Konstrukcja hali stalowej – rozwiązania

W artykule przeanalizowano wpływ rozwiązań konstrukcyjnych na zachowanie się płaskiej ramy głównego układu konstrukcyjnego hali przemysłowej. Zanalizowano wybrane rozwiązania konstrukcji ram płaskich o następujących głównych wymiarach geometrycznych:

• rozpiętość ram L: 10,0 m; 12,0 m; 15,0 m; 18,0 m i 20,0 m;
• wysokość słupa 5 m;
• kąt spadku połaci dachowej 10°;
• rozstaw głównych układów poprzecznych 5,0 m.

Na podstawie przeprowadzonych analiz komputerowych porównano zużycie stali oraz sztywność ram w zależności od przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego i rozpiętości ramy.

Konstrukcja hali stalowej. Fot. stock.adobe/U. J. Alexander

Konstrukcja hali stalowej. Założenia ogólne przyjęte do obliczeń

Do obliczeń przyjęto układy o schemacie statycznym ramy portalowej (rys. 1a), ramy portalowej ze ściągiem (rys. 1b) oraz modyfikację ramy portalowej w postaci ramy z zastrzałami i ściągiem (rys. 1c) o kącie nachylenia ściągu względem połaci dachowej α₁ = 15^o oraz α₁ = 20^o.

Rys. 1. Analizowane schematy statyczne: a) rama portalowa, b) rama portalowa ze ściągiem, c) rama z zastrzałami oraz ściągiem

Analizę porównawczą prowadzono dla elementów wykonanych z kształtowników giętych na zimno i walcowanych na gorąco. Jako podstawowe kształtowniki na słupy i rygle przyjęto walcowane na gorąco dwuteowniki IPE. W celu wyeliminowania wpływu dystorsji, a także zwichrzenia jako kształtowniki gięte na zimno przyjęto rury prostokątne RP.

Obciążenia zebrane zostały z powierzchni równej rozstawowi głównych układów poprzecznych (5 m) i przyłożone jako obciążenie ciągłe na wysokości słupów i na ryglach jako siły skupione w miejscach zamocowania płatwi. Uwzględnione zostały następujące obciążenia:

• obciążenia stałe g = 0,64 kN/m²;
• obciążenie śniegiem dla 3 strefy obciążenia wg [2];
• obciążenie wiatrem dla 2 strefy obciążenia wg [3].

Kombinacje obliczeniowe obciążeń wykonano wg [1]. Wszystkie analizowane układy wykonane zostały ze stali gatunku S355. Wymiarowanie i optymalizację przekrojów wykonano ze względu na rozpatrywany stan graniczny zgodnie z [4].

Zobacz też:

• Projektowanie układów kratowych hal z kształtowników zamkniętych
• Kształtowniki zamknięte w projektowaniu układów kratowych hal
• Konstrukcje stalowe hal wielkopowierzchniowych
• Hale pneumatyczne od A do Z
• Produkty budowlane

Analizy obliczeniowe i wyniki analiz

Przeprowadzono trzy analizy obliczeniowe.
Analiza 1

Pierwsza z analiz dotyczyła porównania wpływu schematu statycznego ramy oraz przyjętych typów przekrojów poprzecznych kształtowników na masę konstrukcji. Przyjęto, że obciążenia działające na konstrukcję składają się jedynie z oddziaływań pionowych pochodzących od śniegu i ciężaru własnego. Rygle dachowe stężono przeciwskrętnie przez płatwie. Słupy są stężone w wierzchołkach i w połowie swojej wysokości. Dodatkowo dla ramy portalowej przeanalizowano wpływ usztywnienia węzła podporowego. Zależność masy konstrukcji od rozpiętości i schematu ramy przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Wykres zależności masy ramy od rozpiętości, schematu statycznego oraz rodzaju kształtowników

Na podstawie obliczeń stwierdzono, że masa konstrukcji ram projektowanych z dwuteowników walcowanych na gorąco i rur prostokątnych jest właściwie taka sama (przy takich samych wymiarach geometrycznych i konstrukcji) i wzrasta w sposób zbliżony do wykładniczego w stosunku do rozpiętości ramy. Różnice wynikają z doboru dostępnego asortymentu kształtownika. Wskazuje to na znikomy wpływ zwichrzenia na stateczność prętów konstrukcji.

Na tej podstawie można domniemywać, że masa ramy głównego układu poprzecznego hali wykonanego z kształtowników giętych na zimno o przekroju otwartym będzie podobna. Natomiast oszczędności będzie można uzyskać jedynie przez odpowiednie ukształtowanie przekroju elementów na długości, np. projektując je na stałą siłę.

W dalszej części artykułu:

• Dwie analizy obliczeniowe i ich wyniki
• Wnioski i zalecenia (stan graniczny nośności, stan graniczny użytkowalności)
• Przestrzeń użytkowa

mgr inż. Katarzyna Sieńkowska
dr inż. Zdzisław Pisarek
dr inż. Andrzej Wojnar

Piśmiennictwo

1. PN-EN 1990:2004 Eurokod – Podstawy projektowania konstrukcji, PKN, Warszawa 2014.
2. PN-EN 1991-1-3 Eurokod 1 – Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3: Oddziaływania ogólne. Obciążenie śniegiem, PKN, Warszawa 2005.
3. PN-EN 1991-1-4 Eurokod 1 – Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wiatru, PKN, Warszawa 2008.
4. PN-EN 1993-1-1 Eurokod 3 – Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków, PKN, Warszawa 2006.