of 29/29
1 Leszek CHODOR , dr inż. bud, inż.arch. [email protected] ; [email protected] Opracowano z wykorzystaniem materialów: [1] Trebilcock P, Lawson M., Architectural Design in Steel, Spon Press, 2004 [2 ] Biegus A., Konstrukcje stalowe hal, Arkady , Warszawa2003 [3] Pawlak Z., Ekonomiczna rozpiętość nawy hali stalowej, Nowoczesne hale, [4] strony www dostępne w dniu 17-11-2013

Wykład 1 KM2 -Wprowadzenie, stężeniachodor-projekt.net/wp-content/uploads/PIPress/Wyklady/KM2/[KM2-Bud... · [2 ] Biegus A ., Konstrukcje stalowe hal, Arkady , Warszawa2003 [3]

  • View
    215

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of Wykład 1 KM2 -Wprowadzenie,...

1Leszek CHODOR , dr in. bud, [email protected] ; [email protected]

Opracowano z wykorzystaniem materiaw:[1] Trebilcock P, Lawson M., Architectural Design in Steel, Spon Press, 2004[2 ] Biegus A., Konstrukcje stalowe hal, Arkady , Warszawa2003[3] Pawlak Z., Ekonomiczna rozpito nawy hali stalowej, Nowoczesne hale, [4] strony www dostpne w dniu 17-11-2013

Hale metalowe oglna charakterystyka

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 2

Hale najczciej budynki parterowe o przeznaczeniu: Budynki produkcyjne i magazynowe (najliczniejsze) Hale obsugowe (hangary, zajezdnie, stacje obsugi) Hale uytecznoci publicznej ( handlowe, wystawowe, sportowe, widowiskowe, dworce kolejowe i lotnicze)

Ze wzgldu na zastosowany transport wewntrzny: Transport koowy (wzki, podnoniki) Suwnice (transport podparty) lub wcigniki (transport podwieszony) - wyposaone w belki podsuwnicowe lub tory jezdne wcignikw.

Ze wzgldu na obudow: ocieplone, nieocieplone.

Mona wprowadza inne kryteria podziau, ale s one mniej istotne z punktu widzenia konstrukcyjnego

Wymagania: nono, uytkowno, niskie zuycie stali, maa pracochonno przy wytwarzaniu, atwy monta -> proste poczenia warsztatowe (spawane) i montaowe (rubowe), stosowanie prtowych wyrobw hutniczych (standardowych).

Szacuje si, e 50% walcowanej stali zuywa si na konstrukcje parterowych hal, co stanowi ok 40% cakowitego zuycia stali w Europie.

Hale metalowe widok perspektywiczny v1

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 3

le Ukad poprzeczny

Patwie

Rygiel

Stenie poaciowe poprzeczne

SupStenie pionowe cian

[4]

Hale metalowe widok perspektywiczny v2

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 4

Stenie poaciowe podune

[4]

Hale metalowe podstawowe wymiary

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 5

Inwestor i Architekt okrelaj wymiary zewntrzne hali (po elewacji). Zale one przede wszystkim od wielkoci potrzebnej powierzchni magazynowej lub produkcyjnej, a take od wymiarw dziaki na ktrej ma powsta inwestycja.

Wysoko obiektu te wynika ze wzgldw funkcjonalnych, a czasami zaley od MPZP.

Gdy wymiary obiektu s znaczne, pojawia si problem, czy wewntrz hali potrzebne bd supy. Jaka jest ekonomiczna rozpito nawy ?.

Optymalizacja jest wielokryterialna. Odpowied zaley od wielu czynnikw:1) od czynnikw funkcjonalnych - uytkowych tutaj najbardziej praktyczne s hale bez supw i cian wewntrznych (atwa zmiana technologii i sposobu uytkowania) ten aspekt w maym stopniu zaley od projektanta konstrukcji.

2) od kryterium minimalnego kosztu konstrukcji , czyli od zuycia stali - wyboru dokona konstruktor analizujc wiele schematw statycznych w tym wariantujc rozpitoci elementw.

[4]

Hale metalowe czy mog by bez supw wewntrznych ?

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 6

Hale stalowe mog osiga znaczne rozpitoci bez koniecznoci stosowania supwwewntrznych . Naley jednak stosowa rozwizania niestandardowe (przekrycia strukturalne,uki, kopuy, konstrukcje cignowe itp.).

Przykad: Aquapark Tropical Island pod Berlinem (2006)- najwiksza samonona konstrukcja wiata .

360 metrw dugoci, 210 metrw szerokoci, 107 metrw wysokoci. Kubatura 5,5 mln m3. Koszt budowy 78 mln Euro. Gwnym elementem nonym s uki penocienne

[4] Wikipedia

Hale metalowe dobr wymiarw , a optymalizacja

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 7

Lp. Nazwa mostu Rozpito (m) Miejscowo Rok budowy

I Akashi Kaikyo 1991 Kobe Naruto, Japonia 1998

2 Great Belt East 1624 Halsskov Sprogo, Dania 1998

3 Humber 1410 Hull, Anglia 1981

4 Jiangyin 1385 Jiangsu Prov., Chiny 1999

5 Tsing Ma 1377 Hongkong, Chiny 1997

6 Verrazano Narrows 1298 New York, USA 1964

7 Golden Gate 1280 San Francisco, USA 1937

8 Haga Kusten 1210 Veda, Szwecja 1997

9 Mackinac 1158 Mackinaw City, USA 1957

10 Minami Bisansato 1100 Kojirna Sakaide, Japonia 1988

Przykadem konstrukcji stalowych niekubaturowych o duych rozpitociach s mosty:

[4]

Elementy wpywajce na ciar konstrukcji

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 8

1. Obcienia klimatyczne oraz technologiczne (na dachu)2. Transport: hale z suwnicami maj znaczne ograniczenia na przemieszczenia

poziome musz by o wiele sztywniejsze, a co za tym idzie cisze (nawet 3x)

3. Rozwizania konstrukcyjne:

rodzaj rygla: penocienny, czy kratowy,

sposb zamocowania supw w fundamencie (utwierdzone, przegubowe),

sposb poczenia midzy elementami hali (gdzie wkonstruowa przeguby ?),

rozpito naw ukadu poprzecznego,

rozstaw midzy ukadami poprzecznymi (rozpito patwi),

dach patwiowy, czy bezpatwiowy,

rodzaj patwi (walcowane, gite na zimno, aurowe czy kratowe),

sposb oparcia wietlikw, klap dymowych i urzdzen na dachu tzw wymiany,

sposb stenia hali: prtowe, ramy stajce, sztywne wzy,

Czynniki te s wzajemnie zalene i daj w konsekwencji wiele wariantw,

ktre konstruktor powinien przeanalizowa przed przyjciem ostatecznego rozwizania.

Analiza rozpitoci i schematu ramy

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 9

[3]

Analiza rozpitoci i schematu ramy

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 10

Wnioski:1. Najkorzystniejsze s ramy z ryglem kratowym

Uwaga: efektywne kratownice to takie, ktrych wysoko mieci si w granicach 8 do 10% ropitoci, co powoduje zwikszenie kubatury hali (ogrzewanie, oddymianie). Powierzchnia malowania kraty jest wiksza od dwigara penociennego i trudniej jest zabezpieczy j poarowo (may wspczynnik masywnoci). Koszt robocizny przy wykonaniu kratownicy jest wikszy ni rygla penociennego.

2. Dla dwigarw penociennych warto rozbudowa naroe lub zastosowa rygle o pasach zbienych. Zyskujemy wtedy ok. 20% na ciearze konstrukcji (wykres W i U.) Naroe rozbudowuje si na odcinku ok. 10% rozpitoci rygla.

3. Korzystne jest wstawienie supa w rodku ropitoci, bo korzyci z tego powodu wahaj si w granicach 20-do 30%.

4. Korzystne jest stosowanie supw elbetowych i stalowej konstrukcji przekrycia. W miejsce stalowych wizarw rozway rwnie zastosowanie elementw z betonu spronego lub drewnianych dwigarw klejonych.5. Utwierdzenie supa jest korzystne, gdy rozpito ramy przekracza 20 m. Jednak korzy jest niewielka w porwnaniu z pozostaymi rozwizaniami.

Analiza rozpitoci i schematu ramy

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 11

Wanym czynnikiem jest spadek poaci dachowej. Na wykresach pokazano ekstremalne wartoci momentw zginajcych dla spdku poaci 5% i 15%. Rozwaano ram portalow zbudowan z profili o staej wysokoci, ze supami utwierdzonymi w supach i z dachem dwuspadkowym. Wyznaczono monety zginajce:MN (czarne, grne) w narou ramy,MF (czerwone) u podstawy supaMp (niebieskie, dolne) w przleWnioski:1. W ramie o mniejszym kcie nachylenia

rokad momentw jest zrwnowaony. Wraz ze wzikszaniem rozpietoci wszystkie monety zwikszaj si proporcjonalnie

2. W przypadku wikszych ktw wzrost rozpitoci powyej 20 m daje znaczne zwikszenie momentw w supie.

3. Wraz ze wzrostem spadku, lepiej stosowa ramy z blachownic o pasach zbienych i ramy ze wzmocnionymi naroami.

KoPochylenie rygla (poaci) 5%

Pochylenie rygla (poaci) 15%

Analiza rozpitoci, rodzaju rygla oraz rozstawu ram [1]

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 12

[1]

Na wykresach pokazano statystyczne badania hal stosowanych w Wielkiej Brytanii w funkcji rozpitoci rygla (span 10 do 45

m) rodzaju rygla ( penocienny

portal, kratowy- lattice) Rozstawu ukadw poprzecznych (spacing 6,0 lub 7,5 m)Wnioski:1. Optymalna rozpito wizara

kratowego, to ok 25 m, a rygla penocinnego ok. 30m

2. W przypadku dwigara kratowego optymalny jest rozstaw ram 6 m.

3. W przypadku rygla penociennego do ropietoci 32 m optymalny jest rozstaw 6 m, a powyej tej rozpitoci 7,5 m

Ukady poprzeczne hal stosowane s najczciej z ryglem kratowym dla rozpitoci ok 24 do 30 m, ale czsto rwnie o rozpitoci wikszej do 60 m. Powyej stosujemy ju inne rozwizania konstrukcyjne ( np. uki- czsto kratowe)

Analiza patwi

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 13

Stosowane s patwie:

walcowane najczciej IPE

gite na zimno: zetowniki, ceowniki

aurowe ( z otworami w rodniku)

kratowe blach fadow (ten

przypadek nazywa si dachem bezpatwiowym)

Z globalnej analizy kosztowej wynika, e czny koszt (blacha+patwie) jest wikszy w przypadku dachu bezpatwiowego.

Patwie walcowane, a gite na zimno

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 14

Przekroje gite a zimno maj lepsze charakterystyki od walcowanych dla tej samej masy. Wniosek: Lejsze s przekroje gite na zimno, cho cena 1 kg stali jest wiksza. ( w wikszoci przypadkw bardziej opacalne s patwie gite na zimno)

Patwie penocienne bez auru stosowane s maksymalnie do 9 m ze wzgldu na zbyt due ugicia po przekroczeniu tej rozpitoci

Powyej 9 m stosuje si patwie aurowe lub kratowe, a powyej 12 m praktycznie wycznie kratowe

Stenie konstrukcji hal {1}

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 15

W projektowaniu ustrojw hal fundamentalne znaczenie ma prawidoweuksztatowanie ste dachowych i ciennych. Stenia cz gwne elementynone w taki sposb, e powstay ukad prtowy jest geometrycznie niezmienny,przez co zapewniona jest sztywno przestrzenna ukadu konstrukcyjnegopoddanego dziaaniu przestrzennych obcie zewntrznych:ciar wasny, nieg , wiatr, wiatr, suwnice, temperatura, obcienia

technologiczne (uytkowe).

Ustroje poprzeczne i stenia (tworzce razem ustrj geometrycznie niezmiennyw przestrzeni trjwymiarowej) s jednakowo wanymi elementami konstrukcjinonej hali, gdy przejmuj one wsplnie wielokierunkowe obcienia dziaajcena obiekt.

Analiza geometrycznej niezmiennoci konstrukcji jest podstawowym zadaniemprojektanta w ksztatowaniu gwnego ustroju nonego hali. Zadanie to nie jestatwe szczeglnie w nietypowych sytuacjach projektowych. Ukad geometryczny,rozmieszczenie i rodzaj tnikw zaley od indywidualnych sytuacjiprojektowych, np. rodzaju rygla dachowego (kratowy, penocienny), rozpitocinawy, rozstawu ram, obcie technologicznych itp.

Stenie konstrukcji hal {2}

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 16

[2]

Stenie konstrukcji hal {2} analiza geometrycznej zmiennoci hali

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 17

[2]

Stenie konstrukcji hal {3} rozmieszczenie ste

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 18

Poaciowe poprzeczne

Pionowe midzysupowe

Poaciowe podune

Pionowe midzy wizarami

T5-wiatrowe ciany czoowej

T6-wiatrowe ciany bocznej

T7-pionowe ciany czoowej [2]

Stenie konstrukcji hal {4} Warunki dla prtw ste

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 19

Uycie ste i ich rozmieszczenie zaley od rodzaju i wielkoci obcie oraz od ukadu geometrycznego i sztywnoci elementw i ich pocze. Nie wszystkie wymienione typy ste musz by stosowane zawsze. O ich zastosowaniu decyduje projektant z warunku zapewnienia geometrycznej niezmiennoci i sztywnoci ukadu przestrzennego hali. Przykadem ste, ktre nie musz wystpi s stenia poaciowe podune, ktre s stosowane praktycznie tylko wwczas, gdy patwie s obcione supkami obudowy midzy wzami.

Element mona uwaa za podparty w paszczynie prostopadej do swej osi, jeeli:1) jest poczony z tarcz (prtow lub pytow), ktra ma zapewnion stabilno. Poczenie jest realizowane za pomoc co najmniej dwch prtw, przecinajcych si w osi elementu i tworzcych kt w granicach 60 do 135o. Prty podpierajce musz by poczone z punktami staymi, to znaczy takimi, ktre nie doznaj przemieszcze wikszych od granicznych (dopuszczalnych).

2) Prty czce zapewniaj przeniesienie siy ok 1/100 siy wystpujcej w elemencie podpieranym. Uwaga: Dokadn warto siy wyznacza si zgodnie z EC z siy qd ( omwionej w dalszej czci wykadu).

Stenia poaciowe poprzeczne {1}

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 20

[2]

Schemat zachowania si elementw konstrukcji w paszczynie dachu bez ste (a) i ze steniami (b),(c )

[2]

Stenia poaciowe poprzeczne {2} - zasady rozmieszczanie

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 21

Poprzeczne stenia poaciowe odgrywaj bardzo znaczn rol i zalecamy je doobowizkowego stosowania dla projektantw, nie bedcych ekspertami. Zasadyrozmieszczania:1) na caej szerokoci hali2) w polu skrajnym lub przedskrajnym3) nie rzadziej ni co 8-me pole4) w kadym oddylatowanym segmencie hali [Eurokod 3 nie podaje zasad rozmieszczania]

Przykady ksztatowania geometrycznego ste poprzecznych poaciowych

Uwaga kt pomidzy prtami nie moe by mniejszy od 30o

[2]

Stenia poaciowe poprzeczne {3} - blacha fadowa

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 22

Jako stenie poaciowe mona wykorzysta dachow blach fadowUwaga: W takim przypadku naley speni szereg szczegowych kryteriw.

1- rygiel dachowy

2- patew

3- blacha fadowa

4- czniki gwne blachy fadowej

5- czniki uszczelniajce

6- elementy porednie

[2]

Stenia poaciowe poprzeczne {4} - model obliczeniowy

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 23

[2]

Jako schemat statyczny stenia poaciowego przyjmuje si kratownic orozpitoci rwnej szerokoci dachu. Pasy kratownicy stanowi pasy grnewizarw. Patwie s supkami, a stenia krzyulcami. Obcienia kratownicy, to :

1) siy od wiatru na cian czoow, 2) siy zastpcze od imperfekcji wywoaneniedoskonaociami geometrycznymi, montaowymi i innymi.

Stenia poaciowe poprzeczne {5} - formua obliczeniowa

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 24

gdzie:NEd maksymalna sia ciskajca w stanym prcie,dq ugicie stenia od odziaywania q i wszystkich obcie zewntrznych, uzyskane z analizy I rzdu.

Gdy w analizie ustroju stosuje si teori II rzdu, to mona przyj dq=0.

Zastpcze imperfekcje geometryczne mona oblicza ze wzoru dla ciskanego prta z wstpnymi wygiciami ukowymi ,

L- rozpito kratownicy stanej, m- liczba stanych prtw (rygli).

W przypadku, gdy stenia stabilizuje rygiel o staej wysokoci H, zginany momentem MEd , to NEd = MEd/ H

Wedug Eurokodu 3 siy imperfekcji stanowi obcienie poprzeczne

Stenia pionowe midzysupowe {1} - zasady rozmieszczania

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 25

Pionowe stenia midzysupowe umieszcza si w linii supw gwnych w kierunkupodunej osi hali. Umieszczane s nie tylko wzdu podunych cianzewntrznych, ale rwnie w linii supw wewntrznych hal wielonawowych (wkadym rzdzie supw gwnych).

Zapewniaj one przede wszystkim stateczno paskich poprzecznych ukadwgwnych wzdu osi podunej budynku, gdy supy w tym kierunku zwykle traktujesi jako przegubowo poczone z fundamentami. Stenia zapewniaj statecznopodun i ogln szkieletu nonego hali zarwno w trakcie montau jak iuytkowania.

Projektanci nie bdcy ekspertami powinni stosowa zasad rozmieszczania stepionowych midzysupowych w tych samych polach, co stenia poaciowepoprzeczne. [Eurokod 3 nie podaje zasad rozmieszczania].

Usztywnienia pionowe podune supw hal stosuje si najczciej w postaciustrojw kratowych, rzadziej za jako konstrukcje kratowo-ramowe lub ramowe.Kratowe stenia umieszcza si midzy ssiednimi supami hali . S to kratownice oschemacie wspornika. Ich pasami s pasy ssiednich supw lub supy.Wykratowanie stanowi dodatkowe prty skone (krzyulce), a supkami mog byrygle cienne.

Stenia pionowe midzysupowe {2} - model obliczeniowy

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 26

Model obliczeniowy ste midzysupowych jest sprzony z modelem ste poaciowych poprzecznych ( rys.)

Reakcja pozioma R ze stenia poaciowego poprzecznego (od wiatru dziaajcego na cian szczytow Wi oraz obcienia od imperfekcji qd) jest przekazywana na stenie pionowe midzysupowe . Przejmuje ono rwnie si poziom Hm(1) od imperfekcji przechyowych m-podpieranych supw gwnych w paszczynie podunej i si Hm(2) - reakcj od imperfekcji ukowych supw w paszczynie ciany podunej.

Stenia pionowe midzysupowe {3} - formuy obliczeniowe

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 27

Jeeli sia poduna u gry w i-tym supie ramy wynosi Ni, to poziom si odimperfekcji przechyowej wyznacza si ze wzorw:

gdzie: Ni sia osiowa w i-tym supie, h- wysoko supa, m liczba stonych supwSi Hm oblicza si podobnie jak reakcj R od obcienia qd. Korzysta si wic ze wzoru na qd, zamieniajc w nim rozpito przsa ramy L na wysoko supa h, sum si ciskajcych na si podun N u gry supa oraz przyjmujc strzak wygicia skorelowan z krzyw wyboczeniow przekroju supa (dla przekrojw dwuteowych jest to krzywa c, dla ktrej e0/h=1/200, lub krzywa d, dla ktrej e0/h=1/150 , za dla supw skratowanych w paszczynie ciany podunej e0/h=1/500. Reakcj od imperfekcji ukowych supw w paszczynie ciany podunej oblicza si ze wzoru: Jeeli rygle ciany podunej nie s poczone

z pionowymi steniem midzysupowym, to supy s podpierane w kierunku podunym i Hm(2)=0

Stenia midzywizarowe {1} - zasady dziaania

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 28

Pionowe stenia podune dachw hal stosuje si przede wszystkim wtedy, gdy ich rygiel jest kratownic. Kratowe dwigary dachowe maj bardzo ma sztywno (gitn ze swojej paszczyzny oraz skrtn). Ponadto w przypadku przegubowego poczenia ze supami s podatne na obrt wzdu osi podunej. Gwnym zadaniem konstrukcyjnym pionowych ste podunych jest zabezpieczy kratownic przed skrcaniem, pochyleniem, wywrceniem zarwno w trakcie montau jak i podczas eksploatacji. Stenie pionowe dachw kratowych stosuje si jako skratowania ST midzy ssiednimi wizarami (std s nazywane miedzywizarowymi). Przede wszystkim stabilizuj one i usztywniaj przestrzenny ukad kratowy dachu hali w kierunku podunym.

Stenia midzywizarowe {1} - zasady rozmieszczania

Politechnika witokrzyska , Leszek CHODOR Konstrukcje metalowe 2 29

Maj one zabezpieczy rygle ram gwnych przed deformacjami skrtnymi (przedzwichrzeniem). Ponadto su do zapewnienia prawidowego, wzajemnego ustawieniawizarw podczas montau (uniemoliwajc skrcanie, przechylenie i wywrcenie).Zadaniem pionowych tznikw dachowych moe by rwnie zabezpieczenie drga ipoziomych przemiszcze pasw dolnych wizrw podczas pracy suwnicy iwcignikw.

Speniaj rwnie rol usztywnie zapewniajcych potrzebn dugo wyboczeniowciskanych czci rygla dachowego.

Mimo, ze Eurokod 3 nie podaje zasad rozmieszczania, to projektantom, nie bdcychekspertami zaleca si, by stenia midzywizarowe (rys. 4) :

1) Stosowa w odlegoci nie wikszej ni co 15 m, a w przypadku dwigarw zesupkami podporowymi rwnie w linii podpr. Ponadto stosujemy renie wmiejscach zaamania pasw grnych.

2) Stenia midzywizarowe pene (rys.4d,e,f) dajemy w polach w ktrychwystpuj stenia poaciowe poprzeczne. W pozostaych polach pasy grnepowinny by usztywnione w tych samych liniach podunych, w ktrych znajdujsi stenia pionowe - za pomoc prtw sztywnych o smukoci