Modele obliczeniowe konstrukcji obiektów budowlanych.
Hmm, zmyślam: Pręty, Ramy, Kraty, Ruszty, Płyty, Przekrycia strukturalne, Powłoki, Tarcze, Membrany, Ściany (wszystko 2d i 3d)
Właściwe uwzględnienie obciążeń (siły, momenty, temperatura, przemieszczenia, drgania) i sposobu podparcia (przeguby, usztywnienia, podłoże winklerowskie)
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 /lw/
przy wyboczeniu w płaszczyźnie kraty
- dla pasów oraz słupki i krzyżulce podporowe lw=lt (lt-długość teoretyczna)
- krzyżulce i słupki pośrednie lw=lt
przy wyboczeniu z płaszczyzny kraty
- pasy, krzyżulce, słupki lw=lt
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:
Ni-siłą charakterystyczna w pręcie
N1i-siła w pręcie od obciążenia siłą jednostkową P=1
Ag-pole przekroju pasa górnego
Ad-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
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)
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
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
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)
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:
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)
poziome
od poprzecznego hamowania wózka suwnicy (+ uderzenia boczne kół)
od podłużnego hamowania mostu
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<agr agr=l/400 - l/600 (zależy od rodzaju suwnicy)
ugięcie poziome agr=l/1000 agr≤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 (HP,HR) 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 Ra≤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.
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.
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.
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.
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.
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:
Stropy wspornikowo zamocowane w trzonie. Przy znacznej rozpiętości stropów ten rodzaj podparcia jest na ogół nieekonomiczny i daje stosunkowo duże ugięcia na końcach wsporników.
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.
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.
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.
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.