Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal z przekryciem strukturalnym

Transkrypt

1 Budownictwo i rchitektura 2(2) (203) Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal z przekryciem strukturalnym Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski Katedra Mechaniki Konstrukcji Metalowych i Metod Komputerowych, Wydział Budownictwa i rchitektury, Politechnika wi tokrzyska, e mail: zigko@tu.kielce.pl, rafalp@tu.kielce.pl Streszczenie: W pracy pokazano wyniki opracowania ekonomicznej koncepcji energoaktywnych segmentów dylatacyjnych wielkopowierzchniowych hal, w których: ) zastosowano przekrycia strukturalne, 2) zmniejszono wpływy termiczne na siły i przemieszczenia do konwencjonalnych wielko ci normowych [], 3) zachowano no no i niezawodno powy ej zalecanej w klasie RC2 [2], 4) dorano schemat statyczny hali tak, ay awaryjne wpływy termiczne nie wpływały na niezawodno segmentów dylatacyjnych hali. Ten efekt uzyskano przez rozdzielenie elkowych i przechyłowych kinematycznie dopuszczalnych mechanizmów zniszczenia wydzielonych energoaktywnych segmentów dylatacyjnych hali. Słowa kluczowe: energoaktywne segmenty hal, struktury metalowe.. Wprowadzenie Przedstawiono koncepcj udowy energoaktywnych segmentów dylatacyjnych wielkopowierzchniowych hal przystosowanych do pozyskiwania energii cieplnej (EC) z promieniowania słonecznego i transportu EC za po rednictwem ogrzanego powietrza do miejsc jej u ytkowania lu do gruntowych magazynów EC. Konstrukcja segmentów, zawieraj ca asorery, została przekryta struktur opart na słupach. Wn trze struktury pełni równie funkcj kanałów transportu ogrzanego powietrza do odiorników oraz magazynów EC. Po oddaniu ciepła powietrze wraca do oiegu lu jest usuwane na zewn trz [3,4]. W koncepcji podziału geometrii hali na segmenty dylatacyjne wykorzystano nast puj ce zało enia: ) swoodne wydłu enie termiczne T po długo ci energoaktywnego segmentu dylatacyjnego hali powinno y mniejsze od normowego wydłu enia segmentu dylatacyjnego w halach konwencjonalnych z ostojowym podłu nym st eniem słupów w rodku długo ci hali, 2) rednia wysoko powierzchni Polski n.p.m. wynosi 73m. Maksymalna temperatura powietrza w cieniu [] wynosi T max(h) = -0,0053H + 38 o C 37 o C. Temperatura ciemnego pokrycia hali na stronie południowo-zachodniej jest wi ksza o T 5 = 42 o C. Ł cznie temperatura oudowy mo e osi gn T uot = T max + T 5 = = 79 o C. W zimie temperatura powietrza osi ga T min(h) -3, o C, 3) zało ono, e awaryjna temperatura konstrukcji zawieraj cej asorery w segmencie dylatacyjnym nie przekroczy +00 o C, 4) zastosowane zostanie automatyczne wł czanie transportu ogrzanego powietrza do magazynów EC za pomoc wentylatorów ss co - tłocz cych przy osi gni ciu umownej temperatury nagrzewanego powietrza rz du +2 o C, 5) niezawodno wydzielonego segmentu dylatacyjnego hali spełni wymagania niezawodno ci klasy RC2 [2], okre lonego wska nikiem niezawodno ci t = = 3,8, ) konstrukcja segmentu dylatacyjnego hali zło ona z geometrycznie niezmiennych segmentów monta owych spełni wymagania optymalizacji czasu i kosztów monta u konstrukcji. 2. Hale przekryte struktur regularn Na rysunku oraz 2 pokazano przykładow koncepcj podziału energoaktywnej hali przekrytej struktur regularn o module a = 3m, na segmenty dylatacyjne. Hal długo ci L a = 20m + 3, rozpi to ci L = 3m, przekryto struktur regularn ze spadkiem połaci

2 222 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski tg = 0% ( = ) (rys.2a). W przedstawionej hali zło onej z energoaktywnych segmentów dylatacyjnych, zastosowano rurowy transport ogrzanego powietrza z przestrzeni konstrukcyjnej przekrycia do odiorników i gruntowych magazynów energii cieplnej (rys.2a). Hal podzielono na 4 segmenty dylatacyjne długo ci L d = 30m (rys.). W rodku cian podłu nych (rys.a) ka dego segmentu dylatacyjnego, umieszczono st enia ostojowe (główne) umo liwiaj c symetryczne wydłu enie segmentu pod wpływem temperatury. Słupy dano w odst pach modułowych a = 3m, zgodnie z rozmieszczeniem w złów dolnych struktury. Rygle cian podłu nych korzystnie rozmieszczono w odst pach modułowych skorelowanych z modułem oudowy. Korelacja modułowa połaci z modułem rozmieszczenia słupów ukryta jest w rzucie poziomym przekrycia. Przy 0% nachyleniu połaci i parzystej liczie oczek, w rachu wchodzi wydłu enie modułu a wzdłu spadku połaci a = a +, o 5mm (a = 3,05m). a) - ) SD=0a (L=30000) SD=0a (L=30000) SD=0a (L=30000) SD=0a (L=30000) 9x3000= x3000= x3000= x3000= x3000= x3000= x3000= x3000= a 0a 0a 0a L = 4x x = x B C % 0% Rys.. Podział hali przekrytej struktur regularn na segmenty dylatacyjne: a) rozmieszczenie słupów, ) rzut segmentów dylatacyjnych.

3 Konstrukcje Stalowe Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal Ka dy energoaktywny segment dylatacyjny zło ono z 5 geometrycznie niezmiennych segmentów monta owych szeroko ci 2 oczek (2a = m) (rys.2). Segmenty monta owe składane s na poziomie terenu z elementów wysyłkowych postaci odwróconych piramid pr towych w piramidowo ocznym systemie monta owym. Przygotowany segment monta owy podnoszony jest d wigiem i osadzany na 4 słupach cian podłu nych, stycznie do s siednich segmentów monta owych. Pasy górne ł czone s ruami. Nast pnie ł czone s s siaduj ce w zły dolne pr tami dolnymi. Długo L d = 0a = 30m (rys.2) segmentu dylatacyjnego przyj to na podstawie oszacowania niezawodno ci minimalnych krytycznych ziorów (MKZ) wyst puj cych w kinematycznie dopuszczalnych mechanizmach zniszczenia (KDMZ). Swoodne wydłu enie segmentu struktury wzdłu hali, w przypadku awaryjnej ró nicy temperatury T = C wynosi: L = 0,5L d T T = 8mm i jest mniejsze ani eli swoodne wydłu enie normowe hali o konwencjonalnej długo ci normowej [5] ez dylatacji. a) 0% Przegroda szklana 0% Wentylator Cieple powietrze Kanal transportowy Kanal powietrzny Magazyn energii cieplnej sorer ± 0,00 Chlodne powietrze Kanal transportowy Wentylator Kanal powietrzny ) Magazyn energii cieplnej B C SM=2a (L=000) SM=2a (L=000) SM=2a (L=000) SM=2a (L=000) SM=2a (L=000) segment montazowy SD=0a (L=30000) segment dylatacyjny B C Rys. 2. Wydzielony segment dylatacyjny hali przekrytej struktur regularn : a) przekrój poprzeczny hali, ) podział segmentu dylatacyjnego na segmenty monta owe. 3. Hale przekryte struktur zredukowan Na rysunkach 3 i 4 pokazano koncepcj podziału energoaktywnej hali o module a = 3m, długo ci L a = 32m + 3( = a), na 4 segmenty dylatacyjne długo ci L d = 33m,

4 224 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski oparte na słupach ka dy (rys.4). Hala przekryta struktur zredukowan jest racjonalnie podparta co m (w co drugim oczku pełnym) na słupach cian podłu nych. W omawianej hali pokazano dwie koncepcje transportu ogrzanego powietrza ze struktury do magazynów energii cieplnej. Rury słu ce do tłoczenia ciepłego powietrza, w zale no ci od sposou podparcia, mo na lokalizowa : przy słupach jednogał ziowych (rys.3a,4a) lu transportowa wewn trz słupów trójgał ziowych (rys.3c,4a). W przypadku podparcia konstrukcji przekrycia na słupach jednogał ziowych (rys.3a) zastosowano st enia ostojowe w rodku długo ci segmentów monta owych - umo liwiaj c symetryczne wydłu anie si segmentu przekrycia pod wpływem temperatury. a) - ) c) =a =a SD=a (L=33000) SD=a (L=33000) SD=a (L=33000) SD=a (L=33000) =a a =a a =a a a =a L = 4x x3000 = % 0% SD=a (L=33000) =a =a =a SD=a (L=33000) SD=a (L=33000) SD=a (L=33000) B Rys. 3. Podział hali przekrytej struktur regularn na segmenty dylatacyjne: a) rozmieszczenie słupów jednogał ziowych, ) rzut segmentów dylatacyjnych, c) rozmieszczenie słupów trójgał ziowych. Na rysunku 4 pokazano rzut segmentu dylatacyjnego z podziałem na geometrycznie niezmienne 3 segmenty monta owe o szeroko ci 3a (3a = 9m) uzupełnione dwiema wstawkami szeroko ci a z odr nych piramid i ramek pr towych. W koncepcji pokazanej na rysunku 3a, wyst puje słupów skojarzonych z silnie rozci ganymi pasami dolnymi przekrycia hali. Pasy te wchodz w skład najardziej C 2

5 Konstrukcje Stalowe Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal wyt onych kinematycznie dopuszczalnych mechanizmów zniszczenia hali (KDMZ). Z punktu widzenia niezawodno ci w przykładzie pokazanym na rysunku 3a sprz gni to pasów dolnych. Ponadto sprz onych struktur zostało równie słupów. Ta licza sprz gni tych pasów i słupów zgodnie z pracami [,7,8] jest wystarczaj ca do zapewnienia no no ci i wska nika niezawodno ci zgodnie z zaleceniami norm [2,9] (t > 3,8). Dotrzymanie modułowego podziału geometrycznego powierzchni mało nachylonej połaci dachowej hali jest mo liwe w drodze zastosowania podziału geometrycznego wzdłu połaci dachowej a = a +. Niewielkie odchylenie, wynosz ce = 5mm przy 0% nachyleniu połaci dla a = 3m mo na wykorzysta do kompensacji termicznych przemieszcze asorerów i oudowy zwłaszcza szklanej, wra liwej na uszkodzenia (rys.4a) lu zgui sum odchyłek w oczku skrajnym. a) 0% Przegroda szklana 0% Wentylator Cieple powietrze Kanal transportowy Kanal powietrzny Magazyn energii cieplnej sorer ± 0,00 Chlodne powietrze Kanal transportowy Wentylator Kanal powietrzny 3x3000 = 9000 Magazyn energii cieplnej B C ) a=3000 SM=3a (L=9000) a=3000 SM=3a (L=9000) =a SM=3a (L=9000) segment montazowy SD=a (L=33000) segment dylatacyjny B C Rys. 4. Wydzielony segment dylatacyjny hali przekrytej struktur zredukowan : a) przekrój poprzeczny hali, ) podział segmentu dylatacyjnego na segmenty monta owe.

6 22 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski 4. No no i niezawodno segmentów dylatacyjnych konstrukcji energoaktywnych No no i niezawodno segmentów dylatacyjnych oszacowano za po rednictwem analizy kinematycznie dopuszczalnych mechanizmów zniszczenia (KDMZ). W koncepcji segmentów dylatacyjnych hali przekrytej struktur regularn (rys. i 2) wyrano do analizy: ) najmniejsze przechyłowe KDMZ składaj ce si z 0 słupów sprz onych struktur regularn przekrycia oraz 2) 2 elkowych KDMZ przekrycia ka dy składaj cy si z 0 rozci ganych pr tów pasów dolnych oraz 3 KDMZ, ka dy zło ony z ciskanych pasów górnych równie sprz onych pr tami struktury regularnej. W przypadku przekrycia hali struktur z co drugim oczkiem pustym (rys. 3 i 4) wyst puj : ) przechyłowe KDMZ składaj ce si z słupów sprz onych struktur przekrycia oraz 2) 2 elkowych KDMZ przekry składaj ce si z mi dzyw złowych rozci ganych pr tów dolnych równie sprz onych pr tami struktury zredukowanej. Pozostałe KDMZ zawieraj wi ksz licz pr tów. Oczekiwany na podstawie olicze i wymiarowania elementów wg normy [2] wska nik niezawodno ci elementów konstrukcji wynosi: t > 3,8, oczekiwana niezawodno [0] wynosi: p = 0, , awaryjno : q = p = 0, Kwantyl no no ci (odpowiednik no no ci oliczeniowej) elementów sprawczych wyznacza si ze wzoru () []: N k = E(N ) td(n ) = E(N )[ - t ] () gdzie: = D(N )/E(N ) współczynnik zmienno ci no no ci, E(N ) no no oczekiwana ( rednia), D(N ) - odchylenie standardowe no no ci pojedynczego elementu. Kwantyl N k no no ci n jednakowych elementów sprawczych sprz onych w jednym KDMZ oszacowano z wzoru (2) []: N k = ne(n ) tn 0,5 D(N ) = ne(n )[ tn 0,5 D(N )/ne(n )] = ne(n )[ t /n 0,5 ] (2) W minimalnym geometrycznie niezmiennym segmencie monta owym wyst puj dwa pasy dolne. Zniszczenie jednego pasa wywołuje KDMZ. Im mniejsza licza elementów n w minimalnym krytycznym ziorze (MKZ) stowarzyszonych z KDMZ tym wi ksz nale y zachowa ostro no statystyczn. Wskazane jest sprz ganie w jednym KDMZ powy ej 4 elementów. Zwi kszenie no no ci elementów w MKZ stowarzyszonym z KDMZ mo emy oszacowa ze wzoru (3) []: s = N k /nn k = [ t /n 0,5 ]/[ t ] (3) Przykład. W przypadku sprz enia n = 0 słupów lu elementów pasów o współczynniku = 0,0 w jednym KDMZ zwi kszenie ich no no ci ponad oczekiwane na podstawie oowi zuj cych norm wynosi: N k/nn k = [ 3,8 / 3,2]/[ 3,8 ] = [ 0,072]/[ 0,228] = 0,9279 / 0,772 =,202 Wniosek. W przypadku ardzo dorego wykonania konstrukcji (współczynnik zmienno ci = 0,0) zwi kszenie no no ci 0 elementów sprz onych w MKZ elementów wynosi: N k/nn k =,202. Takie zwi kszenie (powy ej zalece normowych [2]) no no ci kompensuje zmniejszenie no no ci wywołane wirtualnym szeregowym poł czeniem wszystkich elementów wyst puj cych w analizowanej konstrukcji [8]. Przykład 2. W przypadku gorszego wykonania = 0,0 analizowanej konstrukcji współczynnik zwi kszenia no no ci 0 sprz onych elementów wynosi: N k/nn k = [ 3,8 / 3,2]/[ 3,8 ] = [ 0,202]/[ 0,38] = 0,88 / 0,2 =,42 Wniosek 2. Sprz ganie równoległe wielu elementów w jednym KDMZ daje równie podony efekt jak podano we wniosku. No no i niezawodno najmniejszych KDMZ wyst puj cych w koncepcjach energoaktywnych segmentów dylatacyjnych przekrytych struktur zredukowan z co drugim oczkiem pustym wyst puj KDMZ o liczeno ci n = elementów sprz onych w jednym KDMZ. W tym przypadku zwi kszenie no no ci dla = 0,0 wynosi:

7 Konstrukcje Stalowe Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal N k/nn k = [ 3,8 / 2,4495]/[ 3,8 ] = 0,909 / 0,772 =,75 Zwi kszenie no no ci elementów sprz onych w MKZ elementów wynosi: N k/nn k =,75. Takie zwi kszenie no no ci (powy ej zalece normowych [2]) równie kompensuje zmniejszenie no no ci wywołane wirtualnym szeregowym poł czeniem wszystkich elementów wyst puj cych w analizowanej konstrukcji. W przypadku wykonania elementów konstrukcji gorszej jako ci np. o współczynniku = 0,09 uzyskuje si równie pozytywny wynik. W talicy zamieszczono współczynniki zwi kszenia no no ci w przypadku sprz enia od n = 2 do n = elementów w jednym MKZ. Taela. Oczekiwane zwi kszenie no no ci KDMZ zawieraj cego od 2 do elementów Lp. n=2 n=3 n=4 n=5 n= n=7 n=8 n=9 n=2 n= 0,0,087,25,48,3,75,84,9,97,20, ,07,0,53,8,200,24,225,234,242,258, ,08,28,85,28,24,259,272,282,29,3, ,09,52,220,20,287,308,323,33,347,370, ,0,80,259,307,339,33,383,39,409,43,40 5. Podsumowanie. W pracy zwrócono uwag na wa no zagadnienia sprz gania elementów sprawczych w KDMZ konstrukcji metalowych hal zawieraj cych wi ksz licz elementów sprawczych. Konstrukcje hal charakteryzuj si du powierzchni cian i przekry dachowych nadaj c si do zagospodarowania w celu pozyskiwania energii cieplnej i elektrycznej z promieniowania słonecznego. Wi e si z tym zwi kszenie oci enia termicznego konstrukcji i kosztów wykonania konstrukcji. Z analizy zwi zanych z tym zagadnie wynikła mo liwo zredukowania oci enia termicznego do poziomu oci e konstrukcji konwencjonalnych w drodze podziału konstrukcji na energoaktywne segmenty dylatacyjne. W realizacji tej idei wzi to te pod uwag mo liwo takiego sprz gania elementów konstrukcji, który pozwala na wymiarowanie elementów konstrukcji na podstawie norm, ez konieczno ci [8] wyrównywania no no ci i niezawodno ci konstrukcji zawieraj cych du licz statycznie wyznaczalnych elementów sprawczych, w których zachodz poł czenia szeregowe z punktu widzenia niezawodno ci. Konstrukcje hal przekrytych strukturami daj si korzystnie podzieli na energoaktywne segmenty dylatacyjne, w których dostateczna licza elementów sprawczych daje si sprz ga w KDMZ zwi kszaj c no no i niezawodno konstrukcji powy ej oczekiwa [2] normowych. Literatura PN-EN 99--5:2005, Eurokod : Oddziaływania na konstrukcje. Cz -5: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania termiczne. 2 PN-EN 990:2004, Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji. 3 Kowal Z., Szychowski., Energoaktywne struktury przestrzenne. In ynieria i Budownictwo (993), s Kowal Z., Piotrowski R., Szychowski., Przystosowanie hal przekrytych struktur do pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego. ZNPR nr 283, Z. 59 (2/202/II), s PN-90/B-03200, Konstrukcje stalowe. Oliczenia statyczne i projektowanie. Kowal Z., Proailistyczna optymalizacja no no ci słupów konstrukcji hal konwencjonalnych. ZNPR nr 283, Z. 59 (2/202/II), s Kowal Z., Proailistic Optimisation of the Bearing Capacity of Conventional Hall Coverings. Proailistyczna optymalizacja no no ci konstrukcji przekry hal konwencjonalnych. Structure and Environment, nr. 3 (20), s Kowal Z., On djusting the Load Bearing Capacity of Decisive Memers to Reliaility Classes of Statically Determinate Complex Structures. rchives of Civil Engineering, LIX,, 203, s

8 228 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski 9 PN-EN 993--:200, Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Cz -: Reguły ogólne i reguły dla udynków. 0 Talice statystyczne rozkładu normalnego. Energy-active expansion segments of halls with structural covers Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski Department of Mechanics, Metal Structures and Computer Methods, Faculty of Civil Engineering and rchitecture, Kielce University of Technology, e mail: zigko@tu.kielce.pl, rafalp@tu.kielce.pl stract: The paper presents the results of developing a concept of economical energy-active expansion segments for large-volume halls, in which: ) structural coverings were used, 2) thermal impacts on forces and displacements were reduced to conventional values stated in the code [], 3) load earing capacity and reliaility, greater than those recommended for RC2 class structures, were maintained [2], 4) the static scheme was selected in such a way so that failure-causing thermal impacts would not affect the reliaility of the hall expansion segments. The effect was otained y detaching the eam kinematically admissile failure mechanism from the tilt kinematically admissile failure mechanism of separate energy-active expansion segments of the hall. Keywords: energy-active hall segments, steel structures.