Konstrukcje stalowe hal wielkopowierzchniowych

Inne są wymagania konstrukcyjne dla hal sportowo-widowiskowych, basenowych, hangarów lotniczych, montażowych (np. samolotów), a inne dla hal hipermarketów, targowych, galerii handlowych, warsztatowych lub magazynowych. W pierwszym przypadku należy zaprojektować przekrycie dachowe o dużej rozpiętości (nawet powyżej 200 m). Realizacja takiego przekrycia jest dużym wyzwaniem dla projektanta i dla wykonawcy. W drugim przypadku można zastosować słupy wewnętrzne, czyli halę sprowadzić do obiektu wielonawowego o stosunkowo prostej konstrukcji. Hale najczęściej są kojarzone z obiektami parterowymi, ale mogą one również być obiektami wielokondygnacyjnymi, np. o konstrukcji szkieletowej.

Fot. pixabay / EFAFLEX_Schnelllauftore

Konstrukcje hal – typy przestrzennych ustrojów nośnych

Ustroje przestrzenne znalazły zastosowanie przede wszystkim w halach o dużych rozpiętościach, w których nie można zastosować wewnętrznych podparć konstrukcji przekrycia, np. w halach sportowo-widowiskowych. Do tych ustrojów należą na przykład niżej scharakteryzowane przekrycia strukturalne, kopuły oraz ruszty.

Przekrycia strukturalne

Przekrycia strukturalne, zwane również siatkowymi, należą do najbardziej uniwersalnych przekryć obiektów wielkopowierzchniowych. Mogą być projektowane na dowolnym obrysie hali. Przekrycie strukturalne jest podparte obwodowo na słupach lub na innej konstrukcji wsporczej i składa się z dwóch równoległych siatek stalowych prętów, połączonych ze sobą krzyżulcami i ewentualnie słupkami (rys. 1).

Rys. 1. Schemat fragmentu przekrycia strukturalnego o siatce ortogonalnej

Rozwiązanie takie nadaje konstrukcji dużą przestrzenną sztywność i może być stosowane nawet przy dwustumetrowych rozpiętościach. Istnieje wiele schematów siatek przekrycia strukturalnego. Najczęściej stosuje się przekrycia, w których pręty tworzą ortogonalny układ piramidek o podstawie kwadratu (rys. 1). Opracowane systemy węzłów łączących pręty ze sobą ułatwiają montaż konstrukcji. Montaż przekrycia w całości lub jej segmentów może się odbywać na poziomie terenu. Przekrycia strukturalne były bardzo szeroko stosowane w halach sportowo-widowiskowych budowanych w drugiej połowie XX w. Funkcjonowały wówczas całe systemy rozwiązań konstrukcyjnych struktur. Również współcześnie stosuje się ten typ przekryć.

Sprawdź też: Wymagania jakości dotyczące spawania stalowych wyrobów konstrukcyjnych w budownictwie

Kopuły

Kopuły pozwalają przekryć dużą powierzchnię hali o rzucie kołowym, owalnym lub zbliżonym do owalnego. Pełnią również funkcję świetlika dachowego.

Ze względu na kształty są one chętnie stosowane przez architektów, np. w wielkopowierzchniowych galeriach handlowych, holach dworców kolejowych. Cechą charakterystyczną kopuł jest ich wyniosłość. Mimo iż pierwsze kopuły były koliste, to obecnie kształt kopuł dostosowuje się do wymagań architekta. Pod względem konstrukcyjnym rozróżnia się kopuły siatkowe jednowarstwowe (rys. 2) lub dwuwarstwowe, kopuły żebrowe itd. Układy siatek mogą mieć różne kształty. Ze względu na ich kształt konstrukcja węzłów jest trudniejsza niż dla płaskich przekryć strukturalnych. Kopuły mogą być oparte obwodowo na poziomie terenu lub na konstrukcji wsporczej.

Rys. 2. Modele kopuł siatkowych

Ruszty

Ruszt składa się z belek pełnościennych (rys. 3a) lub kratowych (rys. 3b) ustawionych względem siebie najczęściej pod kątem prostym. Belki są ze sobą wzajemnie połączone. Ruszt z belek kratowych stosuje się do przekryć o większych rozpiętościach niż z belek pełnościennych
i jest znacznie lżejszy. Ruszty projektuje się nie tylko jako płaskie, lecz także jako łukowe (w formie kopuły). Przykładem tego może być współczesne rozwiązanie konstrukcyjne przekrycia o rozpiętości ok. 130 m hali sportowej w Łodzi, gdzie zastosowano przekrycie w formie łukowego rusztu.

Rys. 3. Schemat rusztu z belek pełnościennych (a) oraz kratowych (b)

Konstrukcje hal – typy płaskich ustrojów nośnych

Obecnie, dysponując programami komputerowymi służącymi do analiz statyczno-wytrzymałościowych elementów prętowych i powłokowych, nie jest problemem przeprowadzenie obliczeń dla modelu przestrzennego konstrukcji. Jednak w bardzo dużej liczbie obiektów można wyodrębnić płaskie ustroje nośne z dominującym obciążeniem w tej płaszczyźnie. Efekty oddziaływań w płaszczyźnie prostopadłej do tych płaskich układów uwzględnia się w analizie wytrzymałościowej. Płaskie ustroje nośne w halach są rozstawione co kilka lub kilkanaście metrów, najczęściej w przedziale 6,0-24,0 m. Wraz ze wzrostem rozstawu zwiększa się przede wszystkim ciężar płatwi i rygli. Stateczność stalowej konstrukcji hali w kierunku podłużnym zapewniają stężenia ścienne zakładane między słupami. W przeważającej większości dachy projektuje się jako płatwiowe. Rozstaw płatwi wynosi w granicach 2,0-4,0 m, a same płatwie są wykonywane z profili gorąco walcowanych (dwuteowych, ceowych) lub giętych na zimno (zetowe) oraz jako kratowe (przy większych rozstawach układów poprzecznych). W płaszczyźnie połaci dachu również się zakłada stężenia. Funkcję stężeń może pełnić blacha fałdowa (trapezowa).

Układy słupowo-wiązarowe

Układy słupowo-wiązarowe należą do najbardziej rozpowszechnionych w projektowaniu hal. Schemat statyczny najczęściej się składa z kratowego wiązara opartego przegubowo na słupie (rys. 4a), który z kolei jest utwierdzony w fundamencie. Rzadziej się spotyka wiązary dachowe, w których pas dolny jest połączony nieprzesuwnie ze słupem (rys. 4b), co umożliwia przejęcie pary sił przez pas górny i dolny. W pierwszym przypadku schematem zastępczym jest rama z ryglem przegubowo opartym na słupie, a drugim – rama ze sztywnym połączeniem rygla ze słupem. Stosuje się również wiązary łukowe z poziomym pasem dolnym (rys. 4c). Wiązary w przekroju (rys. 4d) mogą być elementami płaskimi (dwupasowe) lub przestrzennymi (trójpasowe i czteropasowe). Zastosowanie przestrzennych dźwigarów dachowych pozwala pokonać większą rozpiętość hali. Na przekroje pasów i skratowania stosuje się różne kształtowniki, a w ostatnich latach najczęściej stosowane są przekroje rurowe okrągłe lub kwadratowe, a na pasy – również przekroje dwuteowe.

Rys. 4. a) Układ słupowo-wiązarowy, b) wiązar z pasem dolnym mocowanym do słupa,
c) wiązary łukowe, d) przekroje wiązarów dachowych

Ramy z profili pełnościennych

W zależności od przyjętego rozwiązania konstrukcyjnego układy ramowe umożliwiają uzyskanie kilkudziesięciometrowych rozpiętości hal. Schematy statyczne ram poprzecznych stosowanych w halach mogą być różne:

a) ramy z ryglami opartymi przegubowo na słupach, a słupy utwierdzone w fundamencie (rys. 5a);

b) ramy z ryglami sztywno połączonymi ze słupami, a słupy oparte przegubowo na fundamencie (rys. 5b);

c) ramy trójprzegubowe (rys. 5c);

d) ramy z węzłami sztywnymi (rys. 5d).

Rys. 5. Schematy statyczne ram portalowych: a) rama z ryglami opartymi przegubowo na słupach, b) rama z ryglami sztywno połączonymi ze słupami, c) rama trójprzegubowa, d) rama z węzłami sztywnymi

Ramy, w których rygle są oparte przegubowo na słupach, stosuje się przede wszystkim w halach, w których zaprojektowano żelbetowe słupy, oraz w obiektach wielonawowych. Połączenie przegubowe lub nominalnie przegubowe słupów z fundamentami (rys. 5b i 5c) uzyskuje się przez zastosowanie łożyska typu mostowego lub poprzez odpowiednie ukształtowanie podstawy słupa. Zaletą tego typu połączenia jest znaczna redukcja wymiarów stopy fundamentowej. Dobrym rozwiązaniem konstrukcyjnym pozwalającym na uzyskanie schematów przedstawionych na rys. 5b i 5c jest zastosowanie elementów o zbieżnej geometrii przekroju (tj. o trapezowym środniku, rys. 6c). Zaprojektowanie trzeciego przegubu w kalenicy (rys. 5c) powoduje zmniejszenie sztywności konstrukcji, trudności konstrukcyjno-montażowe i czasami problemy ze szczelnością pokryć dachowych. Dlatego też to rozwiązanie jest rzadko stosowane. Ramy o wszystkich węzłach sztywnych charakteryzują się największą sztywnością. Ich stosowanie jest jednak celowe, mając na uwadze względy ekonomiczne. Połączenia rygli ze słupami oraz słupa z fundamentami wymagają analizy ich nośności i sztywności oraz odpowiedniego ich zakwalifikowania, m.in. pod względem sztywności (nominalnie przegubowe, podatne, sztywne). Sztywność węzłów wpływa na rozkład sił wewnętrznych w ramie. Przekroje słupów i rygli ram portalowych (rys. 6a) projektuje się z profili dwuteowych walcowanych (typu: IPE, HEA, HEB), blachownic spawanych oraz z profili z falistym środnikiem (typu SIN). W ramach portalowych możliwe jest również zwiększenie nośności i sztywności rygla w strefie połączenia ze słupem przez zastosowanie ukosu z odpowiednio dobranego profilu, najczęściej teowego (rys. 6b). Oddzielnym zagadnieniem jest projektowanie konstrukcji ram z profili giętych na zimno. W tym przypadku wykorzystuje się przede wszystkim rozwiązania systemowe ich producentów.

Rys. 6. Ramy portalowe: a) wykorzystanie profili dwuteowych walcowanych, b) zastosowanie ukosu z odpowiednio dobranego profilu (najczęściej teowego), c) zastosowanie elementów o zbieżnej geometrii przekroju

Ramy kratowe

Ramy kratowe, zwane często ramownicami, charakteryzują się tym, że zarówno słup, jak i rygiel są projektowane jak kratownice. Pasy kratownicy tworzącej słup mogą być równoległe (rys. 7b) lub zbieżne (rys. 7a). W pierwszym przypadku otrzymuje się schemat zastępczy w postaci słupa ramy utwierdzonego w fundamencie, a w drugim – słupa opartego przegubowo na fundamencie. Pasy rygla dachowego można kształtować podobnie. Stosuje się różne typy skratowań oraz odległości między węzłami (na rys. 7 pokazano zagęszczenie węzłów dla słupa lewego). Przekroje ramownic mogą być płaskie (dwupasowe) oraz przestrzenne (czteropasowe). Uzyskuje się nawet stukilkudziesięciometrowe rozpiętości tych konstrukcji.

Rys. 7. Ramy portalowe (opis w tekście)

Łukowe konstrukcje hal

Łukowe przekrycie hal może być oparte bezpośrednio na fundamencie (rys. 8a-b) lub na słupach (rys. 8c-d). Z analizy statycznej łuków otrzymuje się duże siły rozporowe o wartościach zależnych od ich wyniosłości i rozpiętości. W przypadku łuków opartych na fundamencie tę siłę trzeba przejąć, stosując bloki oporowe w postaci masywnych fundamentów lub ściąg prowadzonych pod poziomem posadzki. Kotwienie łuków odbywa się najczęściej nad poziomem terenu i w związku z tym ściąg wówczas może łączyć tylko fundamenty (linie przerywane na rys. 8a-c). W przypadku łuków opartych na słupach również się stosuje ściągi (rys. 8d) lub odpowiednio ukształtowane słupy albo inne konstrukcje oporowe zdolne przejąć siłę poziomą przyłożoną do głowicy słupa (rys. 8c). W przypadku hal sportowych do przejęcia siły poziomej można wykorzystać żelbetową konstrukcję trybun. Ściągi łączące węzły łuków najczęściej się projektuje z prętów okrągłych, które wstępnie się napina, np. przez zastosowanie tzw. śrub rzymskich. Zakłada się je na poziomie węzła podporowego, ale można je również zakładać na wyższych poziomach (rys. 8d). Ściągi podwiesza się w konstrukcji łuków. Łuki projektuje się z pełnościennych przekrojów blachownicowych (rys. 8a, 8c), rzadziej z profili walcowanych (przy małej krzywiźnie jest możliwe wygięcie dwuteowników walcowanych) oraz w postaci kratownic (rys. 8b, 8d). Podobnie jak ramy łuki mogą być projektowane jako dwuprzegubowe, trójprzegubowe lub z węzłami sztywnymi. W związku z tym, że łukowe konstrukcje hal mogą sięgać bardzo dużych rozpiętości, takie rozwiązania stosuje się w projektach hal sportowych, widowiskowych lub innych hal wielkopowierzchniowych, w których inwestor nie akceptuje słupów wewnętrznych. Można je również spotkać jako zadaszenie peronów dworców kolejowych (tzw. hale peronowe), np. we Wrocławiu, Legnicy (zabytkowe), Katowicach, Gliwicach (nowe).

Rys. 8. Łuki (opis w tekście)

Konstrukcje hal z transportem

Hale przemysłowe, produkcyjne, montażowe lub magazynowe wymagają zastosowania środków transportu wewnętrznego w postaci różnego typu wciągników lub suwnic. W przypadku małych udźwigów belki jezdne suwnic lub wciągników albo punkty zaczepienia elementów nieruchomych mogą być mocowane do konstrukcji dachu (rys. 9a). W przypadku większych udźwigów suwnic belki jezdne (belki podsuwnicowe) ustawia się na wsporniku słupa (rys. 9b) lub na gałęzi wewnętrznej słupa dwustopniowego (rys. 9c). Rozwiązanie na rys. 9c jest typowe dla hal przemysłowych o dużej intensywności pracy suwnic.

Rys. 9. Hale z transportem (opis w tekście)

Konstrukcje hal wielonawowych

Jak już wspomniano, większość hal wielkopowierzchniowych ma układ wielonawowy. Stosowanie układu wielonawowego jest uzasadnione ekonomicznie a projektowanie i montaż jest prostszy w stosunku do obiektu halowego z przekryciem o dużych rozpiętościach. Rozpiętość naw najczęściej wynosi 12,0 ÷ 30,0 m a rozstawy ram w kierunku podłużnym – w granicach 6,0 ÷ 12,0 m.

Ramy tworzące nawy najczęściej mają schematy statyczne, w których:

a) rygle są belkami swobodnie podpartymi na słupach (rys. 10a);

b) rygle są belkami ciągłymi, sztywno połączonymi ze słupami zewnętrznymi oraz podpartymi na wewnętrznych słupach wahaczowych (rys. 10b);

c) rygle są belkami ciągłymi, sztywno połączonymi ze wszystkim słupami (rys. 10c i 10d).

Rys. 10. Wybrane schematy ram wielonawowych

Pierwsze rozwiązanie jest stosowane najczęściej w przypadkach, gdy rygiel dachowy opiera się na żelbetowych słupach. Również wiązary dachowe projektuje się jako kratownice swobodnie oparte na słupach. Dzięki zastosowaniu rygla o schemacie belki ciągłej zyskuje się mniejsze wartości momentów zginających niż dla belki swobodnie podpartej oraz większą sztywność konstrukcji (mniejsze ugięcia). Styki montażowe jest wówczas najkorzystniej rozmieścić w miejscach zerowania się momentów zginających. Przyjęcie słupów wewnętrznych jako przegubowo opartych na fundamencie powoduje zmniejszenie wymiarów tych fundamentów. Również słupy zewnętrzne mogą być przegubowo oparte na fundamencie i takie rozwiązanie stosuje się np. na terenach objętych eksploatacją górniczą. W każdym z tych rozwiązań zarówno słupy, jak i rygle mogą mieć przekrój z walcowanego profilu dwuteowego, blachownicy lub z profilu typu SIN. Można również zastosować elementy kratowe lub profile zbieżnej geometrii.

Jak już wspomniano, rozstawy ram nośnych mogą sięgać znacznych odległości (np. 24 m). Przyjmując duże rozstawy ram, trzeba wziąć pod uwagę konstrukcję płatwi dachowych (np. konieczność zastosowania kratowych płatwi dachowych), znaczne przekroje rygli dachowych i stateczność konstrukcji dachowej. Jest jeszcze jedna uzasadniona ekonomicznie możliwość ominięcia tego problemu. W liniach słupów wzdłuż hali można zastosować podciągi (pełnościenne bądź kratowe), na których opiera się pośrednie wiązary lub dźwigary (rys. 11).

Rys. 11. Fragment modelu z układem podciągów i wiązarów (pominięto płatwie i stężenia dachowe)

Taka koncepcja została wykorzystana w dachach pilastych (szedowych), popularnych w połowie XX w. Podpory wiązarów dachowych były montowane na różnych poziomach słupów i podciągów, tzn. z jednej strony wiązar był montowany do pasa górnego, a z drugiej – do pasa dolnego podciągu. Uzyskiwano w ten sposób siatki słupów o wymiarach np. 24,0 x 24,0 m. Na rys. 12 pokazano fragmenty modelu dachu pilastego z podciągami i wiązarami, z pominięciem większości płatwi i stężeń. Dzięki takiej konstrukcji również uzyskiwano naturalne doświetlenie hali.

Zobacz też: Przekrycia dużej rozpiętości w obiektach użyteczności publicznej w konstrukcji żelbetowej

Rys. 12. Fragment modelu dachu szedowego z przekrojami (pominięto płatwie i stężenia dachowe)

Inne konstrukcje stalowych hal wielkopowierzchniowych

Hale (np. sportowo-widowiskowe, w galeriach handlowych) niejednokrotnie mają pełnić funkcję wizytówki miasta bądź regionu. Wówczas bryła opracowana przez architektów jest niepowtarzalna. Stanowi to również duże wyzwanie przed inżynierami konstruktorami. Projektanci sięgają jeszcze po inne rozwiązania konstrukcyjne, np. konstrukcje przekryć typu linowo-cięgnowych. Wystarczy tutaj wymienić „Spodek” w Katowicach czy halę kwiatów w Chorzowie, a także niedawno wzniesioną halę Podium w Gliwicach.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono wybrane schematy i typy stalowych konstrukcji hal, które są najczęściej wykorzystywane przy ich projektowaniu. Zamieszczono w nim tylko szkice, co wynikało z trudnego wyboru przykładów (zdjęć) spośród istniejących hal, a zarazem z ograniczonej jego objętości. Jest to jednocześnie zachęta, aby czytelnik, przebywając w obiektach halowych lub przechodząc obok nich, zwrócił uwagę na ich konstrukcję.

dr inż. Bernard Kowolik – Politechnika Śląska w Gliwicach

Uwaga: artykuł ukazał się w czasopiśmie „Nowoczesne Hale” nr 2/2019 (www.nowoczesnehale.elamed.pl).

MATFRIAŁ PROMOCYJNY

Prefabrykacja konstrukcji stalowych

ALSTAL Konstrukcje jako wyspecjalizowana spółka należąca do Grupy ALSTAL świadczy profesjonalne usługi w zakresie prefabrykacji konstrukcji stalowych hal i obiektów wielkopowierzchniowych, przemysłowych, obiektów użyteczności publicznej oraz produkcji i montażu skomplikowanych konstrukcji inżynierskich.

Stosowana przez firmę prefabrykacja konstrukcji stalowych umożliwia zachowanie jednolitej jakości materiałów, poddanej kontroli już na etapie wykonawczym konstrukcji. Przygotowana w wytwórni konstrukcja przestrzenna pozwala także zminimalizować ilości wykonywanych prac na budowie, ograniczając do minimum czynnik błędu ludzkiego, co znacząco wpływa na podniesienie jakości wykonywanych przez ALSTAL Konstrukcje usług.

Firma zapewnia swoim inwestorom kompleksową obsługę, począwszy od doradztwa, opracowania i przygotowania projektu budowlanego, wykonawczego, warsztatowego, poprzez nadzór – po wykonawstwo inwestycji.

Inwestycje realizowane przez ALSTAL Konstrukcje oparte są na wiedzy wysoko wyspecjalizowanej kadry pracowniczej oraz wszelkiego rodzaju uprawnieniach i dokumentach poświadczających solidność, kwalifikacje i efektywność działania. ALSTAL Konstrukcje zrealizowało kilkaset projektów w Polsce i zagranicą, m.in.: konstrukcję zadaszenia Opery Leśnej w Sopocie, Teatru Szekspirowskiego w Gdańsku, konstrukcję stalową budynku absorpcji i destylacji Ciech S.A., hali produkcyjnej VW Motor Polska w Polkowicach, bazę dDp na terenie rafinerii Grupy Lotos w Gdańsku, konstrukcję stalową stadionu żużlowego Motoareny Toruń, jak również największego w Polsce kompleksu sportowo-rekreacyjnego Termy Maltańskie w Poznaniu.