1.WIADOMOŚCI WSTĘPNE

1.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA BUDOWNICTWA STALOWEGO

Nazwą budownictwa stalowego obejmujemy technikę projektowania, wznoszenia i eksploatacji takich budowli o konstrukcjach nośnych ze stali jak: hale przemysłowe, hangary, pawilony wystawowe, hale specjalne, wieżowce, zbiorniki, maszty i wieże, estakady, zamknięcia wodne, urządzenia górnicze itp. Nie zaliczamy tu natomiast takich konstrukcji jak: statki, dźwigi, wagony itp., gdyż stanowią one odrębną dziedzinę.

Stal w połączeniu ze stopami aluminium, szkłem i tworzywami sztucznymi daje idealne możliwości uzyskania pełnych, a zarazem jedynych efektów plastycznych, szczególnie atrakcyjnych dla współczesnego widza.

Konstrukcje stalowe mają wiele zalet. Elementy stalowe, a zwłaszcza wyroby walcowane, są wytwarzane w zakładach przemysłowych w korzystnych warunkach, pod fachową kontrolą, co daje gwarancję należytej jakości materiału. Dlatego też ze stali projektuje się najbardziej odpowiedzialne budowle, stosuje się przy tym możliwie dokładne metody obliczeń, a znacznie większa jednorodność wytrzymałości stali w porównaniu z innymi materiałami pozwala lepiej wykorzystywać jej właściwości.

Charakter tych konstrukcji pozwala na uniezależnienie wykonawstwa i ich montażu od pory roku i warunków atmosferycznych oraz na uzyskanie szybkiego tempa, budowy.

Konstrukcje stalowe, po aluminiowych, są najlżejsze spośród powszechnie stosowanych, gdyż mechaniczne własności stali pozwalają na duże naprężenia dopuszczalne

Konstrukcje stalowe można łatwo wzmacniać i przerabiać, a w przypadku rozbiórki poszczególne elementy nadają się do ponownego zastosowania. Zniszczona konstrukcja zaś zostaje przeznaczona na złom i stanowi cenny surowiec niezbędny do produkcji stali. Obok wymienionych zalet, stal jako materiał budowlany ma dwie wady, a mianowicie : szybko traci wysokie własności mechaniczne w ogniu oraz łatwo ulega korozji pod wpływem czynników zewnętrznych (wilgoć, gazy, sole). Obie te wady można znacznie zmniejszyć przez odpowiednie zabezpieczenie konstrukcji stalowej.

Z uwagi na wymienione zalety, stal znaj­duje wielostronne zastosowanie. Wykonuje się z niej np.:

a) konstrukcje nośne budynków dla zakła­dów przemysłu ciężkiego i chemicznego — ze względu na występujące znaczne rozpięto­ści, duże obciążenia i ich dynamiczny chara­kter oraz stosunkowo często zachodzącą ko­nieczność modernizacji,

b) szkielety budynków wielokondygna­cyjnych (wieżowców) — ze względu na lek­kość konstrukcji, łatwość montażu i korzyści ekonomiczne w porównaniu z żelbetem dzię­ki uzyskiwaniu małych przekrojów słupów, pomimo dużego obciążenia,

c) szkielety budynków, w przypadku któ­rych zachodzi konieczność przekrycia dużych powierzchni bez stosowania słupów pośred­nich (hale znacznych rozpiętości),

d) wysokie maszty radiowe, wieże itp. — ze względu na wymaganą lekkość kon­strukcji i łatwość montażu

e) zbiorniki na paliwa płynne i rurociągi dalekosiężne — ze względu na ich spe­cyfikę, konieczną szczelność i odporność na chemiczne działanie paliwa,

f) mosty zwodzone i obrotowe oraz mosty kolejowe i drogowe o dużych rozpiętościach: decyduje tu z jednej strony dynamiczny charakter obciążenia, z drugiej zaś duży wpływ ciężaru własnego konstrukcji i łatwość montażu,

g) estakady, dźwigi bramowe i suwnice — z uwagi na wybitnie dynamiczny cha­rakter obciążenia.

h) rusztowania typowe lub rusztowania dla większych mostów z uwagi na łatwy montaż i rozbieralność konstrukcji oraz możliwość wielokrotnego zastosowania.

Do rozwoju konstrukcji stalowych w dużym stopniu przyczyniła się technika spawania oraz możliwość stosowania śrub sprężających i klejów jako łączników.

.Z konstrukcjami stalowymi ściśle powiązane są konstrukcje z metali lekkich, na przykład ze stopów aluminium. Mały ciężar właściwy tego metalu, przy cechach wytrzymałościowych zbliżonych do właściwości stali, oraz znaczna odporność na korozję sprawiają, że w wielu przypadkach może on zastępować stal.

1.2. ZARYS HISTORYCZNY KONSTRUKCJI STALOWYCH I PERSPEKTYWY ICH ROZWOJU

Początki produkcji żelaza w Polsce sięgają roku 750 p.n.e. Znaleziska pochodzące z pierwszych wieków naszej ery, w postaci ponad tysiąca prymitywnych piecyków, a właściwie kotlinek hutniczych, wskazują na masowe — choć jeszcze bardzo pry­mitywne — wytapianie żelaza, szczególnie w rejonie Gór Świętokrzyskich oraz na Sołaczu pod Poznaniem.

Wytapianie żelaza odbywało się najpierw w kotlinkach hutniczych, potem w pie­cach stałych, tzw. dymarkach. W XIII wieku zaczęto wykorzystywać siłę wodną' do poruszania miechów hutniczych i młotów kuziennych, co sprzyjało dalszemu roz­wojowi hutnictwa.

Po upadku gospodarczym w czasach saskich, renesans hutnictwa polskiego na­stępuje dopiero w połowie XVIII wieku. W tym okresie pracują już 34 wielkie piece. Hutnictwo Zagłębia Staropolskiego opierało się jednak wciąż jeszcze na wy­korzystywaniu węgla drzewnego i siły wodnej. Od końca XVIII wieku zaczyna wy­suwać się na czoło Śląsk, którego zakłady pracują na węglu kamiennym, a później przy zastosowaniu maszyny parowej. Nowa technika stopniowo zastępuje starą. Upada hutnictwo staropolskie i upadają takie zakłady, jak Kuźnice pod Zakopanem, niegdyś największy zakład hutniczy na południu Polski.

W 1913 r. na terenach, które w okresie międzywojennym należały do Polski, produkcja stali wynosiła 1,7 min t. Okres międzywojenny nie przyniósł większego wzrostu tej produkcji. Dopiero po drugiej wojnie światowej polski przemysł hut­niczy zaczął rozwijać się intensywnie; produkcja stali wynosiła w r. 1950 — 2,5 min t, w r. 1960 — 6,7 min t, a w r. 1970 — 11,5 min t. Prognoza na r. 1985 przewiduje wzrost produkcji stali do 23 min t.

Żelazo jako materiał konstrukcyjny zaczęto stosować w budownictwie w końcu XVIII wieku. W latach 1777 — 1779 zbudowano w Anglii pierwszy most metalowy jest to łukowy most żeliwny, istniejący do dziś. Jednym z pierwszych mostów metalowych na kontynencie europejskim był most o rozpiętości ok. 13,00 m, wykonany ok. 1797 r. na Dolnym Śląsku koło Strzegonia. Pierwsze formy budownictwa stalowego były wzorowane na formach budownictwa drewnianego i kamiennego. Powstawały więc łuki żeliwne, składane z klinów na wzór ciosów kamiennych. Pierwsze przekrycia teatrów czy hal miały nie tylko układ prętów zaczerpnięty z wiązarów drewnianych, ale niejednokrotnie były wykonywane w konstrukcji mieszanej; pręty ściskane były drewniane a rozciągane — żeliwne. Przykładem jest dach teatru Komedii Francuskiej w Paryżu z r. 1786 (rys.1) ,oraz dach Pałacu Zimowego w Leningradzie z r. 1837. Budownictwo żeliwne zastosowano po raz pierwszy również w Anglii w 1796 r. w stropach kilku piętrowego budynku fabryki włókienniczej

Rys. 1 Konstrukcja dachu teatru Komedii Francuskiej Paryżu

Również w połowie XIX wieku żeliwo jest zdecydowanie wypierane przez żelazo, a później przez stal.

W tym czasie powstaje bardzo dużo ciekawych konstrukcji stalowych, jak pałac kryształowy w Londynie—1851 r., pawilony wystawowe w Paryżu w latach 1867—1889, hale dworcowe we Frankfurcie i Dreźnie, sławna wieża Eiffla o wysokości 300 m — 1889 r. i wiele innych.

Udział polskiej myśli technicznej w rozwoju konstrukcji metalowych w wieku XIX i w początkach wieku XX zaznaczał się na obczyźnie. Z uwagi na warunki gospodarcze na naszych terenach rozwijały się wówczas drewniane konstrukcje inżynierskie.

Wiele śmiałych polskich projektów mostów metalowych pozostało nie zrealizowanych. Dopiero w 1864 r. wybudowano w Warszawie most według projektu znakomitego inżyniera pochodzenia polskiego, budowniczego wielu mostów stalowy Stanisława Kierbedzia (1810—1899), pracującego przez całe niemal życie w Rosji..

Również w Rosji rozpoczął swą inżynierską działalność Andrzej Pssenicki (186! 1945), znany konstruktor i naukowiec, twórca wielu mostów w Polsce i w Rosji, m.in. mostu Pałacowego w Leningradzie, późniejszy profesor Politechniki Warszawskiej.

W Stanach Zjednoczonych dobre imię polskiego inżyniera konstruktora ugruntował Rudolf Modrzejewski (1861—1940), który zaprojektował tam i doprowadził do rea­lizacji kilka mostów kratowych i wiszących.

Po drugiej wojnie światowej projektowanie konstrukcji stalowych w Polsce po­dejmowały biura projektów, pracujące dla potrzeb poszczególnych resortów, orga­nizując pracownie specjalistyczne. Z biegiem czasu dopiero powołane zostało do życia Biuro Studiów i Projektów Konstrukcji Stalowych ,,Mostostal", które miało za cel normalizowanie pracy projektowo-konstruktorskiej, prowadzenie własnych badań w tej dziedzinie i rozwijanie postępu technicznego. Inicjowanie i koordyno­wanie badań oraz czuwanie nad całokształtem rozwoju tej dziedziny techniki prze­jęła Sekcja Konstrukcji Metalowych Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej Polskiej Akademii Nauk.

Zorganizowane przez Komitet Inżynierii i PAN i Polski Związek Inżynierów i Techni­ków Budownictwa krajowe konferencje poświęcone konstrukcjom metalowym w bu­downictwie i mostownictwie (lata 1958, 1962, 1966,1970, 1974) przyczyniły się do przywrócenia tym konstrukcjom należnej rangi w dziedzinie konstrukcji inżynierskich wskazywały na zagadnienia właściwie pojętej ekonomiki konstrukcji oraz na stra­ty, jakie może powodować zastępowanie konstrukcji stalowych żelbetowymi, w imię źle pojętej oszczędności stali.. Przewidziano na cele budowlane większy niż dotąd procent ogólnej produkcji stali. Wybudowano nowe wytwórnie konstrukcji stalowych. Opracowano całe systemy hal stalowych, zakładając bardzo duży około trzykrotny wzrost ich produkcji w okresie najbliższego dziesięciolecia.

W krajach, które w czasie drugiej wojny światowej nie poniosły takich strat i nie doznały takich zniszczeń jak Polska, rozwój konstrukcji stalowych postępował szybko naprzód. Powstały budowle śmiałe, ciekawe jeśli chodzi o koncepcję i piękne w roz­wiązaniu architektonicznym, przy wykorzystaniu stali wysokowartościowych, me­tali lekkich i tworzyw sztucznych.

W wielu krajach były wznoszone w tym czasie wysokościowce o szkielecie stalowym osłoniętym betonem lub wykładziną, kamienną; w ZSRR Uniwersytet Łomonosowa w Polsce Pałac Kultury i Nauki i wiele innych. Mosty stalowe osiągają roz­piętość przęsła 1280 m.

W Polsce szybko nadrabia się duże zaległości w tym względzie. Powstają nowo­czesne konstrukcje budynków przeznaczonych na cele mieszkaniowe i użyteczności publicznej oraz piękne hale sportowo-widowiskowe. Wybudo­wany został najwyższy maszt radiowy Europy o wysokości ponad 600 m.

Rozwój konstrukcji metalowych idzie kilkoma torami. Od strony teoretycznej oprowadza się i udoskonala metodę stanów granicznych, pozwalającą na określanie rzeczywistej nośności konstrukcji, a zatem i na zapewnienie pożądanego stopnia pewności. Od strony materiału konstrukcyjnego poszukuje się stali o coraz wyższych parametrach wytrzymałościowych, stosuje się profile cienkościenne ze stali ulep­szonych obróbką plastyczną, produkuje się stale o zwiększonej odporności na korozję i udoskonala ich zabezpieczanie przez powlekanie tworzywami sztucznymi, udo­skonala się lekkie stopy aluminiowe. Kształtowanie konstrukcji zmierza w kierunku wykorzystania ustrojów linowych i konstrukcji sprężonych, przy równoczesnym zmniejszaniu obciążeń zewnętrznych dzięki stosowaniu laminatów. Poszukiwania nowych metod łączenia elementów metalowych prowadzą do ulepszenia metod spa­wania oraz do stosowania śrub sprężających, kołków wstrzeliwanych i klejów.

2. PODSTAWOWE ELEMENTY STALOWE

2.1. ELEMENTY WALCOWANE

Walcowanie jest obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą kształtowania wy­robów stalowych. Przez walcowanie materiał staje się bardziej jednorodny, a ponadto zyskuje na wytrzymałości...

Poszczególne typy kształtowników walcuje się w różnych wielkościach. Należyty dobór stopniowania wymiarów kształtowników poszczególnych typów i ustalanie tzw. wymiarów chodliwych odgrywa szczególną rolę. Zadanie to rozwiązywane jest przez Centralny Zarząd Zbytu Stali przy współpracy Polskiego Komitetu Normalizacji i Miar, co znajduje wyraz w wydawanym programie wyrobów walcowanych przez polskie huty.

Rozmaite przekroje walcowanych kształtowników przedstawiono przykładowo na rys.

Poniżej omówione są ważniejsze, częściej stosowane typy przekrojów:

l. Stal okrągła stosowana jest w budownictwie stalowym do wyrobu nitów i śrub, na wieszaki i ściągi, a ponadto — na równi ze stalą kwadratową — na poręcze oraz do innych mniej ważnych celów. Zwykłe długości handlowe stali okrągłej wy­noszą zależnie od średnicy 3—15 m lub 3—8 m, średnice zaś 5,6—150 mm, przy tolerancji ±0,5 do ±2 mm, zależnie od średnicy.

2. Płaskowniki mają szerokość 20—150 mm, a grubość 6—40 mm (ele­menty płaskie o mniejszej grubości noszą nazwę bednarki). Długość normalna wy­nosi 3—9 m, tolerancja grubości ±0,5 do ±1,6 mm, tolerancja szerokości ±1 do ±3mm.

Rys.2. Przekroje kształtowników walcowanych

3. Kątowniki są szczególnie ważnymi kształtownikami: wy­stępują samodzielnie jako pręty kratownic i lekkie słupy, a w połączeniu z blachami i stalą uniwersalną —jako belki blaszane o przekroju dwuteowym i skrzynkowym. Stanowią ponadto łączniki między schodzącymi się pod kątem prostym blachami. lub dźwigarami. Kąt między ramionami kątowników jest prosty; stosunek szero­kości ramion bywa 1:1, 2:3 lub 1:2. Każdej szerokości ramion odpowiadają dwie lub więcej grubości. Kątowniki mają długość 3—12 m, a najwyżej 15m.

4.-Teowniki mogą być niskie, mające szerokość stopki równą podwójnej wysokości ścianki, oraz wysokie, w których szerokość stopki jest równa wysokości ścianki. W budownictwie stosuje się je jako szczebliny okienne przy szkle­niu na kicie, a obecnie również jako samodzielne pręty kratownic spawanych. Teowniki mają normalnie długość 3 —12 m.

5. Zetowniki są. rzadko stosowane w budownictwie. Normalne ich długości wynoszą 3—12m.

6. Dwuteownik są powszechnie stosowane w budownictwie. Ich kształt charakteryzuje skoncentrowanie materiału w stopkach, stąd nadają się szczególnie na belki, pod obciążenia działające w płaszczyźnie średników.

Dwuteowniki normalne mają nachylenie wewnętrznych powierzchni stopek wy­noszące 14 %; walcowane w Polsce mają wysokość do 550 mm i długość 3 —12 m, najwyżej 14 m.

W ostatnich latach były walcowane głównie dwuteowniki z pocienianym średnikiem. Kształtowniki te są korzystniejsze przy stosowaniu ich na ustroje belkowe. Odmianę tych kształtowników stanowią dwuteowniki ekonomiczne. W porównaniu z dwuteownikami normalnymi ce­chuje je racjonalniejsze rozmieszczenie materiału.

Wprowadzone zostały również na rynek dwuteowniki równoległościenne, charakte­ryzujące się stałą grubością stopek oraz ekonomiczniejszym doborem szerokości stopek i grubości średnika. W istniejących starszych konstrukcjach można spotkać profile dwuteowe o-in­nych proporcjach.

7. Ceowniki są bardzo chętnie stosowane na słupy złożone, pasy większych wiązarów dachowych, pasy kratownic mostowych oraz elementy budyn­ków szkieletowych.

Ceowniki normalne mają nachylenie wewnętrznych powierzchni stopek wynoszące 8%; walcowane w Polsce mają wysokość do 300 mm i długość 3—12 m, najwyżej 14 m.

Pewną odmianę tych kształtowników stanowią ceowniki ekonomiczne. Mają one nieco odmienne proporcje poszczególnych wymiarów.

8. Profile noskowe stanowią specjalne elementy przeznaczone do wykonywania spawanych belek blaszanych.

9.Szyny zwykłe i tramwajowe oraz profile znajdujące zastosowanie w budownictwie okrętowym.

10. Drobne elementy walcowane stanowią uchwyty do poręczy schodowych, szczebliny okienne itp.

11. Blachy walcowane dzielimy na gładkie i żeberkowe. Wśród blach gładkich rozróżnia się: cienkie grub. poniżej 3mm, średnie grub. 3—4,5mm i grube grub. 5—100mm. Blachy cienkie stosuje się na pod­kładki, okładziny, wypełnienia i elementy pokrycia oraz przerabia się je za po­mocą tłoczenia na blachy faliste. Do właściwych konstrukcji, tj. na bla­chy węzłowe, ścianki większych blachownie, zbiorniki, pomosty mostów stalowych itp. stosuje się tylko blachy grube. Normalne wymiary arkuszy blach wynoszą od 1000 x 2000 do 1500 x 3000 mm; poza tym, zależnie od grubości, blachy mogą być dostarczane w szerokościach 1000—3500 mm i długościach 3,50—16,00 m.

Blachy żeberkowe—(rys.3) z jednej strony gładkie—mają na drugiej stronie odwalcowane żeberka. Wysokość tych żeberek wynosi 1,2— 1,6mm. Mówiąc o grubości blachy żeberkowej rozumie się jej grubość bez uwzględ­niania wysokości żeberek; grubość ta wynosi 3,5—10mm. Blachy te stosowane są na pokłady okrętowe, pokrywy kanałów w podłogach budynków przemysło­wych, na spoczniki schodów stalowych itp.

Rys.3. Blachy żeberkowe

12. Taśmy walcowane na zimno lub na gorąco mają grubość 0,05—4 mm, a szerokość do 300mm. Dostarczane są w kręgach o średnicy wewnętrz­nej 150 — 600 mm, zależnie od grubości taśmy. Przy grubościach powyżej 2 mm taśmy między innymi do wyrobu kształtowników cienkościen­nych i rur zgrzewanych.

3.2. ELEMENTY TŁOCZONE I KUTE

Za pomocą tłoczenia wykonuje się blachy kolebkowe, nieckowe, faliste i żeberkowe oraz nity, śruby, sworznie, nakrętki itp. Używa się przy tym specjalnych urządzeń mechanicznych, pracujących przeważnie na zasadzie pras hydraulicznych o dużym ciśnieniu. Niektóre z wymienionych blach wyrabiane są obecnie również przez wal­cowanie.

Blachy nieckowe i kolebkowe są stosowane przeważnie pod jezdnie stalowych mostów kolejowych i drogowych. W celu łatwiej­szego przymocowania do dźwigarów mają one brzegi płaskie o szerokości 60—150mm. Blachy faliste mogą być płytko faliste lub głęboko faliste. Blachy płytko faliste, zwykle cynkowane, stosuje się do kryci dachów, wypełniania ścian małych obiektów i do drzwi stalowych. Z blach głęboko falistych wykonuje się dachy bezwiązarowe, a w pewnych przypadkach konstrukcje stropowe.

Kucie ma małe zastosowanie w budownictwie stalowym; ogranicza się jedynie do połączeń sworzniowych lub specjalnie skomplikowanych łączników. Kucie drobnych części odbywa się ręcznie, większych zaś przy użyciu młotów parowych, pneumatycznych oraz specjalnych pras, które cechuje doskonałość wykonywania i ekonomii pracy. Kucie ma większe zastosowanie w przemyśle maszynowym.

3.3. ELEMENTY ZIMNOGIĘTE

Profile zimnogięte z blach cienkich, przeznaczone na konstrukcje budowlane, wy­konuje się ze stali St3S oraz 18G2 z atestem hutniczym lub zaświadczeniem odbioru. normom hutniczym.

Do produkcji profilów cienkościennych zimnogiętych stosuje się taśmy (blachy) o grubości 1,5—5,0mm. Właściwości dodatkowe tych blach powinny być tego rodzaju, aby obróbka plastyczna na zimno nie oddziaływała ujemnie na własności mechaniczne i technologiczne materiału.

Formowanie profilów przez gięcie blach uzyskujemy, wykorzystując: a) ciągarki oczkowe lub rolkowe, b) giętarki, c) krawędziarki, d) prasy do gięcia.

Praca ciągarki i giętarki polega na ciągnieniu blachy, przyciętej do odpowiedniej szerokości, przy równoczesnym stopniowym jej zginaniu aż do uzyskania wymaga­nego profilu. Krawędziarki i prasy formują od razu na całej długości przewidziane zagięcia.

Do produkcji profilów znormalizowanych stosuje się głównie walcarki rolkowe, zwane też giętarkami, o ruchu ciągłym, których działanie przypomina walcowanie profilów kształtowanych na gorąco. Wydajność takich urządzeń jest znaczna. Z uwagi na całkowite zmechanizowanie ich pracy nie wymagają wysoko kwalifiko­wanej obsługi, a koszt robocizny na jednostkę produkcji jest bardzo niski.

Kształtowanie profilów na krawędziarkach składa się z szeregu powtarzających się faz, przy czym poszczególne operacje związane z każdą fazą nie mogą być zme­chanizowane. Krawędziarki powinni obsługiwać robotnicy o wysokich kwalifikacjach.

Przy projektowaniu kształtu profilu cienkościennego należy mieć na uwadze dwie zasadnicze okoliczności: oszczędność materiału oraz łatwość prac warsztatowych, związanych z łączeniem poszczególnych elementów w zespoły. Za pomocą spawania lub częściej zgrzewania oporowego można z pojedynczych profilów uzyskać przekroje złożone (rys.4).

Rys.4. Przekroje kształtowników zimnogiętych

3.4. ELEMENTY LANE

Wyroby lane powstają przez wypełnienie roztopionym metalem odpowiednich form, w których metal ostyga aż do całkowitego stwardnienia. Do tego celu stosuje się żeliwo szare i staliwa. Formy wykonuje się najczęściej w skrzyniach stalowych, zazwyczaj z wilgotnego, ostrego, drobnoziarnistego piasku z pewną domieszką gliny, ułatwiającej formowanie. Mieszanina ta (masa formierska) powinna mieć konsystencję taką, aby łatwo przepuszczała gazy wydzielające się przy odlewaniu. Dla elementów wymagających wszechstronnego formowania wykonywane są formy, składające się z dwóch lub więcej części wzajemnie do siebie przylegających..

Metodą odlewu można nadawać wyrobom zupełnie dowolne kształty. Bardzo mała wytrzymałość żeliwa na rozciąganie w stosunku do wytrzymałości na ściskanie oraz jego kruchość powodują, że jest ono stosowane w budownictwie do celów drugorzęd­nych i prawie wyłącznie na elementy narażone tylko na ściskanie. W pewnym okresie z żeliwa chętnie wykonywano rozmaite elementy konstrukcyjne, a szczególnie słupy ściskane osiowo.

Obecnie stosowanie żeliwa w budownictwie jest bardzo ograniczone. Zastępuje je staliwo, z którego wykonywane są elementy różnego rodzaju łożysk oraz takie części konstrukcyjne, które trudno byłoby uformować inną metodą, np. żebra kotwiące przy rozgałęzieniach rurociągu pracującego pod ciśnieniem.

W przeciwieństwie do innych metod produkcyjnych w odlewnictwie spotyka się stosunkowo największą liczbę wyrobów z wadami. Wady te można podzielić na pięć grup: wady kształtu,, wady powierzchni surowej, przerwy ciągłości, wady wew­nętrzne, wady materiału..

Ważniejsze z tych wad to pęcherze gazowe, jamy usadowe i rzadzizny, wtrącenia masy formierskiej lub żużla, pęknięcia, fałdy i blizny.

3.Łączniki stosowane w budownictwie stalowym

3.1.NITY

Równocześnie z rozwojem walcownictwa i wzrostem zużycia stali do konstrukcji inżynierskich i budowlanych rozwijały się i udoskonalały metody nitowania, a kon­strukcje nitowane w różnorodnych warunkach wykazały swoją całkowitą dosko­nałość. W chwili obecnej jeszcze najbardziej odpowiedzialne konstrukcje stalowe, obciążone dynamicznie, wykonuje się niekiedy przy zastosowaniu nitów. Nitowanie ustępuje jednak miejsca stale udoskonalanemu spawaniu. Spośród aktualnie wyko­nywanych konstrukcji stalowych niespełna 10 % jest nitowanych..

3.1. 1.NITOWANIE I JEGO KONTROLA

Nitowanie, przedstawione schematycznie na rys.5 , polega na tym, że nit surowy, rozgrzany do temperatury jasnoczerwonego żaru wprowadza się w odpowiednie otwory łączonych elementów i-zakuwa.

Nit surowy składa się z łba, trzpienia właściwego o długości odpowiadającej gru­bości elementów łączonych oraz z końcówki trzpienia, przeznaczonej na przekucie i uformowanie nakuwki. Długość całego trzpienia, zwaną długością nitu, przyjmuje się w zależności od jego średnicy i od sumarycznej grubości elementów łączonych.

Łeb może mieć różne kształty, zależnie od rodzaju nitu. Rys.6 przedstawia cztery zasadnicze rodzaje nitów. W budownictwie prawie wyłącznie stosuje się nity mocne (a) oraz nity wpuszczone (c). Nity szczelno-mocne (b) używane | są przy wykonywaniu połączeń płaszcza zbiorników na ciecze oraz połączeń kotłów i podobnych konstrukcji, w których nity oprócz przenoszenia sił działających w połączeniu muszą zapewnić szczelność.

Nity soczewkowe (d) stosuje się w miejscach, gdzie łby kuliste zwykłe nie mogą się pomieścić.

Rys.5. Schemat zakuwania nitu Rys.6.Łby nitów

Średnica trzpienia nitu jest o l mm mniejsza od średnicy otworu, aby po nagrzaniu można było nit łatwo wprowadzić do tego otworu. Między łbem a trzpieniem nit ma małe zaokrąglenie i odpowiednio do tego należy dostosowywać otwór w elemen­tach łączonych, aby nit mógł być bez przeszkód dobrze dopasowany. Nit surowy ma średnicę zmienną; przewidzianą dla niego średnicę d ma tylko na krótkim odcinku przy łbie, po czym następuje łagodne przejście stożkowe do średnicy nieco mniejszej. przy. Z reguły, jako górną gra­nicę ogólnej grubości elementów łączonych przy użyciu nitów z łbem kulistym, przyjmuje się 5d.

Przy większych grubościach należy stosować śruby. Z uwagi na to, że przy stygnięciu nitu po jego zakuciu powstają w trzpieniu znaczne napręże­nia rozciągające, nity nie powinny być używane do przenoszenia większych sił roz­ciągających

Nity o średnicy 4, 6, 8 mm, zakuwane na zimno, stosuje się tylko do konstrukcji cienkościennych i przy robotach ślusarskich. Do właściwych konstrukcji stosuje się nity o średnicy od 11 mm wzwyż. Przez średnicę nitu należy rozumieć średnicę otworu wierconego, a nie średnicę nitu surowego.

Otwory na-nity mogą być przebijane lub wiercone. W przypadku blach cienkich, przy robotach podrzędnych, stosuje się przebijanie jako tańsze, natomiast w kon­strukcjach nośnych otwory należy wiercić. W elementach ze stali o podwyższonej wytrzymałości przebijanie otworów nie jest dozwolone.

3.2.ŚRUBY

3.2.1.OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ŚRUB

Połączenia za pomocą śrub (z wyjątkiem śrub sprężających) stosuje się w konstruk­cjach stałych wówczas, gdy:

— połączenie może być w pewnym niewielkim stopniu ruchome,

— łączy się elementy lane, kłopotliwe przy spawaniu,

— spawanie jest z pewnych względów utrudnione lub nie dawałoby gwarancji należytego wykonania,

— łączenie na budowie śrubami przy mniej odpowiedzialnych połączeniach jest bardziej ekonomiczne.

W budownictwie stosuje się prawie wyłącznie śruby o gwincie ostrokątnym (rys. 7), gdyż przy takim gwincie uzyskuje się największe tarcie w nakrętkach.

Rys.7.Kształt gwintu ostrokątnego

Następujące główne rodzaje śrub znajdują zastosowanie w budownictwie:

Zwykłe śruby zgrubne (surowe) o łbach i nakrętkach sześciokąt­nych (rys.8) wykonane ze zwykłej stali budowlanej. Obrobione są one tylko na krótkim odcinku gwintowanym, należy zatem liczyć się z luzem od 0,5 do 2 mm

e

r

Rys.8. Śruby zgrubne

między trzpieniem a wywierconym otworem.

Śruby dokładne, pasowane (toczone), z trzpieniem na całej długości ściśle okrągłym i o stałej średnicy. Wypełniają one należycie otwór; stosowane są w przypadku konieczności przenoszenia większych sił oraz w połączeniach, w któ­rych wzajemne przesunięcie elementów łączonych ma być sprowadzone do minimum.

Wkręty do stali (rys.9) służące zazwyczaj do przymocowywania części stalowych do elementów żeliwnych lub staliwnych; mogą mieć łby sześcio­kątne albo wpuszczane.

Śruby kotwiące (rys.10) o drugorzędnym znaczeniu, służące do przymocowywania konstrukcji stalowej do bloków betonowych. Stosuje się je często przy podstawach słupów stalowych, przy mocowaniu łożysk wiązarów dachowych, ram, podwalin ścian szkieletowych.

Nakrętki rzymskie, zwane też ściągaczami, służące do napinania ściegów stalowych. Pręty okrągłe, stanowiące ściąg, mają na końcach gwinty, jeden prawoskrętny, drugi lewoskrętny; na oba te końce równocześnie nakręca się odpowiednio wykonane nakrętki.

Rys. 9 Wkręt do stali Rys. 10 Śruby kotwiące

Aby materiał ściegu mógł być wykorzystany, część pręta przez­naczona pod gwint powinna być tak pogrubiona, aby średnica rdzenia śruby była równa średnicy pręta poza gwintem. Do łączenia i naciągania cięgien krzyżujących się stosuje się zamek w kształcie pierścienia.

4.3.SPOINY I ZGRZEINY

4.3.1.OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA METOD SPAWANIA

Spawaniem nazywamy łączenie elementów metalowych przez przetopienie ich brze­gów; zazwyczaj przetapia się równocześnie materiał dodatkowy o składzie chemicz­nym zbliżonym do składu materiału elementów łączonych.

W budownictwie przy robotach blacharskich stosuje się lutowanie. W tym przy­padku szczelinę między łączonymi elementami wypełniamy stopem cyny z ołowiem, o temperaturze topnienia ok. 350°C lub stopem miedzi z cynkiem (mosiądzem) o temperaturze topnienia ok. 800°C; powstaje złącze szczelne, ale o małej wytrzy­małości.

Szczególną odmianą spawania jest zgrzewanie; w tym przypadku części łączone nagrzewa się w miejscu styku do temperatury bliskiej temperatury topnienia i do­ciska wzajemnie do siebie. Materiał odkształca się i wzajemnie przenika, tworząc po ostygnięciu trwałe i wytrzymałe połączenie.

Jako źródło ciepła wykorzystujemy przy spawaniu najczęściej łuk elektryczny lub płomień acetylenowo-tlenowy; mówimy więc o spawaniu elektrycznym lub ga­zowym. Krzepnięcie spoiny, ze względu na małą objętość jeziorka roztopionego metalu i energiczne odprowadzanie ciepła przez otaczający zimny metal i atmosferę, prze­biega bardzo szybko.

Podczas spawania i krzepnięcia spoiny zachodzą reakcje, z których większość to utlenianie metalu i redukcja tlenków. Składniki otuliny elektrod tworzą atmosferę ochronną eliminującą dostęp tlenu i azotu z powietrza, niektóre zaś z nich, silniej powinowate w stosunku do tlenu aniżeli spawany metal, tworzą tlenki i przechodzą do żużla. Jako odtleniacze stosuje się najczęściej węgiel, krzem, mangan i tytan.

W złączu spawanym zróżnicowanie warunków krzepnięcia i stygnięcia oraz skurcz termiczny materiału powodują wspomniane różnice w strukturze między spoiną a materiałem rodzimym oraz naprężenia spawalnicze. Czynniki te, przy niektó­rych gatunkach stali, w istotny sposób wpływają na właściwości mechaniczne po­łączenia spawanego i mogą przekreślić wartość techniczną takiego złącza przez zmniejszenie udarności i ciągliwości oraz powodowanie skłonności do kruchych pęknięć.

Ogólnie biorąc jednak wytrzymałość poprawnie wykonanego połączenia spawa­nego jest przy obciążeniach statycznych nie mniejsza od wytrzymałości materiału rodzimego. Wytrzymałość zmęczeniowa, ze względu na nieuniknione w złączu karby postaciowe i strukturalne, jest z reguły mniejsza. Obróbka cieplna oraz obróbka mechaniczna, jak młotkowanie, zeszlifowanie nadlewu spoiny czołowej lub zakończenia spoiny pachwinowej mają na celu podniesienie przede wszystkim wytrzymałości zmęczeniowej.

Szczególnej uwagi przy doborze odpowiedniej metody i technologii spawania wymaga stosowanie na konstrukcje spawane stali bainitycznej (14HNMBCu).

4.3.2. SPAWANIE ŁUKOWE RĘCZNE

W przestrzeni łuku elektrycznego powstaje temperatura do 4000°C, na biegunach zaś do 6000°C. Najmniejsze napięcie, umożliwiające powstanie i utrzymanie łuku zależy od jego długości, materiału elektrody i materiału rodzimego oraz potencjału jonizacyjnego atomów gazu znajdującego się w przestrzeni łukowej. Względy bez­pieczeństwa i troska o jakość złącza nakazują stosować krótki łuk i możliwie małe napięcie. Praktycznie, do zajarzenia łuku stosuje się napięcie zapłonu 60—100 V. W czasie jarzenia się łuku, tzw. napięcie robocze wynosi 20—45 V. Spawacz zajarza łuk elektryczny pocierając koniec elektrody o przedmiot spawany i następnie odsu­wając go na odległość 2—5mm. Podczas zajarzania w łuku płynie tzw. prąd zwarcia większy od natężenia prądu roboczego.

Optymalne natężenie prądu roboczego zależy przede wszystkim od średnicy elek­trody, w mniejszym zaś stopniu od jej gatunku, pozycji spawania i grubości elementów łączonych.

Nieco większe natężenie stosujemy przy spawaniu w pozycji podolnej, przy wyko­nywaniu spoin pachwinowych, kiedy używamy elektrod grubo otulonych i gdy spa­wamy przedmioty o dużej masie.

Do spawania elektrycznego stosuje się prąd zmienny i stały.

W budownictwie znajdują powszechne zastosowanie spawarki prądu zmiennego ze względu na ich wysoką sprawność (ok. 90 %), mały koszt produkcji i konserwacji. Tylko niskostopowe stale o podwyższonej wytrzymałości spawa się przy użyciu prądu stałego, ze względu na stosowane elektrody o zasadowej otulinie.

Prąd w obwodzie wtórnym ze spawarki płynie przewodem do uchwytu elektrody , stąd przez elektrodę, łuk, przedmiot spawany, klamrę i drugi przewód ; wraca do spawarki

Rys.11.Uchwyty do elektrody

Dwa rodzaje uchwytów elektrody są przedstawione na rys11. Uchwyt służy do trzymania elektrody i doprowadzenia do niej prądu. Przy spawaniu używa się miedzianych przewodów oporowych. Przekrój przewodu zawiera się w granicach 35—95mm² i zależy od stosowanego natężenia. Spadek napięcia na przewodach spawalniczych , nie powinien przekraczać 4 V.

Niezbędnym pomocniczym wyposażeniem jest zacisk śrubowy lub magnetyczny, młotek do odbijania żużla i szczotka druciana.

Na sprzęt ochrony osobistej spawacza skła­dają się skórzane rękawice, skórzany fartuch i tarcza lub przyłbica ochronna.

Na jakość połączenia spawanego istotny wpływ wywiera gatunek stosowanych elektrod. Do spawania można używać elektrod nietopliwych lub elektrod topliwych. W budownictwie stosuje się topliwe elektrody metalowe i to głównie otulone. Masa otulinowa nakładana jest na drut w specjalnych ;prasach, rzadziej metodą zanurzania.

4.3.3. SPAWANIE AUTOMATYCZNE

Masowość prac spawalniczych, dążenie do ich przyśpieszenia, potanienia i polepszenia skierowały spawalnictwo na drogę automatyzacji. Automaty spawalnicze umożliwiają stosowanie gęstości prądu do 200 A/mm² i natężenia do 3000 A. Wydajność spawania automatycznego jest prawie dziesięciokrotnie większa niż spawani ręcznego. Obsługa automatu spawalniczego nie wymaga tak wysokich kwalifikacji spawacza, jak spawanie ręczne. Spoiny wykonywane automatycznie mają dobrą i trwałą jakość, podczas gdy jakość spoin układanych ręcznie zależy w dużej mierz od kwalifikacji, sumienności i samopoczucia spawacza.

Ukosowanie krawędzi łączonych elementów jest czynnością pracochłonną. Stosowane przy spawaniu automatycznym duże natężenie prądu gwarantuje głęboki przetop, co umożliwia uniknięcie ukosowania przy grubościach do 15mm. Wadą automatów i półautomatów spawalniczych jest strata pewnej ilości czasu na ich instalowanie, co przy spoinach krótkich niweczy korzyści związane ze wzrostem prędkości spawania. Wymiary głowicy automatu uniemożliwiają układanie spoin w miejscach trudno dostępnych. Najszerzej rozpowszechniły się automaty i półautomaty do spawania łukiem krytym, ale spawać nimi można tylko w pozycji podolne.

Automat spawalniczy mechanizuje dwie czynności: podawanie drutu elektrodowego w miarę jego topienia się i przesuw łuku wzdłuż spoiny w miarę jej narastania. W półautomacie spawalniczym spawacz ręcznie przesuwa elektrodę wzdłuż spoiny. Urządzenie do podawania drutu elektrodowego w automatach nazywamy głowicą, a w półautomatach podajnikiem.

Automaty i półautomaty spawalnicze mogą być zasilane przez spawarki prądu zmiennego lub stałego o odpowiednim zakresie mocy.

Automat może poruszać się bezpośrednio po materiale spawanym lub też po specjalnym torze. Szybkość spa­wania zawiera się w granicach 10—70 m/h.

Przy spawaniu automatycznym dla ochrony przed wytapianiem dziur w materiale stosujemy podkładki miedziane, miedziano-topnikowe lub poduszki topnikowe albo też podspawamy ręcznie spoinę od strony grani. Rzadziej do tych celów używamy podkładek stalowych

Rys.12.Schemat półautomatu

Coraz szersze zastosowanie znajduje spawanie półautomatyczne. Do zalet tego spawania można zaliczyć:

-stosunkowo niewielki koszt materiałów dodatkowych,

-wysoką wydajność, szczególnie przy spawaniu w pozycji pionowej i naściennej,

-możliwość obserwowania łuku w czasie spawania,

-korzystne właściwości mechaniczne złączy spawanych.

4.3.4. SPAWANIE GAZOWE

W obecnym stadium rozwoju techniki spawalniczej spawanie gazowe w porównaniu z elektrycznym jest nieco droższe, powolniejsze. Dlatego też jest ono wykorzysty­wane głównie do drobnych robót spawalniczych, prac remontowych i przy łączeniu elementów o grubości do 3 mm, gdyż w tym przypadku spawanie elektryczne jak­kolwiek możliwe, jest mniej pewne ze względu na niebezpieczeństwo przepalania blach. Sprzęt stosowany przy spawaniu gazowym w wytwórniach konstrukcji stalo­wych jest w pełni wykorzystywany do podgrzewania i prostowania elementów oraz do cięcia i ukosowania za pomocą tlenu.

Najkorzystniejszym gazem palnym do celów spawalniczych okazał się acetylen.

Ciśnienie acetylenu gazowego, ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu, musi być ograniczone do 1,5 at. Acetylen rozpuszczony w acetonie może być sprężany do 16at. Można go też produkować na miejscu z karbidu w specjalnych urządzeniach zwa­nych wytwornicami

Istnieją dwie metody gazowego spawania w pozycji podolnej: spawanie w lewo i spawanie w prawo. Spawanie w lewo jest łatwiejsze, a spoiny otrzymują ładniejszy wygląd. Spawanie w prawo zapewnia głębokie przetopienie materiału. Spawanie w pozycji naściennej pionowej odbywa się zawsze w kierunku ku górze, w układzie podobnym do spawania w lewo.

4.3.5. ZGRZEWANIE ELEKTRYCZNE

W zależności od kształtu złącza i techniki wykonywania zgrzeiny mówimy o zgrzeinach i zgrzewarkach doczołowych, punktowych, garbowych i liniowych. We wszystkich wymienionych zgrzewarkach potrzebne ciepło otrzymujemy jako ciepło Joule'a z obwodu wtórnego zgrzewarki, przez który przepływa prąd elektryczny o dużym natężeniu i napięciu od kilku do kilkunastu woltów. W budowlanych konstrukcjach stalowych szczególne zastosowanie znajdują zgrzewarki punktowe. Wskutek dużego oporu elektrycznego na styku obu blach wydziela się bardzo dużo ciepła, co doprowadza do stopienia metalu i powstania zgrzeiny. Duże natężenie prądu w obwodzie wtórnym powoduje też silne nagrzewanie się samych elektrod, które w związku z tym muszą być chłodzone. W zgrzewarce możemy rozróżnić dwa współdziałające urządzenia: źródło prądu i mechaniczny układ dociskowy. W zgrze­warkach stałych źródło prądu tworzy jedną całość z układem dociskowym. W zgrzewarkach przenośnych źródło prądu jest połączone giętkimi przewodami z układem dociskowym, nazy­wanym w tym przypadku zgrzewadłem. Tego typu zgrzewarki są zwykle wyposażone w kilka wymiennych, przenośnych zgrzewadeł dostosowanych do różnego kształtu konstrukcji.

Dla celów budowlanych szczególnie interesujące jest zgrzewadło pistoletowe, jednostronne. Nacisk w zgrzewadłach może być wywierany ręcznie, pneumatycznie lub hydraulicznie.

Średnica jądra poprawnej zgrzeiny zawiera się w granicach od l do 1,4 roboczej średnicy elektrody. Stosunek grubości zgrzewanych blach nie powinien być większy niż 3:1. Jeżeli zastosuje się elektrody o różnych polach powierzchni stykowych (większa średnica od strony blachy grubszej), warunek ten nie musi być spełniony

5 HALE PRZEMYSŁOWE

5.1. ZAŁOŻENIA OGÓLNE

5.1.1. ZAŁOŻENIA OGÓLNE DO PROJEKTU HAL I WYBÓR MATERIAŁU

Konstrukcję nośną hal zakładów przemysłowych wykonuje się ze stali lub z żelbetu. Obu tych materiałów nie można uważać za przeciwstawne, lecz raczej za uzupeł­niające się, każdy z nich bowiem ma swój optymalny zakres stosowalności.. Niejednokrotnie można spotkać ekonomicznie zaprojektowane mieszane konstrukcje nośne hal, gdzie na przykład słupy są żelbetowe, a konstrukcja dachowa stalowa.

Ogólnie biorąc, można przyjąć, że decydującymi okolicznościami przy wyborze materiału konstrukcyjnego dla nośnego ustroju hali są: przeznaczenie hali, czyli wymagania procesu technologicznego, niezbędny udźwig suwnic, ich typ i charakter ich pracy.

Tak więc, słupy stalowe znajdują uzasadnienie przy wysokościach ponad 15 m oraz przy rozstawie ponad 12 m. Ponadto, niezależnie od wysokości i rozstawu, celowe jest projektowanie słupów stalowych, gdy są one obciążone suwnicami ze sztywnym podwieszeniem oraz suwnicami o udźwigu od 30T wzwyż, a także w przypadku konieczności zastosowania suwnic konsolowych.

Na ekonomikę dźwigarów dachowych decydujący wpływ ma ich ciężar własny. Ze wzrostem rozpiętości znacznie wzrasta ciężar dźwigarów, a szczególnie dźwigarów żelbetowych, dlatego nie powinny one być stosowane przy rozpiętościach powyżej 24 m. Hale przemysłowe, o których jest mowa, mają nawy o rozpiętości zazwyczaj powyżej 20 m oraz charakteryzują się dynamicznym charakterem pracy konstrukcji, dlatego też celowe będą tu dźwigary dachowe stalowe.

Belki podsuwnicowe wskazane jest zawsze projektować jako stalowe. Stosowane żelbetowe prefabrykowane belki podsuwnicowe o rozpiętości 6 i 12 m wykazują nietrwałość połączenia szyny z belką, co może prowadzić do awarii.

Dodatkową ważną okolicznością wpływającą na wybór materiału konstrukcyjnego jest fakt, że stalowe konstrukcje nośne można łatwo wzmacniać i dostosowywać do zmieniających się wymagań przy modernizacji procesu technologicznego. Zastoso­wanie konstrukcji stalowej znajduje więc pełne uzasadnienie, gdy projektowany zakład przemysłowy przewidziany jest do procesów, które w miarę postępu technicz­nego będą wymagać zwiększonych obciążeń suwnic, zmian wyposażenia lub obudowy.

Odrębną grupę hal przemysłowych stanowią hale typu lekkiego. W halach tych wewnętrzny transport podparty nie występuje lub ograniczony jest do niewielkich udźwigów. Wysokość tych hal, w zależności od rozpiętości i rodzaju transportu wewnętrznego, wynosi 5—12 m, licząc od podłogi do spodu dźwigarów.

W „ Mostostalu" opracowano typowe rozwiązania hal bez transportu wewnętrz­nego, z transportem podpartym i z transportem podwieszonym dla rozpiętości 12—30 m. Jest to system otwarty, tj. umożliwiający zestawienie z typowych ele­mentów hal i przekryć dachowych w szerokim zakresie. Hale według tego systemu odznaczają się stosunkowo małym wskaźnikiem zużycia stali i są proste w wykonaniu i montażu. Istotne jest, że ten system dostosowany został do przemysłowych metod wytwarzania.

Z całości konstrukcji można wyodrębnić szereg elementów składowych, które stanowią dla siebie pewną skończoną całość i dlatego mogą być oddzielnie trakto­wane. Do nich można zaliczyć:

a) główne poprzeczne układy nośne hali, utworzone ze słupów głównych i rygli kratowych,

b) pośrednie elementy nośne (przy większym rozstawie słupów głównych) oraz elementy pokrycia,

c) belki podsuwnicowe,

d) galerie i pomosty robocze, występujące w większości stalowych hal przemysło­wych, choć nie we wszystkich ich typach,

e) elementy ścian zewnętrznych,

f) stężenia podłużne i poprzeczne całego układu hali.

Całość projektu konstrukcji hali przemysłowej powinna być wynikiem zgodnej współpracy inżynierów kilku specjalności.

Główne założenia muszą; być starannie opracowane przez technologa. Decydują one o:

a) głównych wymiarach obiektu,

b) wyposażeniu w potrzebne środki transportu wewnętrznego, przy równoczesnym ustaleniu

istotnych charakterystyk,

c) wyposażeniu w urządzenia i aparaturę oraz ich wzajemnym usytuowaniu,

d) wymaganiach eksploatacyjnych, wpływających na rozwiązanie szczegółów konstrukcyjnych.

W oparciu o te założenia technologiczne konstruktor, kierując się względami ekonomicznego użycia materiałów konstrukcyjnych, a szczególnie stali, tworzy ogólną koncepcję konstrukcyjną hali. Szatę zewnętrzną obiektu uzgadnia przy tym z architektem w celu zapewnienia prawidłowej kompozycji całości i zharmonizo­wania z otoczeniem. Ważną rolę odgrywa tu również inżynier projektujący wszelkiego rodzaju instalacje wewnętrzne, gdyż duża ich liczba i wielka różnorodność wymaga starannego opracowania w ścisłym powiązaniu z konstrukcyjnym rozwiązaniem obiektu.

5.1.2. DYLATACJE TERMICZNE

Założenia technologiczne wymagają niejednokrotnie dużych wymiarów rzutu poziomego hal przemysłowych. W tych przypadkach, gdy długość hali lub łączna szerokość naw jest znaczna, zaczyna wchodzić w grę wpływ zmian termicznych. Zwykle przyjmuje się, że przeciętna temperatura montażu stalowej konstrukcji hali wynosi + 10°C. W miarę dziennych i rocznych wahań temperatury występują w konstrukcji odkształceni. Jeżeli sztywność ustroju ogranicza możliwość swobodnej odkształcalności konstrukcji, wówczas w jej elementach powstają dodatkowe wewnętrzne naprężenia. Dopóki naprężenia te będą rozciągające, nie stanowią one większego niebezpieczeń­stwa z uwagi na ograniczoną ich wartość oraz z uwagi na właściwości plastyczne stali. Gorzej jest, gdy w wyniku podwyższenia temperatury występują naprężenia ściska­jące; wówczas elementy konstrukcyjne lub ich części, które przy zasadniczym ob­ciążeniu są rozciągane lub nie pracują, ulegają zwichrzeniu lub wyboczeniu. W celu przeciwdziałania takiemu wpływowi temperatury należy w pewnych odstępach projektować szczeliny dylatacyjne. Według PN

dylatacje termiczne nale­ży projektować w odległościach nie większych niż 150 m. Jeżeli względy konstruk­cyjne lub inne utrudniają lub uniemożliwiają zastosowanie dylatacji i przytoczone wymagania normy nie mogą być dotrzymane, wówczas przy wymiarowaniu wytrzy­małościowym całej konstrukcji należy odpowiednio uwzględniać wpływ zmian temperatury. Dla konstrukcji nieosłoniętych do obliczeń należy wprowadzić wzrost i obniżenie temperatury o 30°C, jeżeli oczywiście konstrukcje nie znajdują się w wa­runkach wymagających rozszerzenia tych granic. Dla konstrukcji obudowanych przyjęte do obliczeń granice zmian temperatury należy odpowiednio uzasadnić, przyjmując umownie temperaturę montażu równą +10°C.

Konstrukcyjnie biorąc, dylatacje termiczną najczęściej wykonuje się w ten sposób, że w danym miejscu ustawia się obok siebie dwie zupełnie niezależne ramy. Osiowy odstęp tych ram powinien mieć wymiar okrągły (0,75 m, 1,00 m, 1,50 m) w zależności od ogólnych gabarytów ich słupów lub części tych słu­pów. Wolna przestrzeń między odpowiada­jącymi sobie częściami tych ram powinna wynosić 30—50 mm (rys.14). Oba słupy przy dylatacji mogą mieć wspólny fundament.

Rys.14.Ułożenie wzajemne podstaw słupów przy dylatacji

Konieczność stosowania dylatacji termicznej w kie­runku poprzecznym spotyka się rzadziej. Przy znacz­nych łącznych szerokościach hal dylatacje takie są bardziej potrzebne niż w kierunku podłużnym z uwagi na jeszcze większą sztywność ustroju w tym kierunku. Dylatacje w kierunku poprzecznym najprościej jest wykonać przy zmianie wysokości hal przez przyjęcie dwudzielnych słupów lub odpowiedniego układu

5.1.3. ROZMIESZCZANIE SŁUPÓW

Na rozmieszczenie słupów wpływają różne okoliczności, jak względy technolo­giczne, konstrukcyjne i ekonomiczne, przy czym odstępy słupów muszą być nie we wszystkich rzędach jednakowe.

Najistotniejsze są względy technologiczne, tj. wyposażenie zakładu, rozmieszczenie maszyn, przebieg funkcjonalny procesu technologicznego, przebieg podziemnych przewodów itp. Fundamenty pod słupy nie mogą kolidować z fundamentami pod maszyny ani z podziemnymi przewodami. Niejednokrotnie więc konstruktor na­potyka trudności, mając na względzie utrzymanie zasady, aby w hali istniały pełne statyczne układy poprzeczne w możliwie regularnych odstępach. Konieczne to jest w celu zabezpieczenia przestrzennej sztywności hali w kierunku poprzecznym. Jeżeli więc podłużne rozstawy słupów są różne w różnych rzędach, to zachowana musi być wielokrotność tych rozstawów (rys.15). Słupy pośrednie przytrzymane są wówczas za pośrednictwem odpowiednich stężeń podłużnych.

Rys.15.Rozmieszczenie słupów w hali przemysłowej wielonawowej

Jeżeli wymienione uprzednio względy technologiczne dają kilka możliwości rozmieszczenia słupów, wówczas wchodzi w grę ustalenie optymalnej ich odległości. Zależy ona od szeregu parametrów, jak wysokość słupa, jego obciążenie, charakter pokrycia itp. Główne te parametry ustalane są z reguły w pierwszej kolejności, a niektóre z nich uzależnione są od procesu technologicznego. W miarę wzrostu rozstawu głównych słupów hali zmniejsza się koszt, wliczając koszt fundamentów; w przeliczeniach na l m długości hali wzrasta zaś koszt takich konstrukcji podłuż­nych jak belki podsuwnicowe, kraty podwiązarowe, stężenia itp. Teoretycznie biorąc, można dążyć do ustalenia matematycznej zależności między rozstawem słupów danego rzędu a sumą kosztów słupów wraz z fundamentami oraz wspomnia­nych konstrukcji podłużnych w przeliczeniu na, l m długości hali. Minimum odnośnej funkcji dawałoby rozwiązanie zagadnienia. Takie postępowanie byłoby jednak zbyt skomplikowane i praktycznie nieopłacalne, gdyż rozstaw słupów jest z góry powiązany z modułem. Prościej jest zatem przeprowadzić przybliżoną kalkulację kosztów dla kilku faktycznie możliwych wariantów i wybrać najkorzystniejszy.

W kierunku poprzecznym rozstaw słupów uzależniony jest z reguły od wymagań technologicznych.

5.1.4. GŁÓWNE WYMIARY HAL

Do zasadniczych wymiarów hali należą rozpiętość oraz rozstaw słupów w kierunku podłużnym. Oba te wymiary powinny być wielokrotnością modułu przemysłowego, wynoszącego 3m. Wprowadzenie modułu podyktowane jest dążeniem do umożliwienia szerszej typizacji elementów konstrukcyjnych i budowlanych.

W przypadku hal jednonawowych modułowym wymiarem poprzecznym jest całkowita szerokość hali, mierzona od zewnętrznego lica słupa.

W halach wielonawowych zasada ta pozostaje bez zmian, zaś ewentualne odstęp­stwo uzasadnione może być typowym wymiarem powtarzalnego wiązara dla naw skrajnych i środkowych. W tym przypadku, mówiąc o teoretycznej rozpiętości hali, mamy na myśli wymiary Lo wg rys. 13. Wymiar e należy przyjmować o wartości 250 lub 500mm, zależnie od wysokości przekroju poprzecznego h nad-suwnicowej części słupa. Biorąc pod uwagę, że ta wysokość h waha się w granicach 400:1000 mm, wielkość e nie jest jej połową. Przyjęcie okrągłej wartości e ma na celu uzyskanie okrągłych wymiarów zewnętrznych hali i ułatwienie w stosowaniu typizowanych elementów ściennych i elementów pokrycia. W przypadku słupów pośrednich przy halach wielonawowych wielkość e = 1/2 h. Między rozpiętością hali Lo, wielkością c i rozpiętością suwnicy Ls istnieje zależność Lo = Ls+2c.

Na wielkość c składają się: wysięg suwnicy B poza teoretycznym punktem pod­parcia, przestrzeń wolna D między suwnicą a konstrukcją słupa oraz część wysokości górnej części słupa o wielkości h—e. Wielkość B zależy od konstrukcji i udźwigu suwnicy i wynosi 0,20—0,50 m; wielkość D powinna wynosić co najmniej 0,05 m.

Rozstaw słupów w kierunku podłużnym w przęsłach wewnętrznych liczy się między osiami słupów. W przęśle przydylatacyjnym rozpiętość mierzy się od dylatacji do osi najbliższego słupa. Takie ustalenie wymiarów po­woduje zmniejszenie faktycznej odległości słupa dylata­cyjnego od słupa sąsiedniego, zapewnia natomiast uzys­kanie okrągłego wymiaru całkowitej długości hali. W przęsłach skrajnych należy mierzyć odległość od zew­nętrznego lica słupa skrajnego.

Przy większych wymiarach górnej części słupa, szczególnie gdy h > 800 mm, można zabezpieczyć przej­ścia dla obsługi suwnicy, projektując odpowiedni wykrój w średniku przyległej części słupa (rys.16). Szero­kość tego wykroju nie może być mniejsza w świetle niż 400mm.

Rys.16.Wykrój w środniku słupa dla przejścia obsługi

5.2. ELEMENTY POKRYCIA DACHOWEGO HAL

5.2.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ELEMENTÓW POKRYCIA

Istnieją dwa główne rodzaje pokrycia dachowego hal: płatwiowe i bezpłatwiowe. W pierwszym przypadku elementy pokrycia mają mniejsze wymiary i układane są na płatwiach, które z kolei mocowane są do wiązarów w węzłach pasów górnych. W drugim przypadku elementy pokrycia dachowego są większe i układa się je bezpośrednio na pasach górnych wiązarów. Zasadnicza korzyść, jaka łączy się z pokryciem bezpłatwiowym, to zmniejszenie liczby elementów konstrukcyjnych oraz zwiększenie wymiarów elementów pokrycia, a więc przyspieszenie montażu i jego uprzemysłowienie.

5.2.2. POKRYCIA PŁATWIOWE

Pokrycia metalowe są bardzo wytrzymałe i wymagają lekkich wiązarów i płatwi. Pokrycia te są przy tym ogniochronne i dość szczelne, nadają się zarówno do połaci mało nachylonych, jak i bardziej stromych. Łatwe jest ukształtowanie świetlików, przekryć, naroży oraz zetknięć z przyległym murem.

Do ujemnych stron pokryć metalowych należy zaliczyć stosunkowo duże koszty, duże przewodzenie ciepła, skraplanie się pary wodnej od wewnątrz oraz hałas przy silnym deszczu lub gradzie. Wreszcie należy mieć na uwadze fakt, że wskutek silnego nasłonecznienia występuje znaczne roz­szerzanie się blachy, które niekiedy może wynosić ok. 0,5 mm na l m długości.

Jeśli chodzi o blachę falistą, to na pokrycie stosowana jest blacha falista płaska w arkuszach o szerokości 600—810 mm, o grubości 1—2 mm i długości 2,00—6,00 m. Blachę falistą układa się na płatwiach, które umieszcza się w odległościach 2,50— —3,50 m. Od nachylenia połaci zależna jest szerokość założenia arkuszy blach (zakładek) nad płatwiami.

Łączenie arkuszy w kierunku ich długości należy przeprowadzać mijankowe. Po­łączenie wykonuje się nitami d = 6mm w odstępach 250—350 mm, stosując pod łeb i nakuwkę okrągłe podkładki z blachy ocynkowanej o średnicy 15 mm. Zakładka powinna odpowiadać przeważającym w danej okolicy kierunkom wiatru.

Parę skraplającą się od wewnątrz na blasze pokrycia można odprowadzać przez umieszczenie między górnymi falami podkładek o grubości 10—20 mm. Dzięki temu uzyskuje się między arkuszami szczelinę, przez którą może przedostać się na zewnątrz;woda spływająca po wewnętrznej powierzchni blachy.

Połączenia blach pokrycia z płatwiami przedstawiono na rys.17. Przy projekto­waniu tego szczegółu należy mieć na uwadze, aby blacha miała dostateczną szerokość oparcia, aby arkusze górne nie mogły być podniesione przez wiatr i nie mogły zsunąć się pod własnym lub zewnętrznym obciążeniem, wreszcie aby arkusze blachy mogły swobodnie odkształcać się wskutek wpływów termicznych. Dlatego też niżej leżący arkusz nie jest łączony z płatwią, przytrzymuje go nato­miast arkusz nad nim leżący i połączony z płatwią zaczepami z płaskowników o grubości 4—6 mm i szerokości 25—40 mm, o ile możności ocynkowanych. Zaczepy te połączone są z górną falą blachy dwoma nitami o średnicy 6—8 mm — co druga lub co trzecia fala (rys. 17a). W halach otwartych stosuje się ponadto śruby M10 wg rys. 17b w odstępach do 40—50 cm. W halach zamkniętych wystarczy stosować śruby tylko przy płatwi skrajnej w odległościach ok. 1,50 m. Na płatwiach szczyto­wych zaczepy mogą mieć odmienny kształt (rys. 18).

Rysunek 19 przedstawia rozwiązania dotyczące przekrycia szczytu dachu zależnie od tego, czy jest jedna czy dwie płatwie szczytowe. Dla uzyskania lepszego oparcia blachy można ułożyć na górnej stopce sześciomilimetrowy płaskownik, zaś

Rys.17.Połączenie blach pokrycia z Rys.19.Pokrycie szczytu dachu

płatwiami blachą płaską

Rys.18.Pokrycie szczytu dachu blachą falistą

samo przekrycie wykonać w postaci fartucha z odpowiednio zgiętej blachy falistej o tych. samych rozmiarach co blachy pokrycia. Fartuch ten połączony jest z arkuszami blach nitami poprzez górne fale. Przekrycie w szczycie może być wykonane również przy użyciu płaskiej blachy ocynkowanej o grubości 1,00—1,25 mm (rys. 18).

Szczegół zakończenia dachu przy okapie przedstawiono na rys. 20a. Rynna zawieszona jest na końcowym odcinku blachy falistej za pomocą haków z ocynko­wanych płaskowników 30 x 8 mm, umieszczonych w odstępach co 90 cm. W celu zapobieżenia odginaniu się haków przytrzymuje się je od góry ocynkowanymi .płaskownikami przyłączonymi do górnych półfal blachy pokrycia. Przestrzeń między płatwią a górnymi półfalami blachy falistej pokrycia można zamknąć za pomocą blachy ocynkowanej, odpowiednio przyciętej. Rysunek 20b przedstawia uszczel­nienie w linii zetknięcia dachu ze ścianą w kierunku równoległym do kierunku fal.

Rys.20.Zakończenie dachu o pokryciu blachą falistą

Inne elementy stalowych pokryć — to pewnego rodzaju blachy panwiowe o gru­bości 0,75 mm, szerokości 750—850 mm i długości 2 m . W kierunku długości blachy te mają uformowane żłobki, które stanowią usztywnienie arkuszy. Szerokość zakładek arkuszy na stykach, oraz ich przestawienie przyjmuje się i wykonuje analogicznie jak w przypadku blach falistych. Małe po­przeczne żłobki wzdłuż górnych boków arkuszy mają na celu utrudnić podciąganie wody opadowej. Krycie takimi panwiami przeprowadza się na deskowaniu lub na listwach. Dla izolacji można by zastosować na listwach płyty pilśniowe. Przymoco­wanie blach do listew lub deskowania wykonuje się za pomocą ocynkowanych gwoździ o długości ok. 90 mm, ze specjalnym wypukłym łebkiem. Gwoździe rozmieszcza się w wyższych żłobkach najpierw na końcach, a potem przynajmniej w jednym miejscu pośrednim. Do przekrycia szczytu dachu służą blachy uformowane w specjalny sposób .

W halach przemysłowych chętnie były i są stosowane pokrycia żelbeto­we z elementów prefabrykowanych ze względu na trwałość, ogniotrwałość i niewysoki koszt. Zewnętrzną powierzchnię dachu pokrywa się pojedynczo lub podwójnie papą na lepiku, zaś wewnątrz hali powierzchnię ele­mentów zazwyczaj powleka się zaprawą cementową lub mlekiem wapiennym. Chcąc uzyskać lepszą izolację termiczną stosuje się dodatkowo płyty pilśniowe lub wełnę mineralną. Zasadniczą wadą tych pokryć jest stosunkowo wysoki ich ciężar własny. Są dwa rodzaje żelbetowych płyt dachowych w układzie płatwiowym.

Płyty z pianobetonu mają wymiary: szerokość 60—90 cm, długość 300 cm, grubość 10 i 12 cm. Ciężar objętościowy pianobetonu wynosi w tym przypadku ok. 900 kG/m³. W celu zabezpieczenia płyt przed zsuwaniem się przyspawa się do płatwi w pewnych odstępach krótkie kawałki płaskowników (rys. 21a). Poza tym w narożnikach tych płyt wiąże się drutem odgięte ku górze końce prętów zbrojenia (rys. 21b), a szczeliny między płytami wypełnia się zaprawą cementową. W tym też celu boczne płaszczyzny płyt są zukosowane. Płyty skrajne przy okapie przymocowuje się do płatwi skrajnych za pomocą haków z płaskownika, przyspawanych do płatwi (rys. 21c). Utworzona w ten sposób sztywna (nieomal monolityczna) płyta w połaci dachu korzystnie wpływa na pracę całej konstrukcji hali.

Rys.21.Pokrycie płytami z pianobetonu

Płyty korytkowe zamknięte i otwarte mają wymiary: szerokość 59 i 29 cm (połów­kowe), długość 179—299 cm, wysokość 10 cm. Mocuje się je do płatwi przez przyspawanie za pośrednictwem elementów stalowych wbetonowanych w narożach płyt. Pokrycie zewnętrzne i ociepla­nie wykonuje się jak w przypadku płyt pianobetonowych.

W ostatnich latach coraz większe zastosowanie w budownictwie znajdują two­rzywa sztuczne. W odniesieniu do elementów pokrycia wykorzystywane są. one w postaci płyt przeźroczystych na wszelkiego rodzaju świetliki oraz płyt war­stwowych, dających pokrycie lekkie, wytrzymałe i termicznie dobrze izolujące. Two­rzywa sztuczne zbrojone włóknem szklanym charakteryzują się bardzo wysoką wy­trzymałością, wynoszącą 450—4900 kG/cm² zależnie od użytych surowców i sposobu ułożenia włókien szklanych. Przepuszczalność świetlna tworzyw wynosi do ok. 90% w porównaniu z przyjętą za 100% przepuszczalnością świetlną otworu nie zakrytego. Ciężar objętościowy wynosi 1,3—1,9 T/m³. Tworzywa sztuczne stosowane bywają najczęściej w postaci falistej, o różnej wysokości i długości fali. Wykonaw­stwo pokryć z tworzyw sztucznych ułatwione jest dzięki produkowaniu tych two­rzyw w stosunkowo dużych arkuszach i w rulonach o szerokości ok. 1,50 mUjemnymi właściwościami zbrojonego tworzywa sztucznego są: częściowa utrata nośności przy długotrwałym obciążeniu , jeszcze większe obniżenie wytrzymałości w wodzie i przy podwyższonej temperaturze oraz żółknienie z upływem czasu w wyniku starzenia.

5.2.3. POKRYCIA BEZPŁATWIOWE

Jako elementy pokrycia bezpłatwiowego były stosowane dotąd powszechnie płyty panwiowe . Grubość płyty właściwej wynosi 3— 4 cm, a wysokość że­berek — do 25 cm zależnie od rozpiętości. Płyty mają szerokość 0,90, 1,20 i 1,50 m, długość ich dochodzi do 6m.Ciężar pokrycia wraz. z izolacją z płyt pilśniowych wynosi 125—200 kG/m². Płyty panwiowe układa się bezpośrednio na pasach górnych wiązarów. Każda płyta ma w narożnikach wbetonowane krótkie kątowniki, które w miarę układania płyt przyspawa się do wiązara. W ten sposób wykonane pokrycie stanowi sztywną tarczę, która należycie stęża budynek bez dodatkowych tężników stalowych, niezbędnych przy każdym innym rodzaju pokrycia. Wadą tego rodzaju pokrycia jest duży ciężar własny, zwiększający wydatek stali na konstrukcję nośną.

Nowoczesnymi elementami pokrycia bezpłatwiowego są warstwowe płyty żebrowe (rys.22). Składają się one z płyty właściwej i żeber z profilów zimnokształtowanych. Właściwa płyta jest warstwowa: ma okładziny zewnętrzne z płaskiego eternitu grubości 6 mm i izolacyjną warstwę wewnętrzną ze styropianu grubości 6 cm. Po­szczególne warstwy łączone są ze sobą i z drewnianym obramowaniem przy użyciu kleju syntetycznego. Nominalne wymiary zewnętrzne płyt wynoszą 1,20x6,00 m i 1,60 x 6,00 m. Z uwagi na pewne zastrzeżenia dotyczące zachowania się tych płyt w naszych warunkach klimatycznych ich produkcja będzie ograniczona, a w to miejsce będzie się produkować podobne płyty żebrowe, lecz z zewnętrzną. okładziną z blachy aluminiowej.

Rys.22.Przekrój dachowej płyty żebrowej typu lekkiego

5.2.4. WENTYLACJE DACHOWE

Podobnie jak doprowadzenie światła do dużych obiektów przykrytych dachem stalowym wymaga pewnych typowych konstrukcji, odpowiednio dostosowanych do charakteru samych wiązarów i stanowiących z nimi harmonijną całość, także zagad­nienie odprowadzenia i doprowadzenia powietrza w sposób stały i prosty połączone jest z pewnymi charakterystycznymi założeniami konstrukcyjnymi.

Przy projektowaniu tzw. latarni wentylacyjnej należy przestrzegać zasady, aby przez jej nadbudowę nie skomplikować statycznej jasności samego wiązara oraz aby można było łatwo wyznaczyć obciążenia węzłowe, spowodowane przez latarnię. Dla latarń małych rozmiarów wystarczy zastosowanie dwudzielnej płatwi szczytowej i wykonanie szczytu dachu wg rys. 23

Wentylacja może być projektowana jako stała (stale otwarta) albo ruchoma.

Urządzenia wentylacyjne stałe, niezbędne w gazowniach i hutach, wykonuje się jako żaluzjowe z blach stalowych ocynkowanych o grubości 1—3 mm, nachylonych co najmniej pod kątem 45°. Urządzenia te umieszczane są w ścianach bocznych latarni — na zewnątrz słupów lub między nimi.

Rysunek 24 przedstawia sposoby konstruowania takich żaluzji. Blachy żaluzjo­we ze słupkami wiązara łączy się najlepiej za pomocą płaskowników, które zapobiegają wyginaniu poszczególnych blach przez wiatr. Na początku i na końcu latarni żaluzje muszą być zaopatrzone w odpowiedni fartuch z blachy, który by zabezpieczał przed zacinaniem deszczu lub przedostawaniem się śniegu od czoła.

Rys.23.Mała latarnia wentylacyjna

Rys.24.Konstrukcja latarni dla wentylacji stałej

Urządzenia wentylacji ruchomej mogą być żaluzjowe lub klapowe. Urządzenie wentylacji klapowej składa się z jednej klapy na całą wysokość latarni , wykonanej z blachy grubości 3 min lub z tafli szklanej odpowiednio obramowanej i stężonej kątownikami, otwieranej za pomocą odpowiedniej dźwigni. Oś obrotu powinna znajdować się powyżej środka ciężkości klapy, aby jej zamykanie było ułatwione i następowało pod działaniem ciężaru własnego. Urządzenia wentylacji ruchomej żaluzjowej wykonane są na wzór urządzeń wentylacji stałej, z szeregu blach wąskich, jednak obracalnyoh wokół osi poziomych. Długość poszczególnych elementów, z uwagi na wiotkość blach, wynosi 1,00—1,50 m. Na takie części należy podzielić ściany boczne latarni słupkami pośrednimi. Żaluzje te wykonywane są i montowane w wytwórni w ramach z kątowników, co ułatwia składanie ich na budowie. Wentylację uruchamia system dźwigni.

Obecnie często wykonuje się latarnie wentylacyjne, które równocześnie są latarnia­mi oświetleniowymi. Koncepcja takich urządzeń polega na tym, że w miejsce blach żaluzjowych stosuje się ukośnie umieszczone na kątownikach tafle ze szkła zbrojo­nego.

5.3. NOŚNE KONSTRUKCJE DACHOWE

5.3.1. WIĄZARY PŁASKIE

W budownictwie halowym jako rygle poprzecznych ramowych układów nośnych występują z reguły stalowe wiązary dachowe. Warto na tym miejscu stwierdzić, że wiązary stalowe są stosowane z ekonomiczną korzyścią również w konstrukcjach mieszanych, tj. w przypadku słupów nośnych np. z żelbetu.

Na rysunku 25 przedstawione są różne typy wiązarów dachowych zależnie od rodzaju pokrycia, rozpiętości i ich przeznaczenia. Przy łagodnym pochyleniu połaci dachu i < 1/5 wskazane jest stosować wiązary dwutrapezowe. Jeżeli w tym przypadku wysokość kratownicy wypadnie za duża w środku rozpiętości i przekroczy 3,60 m, wówczas należy projektować pas .dolny wiązara nie poziomy, lecz podniesiony w środku do góry (rys. 25i)

Również dobrym rozwiązaniem w takich przypadkach jest zastosowanie pasa górnego poziomego na środkowym odcinku, na którym przewidziano świetlik.

Przy bardziej stromym nachyleniu połaci dachowej w halach typu lekkiego albo średniego, tj. z suwnicami o nośności do 30 T, wskazane jest stosować wiązary trójkątne. W halach typu ciężkiego, wymagających większej sztywności, należy projektować wiązary dwutrapezowe; ułatwiają one bowiem kształtowanie sztywnego połączenia wiązarów ze słupami.

Rys.25.Typy wiązarów dachowych

W budowlach, w których jedynie wiązary dachowe są stalowe, a inne elementy nośne są z cegły lub żelbetu, projektuje się wiązary swobodnie podparte. W halach o szkielecie stalowym wiązary chętnie łączy się ze słupami w sposób sztywny, a to w celu zapewnienia większej poprzecznej sztywności całego ustroju.

Przy nachyleniu połaci dachu 1/10 wysokość kratownic dwutrapezowych w środku rozpiętości przyjmuje się o wartości 1/7—1/9 rozpiętości, przy czym stosunek ten zmniejsza się ze wzrostem rozpiętości. Przy nachyleniu połaci dachu większym niż 1/10 wysokość wiązara w środku rozpiętości przyjmuje się w zależności od mini­malnej wysokości tego wiązara na podporze. Wysokość w środku rozpiętości można przyjmować wg rys. 26.

Rys.26.Stypizowane kratownice trapezowe

Wysokość podporowa wiązarów łączonych ze słu­pami w sposób sztywny nie powinna być mniejsza niż 1/13—1/17 rozpiętości, a to z uwagi na momenty narożne ustroju ramowego. Również i w tym przypadku stosunek ten maleje ze wzrostem rozpiętości.

Schemat siatki kratownicy dwutrapezowej zaleca się stosować trójkątowy z do­datkowymi słupkami zmniejszającymi długość prętów pasa górnego. Ze względów konstrukcyjnych wskazane jest stosować dwa, a najwyżej trzy wymiary prętów pasa górnego. Należy dążyć przy tym do możliwie dużego rozstawu węzłów.

W kratownicach dwutrapezowych o bardziej stromym nachyleniu połaci dachu wskazane jest nadać pasom dolnym nachylenie 1/5 zapewnia to bowiem optymalną wysokość wiązara w środku rozpiętości, możliwość tworzenia typowych wiązarów, oraz otrzymanie podzespołów dogodnych do transportu. Zalecenia dotyczące wysokości tych wiązarów w środku rozpiętości i na podporze są analogiczne do zaleceń odnoszących się do wiązarów o nachyleniu połaci 1/10.

W przypadku stosowania kratownic trójkątnych należy mieć na uwadze, że wiązary o załamanych pasach dolnych mają znacznie mniejsze siły w prętach niż wiązary o poziomych pasach dolnych. Dlatego też dla rozpiętości poniżej 18 m, tj. gdy wysokość w środku nie przekracza granicy gabarytu wagonu kolejowego, zaleca się stosować schemat z załamanym ku dołowi pasem dolnym. Obniżenie pasa ku dołowi w stosunku do podpory przyjmuje się w tym przypadku o wartości 500— 600 mm. Przy rozpiętościach powyżej 18 m należy stosować pasy dolne poziome. Wysokość tych kratownic wynika z pochylenia połaci dachu.

Najkorzystniejszym schematem skratowania jest schemat trójkątowy.

Obciążenia wiązarów dachowych dzieli się na stałe i zmienne. Do stałych obciążeń należy ciężar pokrycia, ciężar własny wiązarów i stężeń oraz ciężar urządzeń dodat­kowych, jak latarń wentylacyjnych lub świetlików. Do obciążeń zmiennych należy obciążenie śniegiem, wiatrem oraz urządzeniami transportowymi, jakie niejedno­krotnie podwiesza się do pasów dolnych wiązarów dachowych. Wymienione obciąże­nia zmienne należą do obciążeń krótkotrwałych.

5.3.2. WIĄZARY PRZESTRZENNE

W miarę zwiększania rozstawu wiązarów i odchodzenia od tradycyjnych rodzajów pokrycia dachowego wprowadzane są, do konstrukcji hal wiązary przestrzenne. Najchętniej dajemy im przekrój poprzeczny trójkątny, zbliżony do trójkąta równo­ramiennego. Ogólnie można powiedzieć, że wiązar przestrzenny składa się wówczas z trzech kratownic płaskich, a pasy jego są wspólne dla dwu sąsiednich krat płaskich. Zasadniczą cechą takiego wiązara jest znaczna sztywność na skręcanie oraz stateczność całości, jak i poszczególnych, pasów ściskanych. Dzięki tym właściwościom wiązary przestrzenne są bezpieczne w montażu, nawet w przypadku jednostronnego obciążenia przy założeniu odpowiedniego zamocowania na podporach.

5.3.3. DACHY BEZWIĄZAROWE

Do przykrycia mniejszej przestrzeni, gdy względy termiczne nie odgrywają roli, stosuje się dachy bezwiązarowe. Są to dachy łukowe z blachy płytko- lub głęboko-falistej (dźwigarowej). Poszczególne arkusze blach, wygięte według łuku koła, po­łączone są nitami w jedną całość. Stosuje się do tego blachę cynkowaną lub zwykłą, później bitumowaną. Blacha stanowi tu pokrycie i równocześnie ustrój nośny. Sta­tycznie biorąc, dachy te pracują jak łuk dwuprzegubowy. Parcie poziome, które tu występuje, przejmowane jest przez stalowe ściągi okrągłe, umieszczone w odstępach e = 3—4 m. Dachy takie mogą być projektowane przy rozpiętościach od kilku do kilkunastu metrów, przy większych rozpięto­ściach (powyżej 15 m) dachy te przestają być ekonomiczne.

Dachy łukowe oblicza się na ciężar własny, parcie wiatru oraz ciężar śniegu na całej powierzchni i na jednej tylko połowie — według ogólnych zasad obliczania luków dwuprzegubowych. Nie uwzględnia się przy tym wpływu wydłużania się ściągu, gdyż w tym przypadku daje ono znikome wartości.

Mając obliczone potrzebne wielkości statyczne, można ustalić w niebezpiecznym miejscu, tj. w sąsiedztwie 1/4 rozpiętości, wartość siły ściskającej towarzyszącej momentowi zginającemu (niewiele różniącej się od parcia poziomego) i następnie wymiarować blachę jako mimośrodowo ściskaną. Grubość blachy, określoną na podstawie tych obliczeń statycznych, zwiększa się o 0,5—1 mm z uwagi na rdzewienie.

Niezależnie od sprawdzenia naprężeń skrajnych należy sprawdzić, czy konstrukcja jest dostatecznie zabezpieczona przed wyboczeniem.

Poszczególne arkusze blachy falistej łączy się , przy zastosowaniu nitów o średnicy 6 mm, zaciąganych na zimno. Zależnie od rozpiętości daje się na styku 3-5 sztuk nitów w jednej linii; pod łby nitów od góry i od dołu stosuje się podkładki. Oparcie blachy wzdłuż okapu kształtuje się wg rys. 27. Blacha falista opiera się na ceowniku za pośrednictwem chomąt z blachy grubości 3 mm, rozmieszczonych w co drugiej lub w co trzeciej fali. Na przemian z chomątami stosuje się śruby hakowe, zabezpieczające dach przed poderwaniem przez wiatr. Ściągi, zaopatrzone w nakrętki rzymskie, podwiesza się do blach przekrycia dachowego (rys. 28).

Rys.27.Szczegół podporowy dachu bezwiązaroweg

Rys.28.Podwieszenie ściągu

5.4. SŁUPY HAL

Typowe słupy hal przemysłowych są dołem utwierdzone . W zależności od ukształtowania słupa powyżej i poniżej toru podsuwnicowego rozróżniamy słupy o przekroju stałym i o przekroju zmiennym oraz słupy dwudzielne.

5.4.1. SŁUPY O STAŁYM PRZEKROJU

Słupy o stałym, przekroju zachowują na całej swojej długości ten sam przekrój. Belki podsuwnicowe w tym przypadku są opierane na wspornikach. Stąd wynika ograniczenie stosowalności takich słupów do niezbyt dużych obciążeń, a więc gdy udźwig suwnic wynosi ok. 20 T, a rozstaw słupów nie przekracza 12 m. Zaletą takiego rozwiązania jest duża prostota konstrukcji.

Słupy stalowe można projektować pełnościenne lub kratowe. Z reguły bardziej racjonalne są słupy pełnościenne, z uwagi na możność zastosowania spawania auto­matycznego i ogólnie znacznie mniejszą pracochłonność ich wykonania.

Przekrój poprzeczny słupa pełnościennego przyjmuje się dwuteowy, zespawany z blach i elementów stali uniwersalnej. Wysokość tego przekroju waha się w gra­nicach H/15—H/20, gdzie H — całkowita wysokość słupa, licząc od płyty podstawy do dolnego pasa rygla hali. Grubość średnika zależy od wielkości profilów i wynosi 6—12 mm. Pasy mają grubość 10—40 mm, a szerokość całkowitą nie przekraczającą 30-krotnej ich grubości. Przy dobieraniu grubości średnika należy mieć na uwadze jego stateczność i przekalkulować, czy opłaca się stosować żebra przy małej grubości środnika, czy też przyjąć środnik grubszy, nie wymagający stężeń żebrami.

W przypadku wyboru konstrukcji kratowej, przekrój słupa zewnętrznego składa się przeważnie z dwóch ceowników, a przekrój słupa wewnętrznego (przy kilku na­wach) — z dwuteowników. Wysokość całego przekroju przyjmuje się tak samo jak w przypadku słupów pełnościennych. Słupy tego typu są bardziej pracochłonne i mniej sztywne od pełnościennych oraz nadają się przy udźwigu suwnic do 5 T, a zatem nie są zalecane.

Połączenia wzajemne elementów składowych słupów pełnościennych projektuje się przy zastosowaniu spoin ciągłych. Grubość tych spoin zależy od obliczeń, nie powinna być jednak mniejsza od 3 mm. W sąsiedztwie elementów przekazujących siły na słup, grubość tych spoin należy zwiększyć o 1—2 mm. To zwiększenie grubości spoin projektuje się na długości połączenia (np. z ryglem ramy, ze wspornikiem pod belkę podsuwnicową lub z fundamentem) i przeciąga się na ok. 600 mm na zewnątrz tego połączenia..

Połączenie słupów z ryglem ramy należy tak zaprojektować, aby był łatwy montaż wiązara oraz aby, po wykonaniu połączenia, słupy wraz z wiązarem tworzyły ustrój ramowy. Podstawka w rejonie dolnego węzła wiązara umożliwia oparcie go w okresie montażu i wyregulowanie jego położenia. Połączenie wiązara ze słupem za pomocą śrub stwarza wystarczająco sztywny węzeł. Liczba śrub pra­cujących na rozciąganie zależna jest od wartości największego momentu narożnego. Podstawkę w rejonie dolnego węzła wiązara zaleca się przymocowywać z zapasem ok. 25%, uwzględniając ewentualny mimośród oparcia wiązara.

Wspornik do oparcia belki podsuwnicowej można wykonać według jednego z trzech sposobów, zależnie od wielkości udźwigu suwnic.

Dla suwnic o nośności do 3 T wspornik ma przekrój teowy i jest przyspawany do pasa słupa wg rys. 29.

Dla cięższych suwnic przekrój wspornika musi być dwuteowy (rys.30). Niezależnie od tego, pas górny wspornika powinien być połączony bocznymi przykładkami z odpowiednimi żebrami słupa, aby odciążyć spoiny czołowe, łączące ten pas ze słupem . Jeżeli bowiem pasy słupa mają grubość większą niż 20 mm, a siły rozciągające działają w kierunku ich grubości, to mogą one doprowadzić do rozwarstwienia pasa .

Rozwiązanie trzecie wg rys.31 stosowane jest w halach ramowych z ryglami pełnościennymi o rozpiętościach mniejszych, przy suwnicach o udźwigu do 60 T.

W tym przypadku średnik wspornika stanowi monolityczną całość ze średnikiem słupa, co należy zaliczyć do zalet takiego ukształtowania. Prostota kształtu słupa w obrębie wspornika zapewnia prawidłową jego pracę, a sprowadzona do minimum liczba spoin zabezpiecza przed niespodziankami związanymi z koncentracją naprężeń termicznych przy obciążeniach dynamicznych. Jeżeli przy tym część słupa nad wspornikiem miałaby przekrój nieco węższy aniżeli poniżej wspornika, wówczas byłoby to rozwiązanie pośrednie między słupem o stałym przekroju a słupem dwu­stopniowym.

Rys.29.Lekki wspornik o przekroju teowym

Rys.30.Wspornik o przekroju dwuteowym dla cięższych suwnic

Rys.31.Wspornik na słupach hali ramowej o ryglach pełnościennych

Wspornik w przypadku słupa kratowego najprościej jest zaprojektować z dwóch ceowników wg rys.32.

Rys.32.Wspornik pod belkę podsuwnicową na słupie kratowym

Podstawa słupa ma zadanie zapewnić utwierdzenie tego słupa w płaszczyźnie przekroju poprzecznego hali. W drugim kierunku, równoległym do osi podłużnej hali, słup traktowany jest jako posadowiony przegubowo. Zgodnie z tym zadaniem podstawa otrzymuje kształt wydłużony. Szerokość podstawy jest na ogół mała (tylko nieco większa od szerokości słupa). Długość jej projektowana jest zależnie od wielkości momentu utwierdzenia.

5.4.2. SŁUPY O ZMIENNYM PRZEKROJU

Rozpatrując słupy o zmiennym przekroju mamy na myśli takie, których przekrój poprzeczny zmienia się skokowo na poziomie oparcia belki podsuwnicowej.

W zależności od liczby i rodzaju suwnic na różnych poziomach mamy słupy dwustopniowe (rys. 33a), dwustopniowe ze wspornikiem (rys. 33b) i słupy trzystopniowe (rys. 33c). Ogólne wytyczne projektowania są wspólne dla wszyst­kich wymienionych przypadków.

Rys.33.Schematy słupów o zmiennym przekroju

Ten typ słupów nadaje się do przenoszenia dowolnych obciążeń bez ograniczeń. Podobnie jak poprzednio, tak i w tym przypadku słupy mogą być pełnościenne lub kratowe. Konstrukcję kratową stosujemy często, a szczególnie gdy z ogólnych założeń i obliczeń wynika, że szerokość h dolnej części słupa przekracza 1,50 m. Jeżeli zależy nam bardziej na zmniejszeniu pracochłonności konstrukcji aniżeli na jej lekkości, to stosujemy słupy pełnościenne.

Część nadsuwnicową słupa projektuje się o przekroju poprzecznym dwuteowym, spawaną z blach lub z dwóch ceowników połączonych ścianką. Część podsuwnicowa otrzymuje zazwyczaj również ogólny kształt dwuteowy, z tym że pas znajdujący się pod belką podsuwnicowa musi być sztywniejszy i dlatego wykonywany jest z dwuteownika walcowanego lub spawanego. Słupy rzędów wewnętrznych hal otrzymują przekroje symetryczne.

Grubości i szerokości poszczególnych elementów przekroju przyjmuje się jak dla słupów o stałym prze­kroju.

W przypadku słupów kratowych, przekroje dolnych ich części różnią się jedynie tym, że pas zewnętrzny słupów rzędu zewnętrznego projektowany jest z ceownika walcowanego lub spawanego z blach i kątowników. Pręty skratowania projektuje się z pojedynczych kątowników lub teowników, nachylonych do poziomu pod kątem ok. 45°.

5.4.3. SŁUPY DWUDZIELNE

Słupy dwudzielne projektuje się dla dużych obciążeń suwnicami i małych stosunko­wo wysokości hal (15—18 m).

Takie rozwiązanie stosowane jest również, gdy do istniejącej hali zamierza się dobudować dodatkową nawę z suwnicami.

Całość słupa składa się tu z dwu oddzielnych części: podwiązarowej i podsuwnicowej. Część podwiązarowa, projektowana według zasad dla słupów o stałym przekroju, ma za zadanie przejmować obciążenie pionowe z dachu oraz wszelkie obciążenia poziome. Część podsuwnicowa przejmuje jedynie obciążenie pionowe suwnic. Obie te części są połączone ze sobą poziomymi odcinkami blach, których zadaniem jest zabezpieczenie części podsuwnicowej przed wyboczeniem w kierunku mniejszej jej sztywności. Odległość tych blach łączących powinna być tak dobrana, aby pewność na wyboczenie części podsuwnicowej była dla obu kierunków jednako­wa. Grubość blach łączących wystarcza 8—10 mm. Szczegóły konstrukcyjne pod­stawy i połączenia górnego obu gałęzi kształtuje się analogicznie jak w słupach kratowych o zmiennym przekroju.

5.4.4. ZAKOTWIENIE SŁUPÓW

Słupy hal przemysłowych utwierdzone są, w blokach fundamentowych. Utwierdzenie to uzyskuje się przez połączenie podstawy słupa z fundamentem śrubami kotwiącymi.

Zazwyczaj wysokość bloku fundamentowego pozwala na wbetonowanie takich śrub. Wówczas wystarcza zakończenie dolnej części śruby na wzór wkładek zbroje­niowych. Jeżeli długość lśr wypada z obliczeń zbyt duża w porównaniu z wysokością bloku fundamentowego, należy śrubę zakończyć u dołu tarczą i za pomocą spoin przenieść na tę tarczę siłę ze śruby.

Na tej podstawie można zaprojektować zakotwienie słupa.

Przy dokładnym wytyczeniu osi słupów oraz ustaleniu położenia śrub kotwiących można zabetonować te śruby na „głucho" na całej długości, bez pozostawiania tzw. kominków, jak to dotychczas zawsze było praktykowane. Wymaga to jednak dużej precyzji wykonania robót betonowych.

W przypadku gdy nie ma pewności, że fundamenty pod słupy będą dokładnie wytyczone, należy zalecać stosowanie tzw. kominków, wypełnionych zaprawą po wprowadzeniu do nich śrub i ustawieniu słupów.

---