Biegus A. Przyczyny przedawaryjnego stanu technicznego płatwi hali stalowej.pdf

(1274 KB) Pobierz
Budownictwo i Architektura 12(2) (2013) 173-180
Przyczyny przedawaryjnego stanu technicznego
płatwi hali stalowej
Antoni Biegus
1
1
Katedra Konstrukcji Metalowych, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika
Wrocławska, e–mail:
antoni.biegus@pwr.wroc.pl
Streszczenie:
W badanej hali stalowej
przyjęto systemowe rozwiązanie płatwi
z
kształtowników Z (giętych z blach na zimno) oraz ich ściągów (z prętów pełnych).
Okresowa kontrola jej stanu technicznego ujawniła deformacje, wygięcia i skręcenia płatwi
oraz wyboczenie ściągów. Stan techniczny konstrukcji wsporczej obudowy dachu był
przedawaryjny. W pracy przedstawiono wyniki badań nośności i sztywności konstrukcji
wsporczej obudowy dachu, których celem była identyfikacja przyczyn powstania jej
zagrożenia awarią.
Słowa kluczowe:
hala stalowa, płatew z kształtowników Z, zagrożenie awaryjne
1. Wprowadzenie
Badany budynek jest jednonawową halą o konstrukcji stalowej. W protokole
z
okresowej (półrocznej-sezonowej)
kontroli jej stanu technicznego, w odniesieniu do
konstrukcji dachu stwierdzono występowanie:
„odchylenia
kilku płatwi stalowych od stanu
projektowanego,
a także wygięcia (odkształcenia) ściągów i płatwi"
[1]. Niepokojące
zachowanie się konstrukcji wsporczej obudowy dachu hali świadczyło o jej
przedawaryjnym stanie technicznym.
W pracy przedstawiono
wyniki badań nośności i sztywności konstrukcji wsporczej
obudowy dachu hali, których celem była identyfikacja przyczyn powstania wygięć jej płatwi
oraz ściągów. W projekcie hali [2] przyjęto tzw. systemowe rozwiązania zarówno
osłonowego
pokrycia dachu oraz
ścian z płyt warstwowych, jak i ich konstrukcji wsporczej
(płatwi, rygli ściennych) z kształtowników giętych z blach na zimno [3], [4].
Przyczyną wystąpienia zagrożenia awaryjnego hali była niedostateczna wiedza
projektanta
o kształtowaniu i konstruowaniu lekkiej obudowy hal, a także brak właściwego
opisu warunków i ograniczeń stosowania rozwiązań systemowych w [3] i [4].
2.
Opis konstrukcji nośnej badanej hali
Schemat badanej, jednonawowej hali [2], o stalowej konstrukcji nośnej pokazano na
rys. 1 i 2. Jej
wymiary w rzucie wynoszą: szerokość około 23,57 m, długość około 57,40 m
(rys. 1). Dach hali jest jednospadowy, o pochyleniu 5%.
W osiach od B do M ustrojami nośnymi hali są poprzeczne ramy R o rozpiętości
23,57 m i rozstawie 5,68 m. Ich jednospadowy rygiel
dachowy jest sztywno połączony ze
słupami, które przegubowo połączono u dołu z żelbetową konstrukcją części dolnej obiektu.
Ramy R zaprojektowano jako ustroje pełnościenne, o przekrojach spawanych z blach. Ich
rygle zabezpieczono przed zwichrzeniem „zastrzałami”, połączonymi z płatwiami P.
W ścianach szczytowych (w osi A i N) poprzecznymi konstrukcjami nośnymi hali są
ustroje składające się z jednospadowego rygla dachowego i 5 słupów pośrednich. Słupy są
połączone przegubowo zarówno u ich podstawy, jak
i z ryglem dachowym. W tych
poprzecznych
ustrojach nośnych nie zastosowano stężeń, co jest rozwiązaniem błędnym.
W płaszczyźnie połaci dachu hali dano stężenia połaciowe: poprzeczne St1 oraz
podłużne
St2. W płaszczyźnie ścian podłużnych zastosowano stężenia międzysłupowe St3.
Wszystkie stężenia są typu X, z prętów pełnych, z nakrętką rzymską. Konstrukcja wsporcza
pokrycia dachu (rys. 2b) składa się z płatwi P i ściągów Sc.
174
Antoni Biegus
Rys. 1. Schemat konstrukcji nośnej hali
Rys. 2. Przekrój poprzeczny (a) oraz
schemat konstrukcji wsporczej obudowy dachu hali (b)
Konstrukcje Stalowe – Przyczyny przedawaryjnego stanu technicznego ...
175
Płatwie P, o przekroju Z (z blach giętych na zimno) zaprojektowano jako
wieloprzęsłowe
ustroje ciągłe. Zastosowano płatwie o symbolu BP/Z25075651,5
(oznaczenia
kształtownika: przekrój Z, wysokość
h
=
250 mm, szerokość półki szerszej
b
s
=
75 mm, szerokość półki węższej
b
w
= 65 mm, grubość ścianki
t
= 1,5 mm) ze stali S350.
„Uciąglenie” płatwi P w ustrój wieloprzęsłowy uzyskano łącząc je w systemie
„zakładkowym”. Końce quasi-jednoprzęsłowych płatwi połączono na 2 śruby M12. W
przęsłach skrajnych zastosowano pojedynczy przekrój płatwi. Zgodnie z rozwiązaniem
systemowym wg [3] należało dać zdwojony przekrój płatwi.
Rygle ramy R wyposażono w przyspawane do ich pasa górnego „podpórki” płatwi P.
Wykonano je w
kształcie kątownika, z blachy o grubości 4 mm. W strefach podpór płatwi P
połączono je na 4 śruby M12 z „podpórkami” (rys. 5).
Płatwie P w środku rozpiętości ich przęseł połączono ściągami Sc, o przekroju
z
prętów
10
mm. Są one łączone do środnika płatwi P w połowie wysokości kształtownika
Z.
Na dachowe elementy osłonowe hali zastosowano płyty warstwowe, o symbolu
KS1000 Top-Dek
[4]. Składają się one z izolacji termicznej o grubości
h
= 80 mm i nośnej
okładziny z stalowej blachy fałdowej o wysokości fałdy
h
w
= 30 mm (z blachy grubości
t
b
= 0,6 mm). Płyty te, o szerokości „krycia” 1000 mm, połączono z płatwiami P za pomocą
tylko 2-ch
wkrętów samowiercących
EJOT JT2-6-5,525V16 ( 6,3 mm).
3.
Opis wad i uszkodzeń konstrukcji wsporczej płyt dachowych
Wykonane badania identyfikacyjno-inwentaryzacyjne
[5] wykazały, iż półki dolne
wielu (losowo usytuowanych) płatwi P są wygięte oraz skręcone i ich osie podłużne nie są
prostoliniowe. Na rys 3. pokazano przykład wygiętej płatwi P, usytuowanej w osi 8, w polu
J-K. Poziome
wygięcia pasów dolnych 7 płatwi P występowały głównie w polach DK.
Pomiary prostoliniowości pasów dolnych płatwi P (w osi 8) w polu J-K wykazały, że ich
poziome wygięcie wynosiło
e
= 25 mm. Zgodnie z norma odbioru konstrukcji stalowych [6]
dopuszczalne
wygięcie „boczne” belki nie powinno przekraczać
1
/
1000
rozpiętości pomiędzy
punktami jej bocznego podparcia.
Rys. 3.
Przykład wygiętej i skręconej płatwi P oraz wyboczonego ściągu Sc (w osi 8, w polu J-K)
176
Antoni Biegus
W badanym przypadku dopuszczalna strzałka wstępnego wygięcia płatwi P wynosi
y
dop
=
1
/
1000
5680
6 mm <
e
= 25 mm. Tak więc zidentyfikowane wygięcia płatwi P
przekraczają
o 317% wartość dopuszczalną wg [6]. Należy podkreślić, iż wygięcia
i
skręcenia płatwi P miały charakter deformacji trwałych i występowały w rozciąganej
dolnej części przekroju (która powinna być prostoliniowa). Świadczą one m.in. o skręcaniu
płatwi.
W polach między osiami D i K stwierdzono wyboczenia plastyczne (ich wygięcia
miały charakter trwały) 8 ściągów Sc (rys. 4), a także występowanie „poluzowanych”
ściągów Sc. Ściągi projektuje się jako pręty rozciągane. Ich wyboczenie świadczy, że były
one ściskane.
Rys. 4. Przykład wyboczonego ściągu Sc
W miejscach połączeń ściągów Sc z płatwiami P występują lokalne odkształcenia
plastyczne
środników płatwi P, o „głębokości” 1020 mm. Przypuszczalnie powstały one
w
wyniku dużych przemieszczeń poziomych wywołanych skręcaniem płatwi.
W osi 1 i 2 (w polu przyokapowym) płatwie o przekroju Z są ułożone poprawnie tj.
zewnętrzne krawędzie ich pasa górnego są skierowane ku kalenicy (rys. 2). W pozostałych
osiach 311
(rys. 2) płatwie P są ułożone odwrotnie (wadliwie), gdyż w tym przypadku są
one wytężone zwiększonym skręcaniem od obciążeń zewnętrznych.
Zastosowane w tym obiekcie
bezpośrednie
oparcie płatwi
P na ryglu
ramy R (rys. 5) należy uznać za wadliwe.
Płatwie gięte z blach mogą wyboczyć się
w strefie mocowań do podpór [7], [8],
gdyż ich środnik , na skutek reakcji
podporowej,
ma tendencję do odchylania
się od swojej płaszczyzny, co zmniejsza
jego nośność.
Dlatego w tym przekroju
stosuje się wzmocnienie podpory tak, aby
przenoszenie
reakcji płatwi na podporę
następowało wyłącznie przez śrubowe
połączenie z podpórką, nie zaś przez
bezpośrednie oparcie na ryglu ramy.
Między pasem dolnym płatwi i
pasem
górnym rygla powinien być 10 mm
prześwit. Ponadto podpórka płatwi o
grubości 4 mm jest o niedostatecznej
sztywności; należało użyć blachy o
Rys. 5. Oparcie płatwi P na ryglu dachowym ramy R
grubości minimum 8 mm.
4. Analiza przyczyn przedawaryjnego stanu konstrukcji wsporczej
pokrycia dachowego
Skręcenia, przemieszczenia, uszkodzenia i deformacje ścianek płatwi P, a także
wyboczone
plastycznie i „poluzowane” ściągi Sc badanej hali, świadczyły o ich
alarmującym zachowaniu się. Zidentyfikowane
symptomy
uszkodzeń płatwi P i ściągów Sc
oznaczały, że ich stan techniczny był przedawaryjny.
Halę zaprojektowano wg norm [9][12]. Maksymalne obciążenie grawitacyjne płatwi
wynosi odpowiednio
p
d
�½
1,092 kN/m
2
(obliczeniowe) i
p
k
�½
0,82 kN/m
2
(charakterysty-
Konstrukcje Stalowe – Przyczyny przedawaryjnego stanu technicznego ...
177
czne).
Według katalogu producenta [3] nośności zastosowanych płatwi P (mierzone
kat
kat
granicznym obciążeniem: obliczeniowym
p
d
i charakterystycznym
p
k
) wynoszą:
kat
p
d
�½
1,39 kN/m
2
p
d
�½
1,092 kN/m
2
- stanu graniczny
nośności jest spełniony,
kat
p
k
�½
1,38 kN/m
2
p
k
�½
0,82 kN/m
2
-
stanu graniczny użytkowalności jest spełniony.
(1)
(2)
kat
kat
Nośności płatwi
p
d
i
p
k
obliczono zakładając, że są one usztywnione „bocznie”
przez połączenie ich półki górnej z tarczą z blachy fałdowej (rys. 6). Niestety tej bardzo
ważnej informacji nie podano w opisie tablic nośności płatwi w [3]. Założono, że projektant
wie, iż konieczne jest usztywnienie płatwi tarczą pokrycia dachowego np. z blachy
fałdowej.
Rys. 6. Schemat
stężenia płatwi tarczą z blachy fałdowej: a) model fizyczny, b) model obliczeniowy
Gięty na zimno z blach kształtownik Z o niesymetrycznym przekroju otwartym
i
cienkich ściankach, wykazuje małą sztywność na skręcanie swobodne oraz znaczną
wrażliwość na wyboczenie
miejscowe i dystorsyjne. W konsekwencji tego jest elementem o
bardzo małej nośności na zwichrzenie. By mógł być efektywnie stosowany jako element
zginany, wymaga zabezpieczenia
przed zwichrzeniem i skręcaniem.
Pełne ciągłe stężenie „boczne” płatwi można uzyskać za pomocą m.in. blachy
fałdowej, połączonej w sposób ciągły (gęsty) ich dolnymi fałdami z pasem górnym płatwi.
Okładzina (np. blacha fałdowa) krępuje
przemieszczenia
liniowe i kątowe przylegającej
stopki,
co wydatnie podnosi nośność płatwi z
warunku zwichrzenia.
Zgodnie z [13] płatew
w miejscu połączenia z blachą fałdową można uważać za stężoną w płaszczyźnie poszycia
(zabezpieczoną przed zwichrzeniem) jeśli spełniony jest warunek
70
2
2
(3)
S
i
S
min
�½ 
EI
2
GI
t
EI
y
2
0,25
h
2
2
,
h
L
L
gdzie:
S
i
�½
S
1
- sztywność
postaciowa (na jednostkę długości belki) poszycia (tarczy) z
blachy fałdowej połączonej z płatwią (belką) w dolinie każdej fałdy, która wynosi
S
i
�½
S
1
�½
1000
t
3
50
10
3
b
roof
hs
.
(4)
w
W (3) i (4) przyjęto oznaczenia wg [13]. W przypadku badanego dachu sztywność
S
min
płatwi P obliczona wg (3) wynosi
S
min
�½
2605 kNm/m
. Sztywność postaciowa
S
1
tarczy
z blachy okładziny wewnętrznej płyty warstwowej, jeśli byłaby ona połączona
w
każdej fałdzie z płatwią P, obliczona ze
wzoru (4) wynosi
S
1
�½
8139 kNm/m
S
min
�½
2605 kNm/m
-
warunek (3) stężenia płatwi jest spełniony.
W badanej hali wymóg połączenia płatwi P z blachą płyty warstwowej w każdej
dolinie
fałdy (jako warunek stężenia „bocznego”) nie był spełniony, gdyż łączniki
występowały
tylko w co 5-tej
fałdzie (ich rozstaw wynosił 1,0 m, tj. zastosowano po 2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin