Zalecenia normowe dotyczące jednego etapu projektowania skomplikowanych rusztowań – budowy schematu statycznego, który jest fizycznym modelem konstrukcji.
Rusztowania budowlane są konstrukcjami tymczasowymi, więc w procesie inwestycyjnym zawsze były traktowane jako nieistotne. Niezależnie od rodzaju konstrukcji rusztowania, czy jest ona typowa czy też zupełnie nie może być zmontowana na podstawie katalogów producenta, kierownicy budów zamawiają rusztowanie w taki sam sposób jak materiały budowlane czy inne urządzenia, czyli w ostatniej chwili. Jednak przy poważnych konstrukcjach rusztowań przyjęcie prawidłowej koncepcji rusztowania, a następnie wykonanie obliczeń statycznych jest czasochłonne. Zawsze ten czas obliczeń można skrócić, gdy rusztowanie się przewymiaruje (czyli przyjmie zbyt gęstą siatkę stojaków, zbyt dużo stężeń i innych elementów usztywniających), ale wtedy mamy konstrukcję kosztowną, której zarówno montaż, jak i koszt zakupu lub wynajmu elementów jest duży. W środowisku naukowym można usłyszeć opinie, że nie warto się zajmować rusztowaniami, bo stoją krótko, więc można tylko szacować obciążenia i nośność. I tutaj także dochodzi do absurdu, bo zgrubne szacowanie również oznacza przewymiarowanie konstrukcji. Należy zwrócić uwagę, że rusztowania nie składają się ze zbyt masywnych elementów. W praktyce, kiedy obciążenie jest przyłożone w osi jako ściskające lub rozciągające, rusztowanie przeniesie dość znaczne wartości sił, ale wprowadzenie jakichkolwiek obciążeń, które spowodują zginanie elementów, niestety znacznie ogranicza nośność konstrukcji. Poza tym nie można zapominać o złączach, które także mają swoją ograniczoną nośność, najczęściej znacznie mniejszą niż nośność łączonych elementów. Inaczej mówiąc, szacowanie z punktu widzenia projektanta oznacza przyjęcie takiego układu konstrukcyjnego, który zapewni bezpieczeństwo ludzi i konstrukcji, czyli tak jak wcześniej zauważono, doprowadzi do znacznego przewymiarowania. Jednak ze względów ekonomicznych w taki sposób projektować nie można, a wszelkie parametry (charakterystyki materiałowe, geometryczne, obciążenia, schematy statyczne) przyjęte podczas projektowania powinny możliwie najlepiej opisywać konstrukcję w celu optymalizacji ilości wykorzystanego w rusztowaniu materiału.
a)
b)
Rys. 1. Rusztowanie w Galerii Agora w Bytomiu: a) schemat statyczny; b) rusztowanie w trakcie montażu wykonywanego przez Altrad Mostostal Montaż
W związku z coraz większymi rozmiarami rusztowań i coraz bardziej skomplikowanymi kształtami pojawiła się konieczność wykonywania projektów takich konstrukcji. Konsekwencją tego było wprowadzenie takich norm, jak PN-EN 12811-1:2007 [1], PN-EN 12810-1:2010 [2] i PN-EN 12810-2:2010 [3]. Druga i trzecia norma dotyczy systemów elewacyjnych. Natomiast pierwsza dotyczy wszystkich rodzajów rusztowań roboczych z wyjątkiem pomostów roboczych zawieszonych na linach, rusztowań przejezdnych, rusztowań stosowanych jako zabezpieczenia prac dachowych, układów podpierających, czyli konstrukcji wsporczych szalunków. Ponadto według zapisu w normie nie zawiera ona szczegółowych informacji dotyczących projektowania wież nieruchomych i rusztowań klatkowych. Czytając wymienione normy, odnosi się wrażenie, że zostały one opracowane raczej w odniesieniu do projektowania gotowych zestawów niż konstrukcji nietypowych. Oznacza to, że w odniesieniu do najbardziej nietypowych konstrukcji projektant musi skorzystać z własnej wiedzy i doświadczenia oraz Eurokodu stalowego, czyli normy PN-EN 1993-1-1:2006 [4].
a)
b)
Rys. 2. Rusztowanie do prac malarskich w Muzeum Historii Żydów Polskich w Warszawie: a) schemat statyczny; b) rusztowanie zmontowane przez Altrad Mostostal Montaż (fot. T. Michalak)
W artykule zostaną omówione zalecenia normowe zawarte we wcześniej wymienionych normach, ale dotyczące zaledwie jednego etapu projektowania rusztowań o nietypowej konstrukcji, tzn. budowy schematu statycznego, który jest fizycznym modelem rzeczywistej konstrukcji. Zostanie również omówiony sposób przyjmowania geometrii schematu, jak również przyjmowanie warunków brzegowych (podpór), połączeń, charakterystyk materiałowych i geometrycznych.
Budowa geometrii schematu statycznego
Podstawą prawidłowego zaprojektowania każdej konstrukcji jest wyznaczenie sił wewnętrznych w prawidłowym, czyli w najbardziej odzwierciedlającym rzeczywistość, schemacie statycznym. Na rys. 1–3 pokazano trzy przykłady rusztowań i ich schematów statycznych. Niestety rysunki schematów statycznych zostały wykonane za pomocą programu komputerowego Algor, a symbole podpór i przegubów nie odpowiadają dokładnie symbolom używanym przez inżynierów budowlanych, np. na rysunkach nie są widoczne przeguby. Dlatego na rys. 4 przedstawiono schemat statyczny fragmentu typowego rusztowania ramowego z prawidłowymi oznaczeniami.
a)
b)
Rys. 3. Rusztowanie na ścianie Szpitala Kolejowego w Lublinie: a) schemat statyczny; b) rusztowanie zmontowane przez firmę Pro-men
Pierwszą decyzją, jaką musi podjąć projektant, jest wybór przyjętego schematu, czy będzie to układ prętowy płaski czy przestrzenny. Oba układy są dopuszczone przez normę PN-EN 12810-2:2010 [3] z zastrzeżeniem, że w przypadku układu płaskiego należy uwzględnić wpływy prostopadłe do płaszczyzny ramy. Jednak biorąc pod uwagę fakt, że rusztowania są dość skomplikowanymi konstrukcjami o możliwie najmniejszych przekrojach, to lepiej wykonywać dla tych konstrukcji obliczenia dla układów przestrzennych, które bardziej odzwierciedlają rzeczywistość. Jest to tym bardziej uzasadnione, że projektanci obecnie posiadają narzędzia, które te obliczenia umożliwiają.
Rys. 4. Fragment schematu statycznego rusztowania ramowego
Rys. 5. Rusztowanie modułowe ROTAX firmy Altrad Mostostal przy Izbie Skarbowej w Lublinie (fot. D. Zaorski)
Rys. 6. Geometria fragmentu rusztowania po wprowadzeniu imperfekcji
Jak już napisano, konstrukcję rusztowania można ukształtować zarówno jako układ prętów, czyli ramę przestrzenną o wymiarach zgodnych z wymogami zawartymi w normach [1], [2], [3] i przepisami bhp, jak i sztywność poziomą pomostów roboczych. Z tym że w normie PN-EN 12810-2:2010 [3] proponuje się, aby sztywność pomostu zastąpić jednym elementem ułożonym po skosie pomostu. Taki sposób przyjęcia sztywności nie jest zgodny z rzeczywistą pracą pomostu, bo po pierwsze w ogóle nie ma przekazania obciążenia z pomostu na poprzeczkę rusztowania, która w rzeczywistości jest zginana, a po drugie nie modeluje własności pomostu, który zachowuje się jak tarcza w płaszczyźnie poziomej. Lepszym rozwiązaniem wydaje się wstawienie dwóch prętów kratowych na dwóch przekątnych jednej płyty pomostowej (por. rys. 4 i 5), po to aby te elementy modelowały pracę płyt pomostowych, dających sztywność w obu kierunkach poziomych, czyli wzdłuż pomostu i w kierunku prostopadłym, i nie pozwalały na niezależne obroty poprzeczek sąsiednich ram. Poza tym zastąpienie każdej płyty pomostowej parą prętów pozwala np. na przeniesienie ciężaru i obciążenia użytkowego na punkty zaczepienia płyt pomostowych. Na rys. 5 pokazane jest rusztowanie, użytkowane od października 2010 do lutego 2011 r. podczas prac elewacyjnych na budynku Izby Skarbowej w Lublinie, i fragment schematu statycznego rusztowania z zamodelowanym pomostem w opisany wcześniej sposób.
a)
b)
Rys. 7. Naprężenia w prętach (bez uwzględnienia wyboczenia) rusztowania przy kaplicy Scheiblera w Łodzi: a) geometria idealna, b) geometria naruszona wprowadzeniem imperfekcji
Z narysowaniem geometrii rusztowania wiąże się uwzględnienie możliwych niedokładności montażu i luzu w połączeniach, czyli należy wprowadzić imperfekcje geometryczne. Na rys. 6 pokazano geometrię rusztowania z przykładowymi imperfekcjami, którymi w tym przypadku są obroty ram, powodujące przesunięcie węzłów. Wprowadzenie imperfekcji w schemacie statycznym jest dość pracochłonne, bo wiąże się z wykonaniem rysunku, w którym regularny kształt konstrukcji trzeba zaburzyć przez poprzesuwanie (zwykle ręczne) położeń poszczególnych węzłów. Poza tym należy podjąć decyzję, w jaki sposób niedoskonałości geometrii się rozłożą i który z układów będzie najbardziej niekorzystny. W Eurokodzie PN-EN 1993-1-1:2006 [4] zaproponowano, aby kształt uzyskany po uwzględnieniu imperfekcji odpowiadał formie wyboczenia. Oczywiście jest to jedno z lepszych rozwiązań, ale w normie tej znajduje się kolejne zalecenie, które nakazuje uwzględnienie także kilku kolejnych form wyboczenia. Niezależnie od tego, czy zdecydujemy się na uwzględnienie jednej formy wyboczenia czy kilku, takie zadanie też jest pracochłonne, jeżeli nie posiada się odpowiednich narzędzi, które zmieniłyby wstępną geometrię z narzuconymi zmianami położenia węzłów. Należy też zwrócić uwagę, że imperfekcje nie mogą być modelowane jako obciążenie geometryczne, bo wiąże się to z wprowadzeniem dodatkowych podpór, które zmieniają schemat statyczny konstrukcji. Zwracamy na to uwagę, bo wiele osób myli imperfekcje z wymuszeniami geometrycznymi. Imperfekcje są nieprzewidzianymi zmianami geometrii w stosunku do planowanej idealnej geometrii, ale nie wprowadzają dodatkowych naprężeń poprzez przesunięcie węzła w już zmontowanej konstrukcji. Skoro wprowadzenie niedoskonałości geometrii jest kłopotliwe, to należy zadać pytanie, jaki mają one wpływ na naprężenia konstrukcji. Na rys. 7 pokazano porównanie rozkładu naprężenia w idealnej konstrukcji rusztowania i w konstrukcji, w której wprowadzono imperfekcje, powodujące w kierunku działania wiatru obrót całej konstrukcji o ok. 0,5o. Jak widać, niedoskonałości geometrii powodują wzrost naprężeń o ok. 10%. W związku z tym w praktyce, gdy podczas projektowania konstrukcji nie ma czasu na dokładne analizy, lepiej obniżyć nawet o 20% dopuszczalne naprężenia i w odniesieniu do nich projektować konstrukcję, niż rysować rusztowanie o skomplikowanej nieregularnej geometrii.
dr hab. inż. Ewa Błazik-Borowa
mgr inż. Michał Pieńko
mgr inż. Aleksander Robak
Katedra Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej
Artykuł oparty na szerszych materiałach przedstawianych w 2011 r. w kwartalniku „Rusztowania”
Literatura
1. PN-EN 12811-1:2007 Tymczasowe konstrukcje stosowane na placu budowy. Część 1: Rusztowania. Warunki wykonania i ogólne zasady projektowania.
2. PN-EN 12810-1:2010 Rusztowania elewacyjne z elementów prefabrykowanych – Część 1: Specyfikacje techniczne wyrobów.
3. PN-EN 12810-2:2010 Rusztowania elewacyjne z elementów prefabrykowanych – Część 2: Specjalne metody projektowania konstrukcji.
4. PN-EN 1993-1-1:2006 Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 lutego 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy podczas wykonywania robót budowlanych (Dz.U. z 2003 r. Nr 47, poz. 401).
6. J. Podgórski, E. Błazik-Borowa, Wprowadzenie do metody elementów skończonych, IZT, Lublin 2001.
7. P. Jastrzębski, J. Mutermilch, W. Orłowski, Wytrzymałość materiałów, Arkady, Warszawa 1986.
