Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal przekryte

Transkrypt

1 Budownictwo i Architektura 3(3) (04) Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal przekryte strukturą regularną ze ściągiem Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski, Katedra Mechaniki Konstrukcji Metalowych i Metod Komputerowych, Wydział Budownictwa i Architektury, Politechnika Świętokrzyska, e mail: zigko@tu.kielce.pl, rafalp@tu.kielce.pl Streszczenie: W pracy pokazano koncepcję konstrukcji energoaktywnych segmentów hal przekrytych strukturą ze ściągiem, zawierających asorery energii promieniowania słonecznego (ES). Wzięto pod uwagę: ) spadki połaci powyżej 0% umożliwiające samooczyszczanie powierzchni pokrycia ze śniegu [9,4] i zwiększenie pozyskiwania energii w okresie zimowym; ) zredukowanie do 6x38m szerokości energoaktywnych segmentów dylatacyjnych; 3) zmniejszenie wpływów termicznych na siły wewnętrzne i przemieszczenia elementów konstrukcji []; 4) sprzężenie równoległe elementów konstrukcji w celu zachowania nośności i niezawodność [3] powyżej zalecanej w klasie RC [0]; 5) podział konstrukcji przekrycia na geometrycznie niezmienne segmenty montażowe hali, umożliwiające sprawny i ezpieczny montaż. Słowa kluczowe: energoaktywne segmenty hal, struktury metalowe, samooczyszczanie pokrycia, niezawodność konstrukcji. Wprowadzenie W pracy przedstawiono koncepcję oddylatowania w konstrukcji hali energoaktywnych segmentów dylatacyjnych o minimalnej szerokości 6x38m, m. in. ze względu na zewnętrzne jak i wewnętrzne oddziaływania termiczne. Minimalną długość segmentu wyznaczono z warunku dotrzymania nośności i niezawodności konstrukcji określonej w normie [0]. Wprowadzono energoaktywne segmenty dylatacyjne w wielkopowierzchniowej hali, iorąc pod uwagę spadki przekrycia 0% (α > 0º) (rys. a), umożliwiające samoczynne zsuwanie się śniegu z połaci dachowych [9,4]. Segmenty dylatacyjne przekryto strukturą regularną (przeguowo opartą na słupach) ze ściągiem (rys. a) zmniejszającym masę konstrukcji przekrycia. Przewidziano dwa warianty połączenia przekrycia w kluczu, przeguowe i sztywne. W połączeniu przeguowym przewidziano możliwość lokowania ruchu orotowego w węźle szczytowym (w kluczu), co umożliwia podnoszenie w całości segmentu montażowego przekrycia wraz ze ściągiem w celu osadzenia go na słupach. Wyrano strukturę o regularnej siatce prętów w ou warstwach, dolnej i górnej, o oczkach a x a (np. a 3m), w której pręty dolne (wzdłuż hali) mogą yć wykorzystane do podpierania asorerów i wyposażenia. Biorąc pod uwagę losowe wpływy zmniejszające zdolność przekrycia do samooczyszczania, zaproponowano minimalne projektowe nachylenie samoczyszczących połaci tgα 0, (α > 0º) oraz stosowanie ściągów ze stali profilowej, a nie lin, w celu zmniejszenia wzajemnych przemieszczeń węzłów podporowych przekrycia (głowic słupów) [8]. W koncepcji podziału hali na segmenty dylatacyjne wzięto pod uwagę zastosowanie segmentów typowych jak i energoaktywnych. Rozmieszczenie energoaktywnych segmentów

2 44 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski jest wariantowe, tzn. uzależnione od potrze energetycznych hali. Ich długość dorano iorąc pod uwagę zmniejszenie wydłużenia termicznego T po długości L d energoaktywnego segmentu dylatacyjnego hali spowodowanego awaryjną temperaturą (powinno yć mniejsze od normowego wydłużenia hali konwencjonalnej). Z drugiej strony ograniczenie długości jest limitowane nośnością i niezawodnością segmentu. W środku długości ścian podłużnych segmentu dylatacyjnego zastosowano ostojowe stężenia słupów. Parametry ociążenia temperaturą oszacowano dla średniej wysokość H 73m powierzchni Polski n.p.m.. Maksymalna temperatura powietrza w cieniu wg [] wynosi T max(h) 37 o C. Temperatura ciemnego pokrycia hali na stronie południowo-zachodniej jest większa o T 5 4 o C. Łącznie temperatura oudowy może osiągnąć T uot 79 o C. W zimie temperatura powietrza osiąga T min(h) -3,6 o C. Założono, że awaryjna temperatura konstrukcji zawierającej asorery w segmencie dylatacyjnym nie przekroczy +00 o C. Jako asekurację przed przegrzaniem konstrukcji przewidziano automatyczne włączanie transportu ogrzanego powietrza do odiorników lu magazynów EC za pomocą wentylatorów ssąco - tłoczących przy przekroczeniu umownej temperatury nagrzewanego powietrza rzędu, np. powyżej +0 o C [7]. Liczę i nośność ściągów wydzielonego segmentu dylatacyjnego hali dostosowano do niezawodności klasy RC3 [0], określonej wskaźnikiem niezawodności t β 4,3. Geometrycznie niezmienną konstrukcję energoaktywnego segmentu dylatacyjnego hali złożono z geometrycznie niezmiennych segmentów montażowych szerokości a umożliwiających ezpieczny montaż oraz optymalizację czasu i kosztów montażu konstrukcji hali.. Koncepcja energoaktywnych segmentów przekrytych strukturą regularną Na rysunku oraz pokazano przykładową koncepcję wydzielenia energoaktywnych segmentów hali długości L 90m + 4 (gdzie: odstęp między segmentami). Strukturę regularną (np. a 3m) ze ściągami podzielono na segmenty dylatacyjne długości L d 6a 8m. Spadek połaci ukształtowano dodatkowym modularnym oczkiem (n+)a, co przy rozpiętości L 3m dało nachylenie rzędu α (rys. a). Przykładową halę podzielono na 5 segmentów dylatacyjnych długości L d 8m każdy (rys. ). W przedstawionej koncepcji rozmieszczono naprzemiennie tradycyjne oraz energoaktywne segmenty dylatacyjne. Licza segmentów energoaktywnych zależy od ilansu zagospodarowania energetycznego hali. W środku ścian podłużnych (rys. a) każdego energoaktywnego segmentu dylatacyjnego, umieszczono stężenia ostojowe (główne) umożliwiając symetryczne wydłużenie segmentu pod wpływem temperatury. Tradycyjne segmenty stężono w polach skrajnych ścian podłużnych (rys. a). Słupy rozmieszczono zgodnie z rozstawem węzłów dolnych struktury (a 3m). Rygle ścian podłużnych korzystnie rozmieszczono w odstępie modułowym, zgodnym z modułem oudowy ścian. Segmenty montażowe składane są na poziomie terenu z elementów wysyłkowych postaci odwróconych piramid prętowych w piramidowo ocznym systemie montażowym []. Przygotowane segmenty montażowe o szerokości a mają masę około 0.000kg (zależnie od rozpiętości i pokrycia). Segmenty montażowe łączone ściągiem w węzłach skrajnych pasa dolnego po zalokowaniu przeguów, mogą yć podnoszone i osadzane na 4 słupach ścian podłużnych stycznie do sąsiednich segmentów montażowych, tworząc lisko gałęziowe pasy górne łączone na śruy. Sąsiadujące węzły dolne łączone są prętami dolnymi również na śruy.

3 Konstrukcje Metalowe Energoaktywne segmenty dylatacyjne (n+)a 7x a) Przegroda szklana 60% A Asorer A 3 + 8,40 Cieple powietrze Sciag Chlodne powietrze Wentylator Magazyn energii cieplnej ± 0,00 Wentylator ) A A - A B C A B C SMa (L6000) SDmin6a (L8000) najmniejszy segment dylatacyjny segment montazowy Rys.. Segment dylatacyjny hali przekrytej strukturą regularną ze ściągiem: a) przekrój poprzeczny hali, ) podział minimalnego segmentu dylatacyjnego na segmenty montażowe Wydzielony minimalny segment energoaktywny, składający się z 3 segmentów montażowych, szerokości L d 3xa 6a 8m (rys. ) spełnia zalecenia wskaźnika niezawodności konstrukcji [0] i wynosi powyżej t β > 4,3. Niezawodność kinematycznie dopuszczalnego mechanizmu zniszczenia (KDMZ) konstrukcji minimalnego segmentu energoaktywnego postaci wiązki ściągów sprawdzono w p. 3.

4 46 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski a) - ) SD6a (L8000) SD6a (L8000) SD6a (L8000) SD6a (L8000) SD6a (L8000) 5x x x x x x x x x x SE SE 60% 60% 6a 6a 6a 6a 6a L 5x x x A B C Rys.. Przykład podziału hali na segmenty dylatacyjne: a) rozmieszczenie stężeń między słupami jednogałęziowymi, ) rzut energoaktywnych (SE) oraz tradycyjnych segmentów dylatacyjnych 3. Nośność i niezawodność minimalnego segmentu dylatacyjnego W pracy [8] pokazano gloalne kinematycznie dopuszczalne mechanizmy zniszczenia (KDMZ), mogące wystąpić w omawianym typie konstrukcji. Spośród przedstawionych, najmniejszym jest KDMZ wiązki ściągów, którego wirtualnym skutkiem może yć gloalna katastrofa rozpatrywanego segmentu dylatacyjnego. Na podstawie proailistycznej analizy niezawodności konstrukcji [,3,4,5], wystarczające jest złożenie energoaktywnego segmentu dylatacyjnego z 3 geometrycznie niezmiennych segmentów montażowych (rys. ) o łącznej szerokości L d,min 6a 8m. W takich segmentach występuje wiązka m 6. cięgien.

5 Konstrukcje Metalowe Energoaktywne segmenty dylatacyjne W pracy [8] przeanalizowano niezawodność ściągu, złożonego z 7 elementów sprawczych klasy RC połączonych szeregowo. Oszacowano wskaźnik niezawodności pojedynczego ściągu (t S 3,8696) oraz współczynnik dostrojenia nośności ściągu (s,78) do klasy RC3 (t 3 β 4,3) [0]. W niniejszym opracowaniu założono, że wskaźnik niezawodności ściągu jest dostrojony wg [] do niezawodności równoważnej wskaźnikowi niezawodności t β 3,8. Niezawodność wyodręnionego ściągu, jako elementu sprawczego, wynosi wówczas p 0, [3], natomiast awaryjność ściągu q p 0, Uwaga: W przypadku ściągów zastosowanych w pracy proponuje się stosować współczynnik dostrojenia nośności ściągu do nośności klasy RC3 (β 4,3) z uwagi na rozmiar konsekwencji zniszczenia w przypadku wystąpienia KDMZ ściągów. Znając wskaźnik niezawodności t β 3,8 ściągu można oszacować współczynnik dostrojenia nośności pojedynczego ściągu (dla współczynnika zmienności nośności ν 0,) do nośności klasy RC3 ze wzoru () []: t ν s t ν 3,8 ν 4,3 ν 0,6 0,57 3,088 Dostrajamy ściągi zaprojektowane dla klasy RC (t β 3,8) do klasy RC3 (t 3 β 4,3) z uwagi na rozmiar konsekwencji zniszczenia ściągów w przypadku małej sztywności przekrycia sprzęgającego cięgna w głowicach słupów. Wniosek. Oliczeniową nośność ściągu należałoy zwiększyć,088 razy w celu dostrojenia ściągu do niezawodności klasy RC3. Tak należy postępować zwłaszcza w przypadku przekryć wiązarowo-płatwiowych nie zaopatrzonych w system stężeń podłużnych sprzęgających przemieszczenia poziome głowic słupów. W przypadku rozpatrywanego przekrycia strukturą ez przeguu kalenicowego, zdolną do wyrównywania wydłużenia ściągów aż do granicy nośności KDMZ, nośność zioru 6 przykładowych ściągów ulegnie zwiększeniu. W tym konkretnym przypadku należy zwrócić uwagę na asekurację przed niesymetrycznym mechanizmem zniszczenia. W związku z tym należy zastosować asekurację fizyczną w drodze zalokowania przeguów w kluczu przekrycia oraz asekuracją w drodze zmniejszenia liczy (tylko we wzorze) elementów sprzężonych. W przypadku n 6 równolegle sprzężonych ściągów kwantyl nośności (nośność oliczeniową) można ezpiecznie oszacować redukując liczę sprzężonych elementów do n 0 n 4. Kwantyl nośności ściągów oszacujemy wtedy ze wzoru () [3]: N k n n0e( N)[ - t ] 4E( N)[ - t n 0 n ] gdzie: n 0 zredukowana licza elementów sprawczych, E(N ) nośność oczekiwana (średnia) pojedynczego ściągu, t 3,8 wskaźnik niezawodności ściągu, ν D(N ) / E(N ) współczynnik zmienności nośności ściągu. Zwiększenie nośności s n, możemy oszacować z wzoru (3) wg [3,5]: s n N nn k t k - t n n n 0 Przykład. Oszacować nośność i niezawodność zredukowanej wiązki n 0 n 4 ściągów. Wskaźnik niezawodności pojedynczego ściągu wynosi t 3,8. W przykładzie () () (3)

6 48 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski przyjęto współczynnik zmienności nośności elementów ν ściągów wynosi: s n 0, 3,8 4 0,8 3,8 0, 0,6 t n0 4 t n,306 0,. Zwiększenie nośności Wniosek. Nośność 4 ściągów wskutek ich równoległego dostatecznie sztywnego sprzężenia powiększa się,306 razy. W tym przypadku, zwiększenie nośności cięgna w wiązce 4 cięgien (n 0 n 4) jest większe, aniżeli zmniejszenie nośności odręnych ściągów w klawiszujących wiązarach nawet o wskaźniku niezawodności t 3 4,3 większym od przyjętego w przykładzie t 3,8. Przy równoległym sprzężeniu ściągów wynikającym ze sztywności konstrukcji przekrycia w płaszczyźnie poziomej uzyskujemy nośność większą w porównaniu do sumy z nośności odręnych ściągów. 4. Podsumowanie, uwagi, wnioski Konstrukcje hal o rozdzielonych KDMZ przekrycia i słupów charakteryzują się dużą powierzchnią ścian i przekryć dachowych i nadają się do zagospodarowania w celu pozyskiwania energii cieplnej oraz elektrycznej z promieniowania słonecznego. Wiąże się z tym zwiększenie ociążeń wyposażeniem oraz ociążeniem termicznym konstrukcji. Zwiększa to koszty wykonania konstrukcji konwencjonalnych. Z analizy statycznej wynikła możliwość zredukowania ociążenia termicznego do poziomu ociążeń konstrukcji konwencjonalnych w drodze wydzielenia w halach energoaktywnych segmentów dylatacyjnych o szerokości 3xa. Przedstawiono koncepcję wydzielenia energoaktywnych segmentów dylatacyjnych hali, zawierających asorery i umożliwiających transport energii cieplnej. Rozmieszczenie i licza energoaktywnych segmentów uzależniona jest od potrze energetycznych inwestora. Do oszacowania nośności i niezawodności segmentów energoaktywnych określono i przyjęto najmniejszy KDMZ. Oszacowano współczynnik dostrojenia nośności ściągów (do niezawodności klasy RC3), w funkcji przykładowego współczynnika zmienności nośności ν 0,0. Oszacowanie niezawodności za pomocą algery kwantyli wykazało, że asekurowane równoległe, sprzężenie elementów sprawczych o liczeności MKZE n 4, za pomocą instrumentów proailistycznej optymalizacji konstrukcji [3], pozwala na uniknięcie potrzey dostrajania nośności i niezawodności elementów konstrukcji hal do zalecanych klas niezawodności w drodze zwiększenia masy konstrukcji []. Z oszacowań wynika, że zaproponowane na podstawie proailistycznej optymalizacji koncepcje konstrukcji energoaktywnych segmentów dylatacyjnych spełniają normowe zalecenia nośności i niezawodności konstrukcji zwymiarowanych wg norm przedmiotowych [0,,]. Dodatkową redukcję wpływu temperatury na konstrukcję można uzyskać stosując podkładki neoprenowe nad głowicami słupów w węzłach podporowych [6]. W takim przypadku należy sprzęgać ściągami węzły dolne struktury. Wydzielenie energoaktywnych segmentów w halach konwencjonalnych (wiązarowopłatwiowych), wymaga przekształcenia ich w ruszt kratowy. Taki ruszt z poziomym stężeniem wzdłuż głowic słupów umożliwia zainstalowanie asorerów i urządzeń w przestrzeni konstrukcyjnej energoaktywnego segmentu hali.

7 Konstrukcje Metalowe Energoaktywne segmenty dylatacyjne Wnioski generalne: W konstrukcjach hal przekrytych strukturami można korzystnie wydzielić energoaktywne segmenty dylatacyjne, w których sprzężenie trzech segmentów montażowych umożliwia zwiększenie nośności i niezawodności konstrukcji powyżej zaleceń podanych w podstawowej normie [0]. Warto zwrócić uwagę na sposó wyznaczania tak zwanych współczynników konsekwencji zniszczenia konstrukcji udowlanych w tym stalowych. Wyrażenie współczynników konsekwencji zniszczenia konstrukcji za pomocą wskaźników niezawodności t lepiej odzwierciedla odporność konstrukcji na awarie lu katastrofy. Praca w ramach Projektu pt. Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy ezpieczeństwa i trwałości oiektów udowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju, temat 7.4: KONSTRUKCYJNE ROZWIĄZANIA ENERGOAKTYWNYCH PRZEKRYĆ BUDOWLANYCH PRZYSTOSOWANYCH DO POZYSKIWANIA ENERGII CIEPLNEJ. Umowa nr: POIG /09. Literatura Poradnik projektanta Konstrukcji Metalowych. Tom., praca ziorowa pod kierownictwem prof. W. Boguckiego, Arkady, Warszawa, 98. Kowal Z., On Adjusting the Load Bearing Capacity of Decisive Memers to Reliaility Classes of Statically Determinate Complex Structures. Archives of Civil Engineering, LIX,, 03, s Kowal Z., Instruments of Proailistic Optimisation of Load Bearing Capacity and Reliaility of Statically Indeterminate Complex Structures. Archives of Civil Engineering, LX,, 04, s Kowal Z., Proailistyczna optymalizacja nośności słupów konstrukcji hal konwencjonalnych. ZNPR nr 83, Z. 59 (/0/II), s Kowal Z., Proailistic Optimisation of the Bearing Capacity of Conventional Hall Coverings. Proailistyczna optymalizacja nośności konstrukcji przekryć hal konwencjonalnych. Structure and Environment, nr. 3 (0), s Kowal Z., Brzezińska K., Wpływ temperatury na kinematycznie dopuszczalne mechanizmy zniszczenia energoaktywnych segmentów hali. Praca przyjęta na konferencję ZK04 Suchedniów Kowal Z., Piotrowski R., Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal z przekryciem strukturalnym. BiA PL Vol. () 03, s.8. 8 Kowal Z., Piotrowski R., Asekurowany segment energoaktywny hali przekryty strukturą zredukowaną ze ściągiem. Praca przyjęta na konferencją ZK04 Suchedniów Kowal Z., Siedlecka M., Energoaktywne segmenty samoczyszczącego przekrycia hali. EAB, XXI OIKNT, Bielsko-Biała , s PN-EN 990:004, Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji. PN-EN 995:005, Eurokod : Oddziaływania na konstrukcje. Część 5: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania termiczne. PN-EN 993-:006, Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część : Reguły ogólne i reguły dla udynków. 3 Talice statystyczne rozkładu normalnego. 4 Materiały informacyjno reklamowe Pilkington Polska Sp. z o. o.

8 50 Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski Energy active expansion segments of steel halls covered with a regular structure with a tie Zigniew Kowal, Rafał Piotrowski, Department of Mechanics, Metal Structures and Computer Methods, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Kielce University of Technology, e mail: zigko@tu.kielce.pl, rafalp@tu.kielce.pl Astract: The paper presents the concept of energy-active segments construction of steel halls covered with a structure with a tie which contain solar radiation energy asorers (SE). The following factors were taken into account: ) slope exceeding 0%, which enales self-clearance of snow from the cover surface and facilitates otaining energy in the winter period; ) reducing the width of energy-active expansion segments to 6x38m; 3) reducing thermal impact on internal forces and displacements of the structure elements; 4) parallel coupling of the structure elements to maintain load earing capacity and reliaility [] aove these recommended for RC class [3]; 5) dividing the cover structure into geometrically invariale assemly segments of the hall, which ensures safe and efficient assemly. Keywords: energy active segments of steel halls, metal structures, the cover selfclearance, structure reliaility