Rodzaje hal stalowych oraz ich rozwiązania konstrukcyjne, Nauka, Budownictwo przemysłowe

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
NOWOCZESNE HALE 1/08
|
TECHNIKI I TECHNOLOGIE
RODZAJE
hal stalowych
oraz ich rozwiązania konstrukcyjne
– CZ. I
W budownictwie stalowym
rokie wykorzystanie gotowych wyrobów hutniczych
i przetwórstwa hutniczego oraz proste rozwiązania
połączeń. W konstrukcji hal jest wykorzystywana sztywność
tarczowa obudowy dachu i ścian, a w konstrukcji budynków
wielokondygnacyjnych – współdziałanie elementów stalo-
wych z betonem.
stały postęp. Otwarcie kraju
na inwestycje zagraniczne
spowodowało szeroką ekspansję
Rodzaje hal
Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się hale:
–
przemysłowe
(produkcyjne i magazynowe),
–
obsługowe
(hangary, zajezdnie, stacje obsługi samocho-
dów),
–
użyteczności publicznej
(handlowe, wystawowe, sporto-
we, widowiskowe, dworcowe itp.).
Najliczniejszą grupę hal o konstrukcji stalowej stanowią hale
przemysłowe. Zastosowanie konstrukcji stalowych w halach
przemysłowych umożliwia łatwe spełnienie zróżnicowanych
wymagań technologicznych w zakresie rozpiętości i obciążeń,
a także umożliwia przystosowanie konstrukcji do zmian tech-
nologii i odmiennego użytkowania obiektu. Również montaż
i rozbiórka konstrukcji przebiegają szybko i nie powodują
żadnych trudności.
W budownictwie użyteczności publicznej oprócz wymagań
funkcjonalnych należy spełnić indywidualne wymagania ar-
chitektoniczne w zakresie kształtu i wymiarów bryły budynku
oraz faktury i koloru elewacji. Trzeba również uwzględnić
specyﬁ kę realizacji obiektów, zwykle w istniejącej zabudowie
i na ograniczonym terenie.
Czynniki te spowodowały, że w krajach najbardziej uprze-
mysłowionych powszechnie stosowane są konstrukcje
zachodnioeuropejskich
systemów budownictwa
stalowego, opartych na
wysokorozwiniętej technologii
północnoamerykańskiej.
42
dr hab. in
. Witold Kucharczuk
C
harakterystycznymi cechami tych systemów są sze-
w Polsce obserwuje się
TECHNIKI I TECHNOLOGIE
|
NOWOCZESNE HALE 1/08
szkieletowe, a przede wszystkim lekkie konstrukcje sta-
lowe.
Ze względów ekonomicznych inwestycje powinny być re-
alizowane szybko. Aby to umożliwić, elementy konstrukcji
i obudowy budynków należy wytwarzać metodami przemy-
słowymi, a ich montaż winien być łatwy i szybki.
W warunkach gospodarki zarządzanej centralnie wymaga-
nia te najlepiej spełniały konstrukcje systemowe. Najczęściej
stosowanymi w Polsce systemami konstrukcyjno-technolo-
gicznymi były:
– w budownictwie przemysłowym – Zintegrowany System
Lekkich Stalowych Hal Ocieplonych „Mostostal”,
– w budownictwie ogólnym – Zintegrowany System Lekkiego
Szkieletu Stalowego – ZLS.
Systemy zawierały zbiory elementów konstrukcyjnych o zu-
niﬁ kowanych połączeniach oraz zestawy projektów typo-
wych i powtarzalnych (kodowych). Posługiwanie się skoń-
czonym zestawem elementów było dogodne ze względów
wykonawczych, lecz ograniczało możliwości racjonalnego
projektowania.
Obecnie, w warunkach dużej konkurencji na rynku budowlanym
konstrukcję obiektu należy projektować w dostosowaniu do in-
dywidualnych wymagań architektonicznych i użytkowych.
Wiele rozwiązań systemowych zachowało aktualność i mogą
być nadal stosowane w indywidualnych projektach obiektów
o prostej architekturze, takich jak hale produkcyjne, handlowe
i magazynowe, o rozpiętościach do 36 m.
Rozwiązania konstrukcyjne hal o większych rozpiętościach
(hale sportowe, widowiskowe itp.) oraz o specjalnym prze-
znaczeniu (np. hangary lotnicze) powinny być opracowywane
indywidualnie, odpowiednio do funkcji obiektu i jego formy
architektonicznej. Wybrane przykłady takich typów hal zo-
staną omówione w innym artykule.
Moduł konstrukcyjny, określający położenie osi elementów
konstrukcyjnych w planie, przyjęto jako wielokrotność modułu
funkcjonalnego.
W obiektach o konstrukcji i obudowie projektowanych indy-
widualnie stosowanie wymiarów modułowych jest zalecane,
lecz nieobowiązujące.
W obliczeniach statycznych hal przyjmuje się następujące
obciążenia:
– obciążenia stałe wg PN-82/B – 02001;
– obciążenie śniegiem wg PN-80/B – 02010/Az1: 2006;
stosunku do PN-80/B – 02010 wprowadzono nową mapę
podziału Polski na strefy obciążenia śniegiem gruntu, nowe
wartości charakterystyczne obciążenia śniegiem i nowy
(zwiększony) współczynnik obciążenia;
– obciążenie wiatrem wg PN-77/B – 02011;
– obciążenia suwnicami wg PN-86/B – 02005;
– obciążenia instalacjami, które należy ustalać indywidualnie
w zależności od przewidywanego wyposażenia instalacyj-
nego hali.
W szczególnych przypadkach konieczne może być uwzględ-
nienie dodatkowych obciążeń związanych z technologią pro-
dukcji, np. obciążenie pyłem.
Zasady ustalania wartości obciążeń są podane w PN-
82/B-02000. W obliczeniach należy uwzględnić obciążenia
występujące w stadiach eksploatacji i montażu, a w szczegól-
nych przypadkach także w stadiach wykonania, transportu,
magazynowania i naprawy elementów konstrukcji. Obliczenia
należy wykonywać z uwzględnieniem najbardziej niekorzyst-
nych kombinacji obciążeń. Kombinacje obciążeń ustala się
w zależności od rozpatrywanego stanu granicznego wg PN-
76/B – 03001.
Konstrukcje hal w budownictwie ogólnym i przemysłowym
są wykonane głównie ze stali niestopowych konstrukcyjnych
wg PN-EN10025-2: 2005/U/.
Ogólne zasady projektowania konstrukcji hal
Rozstawy słupów oraz wysokość hal systemowych przyjmo-
wano według zasad
koordynacji modularnej
[1].
W systemach hal przemysłowych przyjęto moduł poziomy
konstrukcji równy 3 m i jego parzystą wielokrotność oraz
moduł pionowy równy 1,2 m.
Zasady usytuowania elementów konstrukcji względem osi
modularnych w Zintegrowanym Systemie Hal „Mostostal”
przedstawiono na rys. 1.
Słupy ścian podłużnych i szczytowych usytuowano w tym
systemie stycznie do osi siatki modularnej, a wysokość mo-
dularną hali przyjęto jako równą wysokości ścian. Umożliwiło
to maksymalną uniﬁ kację elementów konstrukcji dachu oraz
obudowy dachu i ścian zaprojektowanych w postaci powtarzal-
nych segmentów. W pozostałych systemach słupy usytuowano
na siatce modularnej osiowo w obu kierunkach, a jako wysokość
modularną hali przyjmowano jej wysokość w świetle.
W systemie ZLS wobec większego zróżnicowania i rozdrob-
nienia funkcji w budownictwie ogólnym przyjęto mniejsze
moduły projektowe:
– moduł funkcjonalny poziomy równy 600 mm, określający
położenie elementów obudowy,
– moduł wysokościowy równy 300 mm.
Podstawowe układy konstrukcyjne hal
Elementy ustroju nośnego
W układzie konstrukcyjnym każdej hali można wyodrębnić
główny ustrój nośny oraz konstrukcje wsporcze obudowy ścian
i dachu (rys. 2). W halach przemysłowych mogą występować
dodatkowo elementy związane z transportem wewnętrznym,
takie jak belki suwnic podwieszonych lub natorowych, oraz
konstrukcje pomocnicze, takie jak antresole, pomosty itp.
Głównymi ustrojami nośnymi są te, które przenoszą na fun-
damenty większość obciążeń hali. Mogą nimi być:
– ustroje poprzeczne płaskie stężone w kierunku podłużnym,
– ustroje przestrzenne.
Układy poprzeczne płaskie
Hale o płaskich ustrojach nośnych są najbardziej rozpowszech-
nione ze względu na łatwość wytwarzania, transportu i monta-
żu. Do ustrojów płaskich zalicza się: ramy z ryglem kratowym
i ramy kratowe oraz ramy pełnościenne.
Stosuje się je zarówno w halach jedno-, jak i wielonawowych.
Ustroje poprzeczne zapewniają geometryczną niezmienność
układu w jednym kierunku, natomiast w kierunku prostopa-
dłym zapewnia się ją za pomocą stężeń.
43
NOWOCZESNE HALE 1/08
|
TECHNIKI I TECHNOLOGIE
Układy ram z ryglami kratowymi i ramy kratowe
Układy, w których wiązary dachowe są oparte przegu-
bowo na słupach, noszą nazwę układów słupowo-wią-
zarowych.
Podstawowe schematy konstrukcyjne głównego ustroju no-
śnego hal słupowo-wiązarowych systemu „Mostostal” przed-
stawiono na rys. 3.
Główne zalety układów słupowo-wiązarowych to:
– stosunkowo duża sztywność w kierunku poprzecznym za-
pewniająca dobrą eksploatację suwnic,
– łatwość montażu wynikająca (przy poprawnym projek-
cie) ze samostateczności dużych, scalonych elementów
dachu,
– łatwość adaptacji hali w przypadku zmiany jej przezna-
czenia.
Rys. 1. Zasady modularnego kształtowania hal ocieplonych systemu „Mostostal”:
a) układ osi podłużnych i poprzecznych (moduł poziomy),
b) wysokości modularne hal (moduł pionowy)
Wady tych układów są następujące
:
– przekazywanie na grunt dużych momentów zginających
w związku z utwierdzeniem słupów w fundamentach,
– powstawanie dysproporcji w ciężarze słupów, belek pod-
suwnicowych i wiązarów w halach o małych lub średnich
rozpiętościach naw.
Rys. 2. Przykładowy układ konstrukcji i obudowy hali ramowej [2]
Na rys. 4 przedstawiono ustroje trójprzegubowe złożone
z wiązara i słupów, z których jeden jest utwierdzony w fun-
damencie. Tego typu statycznie wyznaczalne układy hal sto-
suje się wszędzie tam, gdzie można spodziewać się znacznej
podatności podłoża spowodowanej na przykład eksploatacją
górniczą. Inne schematy ram z elementami kratowymi przed-
stawiono na rys. 5.
Na rys. 5a wiązar jest połączony sztywno ze słupami utwier-
dzonymi w fundamentach, co jest zalecane w halach wysokich
(szczególnie gdy H/L>1) w celu zmniejszenia przemieszczeń
poziomych.
Rys. 3. Schematy głównego ustroju nośnego hal słupowo-wiązarowych systemu
„Mostostal”:
a) bez suwnic, b) z suwnicami podwieszonymi, c) z suwnicami natorowymi [3]
Główne zalety ustroju ramowego z ryglem kratowym to:
– duża sztywność umożliwiająca stosowanie ciężkich suwnic,
– wyrównanie momentów zginających w całym przekroju
poprzecznym, pozwalające na racjonalne rozmieszczenie
materiału.
Rys. 4. Ustroje słupowo-wiązarowe stosowane na terenach szkód górniczych: a) bez
suwnic, b) z suwnicami podwieszonymi
Wady tego ustroju
są następujące
:
– duża wrażliwość na nierównomierne osiadanie słupów,
eliminująca stosowanie tego typu hal na terenach górni-
czych,
– trudniejszy montaż (konieczność stosowania dodatkowych
stężeń poziomych w streﬁ e przypodporowej wiązara).
Ramy kratowe (rys. 5b) mają zastosowanie w halach przemy-
słowych o dużych rozpiętościach oraz w hangarach. W budyn-
kach nieprzemysłowych kształt ram jest dostosowany do for-
my architektonicznej budynku. Zazwyczaj są one przegubowo
połączone z fundamentami.
Wybór układu konstrukcyjnego hali zależy od jej rozpiętości
i wysokości, rodzaju transportu wewnętrznego oraz warunków
gruntowych. W halach bez suwnic, posadowionych na podłożu
Rys. 5. Rama z ryglem kratowym (a) i rama kratowa (b)
44
TECHNIKI I TECHNOLOGIE
|
NOWOCZESNE HALE 1/08
jednorodnym korzystne może być zastosowanie ciągłego układu
ramowego.
Przykład indywidualnego rozwiązania konstrukcyjnego ta-
kiej hali przedstawiono na rys. 6. Siatka słupów hali wynosi
14,1 m x 14 m, a jej wysokość użytkowa – 8 m. Głównym
ustrojem nośnym hali są sześcioprzęsłowe ramy poprzecz-
ne o rozpiętości przęseł 14,1 m. Słupy ram są utwierdzone
w fundamentach i połączone sztywno z kratowym ryglem.
Na ramach są oparte jednoprzęsłowe płatwie kratowe, któ-
rych pasy dolne połączono cięgnami o regulowanej długości
z pasami dolnymi rygli i słupami ram w celu zapewnienia
im bocznego podparcia. Konstrukcja przekrycia hali została
zaprojektowana z uwzględnieniem współpracy z blachą fał-
dową obudowy dachu, która jako tarcza przenosi obciążenia
poziome prostopadłe do ram na stężenia pionowe usytuowane
w ścianach podłużnych. Dzięki temu wnętrze hali jest wolne
od stężeń. Zużycie stali wynosi 20,5 kg na metr kwadratowy
i jest o około 15% mniejsze w porównaniu z konstrukcją ana-
logicznej hali o układzie słupowo-wiązarowym.
W przypadku gdy wymogi technologii narzucają duży rozstaw
słupów w obu kierunkach oraz dwukierunkowe podwieszenie
ciągów transportowych i instalacyjnych, dachy hal kształtuje się
w postaci segmentów opartych na słupach utwierdzonych w fun-
damentach. Przykładem takich rozwiązań są hale o przykryciach
strukturalnych [5, 6] oraz pilastych (szedowych) [7].
Rys. 6. Przykład konstrukcji wielonawowej hali o ciągłym układzie ramowym
w stadium montażu [4]
Układy ram pełnościennych
Charakterystyczne schematy ram jednonawowych systemu
„Mostostal” przedstawiono na rysunku 7a-c.
W halach niskich bez suwnic i z suwnicami podwieszonymi
stosuje się na ogół przegubowe połączenia słupów z fun-
damentami, a w halach wysokich i w halach z suwnicami
natorowymi – sztywne. Połączenia przegubowe pozwalają
na zmniejszenie wymiarów fundamentów, co ma szczególnie
istotne znaczenie w przypadku słabych gruntów. Przykładowe
ustroje nośne hal przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Słupy
wewnętrzne hal wielonawowych bez suwnic oraz z suwnicami
podwieszonymi były projektowane jako dwuprzegubowe (wa-
hacze). W rozwiązaniach systemowych rygle ram miały jedna-
kowy przekrój na całej ich długości. Bardziej ekonomiczne jest
wzmocnienie rygli na odcinkach przypodporowych lub zasto-
sowanie ściągu. Zastosowanie ściągu umożliwia zmniejszenie
siły rozporu rygla i momentów zginających w ryglu i słupach.
Powoduje to redukcję zużycia stali średnio o 40% [8]. Na ry-
sunku 10 przedstawiono konstrukcję hali ramowej ze ściągiem
w stadium montażu. Jest to hala produkcyjna o rozpiętości
18,0 m i wysokości modułowej 8,4 m z suwnicami podwie-
szonymi o udźwigu Q = 32 kN.
Ramy wieloprzęsłowe z rysunku 7d i e są stosowane, gdy zale-
ży nam na bezpośrednim odprowadzeniu wody z dachu na ze-
wnątrz. Ramy mansardowe ze ściągiem (rys. 7f ) są szczególnie
ekonomiczne przy dużych rozpiętościach, a ramy portalowe
dwuprzegubowe z suwnicami natorowymi (rys. 7g) są sto-
sowane sporadycznie na słabych gruntach lub w przypadku
ciężkich suwnic.
Rys. 7. Schematy ram pełnościennych: a-c) rozwiązania systemowe [3], d-g) rozwią-
zania indywidualne
Rys. 8. Główny ustrój nośny dwunawowej hali ramowej z suwnicami podwieszonymi [2]
Rys. 9. Główny ustrój nośny dwunawowej hali ramowej z suwnicami natorowymi [2]
Piśmiennictwo opublikujemy z cz. II artykułu.
Rys. 10. Przykład konstrukcji hali ramowej ze ściągiem [8]
45
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Rodzaje hal stalowych oraz ich rozwiązania konstrukcyjne, Nauka, Budownictwo przemysłowe

Tematy