Przekrycia z zastosowaniem belek, kratownic, ram i łuków

Wytyczne stosowania i zasady projektowania

Belkowe konstrukcje o dużych rozpiętościach stosuje się wówczas, gdy podpory nie mogą przejąć sił rozporowych (np. przy oparciu na ścianach murowanych czy też słupach betonowych itp.). Dźwigary walcowane (dwuteowniki) są stosowane do rozpiętości 8,00 m (najczęściej do 6,00 m), belki ażurowe do ok. 20,00 m, a blachownice do ok. 50,00 m. Podany zakres może być traktowany jako orien­tacyjny, gdyż na wybór rozwiązania konstrukcyjnego wpływa wiele czynników. Zdarzają się też przypadki, że blachownice spawane są stosowane nawet przy rozpiętości ok. 100,00 m.

Układy belkowe są proste w wykonaniu i montażu, jednak przy dużych rozpię­tościach odznaczają się zbyt dużym zużyciem stali.

W okresie po drugiej wojnie światowej chętnie stosowano w obiektach o więk­szej rozpiętości wstępne sprężanie, głównie belek i kratownic. Prowadzono także prace badawcze w zakresie sprężania metodami wytwórczymi i montażowymi. Należy jednak podkreślić, że w ostatnim okresie zmniejszyło się zainteresowanie wstępnym sprężaniem konstrukcji stalowych. Przyczyną tego jest m.in. stosunko­wo złożona technologia wykonania tych konstrukcji, obniżanie efektu sprężania w okresie eksploatacji (w wyniku pełzania i relaksacji), a także możliwości za­stosowania innych, efektywnych rozwiązań.

W przekryciach o dużych rozpiętościach stosuje się również układy ramowe dwuprzegubowe lub o słupach zamocowanych. Ramy o słupach zamocowanych są bardziej sztywne i odpowiednie z uwagi na zmniejszenie zużycia stali, wy­magają jednakże dużych fundamentów i są bardziej podatne na zmiany tem­peratury.

Przy dużych rozpiętościach rygle ram projektuje się w postaci blachownic spawanych lub kratownic.

Wysokość rygla w postaci blachownicy jest mniejsza niż wysokość kratownicy. W wielu przypadkach ten fakt ma istotne znaczenie, na przykład w garażach oraz pawilonach wystawowych i handlowych. Uzyskuje się mniejszą wysokość ścian, a więc i mniejszą kubaturę, i wobec tego obniża się koszty eksploatacji. Rygle ram w postaci blachownie mają zastosowanie do rozpiętości ok. 50÷60 m. Wysokość rygli przyjmuje się wówczas 1/30÷1/40 rozpiętości przęsła.

Ramy kratownicowe mają zastosowanie w hangarach oraz w budynkach prze­mysłowych o większych rozpiętościach, tj. 60÷150m. Ramy te mo­gą być dwuprzegubowe (rys.a; przeguby na poziomie fundamentów) lub bezprzegubowe (rys.b). Stosunek wysokości do rozpiętości przyjmuje się w tych ramach 1/12÷1/20. Przy tych wymiarach rygiel nie może być wykona­ny w warsztacie z uwagi na trudności transportowe, a zatem na budowę muszą być dostarczane poszczególne elementy. Rygiel ramy kratowej może mieć pasy równoległe lub trapezowe. Te ostatnie są bardziej przydatne z uwagi na odpływ wody deszczowej. W pawilonach wystawowych i dworcach, przy wysokości ram rzędu 15÷20 m i rozpiętościach 40÷50 m, można stosować ramy kratownicowe o ryglu łamanym (rys.c). Ramy tego typu mają zwykle jednakową wysokość przekroju rygli i słupów (1/15÷1/25 rozpiętości).

Sprężenie wstępne ram jest efektywnym sposobem na zwiększenie rozpięto­ści konstrukcji oraz obniżenie zużycia stali. Celem sprężenia jest wytworzenie wstępnego stanu odkształceń przeciwnie skierowanych do odkształceń od obcią­żeń eksploatacyjnych.

Na rysunku ↓ przedstawiono przykładowe rozwiązania ram. Efektywnym rozwiązaniem jest naprężenie wsporników ramy za pomocą cięgien zamocowa­nych do fundamentów (rys.b, c, f, h, i). W ramach o konstrukcji blachownicowej stosuje się często cięgna zakotwione na poziomie stóp słupów (rys.g) lub w słupach poniżej rygla (rys.e). W niektórych przypadkach, w celu objęcia wpływem sprężenia całej konstrukcji, stosuje się cięgna o trasie krzy­woliniowej (rys.d). Gdy cięgno jest zakotwione w podporowych węzłach ramy, sprężenie powoduje odciążenie środkowej części rygla, zwiększając jed­nocześnie obciążenie słupów i części przy węzłowych (rys.a). Schemat taki jest uzasadniony przy dużych rozpiętościach ram i niewielkiej wysokości słupów

Rozmieszczając cięgna, jak pokazano na rys.c, można wprowadzić wstępne momenty zginające, redukujące momenty od obciążenia eksploatacyjnego prak­tycznie w całej konstrukcji.

W konstrukcjach łukowych można obniżyć zużycie stali w porównaniu z roz­wiązaniami belkowymi lub ramowymi. Konstrukcje łukowe stosuje się najczęściej w pawilonach wystawowych, hangarach, halach sportowych, targowych, w halach przemysłowych oraz w mostownictwie.

Stosuje się następujące schematy statyczne łuków ↓: dwuprzegubowe (rys.a), trójprzegubowe (rys.b) i bezprzegubowe (rys.c). Najczęściej spotyka się łuki dwuprzegubowe, które są proste w wykonaniu i montażu. W łukach trójprzegubowych budowa trzeciego przegubu w kluczu komplikuje układ kon­strukcyjny i utrudnia wykonanie pokrycia. Łuki bezprzegubowe mają korzystny rozkład momentów zginających i są zazwyczaj lżejsze, ale wymagają uwzględ­niania wpływów zmian temperatury oraz większych fundamentów. Przy słabych gruntach może być celowe przejęcie rozporu przez ściąg (rys.d). Ściąg może być także wykorzystany do wstępnego sprężenia łuku.

Sprężając na przykład łuk kratowy z wiotkim pasem górnym, można w tym pasie otrzymać wstępną siłę rozciągającą redukującą lub nawet przewyższającą siłę ściskającą od obciążenia eksploatacyjnego (rys. ↓). W zależności od po­trzeb eksploatacyjnych ściąg może być wykonany ponad podporami łuku. Łuki mogą być jedno- (rys.↑ a÷d) i wieloprzęsłowe (rys.↑ e).

Zasadniczo dąży się do uzyskania tzw. krzywej racjonalnej łuku, o kształcie osi dobranym z warunku minimum momentu zginającego. W praktyce najczęściej jednak stosuje się łuki o kształcie parabolicznym. Rzadziej łuki kołowe elipsoidalne. W łukach kołowych, dzięki stałej krzywiźnie, upraszcza się wykonanie elementów i węzłów łuku. W łukach opartych na poziomie terenu pomieszczenia położone w pobliżu podpór są trudne do wykorzystania wobec ich małej wysokości. W celu uniknięcia tych niedogodności łuki można opierać na pionowych słupach (układy ramowo-łukowe).

Łuki projektuje się najczęściej o pasach równoległych; czasem łuki o dużej wyniosłości mają odcinki podporowe prostopadłe do podstawy. Wysokość prze­kroju łuków płaskich przyjmuje się jako 1/50÷1/80 rozpiętości, a łuków wyniosłych 1/30÷1/60 rozpiętości.

Zazwyczaj stosuje się łuki o przekroju dwuteowym, z szerokimi pasami, rza­dziej skrzynkowe lub rurowe. Łuki wyniosłe projektuje się jako kratowe (pasy z dwóch kątowników lub ceowników). Łuki z profili kształtowanych na zimno z blach stosuje się jako wręgi w galeriach powłokowych.

Styki montażowe projektuje się, uwzględniając możliwości transportu, tj. co 6÷9 m.

W lekkich i wyniosłych konstrukcjach łukowych może wystąpić ujemna reakcja podporowa od działania wiatru. W celu przejęcia tej reakcji należy zastosować śruby umieszczone w osi łuku (aby nie utrudniały przemieszczeń konstrukcji w przegubach podporowych).

W łukach kratowych obciążenie ciągłe zmienia się zazwyczaj na skupione, przyłożone do węzłów. Obciążenie ciężarem własnym ściągu, podwieszonego do łuku, uwzględnia się jako siły skupione.

Wobec występowania w łukach dużych sił ściskających istotnym pro­blemem jest utrata stateczności łuków, co było przedmiotem wielu prac.

W celu przeniesienia rozporu najczęściej stosuje się ściągi łączące podpory łuku. Ściągi te mogą być podtrzymywane pionowymi wieszakami (spotyka się także wieszaki ukośne, dzielące oś łuku na wycinki o równiej dłu­gości oraz ukośne, prostopadłe do osi łuku).

Można uwzględnić współpracę łuku ze ściągiem, co prowadzi do wzrostu obciążenia krytycznego łuku.

HANGARY LOTNICZE:

Rozpiętość rzędu 50m (głębokość nie mniejsza). Kiedyś hangary były ramowe, łukowe. Teraz łukowe dla większych rozpiętości.

Bramy segmentowe - kolejne segmenty wchodzą jedne w drugie. Brama jeździ po torowisku. Brama nie wisi na górnym torze, przemieszcza się po dolnym.

Niekorzystne obc. Wiatrem:

Rozwiązanie: Bramy muszą schować się w przestrzenny słup. Dźwigar jest rozbudowany bo jest podporą. Żeby nie wyst. Blokada bram to trzeba zapewnić sztywność. Musimy zapewnić sztywność w pionie jak również na parcie wiatru dla bramy otwartej i zamkniętej.

Najniebezpieczniejsza sytuacja gdy brama jest zamknięta. Sztywność taka aby zapewnić w poziomie nie większe niż graniczne przemieszczenie.

Hangary projektowane są indywidualnie. Nie spotyka się takich samych.

W hangarach spotyka się inne zagadnienia niż w przypadku hal.

Obc. które zjawia się w hangarze po otwarciu bram sumuje się co do wart. Bezwzględnej

Gdy wiatr daje odciążenie nie uwzględniamy wiatru.

Pas górny dźwigara głownego jest ściskany.

Dł. wyboczeniowa między płatwiami

W pasie dolnym dźwigara który wcześniej był rozciągany wyst. siły ściskające (małe) - w wyniki obciążenia. W pasie dolnym nie mamy płatwi.

Odwodnienie konstrukcji dachu.

Trudno uzyskać aby spadek był jednokierunkowy.

Jeżeli przyjmiemy wys. Bramy do 15m wys. dźwigara 4-5m.

Kratownice w kierunku podłużnym 8-10m.

Zjawia się problem worka śnieżnego na odległości równej podwójnej różnicy wys. między poziomem dźwigara głównego a niższego powstaje worek śnieżny. Zasięg worka = podwójnej różnicy wys. między odpowiednimi konstrukcjami.

Strzałkę przeciwugięcia projektujemy na: 100% obc. stałych; 50% obc. zmiennych.

Kratownica przestrzenna w dowolnym systemie bądź niekoniecznie znany ukł. przestrzenny ale z takim ukł. prętów, że można traktować jako kratownicę przestrzenną.

Dodatkowa trudność - faza montażu konstrukcji:

- w stanie eksploatacji

- z bramą otwartą

- z bramą zamkniętą

- sposób montażu - elementy wymiarowane na sposób montażu

- jak nie chcemy zmieniać elementów to musimy zdecydować się na konkretny system lub stosować elementy tymczasowe.

---