RODZAJE HAL STALOWYCH ORAZ ICH ROZWIĄZANIA

RODZAJE HAL STALOWYCH ORAZ ICH ROZWIĄZANIA

NOWOCZESNE HALE 1/08
| TECHNIKI I TECHNOLOGIE
dr hab. in. Witold Kucharczuk
RODZAJE hal stalowych
oraz ich rozwiązania konstrukcyjne
– CZ. I
w
W budownictwie stalowym
w Polsce obserwuje się
stały postęp. Otwarcie kraju
na inwestycje zagraniczne
spowodowało szeroką ekspansję
zachodnioeuropejskich
systemów budownictwa
stalowego, opartych na
wysokorozwiniętej technologii
północnoamerykańskiej.
42
C
harakterystycznymi cechami tych systemów są szerokie 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 stalowych z betonem.
Rodzaje hal
Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się hale:
– przemysłowe (produkcyjne i magazynowe),
– obsługowe (hangary, zajezdnie, stacje obsługi samochodów),
– użyteczności publicznej (handlowe, wystawowe, sportowe, 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 technologii 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 architektoniczne w zakresie kształtu i wymiarów bryły budynku
oraz faktury i koloru elewacji. Trzeba również uwzględnić
specyfikę realizacji obiektów, zwykle w istniejącej zabudowie
i na ograniczonym terenie.
Czynniki te spowodowały, że w krajach najbardziej uprzemysłowionych powszechnie stosowane są konstrukcje
TECHNIKI I TECHNOLOGIE | NOWOCZESNE HALE 1/08
szkieletowe, a przede wszystkim lekkie konstrukcje stalowe.
Ze względów ekonomicznych inwestycje powinny być realizowane szybko. Aby to umożliwić, elementy konstrukcji
i obudowy budynków należy wytwarzać metodami przemysłowymi, a ich montaż winien być łatwy i szybki.
W warunkach gospodarki zarządzanej centralnie wymagania te najlepiej spełniały konstrukcje systemowe. Najczęściej
stosowanymi w Polsce systemami konstrukcyjno-technologicznymi 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 zunifikowanych połączeniach oraz zestawy projektów typowych i powtarzalnych (kodowych). Posługiwanie się skończonym 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 indywidualnych 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 przeznaczeniu (np. hangary lotnicze) powinny być opracowywane
indywidualnie, odpowiednio do funkcji obiektu i jego formy
architektonicznej. Wybrane przykłady takich typów hal zostaną 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 indywidualnie 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 instalacyjnego hali.
W szczególnych przypadkach konieczne może być uwzględnienie dodatkowych obciążeń związanych z technologią produkcji, np. obciążenie pyłem.
Zasady ustalania wartości obciążeń są podane w PN82/B-02000. W obliczeniach należy uwzględnić obciążenia
występujące w stadiach eksploatacji i montażu, a w szczególnych przypadkach także w stadiach wykonania, transportu,
magazynowania i naprawy elementów konstrukcji. Obliczenia
należy wykonywać z uwzględnieniem najbardziej niekorzystnych kombinacji obciążeń. Kombinacje obciążeń ustala się
w zależności od rozpatrywanego stanu granicznego wg PN76/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 przyjmowano 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 modularną hali przyjęto jako równą wysokości ścian. Umożliwiło
to maksymalną unifikację elementów konstrukcji dachu oraz
obudowy dachu i ścian zaprojektowanych w postaci powtarzalnych 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 rozdrobnienia 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 fundamenty 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 rozpowszechnione ze względu na łatwość wytwarzania, transportu i montażu. 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 prostopadłym 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 przegubowo na słupach, noszą nazwę układów słupowo-wiązarowych.
Podstawowe schematy konstrukcyjne głównego ustroju nośnego hal słupowo-wiązarowych systemu „Mostostal” przedstawiono na rys. 3.
Główne zalety układów słupowo-wiązarowych to:
– stosunkowo duża sztywność w kierunku poprzecznym zapewniająca dobrą eksploatację suwnic,
– łatwość montażu wynikająca (przy poprawnym projekcie) ze samostateczności dużych, scalonych elementów
dachu,
– łatwość adaptacji hali w przypadku zmiany jej przeznaczenia.
Rys. 1. Zasady modularnego kształtowania hal ocieplonych systemu „Mostostal”:
a) układ osi podłużnych i poprzecznych (moduł poziomy),
b) wysokości modularne hal (moduł pionowy)
Rys. 2. Przykładowy układ konstrukcji i obudowy hali ramowej [2]
Rys. 3. Schematy głównego ustroju nośnego hal słupowo-wiązarowych systemu
„Mostostal”:
a) bez suwnic, b) z suwnicami podwieszonymi, c) z suwnicami natorowymi [3]
Rys. 4. Ustroje słupowo-wiązarowe stosowane na terenach szkód górniczych: a) bez
suwnic, b) z suwnicami podwieszonymi
Rys. 5. Rama z ryglem kratowym (a) i rama kratowa (b)
44
Wady tych układów są następujące:
– przekazywanie na grunt dużych momentów zginających
w związku z utwierdzeniem słupów w fundamentach,
– powstawanie dysproporcji w ciężarze słupów, belek podsuwnicowych i wiązarów w halach o małych lub średnich
rozpiętościach naw.
Na rys. 4 przedstawiono ustroje trójprzegubowe złożone
z wiązara i słupów, z których jeden jest utwierdzony w fundamencie. Tego typu statycznie wyznaczalne układy hal stosuje się wszędzie tam, gdzie można spodziewać się znacznej
podatności podłoża spowodowanej na przykład eksploatacją
górniczą. Inne schematy ram z elementami kratowymi przedstawiono na rys. 5.
Na rys. 5a wiązar jest połączony sztywno ze słupami utwierdzonymi w fundamentach, co jest zalecane w halach wysokich
(szczególnie gdy H/L>1) w celu zmniejszenia przemieszczeń
poziomych.
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.
Wady tego ustroju są następujące:
– duża wrażliwość na nierównomierne osiadanie słupów,
eliminująca stosowanie tego typu hal na terenach górniczych,
– trudniejszy montaż (konieczność stosowania dodatkowych
stężeń poziomych w strefie przypodporowej wiązara).
Ramy kratowe (rys. 5b) mają zastosowanie w halach przemysłowych o dużych rozpiętościach oraz w hangarach. W budynkach nieprzemysłowych kształt ram jest dostosowany do formy 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
TECHNIKI I TECHNOLOGIE | NOWOCZESNE HALE 1/08
jednorodnym korzystne może być zastosowanie ciągłego układu
ramowego.
Przykład indywidualnego rozwiązania konstrukcyjnego takiej 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 poprzeczne 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, których 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 fałdową 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 analogicznej 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 fundamentach. 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 fundamentami, 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 (wahacze). W rozwiązaniach systemowych rygle ram miały jednakowy przekrój na całej ich długości. Bardziej ekonomiczne jest
wzmocnienie rygli na odcinkach przypodporowych lub zastosowanie 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 rysunku 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 podwieszonymi o udźwigu Q = 32 kN.
Ramy wieloprzęsłowe z rysunku 7d i e są stosowane, gdy zależy nam na bezpośrednim odprowadzeniu wody z dachu na zewnątrz. Ramy mansardowe ze ściągiem (rys. 7f ) są szczególnie
ekonomiczne przy dużych rozpiętościach, a ramy portalowe
dwuprzegubowe z suwnicami natorowymi (rys. 7g) są stosowane sporadycznie na słabych gruntach lub w przypadku
ciężkich suwnic.
‰
Piśmiennictwo opublikujemy z cz. II artykułu.
Rys. 7. Schematy ram pełnościennych: a-c) rozwiązania systemowe [3], d-g) rozwiązania 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]
Rys. 10. Przykład konstrukcji hali ramowej ze ściągiem [8]
45