Kształtowniki zamknięte w projektowaniu układów kratowych hal

Projektując węzły i ich połączenia, należy przede wszystkim uwzględniać obciążenia przenoszone przez łączone części, pręty lub elementy.

Kształtowanie elementów i węzłów

Rodzaje obciążeń (statycznych, przeważająco statycznych, zmęczeniowych lub dynamicznych) i rodzaje sił wewnętrznych (podłużnych, poprzecznych, momentów zginających lub skręcających), będących skutkiem statycznego układu konstrukcyjnego, mają wpływ nie tylko na stan naprężeń części składowych węzłów i styków oraz ich nośność, ale również w zależności od ich kształtów na sztywność. Z kolei sztywność węzłów oddziałuje na wartości sił wewnętrznych układów konstrukcyjnych. Zadaniem projektanta jest ocenić wzajemne oddziaływanie, aby było zapewnione zarówno bezpieczeństwo prętów, jak też węzłów. Ponadto należy brać pod uwagę prostotę wykonania złącza w wytwórni ze względu na dążenie do uzyskania niskich kosztów robocizny warsztatowej oraz jego złożenia (scalania) podczas montażu.

Podczas tradycyjnego projektowania połączeń, gdy siły z jednego pręta lub elementu na drugi są przekazywane przez łączniki w płaszczyznach przylgowych, części umożliwiające rozmieszczenie łączników zachowują się na ogół jak tarcze, a więc elementy obciążone równolegle do swojej płaszczyzny. Wskutek tego ich sztywność jest duża. Te części są więc rozpatrywane jako niepodatne, a węzły i styki w takich sytuacjach w zależności od podstawowych kształtów mogą być traktowane jako sztywne lub przegubowe. Ich kształtom narzuca się ostre warunki graniczne, aby takie postępowanie było zasadne.

W konstrukcjach i ich elementach z kształtowników zamkniętych wskutek technologicznego i ekonomicznego kształtowania węzłów i ich połączeń siły wewnętrzne są najczęściej przekazywane w płaszczyznach lub powierzchniach kontaktu, gdy przyległe części należy rozpatrywać jako płyty lub powłoki obciążone w sposób prostopadły albo – w przypadku sytuacji o bardziej złożonych kształtach – jako układy płyt i tarcz, co stwarza sytuacje oceny ich bezpieczeństwa w sposób dość prosty, ale niekiedy także bardziej złożony. Części te należy więc traktować jako podatne, gdyż ich sztywność jest znacznie mniejsza niż sztywność tarcz. Węzły i styki zwykle (nie zawsze) nie mogą być wówczas przyjmowane jako sztywne lub przegubowe. Jest konieczne rozpatrywanie nośności części składowych węzłów i ich połączeń w zależności od zachowania się całości (zarówno węzłów, jak i prętów). Projektantowi do oceny wzajemnych interakcji prętów i węzłów w zachowaniu się elementów służą reguły i wskazania podane w PN-EN 1993-1-8 [9]. Mają one charakter ogólny, niekiedy arbitralny, ale są wystarczająco bezpieczne. Odnoszą się do kratownic i ram.

Podstawowym uproszczeniem w ocenie bezpieczeństwa kratownic ze względu na zachowanie się węzłów jest przyjmowanie w nich przegubów, a więc formalnie w punktach przecięcia się zarówno pasów, jak też krzyżulców i słupków. Jednak podczas konstrukcyjnego kształtowania elementów i ich wykonania te przeguby nie są realizowane. Zwykle pasy w tych miejscach są ciągłe, a pręty skratowania są do nich dołączane bezpośrednio lub rzadziej za pomocą dodatkowych części, tworząc węzły, których charakterystyki sztywnościowe zawierają się między ekstremalnymi wartościami sztywnymi i przegubowymi. Są to więc węzły podatne lub prawie sztywne, natomiast rzadko przegubowe i tu znów zadaniem projektanta jest ocenić, jaki najwłaściwszy model przyjąć podczas analizy i ustalania nośności i sztywności układu kratowego.

Zobacz: Technologie łączenia konstrukcji za pomocą śrub w remontach i naprawach

W kratownicach traktowanych jako przegubowe występują więc w rzeczywistości momenty zginające o różnej wartości w zależności od sztywności węzłów, jednak nadal największe znaczenie na wytężenie prętów i węzłów mają siły podłużne. W prętach skratowania działają siły podłużne, powodujące odkształcenia różnej wartości, wywołując w całym ustroju wymuszone momenty zginające w zależności od sztywności przekrojów prętów i samych węzłów, zmieniając faktycznie układ przegubowy w układ ramowy o geometrii powszechnie kojarzonej z kratownicami.

W PN-EN 1993-1-8 są zawarte ogólnikowe wskazania:

• Wpływ zachowania się węzłów w kratownicy na rozkład sił wewnętrznych i momentów zginających na jej stan deformacji na ogół trzeba brać pod uwagę, chyba że jest on pomijalnie mały.
• Aby ocenić wpływ zachowania się węzłów w analizie konstrukcji, rozróżnia się trzy modele węzłów:

1) przy założeniu, że elementy (pręty) w węzłach są połączone przegubowo;

2) pomijając momenty drugorzędne, spowodowane sztywnością obrotową, jednak tylko wówczas, gdy w konstrukcji są spełnione warunki:

– geometria węzłów jest zgodna z ograniczeniami, podanymi w rozdz. 7 normy [9],

– stosunek długości teoretycznej pręta do wysokości użytego kształtownika w płaszczyźnie dźwigara jest nie mniejszy niż 6,

– mimośrody nie przekraczają wartości podanych w rozdz. 5.1.5 (5) normy [9];

3) uwzględniając momenty zginające, spowodowane obciążeniem międzywęzłowym w płaszczyźnie dźwigara lub w płaszczyźnie do niej prostopadłej, jeżeli są spełnione warunki podane uprzednio, pręty skratowania można traktować jako połączone przegubowo z pasami, same zaś pasy jako belki ciągłe podparte przegubowo w węzłach.

W przypadku połączeń można postępować zgodnie z następującymi wskazaniami:

• Połączenia mogą być projektowane wskutek rozłożenia sił wewnętrznych w najlepszy możliwy do pomyślenia i racjonalny sposób, pod warunkiem że:

– założone siły podłużne i poprzeczne oraz momenty zginające pozostają w równowadze z obciążeniem zewnętrznym, to jest przyłożonymi siłami i momentami;

– każda część połączenia ma nośność odpowiednią do sił lub naprężeń, wynikających z dokonywanej analizy;

– odkształcenia towarzyszące rozkładowi sił (naprężeń) nie przekraczają wartości, wynikających ze zdolności do odkształceń łączników (spoin, śrub) oraz innych części połączenia;

– odkształcenia, będące skutkiem przyjęcia modelu linii załomów plastycznych, wynikają z obrotu sztywnych płatów (i odkształceń tarczowych), które są fizycznie możliwe, to jest kinematycznie dopuszczalne.

• Przyjmowany rozkład sił wewnętrznych powinien być realistyczny ze względu na sztywność stref węzła. Siły wewnętrzne są przekazywane wzdłuż ścieżki wynikającej ze ścieżki największej sztywności. Ta ścieżka powinna być jednoznacznie określona. Należy nią konsekwentnie podążać podczas projektowania połączenia.
• Na ogół nie ma potrzeby uwzględniania naprężeń własnych (naprężeń spawalniczych w przypadku spoin oraz nierównomiernego rozkładu na ich grubości i długości).

Kształtowniki zamknięte, produkowane na gorąco wg PN-EN 10210-1 oraz na zimno wg PN-EN 10219-1 ze stali konstrukcyjnej niestopowej lub drobnoziarnistej, powszechnie nazywane rurami, o przekrojach okrągłych i prostokątnych lub kwadratowych, są stosowane przede wszystkim do budowlanych elementów kratowych, takich jak kratownice dachowe i podpory (słupy jednogałęziowe i kratowe).

Ze względu na swój bogaty asortyment, wyrażający się wymiarami przekroju poprzecznego o średnicy od 42,2 do 711,0 mm i odpowiedniej gradacji grubości, zwykle od 8 do 15 mm w odniesieniu do wyrobu tego samego wymiaru zewnętrznego (albo w przypadku rury kwadratowej o boku od 25 do 400 mm i gradacji grubości 4 do 15), kształtowniki zamknięte we współczesnych kratownicach i podporach powszechnie wyparły stosowanie kątowników, prowadząc do dużej oszczędności materiału [2].

dr hab. inż. Mirosław Broniewicz, prof. PB Politechnika Białostocka

Literatura:

2. J. Bródka, M. Broniewicz, Kształtowniki o przekrojach zamkniętych. Poradnik dla projektantów i konstruktorów, część 1 i 2, KoenigStahl.

9. PN-EN 1993-1-8 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-8: Projektowanie węzłów.

Polecamy: Produkty budowlane