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 peł-nościennych 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.

---