walcowane lub blachownice

Sprawdzenie naprężeń normalnych w poszczególnych najbardziej wytężonych przekrojach

• pas dolny (rozciągany)

• pas górny (ściskany)

Zakładamy że:

• oddziaływanie poziome (H_P,H_R) przenoszone jest bez skręcania przez pas górny lub tężnik

• oddziaływanie pionowe przenoszone jest przez cały przekrój

Sprawdzenie naprężeń stycznych (ścinanie)

• sprawdza się na podporach belek z uwzględnieniem wsp. dynamicznego

Sprawdzenie naprężeń zastępczych

• na krawędzi środnika przylegającej do pasa obciążonego kołami suwnicy

• 
  na krawędzi środnika przylegającej do dolnej krawędzi (siły poziome nie oddziaływują)

Sprawdzenie naprężeń w spoinach pachwinowych lub czołowych

• te które łączą środnik z pasami

• jak normalne obliczenia połączeń spawanych

Wytrzymałość zmęczeniowa

Można nie uwzględniać zmęczenia materiału dla belek obciążonych suwnicami U1, U2, U3 i jeśli R_a≤355MPa i brak niebezpiecznych karbów (wg wytycznych). Zwykle sprawdza się wytrzymałość zmęczeniową w miejscach maksymalnych naprężeń rozciągających i ściskających. Przyjmuje się wartości charakterystyczne obciążeń z uwzględnieniem współczynnika dynamicznego. Sprawdza się wytrzymałość zmęczeniową stali i spoin.

II/14. Układy konstrukcyjne szkieletów budynków wielokondygnacyjnych

W budynkach szkieletowych wszystkie występujące obciążenia, łącznie z ciężarem ścian i stropów, są przenoszone na fundament i podłoże przez konstrukcję nośną tzw. szkielet, który składa się ze słupów, podciągów belek i tężników, natomiast ściany budynku służą głównie jako przegrody chroniące przed wpływami atmosferycznymi, hałasem itp. oraz pracują zazwyczaj na wysokości jednej kondygnacji.

1. Układ przegubowy z tężnikami pionowymi w postaci ścian.

W budynkach o wysokości do 6 kondygnacji funkcję pionowych stężeń poprzecznych mogą spełniać ściany szczytowe - murowane, betonowe lub ryglowe, wypełnione cegłą lub betonem o gr. Co najmniej 25cm, z warunkiem że nie mają dużych otworów.

2. Układ ram płaskich

Ramy mogą mieć: wszystkie węzły sztywne, wewnętrzne słupy ram mogą być połączone przegubowo(rygle ciągłe, oparte swobodnie na wewnętrznych słupach lub też słupy zewnętrzne mogą być przegubowe a wewnętrzne węzły sztywne. Istotnym problemem w stalowym szkielecie ramowym są sztywne połączenia rygli ze słupami przenoszącymi duże momenty zginające oraz siły poprzeczne. Montaż takich węzłów jest dość kłopotliwy, a szkielet taki wykazuje stosunkowo małą sztywność na obciążenia poziome. Do zalet systemu ramowego należy brak dodatkowych elementów usztywniających. Umożliwia to swobodne zagospodarowanie wnętrz budynku.

3. Układ ram z płaskimi tężnikami pionowymi

Przy stosowaniu ram płaskich w budynkach wyższych 10-12 kondygnacji należy, ze względów ekonomicznych, wprowadzić dodatkowe pionowe tężniki. Ramowe układy pozwalają na wykorzystanie całej przestrzeni między słupami, dlatego stosuje się je tam, gdzie jest to niezbędne, jednocześnie stosując na innych piętrach układy kratowe. Otrzymuje się wówczas mieszany układ kratowo-ramowy. W takim układzie większość sił poziomych przejmuje w części górnej rama, natomiast w części dolnej kratownica.

4. Układ przegubowy z płaskimi tężnikami pionowymi.

Układ szkieletu pionowego składa się z dwóch układów:

• konstrukcji szkieletu przenoszącej obciążenia pionowe, złożonej z regularnych siatek belek stropowych połączonych przegubowo ze słupami

• konstrukcji przenoszącej obciążenia poziome, złożonej ze sztywnych tarcz stropów przekazujących te obciążenia na płaskie tężniki pionowe w postaci wsporników kratowych lub pełnych.

Zaletą tego układu jest prostota, zwłaszcza przegubowych połączeń belek ze słupami, umożliwiających szybki montaż. Wada natomiast są tężniki pionowe ograniczające swobodę rozwiązań funkcjonalnych wnętrz budynku. Układ ten jest właściwy dla budynków do wysokości 30 kondygnacji.

5. Ustroje trzonowe.

Dźwigi i klatki schodowe są ze względów przeciwpożarowych obudowane ścianami, najczęściej żelbetowymi. Powstaje w ten sposób trzon, który można wykorzystać jako przestrzenny tężnik pionowy. Do zalet takich rozwiązań należy brak oddzielnych tężników pionowych, które utrudniają montaż szkieletu i przeszkadzają w zagospodarowaniu wnętrza budynku. Można w nich stosować na szerszą skalę małą liczbę stypizowanych elementów. Oba te czynniki obniżają koszt konstrukcji i upraszczają montaż, który jest ponadto ułatwiony przez wcześniejsze wznoszenie trzonu żelbetowego.

Możliwe są następujące rozwiązania:

1. Stropy wspornikowo zamocowane w trzonie. Przy znacznej rozpiętości stropów ten rodzaj podparcia jest na ogół nieekonomiczny i daje stosunkowo duże ugięcia na końcach wsporników.

2. Główny wspornik zamocowany w górnej części trzonu, podtrzymujący system słupów z opartymi na nich stropami. Rozwiązanie to wymaga kosztownej konstrukcji wspornika, obciążonego co najmniej połową ciężaru budynku, z zachowaniem układu słupów.

3. Główny wspornik zamocowany w górnej części trzonu, podtrzymujący system stropów za pomocą wieszaków. System ten eliminuje układ słupów i zastępuje je elementami pracującymi na rozciąganie. Mankamentem jest tu nieekonomiczny, zginany główny wspornik, z trudnym jego zamocowaniem w trzonie.

4. Stropy swobodnie oparte na jednym końcu na centralnym trzonie i w drogim na linach. Liny przewieszone są w połowie swej długości przez wieszak trzonu i po przejściu przez łożyska ślizgowe na zewnętrznych krawędziach stropu dachowego zwisają pionowo w dół. Rozwiązanie to eliminuje główne elementy pracujące na zginanie (wsporniki) oraz kosztowne zakotwienia wieszaków w trzonie lub na końcach głównych wsporników. Układ ten jest szczególnie korzystny w warunkach posadowienia na terenach szkód górniczych.

5. Ustroje powłokowe. Największą sztywność przestrzenną budynku można uzyskać dzięki zastosowaniu nośnych ustrojów powłokowych. W systemie tym układ słupów i rygli jest połączony sztywnymi węzłami, tak że cały układ może być traktowany jak perforowana rura zamocowana w fundamencie.

---