Rodzaje hal stalowych oraz ich rozwiązania konstrukcyjne.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.

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.

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)

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]

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: