Nośność, trwałość i bezpieczeństwo konstrukcji wystawienniczych wykonanych z profili aluminiowych

Czym są aluminiowe systemy wystawiennicze

Od lat 90. powstaje w Polsce dużo nowych firm, które chcą reklamować swoje produkty. Zauważają, że naj­lepszym sposobem na to jest bezpo­średni kontakt z klientem (zwany dziś B2B), i pojawia się potrzeba zorgani­zowania targów tematycznych w po­szczególnych branżach. To napędza koniunkturę na nowe systemy wysta­wiennicze. Proste konstrukcje dzia­łowe, dzięki którym daje się odróżnić profesjonalne targi od targowiska za rogiem. Lekkie, wielokrotnego użytku, jednorodne elementy umożliwiające błyskawiczny montaż, a następnie, po upływie (najczęściej) ledwo trzech dni, demontaż. Polskie firmy wzorem za­chodnich kształtują formy do wytopów aluminiowych elementów wystawien­niczych i opracowują swoje własne systemy. Powstają nowe firmy. Oferta jest tak bogata, że jedynym ograni­czeniem w konstruowaniu obiektów wystawienniczych jest wyobraźnia projektanta. Niczym budowlę z kloc­ków profile aluminiowe można układać w dowolnej kombinacji. Jednakże na­leży pamiętać o dość niskich parame­trach wytrzymałościowych połączeń oraz samych elementów. Tym bardziej jeśli porównamy je do ich odpowiedni­ków w konstrukcjach stalowych czy żelbetowych.

Niskie parametry mechaniczne nie przeszkadzają w wykorzystaniu alu­miniowych profili systemowych do elementów konstrukcyjnych. Mają one pełnić funkcję jednocześnie ścian­ki działowej, tworząc wolno stojący, zadaszony obiekt wystawienniczy umiejscowiony na otwartym terenie. W miejscowościach, jak np. Bielsko­-Biała, Kielce czy Zakopane, odbywają się targi, na których część ekspozycji zostaje umieszczona na zewnątrz hali i to właśnie tam mają szczególne za­stosowanie konstrukcje wykorzystu­jące profile aluminiowe.

Fot. 1 Pawilon wystawienniczy firmy PHU Timex

Przewidzieć ryzyko, zapewnić bezpieczeństwo

Systemy wystawiennicze zostały za­projektowane z myślą o użytkowaniu wyłącznie w komfortowych warunkach zamkniętej przestrzeni hali, hotelu, sali konferencyjnej. Wraz z rozwojem branży pojawiła się potrzeba mak­symalnego zwiększenia powierzchni dostępnej dla wystawców podczas targów i wyniesienie części obiektów na zewnątrz.

Funkcje takich obiektów pozostają niezmienne, tj. mają przede wszyst­kim oddzielać przestrzeń użytkową od otoczenia oraz skupiać uwagę klien­tów, powodując przyjemne doznania estetyczne.

Zmieniły się obecnie wymagania kon­strukcyjne. Obiekt musi być ogra­niczony trwałą, nieprzepuszczającą wpływów atmosferycznych barierą – dachem oraz ścianami z każdej strony. Powinien posiadać także sys­tem poziomowania podłogi eliminujący nierówności podłoża. Należy również zapewnić integralność wszystkich elementów, tak żeby konstrukcja tworzyła jedną spójną całość, mogą­cą skutecznie przeciwstawiać się od­działywaniom atmosferycznym.

Targi odbywają się w różnych miejsco­wościach na terenie całego kraju (i Eu­ropy), np. w Bielsku-Białej czy na Równi Krupowej. Imprezy tego typu odbywają się wyłącznie w miesiącach letnich. W efekcie tego głównym czynnikiem atmosferycznym, który oddziałuje na taką konstrukcję, jest wiatr. Biorąc pod uwagę, że lokalizacja targów może również obejmować regiony, którym przypisano czwartą strefę wiatrową (wg [2] najwyższą w naszym kraju), należy zwrócić szczególną uwagę na przypadki porywistego wiatru. Może okazać się on krytyczny w odniesieniu do lekkich elementów przepierzenia ścian. Główną i najważniejszą różnicą między obiektami wystawienniczymi użytkowanymi na zewnątrz i wewnątrz jest to, że te pierwsze muszą stano­wić jednolitą konstrukcję, która pomi­mo swojego niewielkiego ciężaru wła­snego powinna zachować stabilność podczas silnego wiatru.

Rys. 1 Model pawilonu w programie MES: a) widok prętowy, b) widok prętowy z widocznością profili, c) widok prętowy z włączoną widoczno­ścią paneli

Analiza nośności

Punktem wyjścia do analizy obiektów wystawienniczych poddanych oddzia­ływaniom warunków atmosferycznych są różnice wynikające z ich lokalizacji na zewnątrz, np. hal widowiskowo­-sportowych.

Najistotniejszym elementem obciąże­nia w przedstawionej sytuacji będzie oddziaływanie wiatru, które na otwar­tej przestrzeni może osiągać znaczą­ce prędkości.

Przy projektowaniu obiektów wysta­wienniczych należy uwzględnić ich bezpieczeństwo zarówno w fazie ich użytkowania (sytuacja gdy występu­je dodatkowe, korzystne obciążenie eksploatacyjne), jak i w trakcie ich wznoszenia (sytuacja gdy jedynie ciężar własny elementów przeciw­stawia się siłom parcia wiatru). Jako warunek globalnego bezpieczeństwa należy zatem przyjąć eliminację moż­liwości poziomego przemieszcze­nia całej konstrukcji. W przypadku obiektu o tak niskim ciężarze mamy do czynienia z dużą powierzchnią oporu (ściany) na działanie wiatru, sytuację taką można porównać do rozwieszonego żagla na wietrze. Ze względu na zróżnicowane podłoże, na którym są lokalizowane obiekty, nie zawsze można uzyskać zgodę orga­nizatora targów na wykonanie zako­twienia. Dodatkowo należy rozwa­żyć możliwość ewentualnego obrotu (wywrócenia) całej bryły. Ta sytuacja obliczeniowa ze względu na statecz­ność ogólną konstrukcji jest znacznie mniej prawdopodobna. W sytuacji gdy żadna z podpór obiektu nie zostanie przytwierdzona do podłoża, najpierw powinno nastąpić przesunięcie po­ziome. Należy nie dopuszczać do sy­tuacji, aby tylko jedna z krańcowych

podpór była zakotwiona (stworzy się wówczas punkt obrotu).

Rys. 2 Zestawienie obciążeń według EC 1991-1-3

Głównym problemem jest zapewnienie integralności. Montaż oraz demontaż powinny się odbywać w jak najkrót­szym czasie. To wymaga, aby połącze­nia poszczególnych elementów były zrealizowane w sposób tymczasowy, wielokrotnie powtarzalny, a co wię­cej, nie pochłaniały zbyt dużo czasu przy skręcaniu i rozkręcaniu. Niestety szybkość i łatwość montażu nie za­wsze idą w parze z wytrzymałością. Największą trudność sprawia sposób przytwierdzenia połaci dachowych do konstrukcji wsporczych. Firmy wyko­nawcze prześcigają się w pomysłach na rozwiązanie tego problemu. Jed­nak najczęściej stosuje się zwyczajne dociążenie konstrukcji dachów przez położenie na nich materiałów o znacz­nej masie. Z punktu widzenia bezpie­czeństwa jest to niedopuszczalne z dwóch powodów:

– nie można przewidzieć, jaka siła spowoduje odrywanie dachu od kon­strukcji;

– może dojść do zwiewania kolejnych warstw połaci, co może stanowić zagrożenie dla osób znajdujących się w pobliżu obiektu.

Niestety, powszechną praktyką jest brak odpowiedniego procesu pro­jektowania zewnętrznych obiektów wystawienniczych. Częstokroć ich konstrukcje opierają się wyłącznie na doświadczeniu firm wykonawczych. Przyjmując jako nadrzędne bezpie­czeństwo na imprezie masowej (jaką na pewno są targi), kluczową sprawą powinno być obliczenie i wyrobienie dokumentu na wzór projektu budow­lanego w celu zachowania dowodu przeprowadzonych obliczeń. Prakty­kę taką stosuje się z powodzeniem za naszą zachodnią granicą. Każdy obiekt usytuowany na zewnętrznym terenie targów zobowiązany jest do posiadania książki obiektu, w której zawarte są wymagane obliczenia sta­teczności oraz nośności. Następnie inspektor budowlany z ramienia orga­nizatorów targów sprawdza popraw­ność i kompletność przygotowanej dokumentacji.

Fot. 2 Pawilon wystawienniczy PHU Timex po przejściu wiatru halnego o prędkości powyżej 20 m/s

Obliczenia

Wzorem niemieckich standardów [1] przeprowadzono obliczenia obiektu wystawienniczego narażonego na ob­ciążenia warunkami atmosferycznymi. Do analizy przyjęto pawilon wysta­wienniczy wznoszony przez specjali­zującą się w produkcji i montażu tego typu obiektów firmę PHU Timex.

Obliczenia przestrzennego modelu przeprowadzono z wykorzystaniem programu komputerowego opartego na metodzie elementów skończonych (MES). W modelu (rys. 1) uwzględnio­no rzeczywiste gabaryty obiektu oraz wymiary profili i parametry materia­łowe. Ze względu na uproszczony charakter obliczeń pominięto na tym etapie analizę nieliniową, połączenia konstrukcyjne przyjęto jako całkowicie sztywne oraz ograniczono przemiesz­czenia i obroty więzi podporowych. Przyjęcie tych uproszczeń było możli­we dzięki praktycznej wiedzy na temat słabych punktów konstrukcji w wyniku obserwacji obiektu w warunkach na­turalnych. Nośności poszczególnych elementów obliczono na podstawie typowych zasad wytrzymałości mate­riałów z wykorzystaniem parametrów aluminium EN AW-6060.

Zasadniczą częścią obliczeń było ustalenie obciążeń przypadających na obiekt wystawienniczy. W celu znale­zienia całkowitego ciężaru własnego konieczne było pozyskanie kompletnej listy elementów, a następnie ustale­nie ich podstawowych charakterystyk geometrycznych (gabaryt oraz waga). Pomiary wykonano dzięki uprzejmości firmy, która udostępniła pawilon do badań.

Analizę obiektu przeprowadzono z wy­korzystaniem numerycznego modelu obliczeniowego o wymiarach podsta­wy 5,0 x 5,0 m (najczęściej występu­jący). Przy takiej powierzchni pawilon

wystawienniczy posiada całkowitą masę ok. 1 tony. Warto pamiętać, że wysokość ścian nad poziomem gruntu to 3,5 m.

Decydującym obciążeniem z punktu widzenia bezpieczeństwa obiektu jest napór wiatru. Jako że targi odbywają się wyłącznie w miesiącach letnich, można pominąć sytuację, w której wystąpią opady śniegu. Zestawienie obciążeń od oddziaływania wiatru na konstrukcję wykonano na podstawie normy [2].

Dokonano porównania wyników labo­ratoryjnych z normowymi dotyczą­cych maksymalnego równomiernie rozłożonego obciążenia panelu ścien­nego. W efekcie tego otrzymano 200-procentowe przekroczenie wy­tężenia elementu według obliczeń EC. Z tego punktu widzenia koniecznością staje się wprowadzenie wzmocnienia panelu ściennego.

Można postawić pytanie: skoro kon­strukcja nie spełnia wymagań euro­pejskich, to jaką tak naprawdę ma nośność? Pytanie to jest bardzo waż­ne ze względu na rosnący popyt na usługi firm branży wystawienniczej. Z powodu braku możliwości przepro­wadzenia prób w tunelu aerodyna­micznym wykorzystano najnowsze narzędzie programu Autodesk Robot Structural Analysis – automatyczne generowanie obciążeń wiatrowych z uwzględnieniem prędkości i kie­runku strumienia powietrza. Dzięki temu dodatkowi do programu Robot oraz dzięki znajomości maksymalne­go dopuszczalnego ciśnienia przypa­dającego na panel ścienny (wartość 0,4 kPa otrzymana z próby laborato­ryjnej), otrzymano (w efekcie kolejnych iteracji) najwyższą wartość dopusz­czalnej prędkości wiatru, tj. 20 m/s. Taka prędkość wiatru jest typowa w przypadku niektórych lokalizacji tar­gów (np. Bielsko-Biała). Oznacza to, że bezpieczeństwo użytkowania ta­kiego obiektu jest wysoce niepewne. Tak niska nośność stanowi również problem dla organizatora. Trudno by­łoby wydać nakaz ewakuacji całego te­renu targów w momencie pojawienia się prognoz prędkości wiatru prze­kraczającej poziom bezpieczeństwa. Taka sprzeczność interesów – bez­pieczeństwo vs. prestiż organizatora – może się odbić na zdrowiu i/lub ży­ciu uczestników targów w przypadku podjęcia błędnych decyzji.

Fot. 3 Zniszczony pawilon wystawienniczy o innej konstrukcji niż na fot. 2

Wnioski z analizy

Pawilony wystawiennicze charakte­ryzują się krótkim czasem realizacji ze względu na niewielką ilość ele­mentów konstrukcyjnych wykonanych z aluminium. Całkowita masa obiektu typu pawilon wystawienniczy jest re­latywnie niska. W celu umożliwienia bezpiecznego użytkowania można roz­ważyć dodatkowe zakotwienie w co najmniej dwóch punktach. Szczególnie w przypadku obiektów zlokalizowanych na zewnątrz powinno się przewidzieć dodatkowe wzmocnienia. Równie waż­na staje się kontrola jakości montażu. Robotnicy pracujący pod presją cza­su są bardziej narażeni na możliwość popełnienia błędu. Miejscowa imperfekcja może obniżyć nośność całego obiektu.

Warto zauważyć, że analiza została przeprowadzona na mocno uproszczo­nym modelu. Szukano tak naprawdę maksymalnej prędkości wiatru, która wytwarza niszczące ciśnienie naporu na powierzchniach bocznych. Analiza ewentualnych elementów wzmacnia­jących obiekt powinna zostać zrea­lizowana z uwzględnieniem bardziej złożonego modelu (np. połączenia po­datne między elementami). Intencją firm wykonawczych jest spełnienie wymagań organizatorów w zakresie bezpieczeństwa. Ci ostatni żądają spełnienia wymagań norm europejskich w zakresie bezpieczeństwa. Nie­chęć właścicieli terenów targowych do uszkadzania wierzchniej warstwy podłoża na obszarach zewnętrznych powinna być zastąpiona dbałością o bezpieczeństwo klientów i gości odwiedzających. Zapewnienie inte­gralności obiektów wystawienniczych, zewnętrznych oraz ich tymczasowe, lecz solidne połączenie z gruntem jest sprawą kluczową. Nie może dojść do sytuacji, w której jeden z luźnych elementów pawilonu zostaje porwa­ny przez podmuch wiatru, stając się ogólnym zagrożeniem dla ludzi.

Relacja z 18 września 2015 r.

Nie trzeba było długo czekać, żeby przeprowadzone analizy znalazły swo­je potwierdzenie w rzeczywistości. Niespełna dwa miesiące po zakończe­niu obliczeń podczas tegorocznych targów ENERGETAB odbywających się w Bielsku-Białej panowały wyjąt­kowo wietrzne warunki pogodowe. In­stytut meteorologii na dwa z trzech dni targów przewidywał wiatr wiejący z prędkością dochodzącą 20 m/s. Był to bardzo nerwowy okres dla organi­zatorów. Jednak podczas trwania im­prezy nie doszło do żadnego incyden­tu związanego z bezpieczeństwem ludzi. Po 12 godzinach od zakończenia imprezy teren targów, gdzie znajdo­wały się jeszcze dziesiątki namiotów i innych zewnętrznych stoisk wysta­wienniczych, nawiedził wiatr halny o prędkości przekraczającej 20 m/s (poziom bezpieczeństwa). Konstruk­cja pawilonu zachowała się dokładnie tak jak podczas analiz numerycznych. Wiatr o takiej prędkości wytwarza ciśnienie rzędu 0,4 kPa na panelach ściennych. Wartość ta jest krytycz­na, ponieważ właśnie takie obciążenie jest wystarczające, aby wypchnąć płytę wypełniającą z uchwytów mon­tażowych. Skutki przejścia wichury można zaobserwować na fot. 2 i 3, to ostatnie przedstawia całkowite zniszczenie pawilonu o innej konstruk­cji. Zaobserwować można w tym przy­padku brak integralności konstrukcji. Podłoga, również jako element docią­żający, powinna być trwale połączona z pozostałymi elementami nośnymi.

Można mówić o ogromnym szczęściu, ponieważ sytuacja ta miała miejsce dosłownie chwilę po zakończeniu im­prezy targowej i w obrębie tego sto­iska nikt nie przebywał. Patrząc na charakter zniszczenia, można się po­kusić o stwierdzenie, że obserwujemy efekt katastrofy budowlanej.

Uwaga: całość obliczeń dostępna w [3]

inż. Łukasz Kryszak

dr inż. Dawid Mrozek

Politechnika Śląska

Bibliografia

1. Allgemeine Teilnahmebedingungen A, Besondere Teilnahmebedingungen; MesseMuenchen GmbH.

2. PN-EN 1991-1-4 Eurokod 1 Oddziały­wania ogólne. Oddziaływania wiatru.

3. Łukasz Kryszak, Analiza statyczna i wy­trzymałościowa konstrukcji wykonanej z profili aluminiowych w systemie stan­dard 4,5 mm (repolis.bg.polsl.pl/publication/31990).