Ustroje trzonowe

Dźwigi i klatki schodowe są ze względów przeciwpożarowych obudowane ścianami, najczęściej żelbetowymi. Powstaje w ten sposób trzon, który wykorzystuje się jako przestrzenny tężnik pionowy. Budynki o takiej konstrukcji mają liczne zalety. Przede wszystkim nie ma w nich oddzielnych tężników pionowych, które utrudniają montaż szkieletu i przeszkadzają w zagospodarowaniu wnętrza budyn­ku. Można też w większym stopniu stosować małą liczbę stypizowanych elementów. Oba te czynniki obniżają koszt konstrukcji i upraszczają montaż, który jest ponadto ułatwiony z uwagi na wcześniejsze wznoszenie trzonu żelbetowego. Możliwe są tu niżej podane rozwiązania.

a.. Stropy wspornikowo zamocowane w trzonie (rys.1). Przy znacznej rozpiętości stropów ten rodzaj podparcia jest na ogół nieefektywny ekonomicznie i daje stosunkowo duże ugięcia na końcach wsporników.

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

c.. Główny wspornik zamocowany w górnej części centralnego trzonu, podtrzymujący system stropów za pomocą wieszaków (rys.3). System ten, sto­sowany w wielu budynkach, eliminuje układ słupów i zastępuje je elementami pracującymi na rozciąganie. Mankamentem jest tu istnienie zginanego głów­nego wspornika, trudnego do zamocowania w trzonie.

d. Stropy swobodnie oparte w jednym końcu na centralnym trzonie i w drugim na linach. Liny są przewieszone w połowie swej długości przez wieszak trzonu i po przejściu przez łożyska ślizgowe na zewnętrznych krawędziach stropu dachowego zwisają pionowo w dół (rys.4). Składowe reakcje, działające na łożyska, są przeniesione przez konstrukcję stropu dachowego i przez liny przewieszone przez wierzch trzonu i zamocowane na końcach stropu dachowe­go. W rozwiązaniu tym eliminuje się główne elementy pracujące na zginanie (wsporniki) oraz kosztowne zakotwienia wieszaków w trzonie lub na końcach głównych wsporników. Przyjęty sposób zawieszenia stropów przenosi reakcje z zewnętrznego obwodu stropów na szczyt trzonu. Wyeliminowanie zewnętrz­nych i wewnętrznych słupów wpływa korzystnie na zwiększenie powierzchni użytkowej budynku. Przyjęta konstrukcja budynku pozwala na efektywne wy­korzystanie jego kubatury (do 89%), podczas gdy w konwencjonalnych wy­sokich budynkach stopień wykorzystania wynosi 75÷80%. Również zużycie stali konstrukcyjnej jest tu mniejsze o ok. 20% w porównaniu z budynka­mi konwencjonalnymi. Koszty realizacji budynków tego typu są niższe do 15%. Omawiana konstrukcja o układzie wiszącym jest szczególnie przydatna w warunkach posadowienia na terenach szkód górniczych.

W szkieletach z trzonami stosuje się monolityczne stropy w celu zapewnienia im dostatecznej sztywności w ich płaszczyznach, niezbędnej do przeniesienia obciążeń poziomych na trzon. Połączenia stropu z trzonem muszą zapewniać przekazanie sił poziomych oraz umożliwiać pionowe wzajemne przesunięcia.

Ze względu na duże wydłużenie wieszaków ogranicza się liczbę kondygnacji podwieszonych na jednym wieszaku do piętnastu. Przy większej ich liczbie dzieli się stropy na pakiety podwieszone na oddzielnych wieszakach.

Istotną rolę we wszystkich wariantach omawianego systemu odgrywa sam trzon. Traktuje się go w obliczeniach jako belkę cienkościenną, utwierdzoną w fundamencie. Najlepszy jest tu trzon o przekroju zamkniętym, najczęściej jed­nak ma on otwory i połączenia z ryglami na poszczególnych kondygnacjach.

System przegubowy z usztywnieniami kratowymi złożonymi

System płaskich ram z pionowymi tężnikami stosuje się do wznoszenia budyn­ków o wysokości do 40 kondygnacji. W obiektach wyższych należy stosować inne systemy, w których możliwie największa liczba słupów jest wciągana do współpracy.

Na rysunku a przedstawiono odkształcenia układu z kratowym tężnikiem pionowym, w którym nie ma współpracy ze słupami zewnętrznymi, a na rys. b układu z kratowym tężnikiem pionowym, w którym włączono do współpracy słupy zewnętrzne przez kratownice poziome (rys.b). Odkształcenie konstrukcji na rys.b jest znacznie mniejsze niż odkształcenie na rys.a. Kratownice poziome umieszcza się w górnej kondygnacji budynku oraz przynajmniej w połowie jego wysokości. Kratownice mogą być pojedyncze lub też mogą tworzyć rodzaj rusztu kratowego. Rozwiązanie takie znacznie zwięk­sza sztywność całego układu (co najmniej o 30% w porównaniu z konstrukcją ramową współpracującą z płaskimi tężnikami kratowymi). Stosując ruszty kra­towe, w niektórych kondygnacjach włącza się do współpracy wszystkie słupy, a tym samym zwiększa się sztywność całej konstrukcji na parcie wiatru.

W rozwiązaniu omówionym w systemi przegubowym z płaskimi tężnikami sztywność konstrukcji zapewniają tężniki pionowe, będące kratowymi wspornikami sztywno zamocowanymi w funda­mencie. Natomiast w rozwiązaniu tu przedstawionym zmienia się schemat sta­tyczny kratownicy pionowej. Tężnik przestaje być wspornikiem zamocowanym u podstawy, staje się prętem zamocowanym: u podstawy sztywno, a w środku rozpiętości i na szczycie sprężyście, z możliwością przesuwu. Należy równocze­śnie podkreślić, że kratownica pozioma jest raczej ustrojem belkowo-kratowym, w którym przy obliczaniu uwzględnia się zginanie pasów.

Ustroje powłokowe

Największą sztywność przestrzenną budynków 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. Do analizy statycznej i dynamicznej takich konstrukcji można zastosować teorię dźwigarów powierzchniowych lub siatkowych.

Do omawianej tu grupy konstrukcji są także zaliczane konstrukcje ramowo-powłokowe oraz konstrukcje dwupowłokowe. W budynku o konstrukcji ramowo-powłokowej sztywność przestrzenną zapewnia układ czterech ram płaskich zamkniętych na obwodzie budynku.

Ramy te są utrorzone przez słupy i sztywno połączone z nimi rygle (o dostatecznie gęstej siatce słupów). Wewnętrzna konstrukcja szkieletu może być przegubowa, przenosząca tylko obciążenia pionowe, lub może tworzyć z ryglami powłokę wewnętrzną.

Większą sztywność przestrzenną w porównaniu z konstrukcją ramowo-powłokową zapewniają konstrukcje dwupowłokowe. Funkcję powłoki wewnętrznej pełni najczęściej trzon żelbetowy, w którym odbywa się komunikacja pionowa. Współpraca ramy zewnętrznej z trzonem zwiększa sztywność konstrukcji, za miarę której przyjmuje się najczęściej wychylenie wierzchołka budynku.

Bardzo wysokie budynki kształtuje się także w postaci sztywnych, zamkniętych prostopadłościanów.

Konstrukcja budynków szkieletowych

Uwagi wstępne

Przy projektowaniu konstrukcji budynków szkieletowych należy kierować się na­stępującymi wskazaniami:

- schemat statyczny powinien być w miarę możliwości prosty, zapewniający geometryczną niezmienność i stateczność tak całości budynku, jak i jego części, zarówno w czasie montażu, jak i po jego wykonaniu,

- stropy i ściany należy stosować możliwie lekkie, lecz przy zachowaniu należytej izolacyjności cieplnej i akustycznej,

- ciężar konstrukcji powinien być jak najmniejszy, przy czym przekroje słupów, podciągów i belek stropowych powinny być odpowiednio ograniczone, aby nie powodowały nadmiernego zwiększenia kubatury,

- konstrukcja budynku powinna być prosta w wykonaniu, z możliwie dużą liczbą elementów jednakowych, oraz łatwa do transportu i montażu; wa­runki te spełnia na ogół konstrukcja spawana w warsztacie, a podczas mon­tażu łączona za pomocą śrub (zwykłych klasy średnio dokładnej i do­kładnej, a także o wysokiej wytrzymałości — do połączeń sprężonych) oraz spoin.

Stropy

Wybór rodzaju stropu zależy od przeznaczenia budynku oraz rozstawienia słu­pów i podciągów. W budynkach przemysłowych, zależnie od obciążenia i ewen­tualnych współczynników dynamicznych, może się okazać celowe zastosowanie belek stropowych stalowych, zespolonych lub żelbetowych. W obiektach użytecz­ności publicznej lub w budynkach mieszkalnych można wykonać stropy z pu­staków lub z gotowych płyt. Przy stropach pustakowych stosuje się często lek­kie belki stalowe profilowane na zimno. Powszechnie są stosowane stropy, któ­rych konstrukcję nośną tworzą odpowiednio wyprofilowane blachy stalowe.

Przy projektowaniu stropów należy mieć na uwadze, że ich koszt stanowi znaczną część ogólnego kosztu budynku; jednak rozpatrując aspekt ekonomiczny trzeba pamiętać, że stanowią one poziome stężenia budynku.

Stropy wykonane przy zastosowaniu konstrukcji żelbetowych przedstawio­no na rysunku poniżej:

Stropy składające się z żelbetowej płyty i stalowego dźwigara najczęściej pro­jektuje się jako zespolone, zapewniając współpracę tej płyty z podpierającą ją belką. W celu przeniesienia siły rozwarstwiającej stosuje się łączniki:

Ściany

Ściany zewnętrzne. Przy projektowaniu ścian zewnętrznych należy dążyć do jak największego ograniczenia ich ciężaru.

W budynkach przemysłowych, których wysokość nie jest zbyt duża, wykonuje się ściany z pustaków ceramicznych lub z płyt z lekkich betonów. Ściany mogą się mieścić między słupami a stropami lub cała ściana — jako ryglowa — może być wysunięta na zewnątrz przed konstrukcję nośną budynku oraz połączona ze słupami i ewentualnie stropami lub podciągami.

W budynkach użyteczności publicznej lub mieszkalnych, gdzie względy este­tyczne odgrywają zasadniczą rolę, ścianę zewnętrzną wysuwa się zazwyczaj na zewnątrz konstrukcji nośnej, jako osobną ścianę zamocowaną do tej konstrukcji (jest to tzw. ściana kurtynowa).

Istnieją dwa zasadnicze rodzaje konstrukcji ścian zewnętrznych: ściana-ruszt, składająca się z kształtowników pionowych i poziomych przymocowanych do szkieletu budynku, między które wstawia się płyty lub okna, oraz ściana z płyt, składająca się z jednakowych płyt wysokości całej lub połowy kondygnacji, które mocuje się do szkieletu budynku i łączy między sobą. W płytach są przewidziane ramy okienne. Płyty mogą być wykonane z blachy stalowej emaliowanej, z blachy aluminiowej, z tworzyw sztucznych lub też z betonu, pod warunkiem że będą dostatecznie izolować od zmian temperatury.

W przypadku pierwszego rodzaju ścian ruszt z profili musi przejąć ciężar ściany i parcie wiatru na szkielet, w drugim zaś funkcję tę spełniają płyty.

W obu rodzajach ścian, w tych ich częściach, gdzie nie ma okien, ściana przeważnie składa się z 3 warstw. Pierwsza, licząc od zewnątrz budynku, za­bezpiecza od wpływów zewnętrznych (głównie wilgoci), druga izoluje od zmian temperatury, trzecia chroni od uszkodzeń.

Na rysunkach przedstawiono przykłady rozwiązań ścian zewnętrznych w budynkach użyteczności publicznej.

Ściany wewnętrzne. Konstrukcja ścian zależy od tego, czy są one stosowane w obiektach przemysłowych, czy w budynkach mieszkalnych lub użyteczności publicznej.

Ściany wewnętrzne w obiektach przemysłowych muszą odpowiadać wymaga­niom związanym z technologią produkcji danego zakładu.

Jeżeli ich zadaniem jest tylko oddzielenie poszczególnych pomieszczeń, to mogą być wykonane w postaci lekkich przegród z kształtowników stalowych pokrytych siatką stalową lub jako lekkie ścianki betonowe czy też murowane z cegły, pustaków itp.

W budynkach mieszkalnych lub użyteczności publicznej ściany wewnętrzne wykonuje się jako ściany działowe, spoczywające na stropie bądź na belkach, a ściany oddzielające dźwigi lub schody jako ściany ceramiczne lub betonowe.

Na rysunku zestawiono typy ścianek działowych z kształtowników cien­kościennych, jakie zastosowano w budynku Intraco w Warszawie.

Słupy

Przekroje słupów. Słupy powinny mieć tak ukształtowane przekroje oraz być połączone z belkami i podciągami, aby mimośrody sił na nie działających były możliwie małe.

Stalowe słupy rurowe mogą być wypełnione betonem, a słupy o przekroju otwartym mogą być obetonowane. Uzyskuje się wówczas zwiększenie nośności i sztywności słupów. W efekcie obetonowania zapewnia się dobrą ochronę przed korozją i pożarem. Do mankamentów w tym przypadku można zaliczyć zwięk­szenie zakresu tzw. procesów mokrych na budowie oraz przedłużenie okresu budowy obiektu.

Styki słupów. Przekroje słupów zmienia się zwykle co dwie kondygnacje, a styki umieszcza się od 0,40 do 1,00 m ponad stropem. Styki rozmieszcza się w jednym poziomie budynku lub — po przesunięciu — w sąsiednich rzędach słupów. W przypadku jednostronnego licowania kra­wędzi słupa, aby nie pogrubiać blachy stykowej, wzmacnia się ją żeberkiem. Grubość blach stykowych zależy od wielkości kształtowników zasto­sowanych na słupy, lecz nie powinna być mniejsza niż 15-÷20 mm. Blachę stykową łączy się z dolną częścią słupa w warsztacie, a z górną spoinami na montażu. W celu ustalenia położenia górnej części słupa przyspawa się do bla­chy stykowej mały kątownik, z którym łączy się górną część słupa na montażu za pomocą śruby.

Rysunek a i b przedstawia styki słupów o przekroju złożonym z dwóch ceowników (lub dwuteowników). Przy słupach obetonowanych w blasze styko­wej należy wykonać otwór. Gdy nie przewiduje się spawania na montażu, oba końce słupów zakańcza się blachami stykowymi, które łączy się ze sobą na budowie śrubami (rys.c). Na rysunku d przedstawiono połączenia słupów na śruby, stosowane jedynie w przypadkach gdy w skrajnych włóknach przekroju nie występuje rozciąganie (znaczna siła osiowa i mały moment zgi­nający), a także gdy końce słupów są sfrezowane, a tarcie między końcami słu­pów jest większe od siły poprzecznej. Takie połączenia nadają się do stosowania przy słupach obetonowanych. Blachy, przez które przechodzą śruby, podpiera się często pionowymi żebrami, zabezpieczającymi od wyginania się blach przy dokręcaniu śrub.

Po zmontowaniu konstrukcji słupy należy zespawać na obwodzie, a bla­chy i żeberka mogą być odcięte za pomocą palników acetylenowych. Czasem zachodzi konieczność przepuszczenia ciągłej belki w styku słupów (rys. e). Wówczas słupy mają przyspawane na swoich końcach płyty, belkę natomiast wzmacnia się żebrami, które uczestniczą w przekazywaniu sił na dolny odci­nek słupa.

Połączenia słupów z podciągami i belkami.

W połączeniu rygla ze słupem, pokazanym na rys. a, przy działaniu mo­mentu M siła rozciągająca w górnym pasie belki jest przenoszona przez śruby na górną nakładkę, a następnie przez spoinę na słup. Siła ściskająca jest prze­kazywana na słup przez pas dolny belki. Siłę poprzeczną V przenoszą śruby poziome. W celu ułatwienia montażu rygiel oparto na kątowniku. Półki słupa w miejscach, dokąd dochodzi górna nakładka, wzmocniono żebrami.

Połączenie wykonane na budowie również za pomocą śrub pokazano na rys. b. Do górnego pasa rygla przyspawano szeroką nakładkę, a do słu­pa szerokie żebra. Połączenie ich wzajemne za pomocą nakładek i śrub przenosi siłę działającą w pasie górnym rygla. Dolny pas rygla połączono śrubami z bla­chą przyspawaną do słupa w warsztacie. Siła poprzeczna jest przenoszona przez blachę, na której opiera się belka.

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.Wieże i maszty Charakterystyczną cechą budowli typu wieżowego i masztowego jest bardzo duży stosunek wysokości do wymiarów poprzecznych oraz występujące w nich stosun­kowo małe siły pionowe. Budowle wieżowe i masztowe mogą być projektowane w kształcie graniastosłupa, piramidy lub walca (kominy przemysłowe). Najważniejsze typy konstrukcji o charakterze wieżowym i masztowym to

1) wieże różnego przeznaczenia, najczęściej do anten i innych urządzeń radio­wych, telewizyjnych i telekomunikacyjnych, 2) maszty podobnego przeznaczenia, 3) konstrukcje wsporcze (słupy) napowietrznych linii elektroenergetycznych, 4) kominy, 5) podpory kolejek linowych i wyciągów narciarskich. Oprócz wymienionych do omawianej grupy budowli można zaliczyć także wieże: obserwacyjne, reklamowe, przekaźnikowe, radarowe, wiertnicze. Wieże są konstrukcjami utwierdzonymi w fundamencie i pracującymi jako wsporniki obciążone poziomym działaniem wiatru i siłami skupionymi pocho­dzącymi od sieci anten.

Maszty są obciążone podobnie, lecz opierają się na fundamencie przegubowo, a obciążenie poziome jest przenoszone przez odpowiednio rozmieszczone liny odciągowe. Trzon masztu pracuje więc jako belka ciągła, oparta na sprężystych podporach, ściskana i zginana.

Wieże różnego przeznaczenia są smukłymi konstrukcjami utwierdzonymi w fun­damentach. Najczęściej służą do pod­trzymywania sztywnych radiatorów fal krótkich lub anten fal ultrakrótkich, a cza­sem anten fal średnich. Wieże są znacznie cięższe od spełniających podobną funkcję masztów; są jednak bardziej sztywne, a ponadto zajmują dużo mniejszą powierzchnię Stalowe wieże radiowe i telewizyjne są najczęściej konstrukcjami kratowymi przestrzennymi o przekroju poprzecznym w kształcie wiełokąta foremnego, zwy­kle trójkąta lub kwadratu, rzadziej sześcio- czy ośmiokąta. W przypadku gdy antena wywołuje dużą siłę poziomą, stosuje się prostokątny przekrój wieży. Kon­strukcje wieżowe pełnościenne stosuje się coraz częściej, zwłaszcza przy niewiel­kich wysokościach, najczęściej o przekroju rury okrągłej. Konstrukcjom wież nadaje się z reguły zbieżność ku górze, przy czym zarys tej zbieżności może być prostoliniowy, paraboliczny lub hiperboliczny.

Przestrzenne konstrukcje wież o przekroju wielokątnym (oprócz wież trójkąt­nych) należy stężać poprzecznymi przeponami, umieszczonymi zwykle w odle­głości nie większej niż 10 m. Przepony stosuje się również w tych miejscach, w których jest zaczepione obciążenie lub wieża zmienia zasadniczo kształt.

Obliczanie wież W układzie obliczeniowym statycznym wieża jest wspornikiem kratowym ści­skanym i zginanym, a w przypadku dźwigania poziomej sieci antenowej — do­datkowo skręcanym (w przypadku zerowania połowy sieci). Wieże można obliczać wg teorii I rzędu, przyjmując schemat pionowego wspornika utwierdzonego w fundamencie. Wyznaczanie sił osiowych w prętach wież nie sprawia większych trudności przy korzystaniu z komputerów. Uwzględnia się wówczas zarówno zginanie jak i skręcanie, mogą też być uwzględnione wpływy II rzędu, które w przypadku wież polegają na wzroście sił w krzyżulcach wskutek skrócenia prętów krawężników.

Maszty są konstrukcjami lżejszymi i tańszymi od wież, lecz wymagają dużej powierzchni zabudowy i są droższe w użytkowaniu ze względu na konieczność stałego nadzoru prostoliniowości trzonu i naciągu odciągów. Maszty są mniej podatne na wpływy sejsmiczne. Maszt jest budowlą składającą się z trzonu, fundamentu głównego, lin od­ciągowych wraz z izolatorami i urządzeniami napinającymi oraz fundamentów odciągów. Liny odciągów należy łączyć z masztami za pomocą urządzeń za­pobiegających zginaniu liny przy ruchu masztu. W analogiczny sposób należy również łączyć izolatory z linami. Całkowita wysokość masztu zależy od założeń projektu technologicznego. Sze­rokość trzonu może być zmienna lub stała, zwłaszcza jeśli odciągi podtrzy­mują go w kilku poziomach.

W ustrojach masztowych najczęściej stosuje się trzony kratowe o przekroju trójkątnym lub czterokątnym, zwykle kwadratowym. W przypadku trzonów pełnościennych stosuje się przekrój rurowy, lecz są to w chwili obecnej konstrukcje dość rzadko projektowane.

W zależności od przekroju trzonu masztu jest on podtrzymywany grupami złożonymi z trzech albo czterech odciągów. Przy zastosowaniu jednej grupy od­ciągów i przy odciągach równoległych kąt nachylenia do poziomu przyjmuje się ok. 45°, natomiast przy zamocowaniu wszystkich lub niektórych odciągów w jednym fundamencie kotwiącym kąt na­chylenia górnego odciągu przyjmuje się 50-=-60°. Trójgraniaste maszty mają przewagę nad masztami czterograniastymi ze względu na mniejszą liczbę odciągów i fundamentów. Wysokość trzonu masztu jest podyktowana względami technologicznymi, nato­miast jego szerokość wynika zwykle z warunku stateczności, rzadziej z warunku wytrzymałości. Smukłość odcinków trzonu między poziomami odciągów A wy­nosi zwykle w masztach niższych 60-=-100, natomiast w masztach wysokich może osiągnąć nawet wartość 150. Przy zachowaniu takich smukłości szerokość trzonu jest zwykle większa od 1/35 długości odcinka. W celu podwieszenia poziomych anten krótkofalowych stosuje się czasem ustroje złożone z dwóch trzonów połą­czonych poziomymi ryglami. Poszczególne segmenty masztu wykonuje się jako spawane, przy czym w wę­złach krat unika się stosowania blach węzłowych.

Obliczanie masztów Schematem statycznym masztu jest pionowy pręt cią­gły, wsparty na podporach odpowiadających liczbie poziomów odciągów. Pod­pory masztu nie są sztywne, lecz sprężyście podatne. Podatność podpory zależy od przekroju, długości i kąta na­chylenia odciągu, od jego modułu sprężystości, a nawet od liczby odciągów na danym poziomie, najbardziej jednak od wstępnego naprężenia odciągów. W wyniku obliczeń wstępnych ustala się sche­mat masztu, liczbę kondygnacji, kąty nachylenia odciągów, wymiary przekrojów itd. Przy obliczeniach tych można uważać trzon za belkę ciągłą na sztywnych podporach. Dokładny sposób obliczania masztów polega na uwzględnieniu wpływu podatności sprężystej podpór (uwzględnienie wpływów II rzędu) na rozkład sił w trzonie masztu. Podatność ustala się po obliczeniu odciągów i wprowadza ją do równania trzech momentów. Przy tym sposobie sformułowania problemu, przemieszczenia podpór trzonu stają się niewiadomymi obok momentów podporowych. Konieczne jest zwiększenie liczby równań, co uzyskuje się przez ułożenie równań równowagi węzłów podporowych jako równań dodatkowych. Obliczenie należy przeprowadzać me­todą iteracji, aż do uzyskania dostatecznej zgodności wyników. Przy obliczaniu masztów według teorii II rzędu nie należy stosować zasady superpozycji wyników.

Rurociągi

Zapotrzebowanie na surowce wymaga sprawnego transportu z odległych miejsc wydobycia ropy naftowej, gazu, węgla, miedzi i minerałów do ośrodków przemysłowych i miast. Najlepszym rozwiązaniem w tym zakresie okazały się podziemne magistrale przesyłowe z rur stalowych. Rurociągi dalekiego zasięgu wykorzystuje się głównie do przesyłania ropy naftowej i produktów ropopochod­nych oraz gazu ziemnego i wody. Rurociągami coraz częściej jednak przesy­ła się także takie materiały, jak węgiel lub koncentraty rud. Rozdrabnia się je w kruszarkach i po zmieszaniu z wodą pod ciśnieniem kilku MPa przetłacza rurociągami na odległość setek kilometrów. Ocenia się, że ok. 50% wszyst­kich surowców energetycznych świata jest transportowanych rurociągami. Od­rębne zagadnienie stanowią rurociągi przemysłowe w obrębie fabryk, rurociągi w siłowniach wodnych, atomowych i cieplnych oraz obudowy tuneli i przejść podwodnych.

Rurociąg dalekiego zasięgu (magistralny) to rurociąg łączący wydzielone obiek­ty nadania i odbioru lub rozdziału transportowanego medium (stacje pomp, stacje sprężarkowe, zbiorniki magazynowania). Rurociągami magistralnymi transportuje się ropę (ropociągi), produkty naftowe, gaz (gazociągi).

Ze względu na charakter pracy rurociągi można podzielić na: wysoko-, średnio-i niskoprężne.

Ze względu na położenie w stosunku do terenu rurociągi dzieli się na:

• podziemne (podwodne), gdy rurociąg jest zasypany warstwą ziemi (lub po­
  kryty wodą)

• zagłębione, gdy rurociąg leży poniżej poziomu terenu, ale nie jest zasypany,

• naziemne, gdy rurociąg leży nad powierzchnią terenu, ale nie projektuje się
  ciągów komunikacyjnych ponad nim,

• nadziemne, gdy pod rurociągiem projektuje się ciągi komunikacyjne
  

O przepustowości rurociągu decyduje: średnica i ciśnienie.

Obydwa czynniki mają wpływ na koszt wykonania.

Ciśnienie wymaga lepszej stali lub grubszej ścianki.

Zwiększenie średnicy to więcej materiału żeby dobrze zaprojektować rurociąg.

Ważny jest racjonalny dobór średnicy przy minimalizacji kosztów przesyłu.

Zmiana ciśnienia: zwiększenie grubości, zwiększenie wytrzymałości - wybrać minimum zmian

Koszty przesyłu maleją w zależności od wydajności rurociągu.

Koszt transportu 1m³ gazu rurociągiem o średnicy 900mm jest o 40% mniejszy niż w przypadku rurociągu o średnicy 600mm.

Rurociąg pracuje pod ciśnieniem 70÷80atm czyli 7÷8MPa.

W przypadku zasilania budynku wodą 2÷5atm.

Całością spraw energetycznych zajmuje się Międzynarodowa Agencja Energii.

Wyposażenie rurociągu: stacja pomp, stacje sprężarkowe, zbiorniki do magazynowania, dodatkowo stacje pomiarowe.

Cały rurociąg sklada się z podst. elem. skład:

1) rury przewodowe i osłonowe:

przewodowe - sam rurociąg

osłonowe - o większej średnicy, zabezpiecza rurociąg przed wpływem zagrożeń zewnętrznych.

2) armatura trasowa - zasuwy, zawory odcinające, zawory zwrotne

3) komory wysyłania i przyjmowania czyszczaków

4) kształtki - trójniki, łuki i zwężki

5) kołnierze połączeniowe - służą do przyłączania 2 fragmentów rur ale nie na samej trasie lecz gdy przyłączamy jakiś element, bocznik. Sam rurociąg jest łączony za pomocą spoin.

6) odpowietrznik

7) odwadniacze

8) urządzenia zabezpieczające przed nieporządanym ciśnieniem

9) obciążniki zabezpieczające rurociągi przed wypłynieciem na przeszkodach wodnych lub trasach zawodnionych (rurociąg dociąża: ciężar własny, grunt znajdujący się bezpośrednio nad rurociągiem)

Rurociąg kotwimy lub dociążamy płytami od góry (problem ze statecznością)

10) materiały izolacyjne - ochrona bierna strony zewnętrznej zbiornika przed korozją.

11) elementy ochrony katodowej - rodz. Inst. Elektr. Zabezpieczającej przed korozją na skutek różnicy potencjału elektr.

12) zdalne sterowanie zaworami występującymi na trasie urządzenia do wykrywania przecieków na etapie eksploatacji

Rurociągi dalekiego transportu (naftowe, gazowe) wykonuje się z rur stalowych:

Mogą to być rury: bez szwów, ze szwem wzdłużnym spawanym lub zgrzewanym, ze szwem spiralnym spawanym lub zgrzewanym

Rura ze szwem prostym: szew na calej długości

Taka spoina błyskawicznie stygnie. Proces normalizacji: podgrzewamy rurę i stopniowo schładzamy. Naprężenia się normalizują. Proces normalizacji materiału.

Krawędzie mogą być zgrzewane.

Rura ze szwem spiralnym: szew po linii spirali.

Spawana lub zgrzewana.

Rury są elementem o dużej odpowiedzialności. Poddane są wielu kontrolom. Szwy są sprawdzane metodami ultradźwiękowymi aby wykryć uszkodzenia lub wtrącenia ciał obcych oraz metodami radiologicznymi.

Badaniu podlega nie tylko jakość wykonanych spoin, ale także grubość blach z których są wykonane.

Projekt opiera się na założeniu:

- określenie wymaganej przepustowości

- trasa poprowadzenia rurociągu - znamy zbliżone koszty ułożenia rurociągu

przeszkody - droga, tor kolejowy, przeszkoda wodna.

W przypadku awarii korzysta się ze zbiorników zapasowych, bo trudno dostać się do rurociągu. Ekonomicznie uzasadnione.

Czynniki oddziałujące na wytrzymałość rurociągu

1) oddziaływania zewnętrzne

2) cechy geometryczne

3) własności mechaniczne i fizykochemiczne użytych materiałów

4) jakość wykonania

Ad1) - działanie ciśnienia zewn. (ciśnienie robocze)

- obciążenie gruntem i obc. Ruchome na powierzchni terenu

- działanie temp.

- wpływ sprężystego wygięcia rurociągu w miejscach zakrzywienia (w poziomie i w pionie) a także na skutek osiadania rurociągu.

- uderzenie hydrauliczne - większe ciśnienie w momencie gdy następuje napływ produktu do prostego rurociągu lub w strefach jego zakrzywienia

2 czynniki które decydują o projektowaniu:

- rurociąg projektowany na tzw. wewn-ciśnienie projektowe: P = (2St/D)EF

P - wewnętrzne ciśnienie projektowe

S - min. granica plastyczności wg. specyfikacji wytwórcy rury

t - nominalna grubość śćianki

D - nominalna średnica zewnętrzna rury

E - współ. wzdłużnego złącza rury

F - współczynnik projektowy

Obciążenie zewnętrzne działające na rurociąg:

- trzęsienia ziemi

- tąpnięcia górnicze

- wibracje

- oddziaływania termiczne - wydłużenie i skracanie rurociągu

Rurociągi oparte na podporach - musimy uwzględnić strefę podporową. Lokalne naprężenia od podpór i elem. dodatkowych zwiększenie grubości rurociągu w miejscach podpór.

Budowa rurociągu dalekiego zasięgu ma pewną specyfikę. Pewne cechy które charakteryzują rurociąg są to:

- znaczne rozciągnięcie stale przemieszczającego się obszaru robót

- rozrzucenie wzdłuż trasy wyspecjalizowanych brygad i zespołów roboczych

- oddalenie od baz tech. I konieczność transportu różnych materiałów

- eksploatacja w war. Polowych sprzętu i środków transp.

- zaostrzone wymagania ochrony środowiska, działanie na granicy ich naruszenia

- stosowanie odpowiedniego sprzętu

Specjalne wymagania co do jakości:

- rur

- materiałów spawalniczych

- materiałów izolacyjnych (przeciw korozji)

- malowanie raz, zabezpieczenie przy pomocy asfaltu, włókien szklanych, taśm z tworzyw sztucznych - na cały czas eksploatacji rurociągu.

Wymagania muszą zapewnić bezpieczną i długotrwałą bezawaryjną działalność rurociągu. Zastosować wysoki współ. konsekwencji zniszczenia, o wiele większy od 1 bo duże koszty, straty, ryzyko naruszenia warunków ochrony środowiska.

Rurociąg wymaga specjalistycznych robót.

Przy budowie rurociągu dalekiego zasięgu stawia się wymagania co do jakości:

- rur - są kontrolowane w celu wykrycia rozwarstwień (dotyczy gatunku) oraz spraw. Łączy (rury spawane). Metody badań (radiologiczne lub ultradźwiękowe)

- mat. Spawalniczych w trakcie wykonywania rurociągu. Dotyczy elektrod, drutów spawalniczych, gazów technicznych. Elektrodą spawa się elementy łączone.

Gazy spawalnicze: argon, CO₂ (spawanie w osłonie gazów)

Drut spawalniczy w osłonie topika lub w osłonie gazów.

Druty współdziałają przy spawaniu z gazami lub z warstwą topiku. Z elektrod wydziela się gaz przy spawaniu.

Gazy techniczne: acetylen, tlen

- materiałów izolacyjnych - welony szklane, asfalt, taśmy z tworzyw sztucznych.

Zabezpieczenie rurociągu przed korozją bo rurociągi leżą w gruncie. Dochodzą inne agresywne czynniki. Korozja elektrolityczna - gdy grunt przechodzi w inny grunt. Zabezpieczeniem jest powłoka asfaltowa z welonem z włókna szklanego. Taśmy - warstwa ochronna (dodatkowe zabezpieczenie)

- roboty spawalnicze

- roboty izolacyjne

- układanie rurociągów do wykopu

W określonym okresie eksploatacji wszystkie elementy muszą działać niezawodnie

Okres eksploatacji - kilkadziesiąt lat (powyżej 30)

Rurociągi nie leżą w linii prostej. Układa się je jak leci teren z wyjątkiem przeszkód kiedy, trzeba zejść z trasy i z pionu np. przeszkoda wodna.

A - głębokość przejścia rury pod ciekiem wodny, min. 1,5m pod dnem cieku wodnego, 0,7m dla gr. Skalistych lub inne

Charakterystyka budynków szkieletowych

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. Ściany pracują zazwyczaj na wysokości jednej kondygnacji, a ponieważ stanowią część obciążenia stałego, powinny być możli­wie lekkie.

Zalety budynków o szkielecie stalowym:

- mniejsze przekroje i ciężar własny budynku w stosunku do obiektów muro­wanych lub żelbetowych, co zwiększa kubaturę użytkową i pozwala budować na słabym gruncie,

- dobre wykorzystanie miejsca, gdyż na stosunkowo małej powierzchni można postawić obiekt o dużej kubaturze (np. budynek Empire State w Nowym Jorku — powierzchnia zabudowy 7800 m², kubatura 1 000000 m³),

- bardzo szybki, łatwy i zmechanizowany montaż, prowadzony prawie o każdej porze roku,

- mały plac budowy, co ma duże znaczenie, gdyż budynki szkieletowe realizuje się przeważnie w miastach,

- łatwość przebudowy lub rozbudowy obiektu, co jest ogólną cechą konstrukcji stalowych,

- duża odporność na siły dynamiczne (trzęsienie ziemi, wybuchy bomb i poci­sków), które powodują destrukcję ścian, lecz na ogół nie niszczą konstrukcji szkieletowej,

- duża dowolność w zakresie komponowania elewacji budynków szkieletowych, konfiguracji brył, rozstawienia słupów, wielkości otworów okiennych, wyso­kości kondygnacji.

Pewną niedogodnością przy realizacji budynków szkieletowych stalowych jest konieczność zwrócenia szczególnej uwagi na zabezpieczenie ich konstrukcji przed pożarem oraz wykonanie odpowiednich zabezpieczeń antykorozyjnych. Rozwiązania architektoniczno-konstrukcyjne powinny umożliwiać zahamowanie rozprzestrzeniania się ognia oraz gorących gazów i dymów w budynku, a szczególnie wzdłuż dróg komunikacji ogólnej, służącej celom ewakuacji.

Siły działające na budynki szkieletowe:

Siły te dzielą się na pionowe i poziome.

Do sił pionowych należą: obciążenia stałe (ciężar własny szkieletu, stropów, ścian i dachu) oraz obciążenia zmienne, długo- i krótkotrwałe.

Do sił poziomych należą: parcie wiatru, siły poziome od ewentualnych urzą­dzeń oraz siły sejsmiczne na obszarach ich występowania. Wpływów sejsmicz­nych w przypadku obiektów krajowych nie uwzględnia się, gdyż trzęsienia ziemi w naszej strefie geograficznej nie występują. Część kraju jest natomiast zagrożona ruchem podłoża wskutek eksploatacji górniczej.

W budynkach szkieletowych uwzględnia się także siły od zmian temperatury.

W obliczeniach budynków wysokich uwzględnia się następujące obciążenia od wiatru:

• obciążenia statyczne,

• obciążenia dynamiczne,

• drgania.

Zasady kształtowania konstrukcji.

Przeważająca liczba budynków jest kształtowana na planie kwadratu lub prostokąta. Większa szerokość w stosunku do wysokości budynku jest korzystna z uwagi na przeniesienie parcia wiatru. W celu uzyskania właściwego rozwiąza­nia stosunek wysokości budynku do jego szerokości powinien wynosić od 5:1 do 7:1. W budynkach wysokich zależność ta może być przekroczona, nie powinna jednak w zasadzie być większa niż 12:1.

Odległości między słupami przyjmuje się na ogół w granicach od 2 do 12 m, w miarę możliwości jednakowe. Słupy powinny zasadniczo przechodzić nieprze­rwanie od fundamentów aż po dach. Ze wzrostem rozstawu słupów zmniejsza się ich liczba, lecz rośnie rozpiętość, a więc i ciężar elementów zginanych, wobec czego maleje koszt słupów, a wzrasta koszt podciągów i belek. W każdym przy­padku należy przeanalizować ogólny koszt konstrukcji i znaleźć najkorzystniejszy rozstaw słupów, przy którym koszt ten będzie najmniejszy.

Na stropy zużywa się co najmniej 20% stali stosowanej w konstrukcji, dlatego też jest konieczna optymalizacja rozwiązań konstrukcyjnych.

Efektywność systemu konstrukcyjnego zwiększa się w miarę stosowania ele­mentów wyższych. Jednak zwiększenie wysokości belki zwiększa grubość stro­pów, co może wpłynąć na łączne koszty realizacji budynku. Dlatego też problem ten może rozstrzygnąć optymalizacja przy uwzględnieniu rozpiętości, odstępów między belkami oraz wysokości elementów konstrukcyjnych. Wysokość belek wynosi zazwyczaj (1/20÷1/24)l.

Na rysunku pokazano przykładowo kilka schematów układu podciągów w rzucie poziomym budynku. Na rysunku a podciągi przebiegają w poprzek budynku, a belki stropowe wzdłuż. Podciągi mogą być jednocześnie ryglami ram poprzecznych, przy czym belki, łącząc słupy, usztywniają budynek w osi po­dłużnej i ułatwiają ich montaż. Przy rozmieszczeniu belek stropowych jak na rys.b budynek jest mniej sztywny wzdłuż osi podłużnej i jego montaż jest trudniejszy. Przy ciężkich stropach daje się podciągi z dwóch kształtowników (rys.c) w celu zmniejszenia wysokości stropu. Takie podciągi pozwalają na przepuszczenie między nimi przewodów instalacyjnych. Z tego względu stosu­je się czasem belki kratowe. Gdy ze względów architektonicznych górna część budynku wystaje nad dolną lub gdy słupy nie mogą być umieszczone w zewnętrz­nych ścianach (np. nieprzerwane pasy okien), wtedy ściany zewnętrzne opiera się na wspornikach podciągów (rys.d).

Koszt stropów zależy od rozstawu belek stropowych, ich rozpiętości i obciąże­nia stropów. Ze względu na wykorzystanie objętości budynku, dąży się do ogra­niczenia wysokości stropów. Należy równocześnie podkreślić, że z uwagi na oszczędność stali jest uzasadnione stosowanie stropów ceramicznych i żelbetowych, projektowanych jako konstruk­cje zespolone.

Oprócz przenoszenia obciążenia pionowego stropy spełniają jeszcze funkcję usztywnień poziomych, przekazujących parcie wiatru na poszczególne ramy lub tężniki pionowe. W poszczególnych przypadkach, zwłaszcza w stropach ceramicznych, należy sprawdzić, czy naprężenia rozciągające lub ścinające nie przekracza­ją wytrzymałości obliczeniowych; może bowiem wystąpić potrzeba wzmocnienia ich elementami stalowymi.

Poszczególne elementy konstrukcji szkieletowych należy wykonywać z kształ­towników walcowanych lub blachownie spawanych.

Przy montażu należy unikać połączeń spawanych na rzecz połączeń na śruby o wysokiej wytrzymałości.

Należy także unikać stosowania na konstrukcje stali o wysokiej wytrzymałości (fyk > 480 MPa) ze względu na trudności występujące przy spawaniu.

Przy projektowaniu trzeba ograniczyć liczbę elementów montażowych, gdyż przyśpiesza to montaż i obniża koszty budowy. Należy także uwzględnić wpływ ukształtowania budynku na rozwiązanie jego fundamentów (np. budynki o małej szerokości poddane parciu wiatru mogą wymagać skomplikowanego systemu fundamentowania).

Systemy statyczno-konstrukcyjne

Wśród stosowanych rozwiązań statyczno-konstrukcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem stężeń pionowych, można wyróżnić:

-system przegubowy z tężnikami pionowymi w postaci ścian,

- system ram płaskich,

- system ram z płaskimi tężnikami pionowymi,

- system przegubowy z płaskimi tężnikami pionowymi,

- ustroje trzonowe,

- system przegubowy z usztywnieniem w postaci złożonych układów krato­wych,

- ustroje powłokowe.

System ram płaskich

Ramy mogą mieć wszystkie węzły sztywne (rys.a), wewnętrzne słupy ram mogą być połączone przegubowo (rygle ciągłe oparte swobodnie na słupach) (rys.b) lub też słupy zewnętrzne mogą być przegubowe (rys.c).

Przy wyborze schematu statycznego stalowego budynku szkieletowego nale­ży dążyć do uzyskania w prętach zginanych zbliżonych wartości maksymalnych momentów zginających dodatnich i ujemnych, co umożliwi stosowanie prętów o stałym przekroju na ich długości.

Statyczne układy ramowe w szkieletach oblicza się zazwyczaj przyjmując na­stępujące założenia:

- stropy są traktowane jako sztywne w swej płaszczyźnie tarcze, rozdzielające poziome obciążenia (od wiatru) w postaci sił skupionych na poszczególne ramy,

- obciążenie budynku wiatrem jest przejmowane wyłącznie przez szkielet sta­lowy,

- pomija się wpływ zmian długości prętów ramy na siły wewnętrzne,

- pomija się różnice między rzeczywistymi połączeniami prętów a teoretycznie przyjmowanymi w schemacie statycznym,

- stropy i ściany nie wpływają na sztywności prętów ramy,

- ramy traktuje się jako płaskie, pomijając przestrzenną współpracę układów ramowych w płaszczyznach prostopadłych do siebie.

Przy obciążeniu poziomym ramy wciągają do współpracy ściany i trzony (klatek schodowych i wind). Istnieją także różnice między rzeczywistymi a teoretycznymi cechami połączeń prętów.

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 wykazuje stosunkowo małą sztywność na obciążenia poziome. W celu ich przeniesienia istnieje konieczność znacznego zwiększenia przekrojów ram.

Do zalet systemu ramowego należy brak dodatkowych elementów usztywnia­jących. Umożliwia to swobodne zagospodarowanie wnętrz budynku.

Należy zwrócić uwagę, że są też konstruowane ramowe układy przestrzenne.

System ram z płaskimi tężnikami pionowymi

Przy stosowaniu ram płaskich w budynkach wyższych od 10 do 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 dając na in­nych piętrach układy kratowe. Otrzymuje się wówczas mieszany układ kratowo-ramowy.

Jeżeli ze względu na użytkowanie budynku można wykonać pełne ściany po­przeczne (np. w hotelach), zamiast tężników kratowych między słupami można dać ścianki żelbetowe grubości 80÷100 mm, połączone z obetonowanymi słu­pami. Zbrojenie ścianek w postaci siatki spawa się ze słupami i ryglami. W ta­kim rozwiązaniu przyjmuje się, że przy obciążeniu pionowym współpracuje słup stalowy z częścią ścianki żelbetowej lub z całą ścianką, zależnie od rozstawu słupów. Parcie wiatru przejmuje belka elbetowa, której środnikiem jest ścianka żelbetowa, a pasami słupy.

Przy wymiarowaniu słupów należy uwzględnić dwie fazy, pierwszą, gdy nie ma ścianki i całe obciążenie przejmują słupy stalowe, i drugą, gdy stal współpracuje z betonem. Tężniki kratowe mogą być również zastąpione ścianką pełną, stalową. Two­rzy się wówczas jakby blachownica ustawiona pionowo. Takie rozwiązania by­ły zastosowane w niektórych stężeniach przy budowie Pałacu Kultury i Nauki w Warszawie.

Początkowo traktowano konstrukcję ram oraz tężników jako oddzielne, nie­zależne układy, przy czym zakładano, że tylko tężniki przenoszą siły poziome. Przy uwzględnieniu współpracy obu układów uzyskuje się siły wewnętrzne i po­ziome przemieszczenia obliczeniowe budynku dużo mniejsze, co prowadzi do oszczędności materiału.

Przeprowadzone badania wykazały, że w układzie złożonym większość sił poziomych w części górnej przejmuje rama, natomiast w części dolnej — kra­townica.

Układy ramowe współpracujące z tężnikami kratowymi lub ścianami są wła­ściwe dla budynków wysokości 20÷40 kondygnacji.

System przegubowy z płaskimi tężnikami pionowymi

System szkieletu przegubowego 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 omawianego systemu jest jego prostota, co dotyczy zwłaszcza prze­gubowych połączeń belek ze słupami, umożliwiających szybki montaż. Wadą natomiast są tężniki pionowe, ograniczające swobodę rozwiązań funkcjonalnych wnętrz budynku.

Zastosowanie pionowych tęzników, koniecznych do przeniesienia sił pozio­mych i zapewnienia geometrycznej niezmienności całego szkieletu, powoduje ukośne nachylenie stropów w otoczeniu tęzników. Ma to miejsce wskutek róż­nych skróceń słupów wchodzących w skład tęzników pionowych oraz słupów pozostałych, ponieważ przekroje słupów tężnika są większe niż potrzebne do przeniesienia obciążeń pionowych. Podobne zjawisko występuje w szkieletach z tężnikami w postaci ścian żelbetowych. Z tych względów jest uzasadnione ograniczenie stosowania systemu przegubowego do wysokości 30 kondygnacji.

Tężniki pionowe w systemie przegubowym są ważnym elementem. Ich licz­ba i rozmieszczenie w planie budynku powinny pozbawiać tężniki poziome — stropy trzech stopni swobody oraz zapewniać dostatecznie małe poziome przesu­nięcia budynku. Za zastosowaniem małej liczby tęzników pionowych przemawiają następujące względy:

- skraca się czas montażu wobec małej liczby elementów i węzłów w tężnikach,

- pręty ściskane kratowych tęzników są bardziej ekonomiczne; przy występo­waniu w nich dużych sił maleje smukłość i współczynnik ϕ→1,0,

- zmniejsza się stopień statycznej niewyznaczalności układu sił działających na tężniki, co upraszcza obliczenia.

Schematy pionowych stężeń kratowych przedstawiono na rys. Tęż­niki według rys.a zajmują tylko jeden trakt między słupami środkowymi, co ze względów architektonicznych (konieczność umieszczenia przejść, otworów itp.) jest pożądane. Sztywność pojedynczych tęzników pionowych w postaci kra­townic jest stosunkowo mała, a ich stosowanie jest ekonomicznie uzasadnione do wysokości 10 kondygnacji.

Na rysunku b przedstawiono kratę umieszczoną w dwóch traktach, przy czym można również stosować kratę pojedynczą (rys.c). W kracie wystę­pują krzyżulce zarówno ściskane, jak i rozciągane. Na rysunku d pokazano kratę K w dwóch traktach.

Największą sztywność szkieletów zapewniają stężenia przedstawione na rys.e w postaci kraty X umieszczonej we wszystkich polach. W kracie tej przyjmuje się połowę obciążenia na krzyżulce rozciągane i połowę na ści­skane lub też zakłada się, że całe obciążenie przejmuje układ rozciągany i nie sprawdza się wówczas prętów na wyboczenie.

Przy wyższych budynkach oba tężniki pionowe łączy się co pewną wysokość (3÷6 kondygnacji) tężnikami o pasach poziomych (rys.f); daje to lepsze usztywnienie, zwłaszcza w szerszych budynkach, gdyż tworzą się w ten sposób ramownice kratowe. Wzrost sztywności tężnika płaskiego można także uzyskać przez zastosowanie dwóch kratownic połączonych — w dwóch poziomach — skratowaniem (rys.g), które umieszcza się na kondygnacjach technicznych. Podobne zwiększenie sztywności pojedynczego tężnika można osiągnąć, stosu­jąc dodatkowe skratowania, wciągające do współpracy słupy sąsiednich traktów (rys.h).

W wysokich budynkach górna węższa ich część może mieć tężniki pionowe tylko w jednym środkowym trakcie, natomiast dolna szersza część w dwóch traktach, połączonych ze sobą tężnikami o pasach poziomych (rys.i).

Ze względu na otwory drzwiowe i okienne stosuje się różne układy tężników, pokazane przykładowo na rys. 12-12. Przy wymiarowaniu należy pamiętać, że krzyżulce układów wg rys. a i b przenoszą dodatkowe siły od obciążenia pionowego, przekazywane ze stropu za pośrednictwem belki. Układy składające się wyłącznie z trójkątów (rys a i b) są sztywniejsze niż układy mieszane (rys. c, d i e), przy czym układ pokazany na rys.f, w którym są usztywnione jedynie naroża, jest najmniej sztywny i odpowiada ramownicy.Najlepiej usztywniają budynek układy krzyżulcowe, a szczególnie w kształcie krat X (rys. 12-11b i e) lub K (rys. 12-11d). Ten drugi układ jest nieco cięższy.

Natomiast niniejszą sztywność zapewniają układy ramowe, przy zastosowaniu których słupy są nie tylko ściskane, jak to jest w układach krato­wych, ale również zginane. Z tego względu układów ramowych nie projektuje się w bardzo wysokich budynkach.

Wyznaczenie rozdziału sił poziomych (od działania wiatru) na poszczególne tężniki, przy dowolnym ich układzie i różnych sztywnościach, jest zagadnie­niem złożonym, statycznie niewyznaczalnym. Do niedawna stosowano przybli­żone sposoby określania tego rozdziału. Dzięki użyciu komputerów przyjmuje się bardziej ścisłe rozwiązania, uwzględniające czynniki dodatkowe jak: zmianę dłu­gości prętów tężników kratowych i dodatkowe siły poziome powstające wskutek poziomych przesunięć budynku. Można tu wciągnąć do współpracy z tężnikami pionowymi inne elementy budynku, jak klatki schodowe, ściany zewnętrzne itp. Analiza statyczna uległaby jednak dalszemu skomplikowaniu. Równocześnie można stwierdzić, że pominięcie tych dodatkowych elementów w obliczeniach wpływa korzystnie na bezpieczeństwo całej konstrukcji.

Rozmieszczenie stężeń pionowych i poziomych

Stężenia pionowe muszą być rozmieszczane w sposób zapewniający stateczność budynku zarówno w czasie montażu, jak i po jego wzniesieniu. Rozmieszczenie stężeń w budynkach wąskich i długich pokazano (linie przerywane) na rys. W układzie jak na rys. a szkielet w przekroju poprzecznym jest usztyw­niony na końcach budynku czterema stężeniami ramowymi lub kratowymi. Takie rozwiązanie daje dużą powtarzalność elementów konstrukcji. W układzie poka­zanym na rys. b na końcach budynku są stężenia ramowe lub kratowe w po­przek i wzdłuż osi, a pośrodku budynku poprzeczne stężenia kratowe, zazwyczaj w ścianach klatki schodowej.

W budynkach dłuższych daje się wzdłuż osi poprzecznej kilka stężeń ramo­wych lub kratowych, a wzdłuż osi podłużnej stężenia najczęściej ramowe. Przy większej szerokości budynku oprócz stężeń podłużnych w ścianach zewnętrznych wprowadza się również stężenia w środkowych rzędach słupów.

Największą sztywność w płaszczyźnie stropów, potrzebną do spełnienia przez nie funkcji tężników poziomych, zapewnia monolityczna płyta żelbetowa. Przy zastosowaniu płyt prefabrykowanych lub ceramicznych należy wykonać sztyw­ne połączenia belek drugorzędnych z podciągami (w płaszczyźnie stropu) albo zastosować dodatkową konstrukcję stalową — tężniki poziome (rys. a i b).

Rozmieszczenie stężeń odgrywa zasadniczą rolę przy montażu budynków szkie­letowych i dlatego przy projektowaniu konstrukcji należy, zależnie od lokalnych warunków, przewidzieć kolejność montażu, jego sposób i dostosować do tego układ stężeń. Zgodnie z rysunkiem a↓ montaż zaczyna się z jednego lub z obu końców budynku, gdzie są umieszczone stężenia. Ponieważ szkielet budynku wzdłuż osi poprzecznej składa się z ram, więc nie wymaga on specjalnych zabezpieczeń w czasie montażu. Szkielet w układzie jak na rys. b również może być montowany tylko od końców budynku, ale po wbudowaniu trzech stężeń końco­wych następne słupy — jako niepowiązane ramowo — muszą być zabezpieczone w czasie montażu do chwili połączenia montowanej konstrukcji ze stężeniami przy klatce schodowej. W budynkach większej długości są konieczne dodatkowe wewnętrzne stężenia (rys.c).

Przy projektowaniu rozmieszczenia stężeń w budynkach szkieletowych należy kierować się następującymi zasadami:

• stężenia powinny możliwie nieprzerwanie przechodzić od góry budynku aż do fundamentów w jednej płaszczyźnie i w tych samych przedziałach,

- stężenia muszą zabezpieczać stateczność całego budynku w czasie eksploata­cji, jak również w każdej fazie jego montażu; w przypadku gdy usytuowanie stałych tężników, koniecznych tylko w czasie montażu, byłoby niekorzystne (ze względów architektonicznych lub ekonomicznych), należy przewidzieć tężniki montażowe,

- po zaprojektowaniu rozmieszczenia stężeń należy sprawdzić, czy stropy bę­dą mogły przenieść siły poziome na te stężenia i w razie potrzeby stropy wzmocnić lub zagęścić stężenia pionowe,

stężenia powinny być tak zaprojektowane, aby pod działaniem wiatru ugięcie poziome budynku było nie większe niż 1/500 jego wysokości, stężenia powinny być stosowane w trzech nierównoległych płaszczyznach.

stężenia powinny być stosowane w trzech nierównomiernych płaszczyznach.

---