Omówienie Eurokodu „Podstawy projektowania konstrukcji” oraz Eurokodów 1,2, i 3 opublikowanych w języku polskim.
Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji
PN-EN 1990 Eurokod pełni funkcję nadrzędną dla wszystkich części Eurokodów. Podano w niej postanowienia ogólne, w tym: symbole i terminy dotyczące oddziaływań, właściwości materiałów, wielkości geometrycznych i analizy konstrukcji, sformułowano wymagania, omówiono reguły sprawdzania stanów granicznych, określono: oddziaływania i wpływy środowiskowe, właściwości materiałów i wyrobów oraz cechy geometryczne. Podano reguły sprawdzania stanów granicznych przy zastosowaniu współczynników częściowych. Załącznik normatywny zawiera reguły i metody ustalania kombinacji oddziaływań na budynki. W trzech załącznikach informacyjnych podano wskazówki dotyczące zarządzania niezawodnością obiektów budowlanych, podstawy teoretyczne metody współczynników częściowych i analizy niezawodności oraz zalecenia do projektowania wspomaganego badaniami. Opublikowana w październiku 2008 r. zmiana EN 1990:2004/A1:2008 zawiera reguły i metody ustalania kombinacji oddziaływań stałych, zmiennych i wyjątkowych w projektowaniu i sprawdzaniu kładek dla pieszych, mostów drogowych i kolejowych. Poprawki Ap1:2004 i AC:2008 korygują błędy w PN przeniesione z angielskiej wersji tego Eurokodu.
Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje
PN-EN 1991 Eurokod 1 składa się z 10 części poświęconych różnym rodzajom oddziaływań, którym mogą być poddane konstrukcje. Można by ten Eurokod nazwać „Pakietem oddziaływań ogólnych”, pamiętając, że na wiele szczególnych rodzajów oddziaływań zwracają jeszcze uwagę normy należące do pakietów materiałowych.
W części 1-1 podano zalecenia dotyczące klasyfikacji oddziaływań, ustalania sytuacji obliczeniowych oraz wartości charakterystycznych ciężaru własnego konstrukcji i materiałów składowanych. Ustalono obciążenia użytkowe w budynkach mieszkalnych, socjalnych, handlowych, administracyjnych i garażach. W załączniku A podano tablice nominalnych wartości ciężarów objętościowych wybranych materiałów budowlanych i materiałów składowanych.
Część 1-2 dotyczy ustalania oddziaływań termicznych i mechanicznych powstających w warunkach pożarowych oraz podaje sposoby ich uwzględniania w projektowaniu konstrukcji budynków z obciążeniem ogniowym, poddanych działaniu pożaru.
Część 1-3 to norma obciążenia śniegiem, określa ona zasady ustalania obciążenia śniegiem gruntu i dachów jedno-, dwu- i wielopołaciowych oraz walcowych, swobodnych i przyległych do budowli wyższych; podaje też zalecenia dotyczące uwzględniania ciężaru zasp śnieżnych na dachach z elementami sprzyjającymi miejscowemu gromadzeniu się śniegu. W załączniku C podano europejskie mapy obciążenia śniegiem gruntu dla 9 regionów klimatycznych oraz Czech, Islandii i Polski.
Obciążenie wiatrem budynków, budowli inżynierskich i ich elementów jest treścią części 1-4; to norma równie skomplikowana jak samo oddziaływanie wiatru na budowle, wprowadza ponad 130 specyficznych dla tego obciążenia symboli, wśród których niełatwo się poruszać. Omówiono w niej zasady wyznaczania obciążenia obiektów w zależności od ciśnienia wiatru, podano współczynniki ciśnienia na: ściany pionowe budynków i dachy o różnym kształcie, wiaty, ściany wolno stojące i attyki, tablice i ogrodzenia, elementy konstrukcyjne o przekrojach w kształcie prostokątnym, wielokątów foremnych i walcowych oraz z ostrymi krawędziami, konstrukcje kratowe i rusztowania, kule itp. Określono oddziaływania wiatru na mosty. W pięciu załącznikach informacyjnych omówiono wpływ warunków terenowych na parcie wiatru, procedury wyznaczania współczynnika korekcyjnego dla różnych typów konstrukcji, wzbudzenia wirowe, galopowanie i charakterystyki dynamiczne konstrukcji.
Część 1-5 traktuje o uwzględnianiu w projektowaniu budynków i konstrukcji inżynierskich wpływu naturalnych dobowych i sezonowych zmian temperatury powietrza i nasłonecznienia oraz wpływu temperatury użytkowej w konstrukcjach pracujących w wysokiej lub niskiej temperaturze, np. kominach, rurociągach, zbiornikach gazów płynnych, chłodniach kominowych, magazynach czy silosach. Dobowe zmiany temperatury wskutek nasłonecznienia mogą być groźne w skutkach.
Przedmiotem części 1-6 są obciążenia występujące w czasie wykonywania budynków i obiektów inżynierskich. W normie omówiono klasyfikację tych oddziaływań, stany obliczeniowe i stany graniczne oraz podano zalecenia dotyczące traktowania oddziaływań na elementy w czasie transportu i montażu, sprężania oraz oddziaływań wynikających z wpływu temperatury, skurczu, wiatru, śniegu, wody gruntowej i oblodzenia, jak również obciążeń spowodowanych maszynami, urządzeniami, uderzeniami, świeżym betonem, nagromadzeniem materiałów odpadowych itp. W załączniku podano dodatkowe reguły dla mostów oraz oddziaływania na konstrukcje w czasie zmian, przebudowy lub burzenia.
Część 1-7 odnosi się do oddziaływań wyjątkowych, na które mogą być narażone budynki i obiekty inżynierskie. Chodzi tu przede wszystkim o uderzenia pojazdów drogowych, kolejowych i statków oraz podnośników w elementy konstrukcyjne i helikopterów twardo lądujących na dachach. Oddzielną grupę stanowią obciążenia spowodowane przez eksplozje wewnętrzne. Cztery załączniki informacyjne zwracają uwagę na te czynniki, które pozwalają w projektowaniu ograniczyć negatywne skutki uderzeń w elementy konstrukcyjne lub eksplozji wewnątrz obiektów.
Część 2 dotyczy ruchomych obciążeń mostów – użytkownicy znajdą w niej zasady przyjmowania obciążeń mostów drogowych i kolejowych oraz kładek dla pieszych i rowerów. Omówiono w niej kwestie dotyczące jednoczesności obciążeń ruchomych oraz kombinacji z obciążeniami niezwiązanymi z ruchem pojazdów. Zamieszczono wartości charakterystyczne obciążeń pionowych, sił poziomych, obciążeń wyjątkowych oraz sił uderzenia w różne elementy mostów. Osiem załączników normatywnych i informacyjnych zawiera niezbędne uzupełnienia do projektowania obiektów mostowych.
W części 4 podano zasady określania oraz klasyfikacji obciążeń i oddziaływań na konstrukcje silosów na materiały sypkie i zbiorniki na ciecze. Określono sytuacje obliczeniowe dotyczące materiału sypkiego oraz podano jego parametry, które powinny być przyjmowane do wyznaczania parcia materiału na ściany pionowe, leje i dna płaskie silosów w różnych stanach, przy napełnianiu lub opróżnianiu. Omówiono przepływy masowy, kanałowy i mieszany materiałów rozdrobnionych oraz wpływ smukłości silosu na oddziaływania w przepływie kanałowym i mieszanym. Podano właściwości materiałów sypkich, określono obciążenia na pionowe ściany silosów smukłych, średniej smukłości, niskich, retencyjnych i na materiały napowietrzane, podczas napełniania i opróżniania przez otwory wysypowe usytuowane w środku lub na dużym mimośrodzie, w zależności od kanału przepływu. Podano obciążenia na leje strome i płytkie oraz na dna płaskie silosów, a także obciążenia w zbiornikach na ciecze. W pięciu załącznikach podano informacje uzupełniające do PN-EN 1990 odnoszące się do silosów i zbiorników oraz kombinacji oddziaływań uwzględnianych w stanach granicznych nośności i użytkowalności. Podano właściwości 24 typowych ośrodków rozdrobnionych, sposób określania rodzaju przepływu, tarcia wypływającego materiału o ścianę z blachy fałdowej oraz uwzględnianie oddziaływań spowodowanych wybuchem pyłów. W normie wprowadzono prawie 160 symboli.
Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu
PN-EN 1992 Eurokod 2 składa się z czterech części o łącznej objętości 429 stron.
Część 1-1 jest przeznaczona do projektowania budynków i obiektów inżynierskich z betonu niezbrojonego, zbrojonego i sprężonego. Podano w niej postanowienia ogólne, omówiono właściwości materiałów oraz ochronę stali przed korozją. W rozdziale dotyczącym analizy konstrukcji użytkownik znajdzie zasady wyznaczania rozkładu sił wewnętrznych, naprężeń, odkształceń i przemieszczeń całej konstrukcji lub jej części. Zasady sprawdzania stanów granicznych nośności przy różnych obciążeniach oraz stanów granicznych użytkowalności to treść dwóch rozdziałów. W normie podano zasady konstruowania zbrojenia betonu oraz jego kotwienia, a także zasady kształtowania różnych elementów z betonu, w tym elementów prefabrykowanych. Omówiono też zasady projektowania konstrukcji niezbrojonych i słabo zbrojonych oraz z elementów betonów kruszynowych. W dziesięciu załącznikach informacyjnych podano niezbędne uzupełnienie i objaśnienie kwestii trudniejszych. Warto dodać, że ten Eurokod liczy o 60 stron więcej niż norma PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone – Obliczenia statyczne i projektowanie i zawiera 125 symboli. Daje to wskazówkę o ilości zaleceń do opanowania przy zastosowaniu normy. Dla wygody użytkowników do normy przetłumaczonej włączono poprawkę AC:2008.
Część 1-2 jest przeznaczona do łącznego stosowania z częścią 1-1 przy projektowaniu konstrukcji z betonu, w których może wystąpić zagrożenie pożarem. W normie podano podstawy projektowania, omówiono właściwości mechaniczne materiałów w zależności od temperatury oraz metody projektowania. W rozdziale 5 podano znane rozwiązania projektowe konstrukcji typowych w warunkach pożaru standardowego. W załącznikach informacyjnych znajdują się wykresy rozkładu temperatury wewnątrz elementów w zależności od ich wymiarów i odporności ogniowej, metody obliczeń oraz minimalne wymiary słupów w różnych warunkach obciążenia i nagrzania. W październiku 2008 r. PKN opublikował do tej części poprawkę PN-EN 1992-1-2:2008/AC korygującą błędy przeniesione do PN-EN z angielskiej wersji tej części.
Część 3 obejmuje projektowanie zbiorników, bunkrów i silosów z betonu niezbrojonego, słabo zbrojonego, żelbetu i betonu sprężonego. Zawiera reguły uzupełniające do projektowania tych elementów konstrukcyjnych, na które bezpośrednio oddziaływa ciecz lub materiał sypki w temperaturze od -40 do +200ºC. Powinna być stosowana łącznie z częścią 1-1 i PN-EN 1991-4 określającą oddziaływania. W rozdziale traktującym o stanach granicznych dodano wiadomości o projektowaniu zbiorników i silosów zagrożonych wybuchem pyłów. Norma zawiera postanowienia odnoszące się do konstruowania połączeń ścian żelbetowych i naroży zbiorników oraz do zapobiegania powstawaniu rys i pęknięć wywołanych wpływem temperatury lub odkształceń wymuszonych.
Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych
PN-EN 1993 Eurokod 3 składa się z 20 części, z których 14 opublikowano w języku polskim. Całość liczy 1282 strony!
Część 1-1 jest przeznaczona do projektowania konstrukcji budynków i innych obiektów inżynierskich ze stali o grubości co najmniej 3 mm. W normie omówiono podstawy projektowania w uzupełnieniu PN-EN 1990, podano właściwości stali konstrukcyjnych walcowanych na gorąco. Rozdział 5 dotyczy modelowania konstrukcji, analizy globalnej, uwzględniania wpływu imperfekcji geometrycznych całych konstrukcji i pojedynczych elementów (odchyłki wymiarów, brak płaskości, prostości, prostopadłości, przylegania, mimośrody w połączeniach) oraz klasyfikacji przekrojów. W rozdziale 6 omówiono stany graniczne nośności na: rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie, skręcanie, zginanie ze ścinaniem, zginanie z siłą podłużną, zginanie ze ścinaniem i siłą podłużną, stateczność elementów pełnościennych oraz słupów pełnościennych i wielogałęziowych. Stany graniczne użytkowalności są treścią rozdziału 7. Cztery załączniki informacyjne podają wzory do wyznaczania współczynników interakcji. Norma wprowadza 290 symboli ogólnych, nie licząc specjalnych oznaczeń lokalnych.
Część 1-2 obejmuje projektowanie konstrukcji stalowych, od których wymaga się zachowania funkcji nośnej w warunkach pożaru. Zawiera ona reguły uzupełniające w stosunku do reguł sformułowanych dla konstrukcji pracujących w normalnej temperaturze. Obejmuje wyłącznie bierne metody zabezpieczenia przed skutkami pożaru. Do normy wprowadzono podczas tłumaczenia poprawkę AC:2005 do EN. Tekst poprawki został zaznaczony podwójną pionową linią na marginesie. W normie omówiono podstawy projektowania konstrukcji narażonych na pożar, podano właściwości stali węglowych i nierdzewnych w podwyższonej temperaturze. Tematyką rozdziału 4 jest obliczanie konstrukcji w warunkach pożaru: obliczanie nośności i ocena temperatury krytycznej elementu poddanego działaniu ognia, narastania temperatury stali w elementach nieosłoniętych i osłoniętych izolacją ogniochronną. Pięć załączników rozszerza wiadomości m.in. o: umacnianiu się stali węglowych w podwyższonej temperaturze, przepływie ciepła w elementach ogarniętych płomieniami, właściwościach stali nierdzewnych oraz nośności węzłów.
W PN-EN 1993-1-3 sformułowano wymagania konstrukcyjne dla kształtowników i blach profilowanych na zimno. Określono wymagania dla stali na kształtowniki i łączniki. Omówiono zalecane proporcje wymiarowe przekrojów i zaokrąglenia naroży kształtowników. Podano metodę oceny wpływu imperfekcji ścianek na niestateczność miejscową i dystorsyjną pod obciążeniem. Zamieszczono wzory do wyznaczania charakterystyk wytrzymałościowych różnych przekrojów i ich nośności na wyboczenie oraz do sprawdzania stanów granicznych użytkowalności. Omówiono projektowanie węzłów i połączeń przy użyciu łączników mechanicznych i spawania. Norma zawiera pięć załączników ułatwiających praktyczne stosowanie podanych zasad.
Część 1-4 zawiera reguły, które rozszerzają zakres stosowania części 1-1, 1-3, 1-5 i 1-6 tego Eurokodu o stale nierdzewne. Podano postanowienia ogólne, określono właściwości mechaniczne stali nierdzewnych, śrub i materiałów spawalniczych. Omówiono stany graniczne użytkowalności i nośności, w tym klasyfikację przekrojów i ich nośność, stateczność elementów pełnościennych, projektowanie połączeń na śruby oraz spawanych. W trzech załącznikach omówiono kwestie trwałości konstrukcji ze stali nierdzewnych i ich projektowania z uwzględnieniem warunków eksploatacji konstrukcji.
Część 1-4 zawiera reguły, które rozszerzają zakres stosowania części 1-1, 1-3, 1-5 i 1-6 tego Eurokodu o stale nierdzewne. Podano postanowienia ogólne, określono właściwości mechaniczne stali nierdzewnych, śrub i materiałów spawalniczych. Omówiono stany graniczne użytkowalności i nośności, w tym klasyfikację przekrojów i ich nośność, stateczność elementów pełnościennych, projektowanie połączeń na śruby oraz spawanych. W trzech załącznikach omówiono kwestie trwałości konstrukcji ze stali nierdzewnych i ich projektowania z uwzględnieniem warunków eksploatacji konstrukcji.
Blachownicą, jak wiadomo, nazywa się często stosowany dźwigar znacznej długości i nośności, złożony z blach płaskich i/lub użebrowanych, połączonych najczęściej spoinami. W normie PN-EN 1993-1-5 omówiono podstawy projektowania tych konstrukcji. Podano metody uwzględniania w obliczeniach efektu szerokich pasów oraz niestateczności ścianek w stanie granicznym nośności, metody ich zabezpieczenia przed lokalną utratą stateczności, konstruowania i wymiarowania żeber usztywniających blachy. Norma zawiera pięć załączników informacyjnych dotyczących szczególnych przypadków obliczania.
Projektowanie stalowych konstrukcji płytowych, tj. konstrukcji z płaskich blach nie- lub użebrowanych, jest przedmiotem części 1-7. Elementy te są stosowane na dna i płaszcze zbiorników, silosów, zasobników, pomosty. Rozdział 1 zawiera – jak we wszystkich częściach – postanowienia ogólne. W rozdziale 2 podano podstawy projektowania, właściwości materiałów oraz problemy trwałości. W analizie konstrukcji omówiono postanowienia dotyczące modeli obliczeniowych i wyznaczania sił wewnętrznych. Podobnie jak w innych częściach omówiono stany graniczne nośności, w tym warunek plastyczności, nieprzystosowanie plastyczne czy niestateczność oraz stany graniczne użytkowalności. W trzech załącznikach podano tabele współczynników do obliczania naprężeń i ugięć płyt prostokątnych dla kilku typowych przypadków obciążenia i podparcia.
Projektowanie węzłów konstrukcji stalowych oraz sprawdzanie ich nośności statycznej to tematyka części 1-8. Węzeł to miejsce połączenia kilku elementów stalowych. Występują one w każdej konstrukcji i sprawiają nie lada problemy konstrukcyjne, a źle zaprojektowane są brzemienne w skutkach. I choć ilość możliwych połączeń wydaje się ogromna, norma redukuje ich liczbę do kilku typowych. Zawiera ona postanowienia dotyczące konstruowania i wymiarowania oraz wyznaczania nośności połączeń na śruby, nity lub sworznie oraz połączeń spawanych. W rozdziale 5 omówiono analizę globalną węzłów, ich klasyfikację pod względem sztywności i modelowanie połączeń belek ze słupami. Szczególnie rozbudowane zostały rozdziały poświęcone projektowaniu połączeń elementów dwuteowych i rurowych w węzłach płaskich i przestrzennych.
Część 1-9 zawiera postanowienia odnoszące się do projektowania konstrukcji z uwzględnieniem zmęczenia stali. Omówiono podstawowe wymagania, metody oceny zmęczenia, wyznaczania naprężeń zmęczeniowych i zakresu ich zmienności oraz wytrzymałości zmęczeniowej. W dziesięciu tablicach podano kategorie zmęczeniowe różnych elementów i ich połączeń w zależności od rodzaju karbu.
Przedmiotem części 1-10 są wytyczne doboru stali pod względem odporności na kruche pękanie oraz na ciągliwość międzywarstwową elementów spawanych, w których może wystąpić zagrożenie pęknięciami lamelarnymi. Projektanci znajdą tablicę największych dopuszczalnych grubości elementów w zależności od gatunku stali, jej odporności na kruche pękanie i temperatury obliczeniowej oraz kryterium pęknięcia międzywarstwowego.
Cięgno to element konstrukcji poddany działaniu siły rozciągającej. Elementy te stosuje się do stężania i napinania, jako ściągi i odciągi słupów, masztów, pylonów, kominów, ścian, dźwigarów, kratownic oraz mostów podwieszonych. W PN-EN 1993-1-11 omówiono rodzaje cięgien, ich charakterystyki geometryczne i mechaniczne. Podano parametry lin splotowych jedno- i wielozwitych, lin zamkniętych z drutów okrągłych i zetowych, wiązek drutów lub splotek równoległych. Omówiono najczęściej stosowane zakończenia tulejami zalewanymi lub końcówkami zaciskanymi na cięgnach. W normie podano podstawy projektowania, zdefiniowano stany graniczne i kryteria obliczeniowe oraz określono obciążenia: wiatrem, oblodzeniem, temperaturą.
Część 1-12 Eurokodu 3 zawiera reguły dodatkowe dotyczące zastosowania stali wysokiej wytrzymałości na konstrukcje objęte częściami 1-1?1-11. Podano w niej warunki, jakie trzeba spełnić, aby stal wysokiej wytrzymałości mogła być zastosowana na nie w myśl Eurokodu 3.
Część 3-1 odnosi się do projektowania konstrukcji stalowych wież i masztów z odciągami. Wieżą norma nazywa wolno stojącą stalową konstrukcję kratową o przekroju trójkątnym, kwadratowym lub prostokątnym albo słup pełnościenny o przekroju kołowym lub wielobocznym. Analogiczna jest definicja masztu, z tym że jest on stabilizowany odciągami zakotwionymi w podłożu lub w stałej konstrukcji. W normie podano podstawy projektowania, omówiono materiały, analizę konstrukcji, stany graniczne nośności i użytkowalności. W ośmiu załącznikach informacyjnych, które stanowią znaczną objętość normy, omówiono takie zagadnienia, jak: niezawodność i współczynniki częściowe obciążeń, wpływ oddziaływań meteorologicznych, obciążenia oblodzeniem i wiatrem, wymagania dla odciągów, tłumików i izolatorów, skutki zerwania odciągu, wykonawstwo i zagadnienia stateczności.
Część 3-2 dotyczy projektowania kominów stalowych. Rozróżnia kominy wolno stojące i kominy z odciągami stabilizującymi, zamontowanymi na jednym lub kilku poziomach komina. Są to konstrukcje przeznaczone do odprowadzania do atmosfery gorących spalin (kominy dymowe) lub gazów lotnych i zużytego powietrza bądź dostarczania świeżego powietrza (kominy wentylacyjne). W normie podano wymagania ogólne i podstawowe, obciążenia działające na kominy, materiały, określono metody obliczania naprężeń, wpływu imperfekcji elementów na nośność i stateczność oraz zasady uwzględniania zmęczenia materiału czy osłabienia powłok nośnych otworami. Omówiono stany graniczne nośności i użytkowalności. W pięciu załącznikach podano zalecenia co do niezawodności, projektowania urządzeń aerodynamicznych i mechanicznych tłumiących drgania, kategorie zmęczeniowe połączeń spawanych itp.
Część 4-3 tego Eurokodu traktuje o projektowaniu rurociągów podziemnych ze stalowych rur okrągłych do przesyłania cieczy lub gazu albo mieszaniny cieczy z gazem w temperaturze otoczenia. W normie omówiono właściwości mechaniczne stali i spoin, podano wytyczne do uwzględniania oddziaływań i ich kombinacji w stanach granicznych. W analizie konstrukcji omówiono metody sprawdzania stanów granicznych nośności i użytkowalności. W załączniku A podano wzory do wyznaczania nośności, deformacji, naprężeń i odkształceń. W załącznikach B i C podano bibliografię zalecaną do projektowania rurociągów.
W cz. III będą omówione Eurokody: 4–7.
mgr inż. Witold Ciołek
