PRZEKRYCIA WISZĄCE (CIĘGNOWE)

Transkrypt

1 KONSTRUKCJE INŻYNIERSKIE Z BETONU KBI, semestr 2, studia II stopnia, 2017/2018 WYKŁAD 11 PRZEKRYCIA WISZĄCE (CIĘGNOWE)

2 WYKŁAD 11 PRZEKRYCIA WISZĄCE (CIĘGNOWE) Grabiec K., Konstrukcje betonowe. Przykłady obliczeń statycznych. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa - Poznań, Kobiak J., Stachurski W., Konstrukcje żelbetowe. Część 2. Wyd. Arkady, Warszawa, Budownictwo ogólne. Praca zbiorowa pod redakcją W. Buczkowskiego. Tom IV. Wyd. Arkady,

3 Przekrycia wiszące (cięgnowe) Składają się z płyt pokrycia, układów cięgien, zakończeń i konstrukcji wsporczych. Konstrukcje te umożliwiają realizację zarówno atrakcyjnych form architektonicznych, jak i spełniają współczesne wymagania technologiczne. Konstrukcje cięgnowe wykorzystywane są nie tylko w przekryciach membranowych czy powłokowych, ale są też używane w konstrukcjach przeszkleń ścian i dachów. Należą do konstrukcji budowlanych o dużych rozpiętościach. Zrealizowane przekrycia cięgnowe mają rozpiętość do 400 m.

4 Przekrycia wiszące (cięgnowe) Przekrycia wiszące złożone są z systemu lin, na których ułożone są różnego rodzaju płyty, najczęściej prefabrykaty żelbetowe. Końce lin zamocowane są na oporach w formie ram, pierścienia lub konstrukcji wsporczej, które przenoszą siły rozciągające występujące w tych linach. Hala pływalni w Niemczech dach wiszący o rozpiętości 64,50m i szerokości 39,40m 4

5 Przekrycia wiszące - zastosowania Mają wiele zastosowań w różnych dziedzinach budownictwa. Stosowano je już od dawna w przesyłowych liniach energetycznych, rurociągach i mostach wiszących. Most wiszący Golden Gate (Złota brama) (Zatoka San Francisco, 1937 rok) Konstrukcje przekryć układów wiszących stanowią nową tendencję w kształtowaniu obiektów inżynierskich o wielkich rozpiętościach. Zastosowanie: w dachach hal przemysłowych, sportowych, pawilonów handlowych i innych obiektów o wielkich rozpiętościach. Umożliwiają kształtowanie nowych form architektonicznych, które nie byłyby możliwe do wykonania za pomocą innych rozwiązań konstrukcyjnych. 5

6 Konstrukcje dachów cięgnowych (wiszących) Przestrzenne konstrukcje wiszące są wykonywane jako cienkościenne, dzięki temu umożliwiają obniżenie kosztów wykonania przekrycia, dzięki temu są konkurencyjne w porównaniu z klasycznymi konstrukcjami betonowymi sprężonym i stalowymi. Zapewniają całkowite wykorzystanie stali, gdyż zbrojenie nośne (liny) pracuje wyłącznie na rozciąganie, co pozwala na stosowanie stali wysokogatunkowej. 6

7 Systemy przekryć cięgnowych

8 Klasyfikacja przekryć wiszących 1. Przekrycia oparte na rzucie kolistym (lub owalnym) A - przekrycie wklęsłe z radialnym systemem cięgien opartych na pierścieniu zewnętrznym (ściskanym) i wewnętrznym (rozciąganym) B - przekrycie wyniesione z radialnym systemem cięgien opartych na pierścieniach, przy czym wewnętrzny pierścień jest wyniesiony C - przekrycie faliste z układem cięgien ortogonalnych. 2. Przekrycia oparte na rzucie prostokątnym 3. Przekrycia oparte na rzucie niekolistym, o kształtach złożonych 8

9 Klasyfikacja przekryć cięgnowych

10 Schematy przekryć cięgnowych a) b) c) Schematy wiszących konstrukcji dachów: a) proste ustroje z pojedynczych lin b) płaskie dźwigary cięgnowe (typu Jawertha), c) powierzchniowe siatki cięgnowe 10

11 Schematy przekryć cięgnowych Schemat wiszącej konstrukcji dachu opartej na rzucie prostokątnym: a) widok, b) przekrój poprzeczny 11

12 Schematy przekryć cięgnowych Schemat wiszącej konstrukcji dachu opartej na rzucie kołowym typ A: a) widok, b) przekrój poprzeczny 12

13 Schematy przekryć cięgnowych Schemat wiszącej konstrukcji dachu opartej na rzucie kołowym typ B (wisząca powłoka wzniesiona ) - widok i przekrój poprzeczny 13

14 Schematy przekryć cięgnowych Schemat wiszącej konstrukcji dachu opartej na rzucie kołowym typ C (z ortogonalną siatką cięgien) Schemat wiszącej konstrukcji dachu opartej na rzucie prostokątnym (powłoka wklęsła) 14

15 Schematy przekryć cięgnowych 4 Schemat wiszącej konstrukcji dachu o ortogonalnej siatce cięgien: 1 sztywny pierścień oporowy, 2 liny, 3 płyty przekrycia, 4 sztywna rama 15

16 Schematy przekryć cięgnowych Schemat wiszącej konstrukcji dachu o powierzchni złożonej typu dwukrzywiznowej powłoki antyklastycznej 16

17 Schematy przekryć cięgnowych b) c) Oś obrotu) Schemat wiszącej konstrukcji dachu opartej na rzucie powłoki antyklastycznej a) hiperboloida paraboliczna o podstawie płaskiej, b) j.w. lecz o podstawie złożonej z łuków nachylonych i podpartych w dwóch punktach, c) przekrycie typu namiotowego 17

18 OBLICZENIA STATYCZNE PRZEKRYĆ CIĘGNOWYCH 18

19 Obliczenia przekryć wiszących f 1 25 l Obliczeniowy schemat cięgna (liny): a) obciążenie typu dowolnie zmiennego, b) obciążenie równomiernie rozłożone na długości liny 19

20 Obliczenia sił w linach przekryć wiszących Przy założeniu, że cięgna są wiotkie i znany jest zwis liny f, składowe pionowe A i B reakcji podporowych R A i R B otrzymuje się z warunku równowagi momentu belkowego od obciążenia i sił reakcji w linach. W dowolnym punkcie C na długości liny obowiązuje zależność: M c H A y c gdzie: H A naciąg liny (rzut siły naciągu w płaszczyźnie poziomej, w punkcie odległym o x c od podpory, y c strzałka zwisu w danym punkcie, M c moment belkowy w odległości x c od podpory. H A M y c c 20

21 Obliczenia sił w linach przekryć cięgnowych W przypadku obciążenia równomiernie rozłożonego maksymalny moment belkowy wynosi: 2 M c H A y M c c gl 8 f gdzie: H A siła naciągu liny (rzut siły naciągu w płaszczyźnie poziomej, w punkcie odległym o x c od podpory), y c strzałka zwisu w danym punkcie (y c = f - max strzałka zwisu cięgna przy równomiernie rozłożonym obciążeniu). gl 8 H A 2 21

22 Obliczenia siły rozporu w linach przekryć cięgnowych Wartość siły H A w linie oblicza się z następujących zależności: 1. gdy zadany jest zwis liny f 3lA H A 4 f 2. gdy zadana jest długość liny s la H A 2 2 s l gdzie: l rozpiętość liny, f strzałka zwisu cięgna przy obciążeniu równomiernie rozłożonym, s długość cięgna po linii zwisu, A charakterystyka (funkcja) obciążenia liny l 2 A Q d x 0 22

23 Całkę A l Obliczenia przekryć cięgnowych można rozwiązać metodą analityczną lub przez całkowanie 2 Q d x graficzne (metoda Wiereszczagina) wykresów siły 0 poprzecznej Q(x) w układzie belkowym. Przykłady wykresów siły poprzecznej Q od zadanych obciążeń: a) prostych, b) złożonych 23

24 Obliczenia przekryć cięgnowych Przykład całkowania A wykresów siły poprzecznej Q(x) Obciążenie równomierne typu a) l Q 0 2 d x A l Q dx 0 ql l ql q l Dla tej wartości, przy zadanym zwisie f H 3lA 4 f H q l l 12 4 f ql 8 f Przykłady wykresów siły poprzecznej Q od zadanych obciążeń prostych 24

25 25 Obliczenia przekryć wiszących l x Q A 0 2 d Przykładowe całkowanie wykresów siły poprzecznej Q(x) Przykłady wykresów siły poprzecznej Q od zadanych obciążeń złożonych 2 6 x l qx ql Q Dla obciążenia trójkątnego typu a) siła poprzeczna zapisana jest wzorem l x q x q l q Q Przemnożenie wykresów daje wynik 45 d d l q x l x q x q l q x Q A l l Wartość całki oznaczonej jest równa

26 Obliczenia lin podwieszonych skośnie Liny podwieszone skośnie: y x tan S M cos Schemat statyczny liny podwieszonej ukośnie Maksymalną siłę S w cięgnie ukośnym oblicza się ze wzoru: S max S cos 2 R S sin 2 B 26

27 KONSTRUOWANIE PRZEKRYĆ CIĘGNOWYCH 27

28 Konstruowanie zewnętrznego wieńca kolistego mocującego przekrycie cięgnowe Wieniec zewnętrzny (belka pierścieniowa) podlega następującym siłom: ściskanie mimośrodowe siłą H r (H składowa pozioma siły w linie w zamocowaniu) zginanie od składowej pionowej V skręcanie momentem skręcającym T V e Schemat pracy wieńca oporowego przekrycia na planie koła 28

29 Konstrukcja lin przekryć cięgnowych Wybrane typy lin w konstrukcjach wiszących: a) lina jednosplotowa, b) lina ze splotów okrągłych (1- pojedyncza lina konopna jako rdzeń; 2 rdzeń ze splotek drucianych), c) lina o budowie zamkniętej, d) wiązka o splotach równoległych, e) lina płaska; średnica drutów w linach wynosi od 0,2 do 5 mm 29

30 Konstrukcja lin przekryć cięgnowych Rodzaje lin spiralnych wg katalogu Thyssen Draht AG 30

31 Konstrukcja lin przekryć cięgnowych Sposoby zabezpieczenia liny przed korozją wg katalogu Thyssen Draht AG 31

32 Konstrukcja kotwienia lin w przekryciach wiszących 32

33 Konstrukcja podwieszenia lin w przekryciach cięgnowych Cięgna siatek przestrzennych łączy się w miejscach skrzyżowań specjalnymi uchwytami. 33

34 Konstrukcja pokrycia dachów cięgnowych Dachy wiszące najczęściej przekrywa się płytami prefabrykowanymi z betonu (żelbet, siatkobeton, filigran). Elementy prefabrykowanego przekrycia opiera się i łączy za pomocą haków wykonanych z odgięć pracującego zbrojenia. 34

35 Konstrukcja pokrycia dachu typu wiszącego a) d) b) c) Przykłady i szczegóły oparcia elementów prefabrykowanego przekrycia: a) oparcie na linach za pomocą odgiętych haków, b) oparcie na siatce lin nośnych, c) oparcie na prefabrykowanych sprężonych żebrach, d) oparcie na żebrach monolitycznych: 1 beton wypełniający, 2 lina nośna, 3 płyta prefabrykowana, 4 żebro prefabrykowane, 5 beton uzupełniający, 6 pręt sprężony 35

36 Konstrukcja zamocowania cięgien dachu wiszącego a) Zakotwienie cięgien w konstrukcji żelbetowego wieńca: a) za pomocą pierścienia zaciskowego, b) zakotwienie równoległej wiązki drutów, c) stalowa tulejka z klinem kotwiącym: 1 płytka z twardej gumy, 2 osłonka z rury, 3 iniekcja bitumiczna, 4 zalewka betonowa, 5 strzemiona 6 stalowa tulejka z klinem kotwiącym, 7 spirala, 8 osłonka z blachy, wieniec oporowy, 10 lejek z blachy, 11 rozpórka, 12 spirala z cienkiego drutu 36

37 PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ PRZEKRYĆ WISZĄCYCH 37

38 Przekrycie wiszące nad głównym wejściem na teren Expo 2000 w Lizbonie (monolitycznie wykonana płyta wisząca) 38

39 Przekrycie wiszące nad głównym wejściem na teren Expo 2000 w Lizbonie; szczegóły zamocowania lin nośnych 39

40 a) b) Hala pływalni w Wuppertalu (Niemcy) schematy konstrukcyjne 40

41 Hala pływalni w Wuppertalu (Niemcy) Przykładem obiektu o przekryciu wiszącym jest pływalnia w Wuppertalu w Niemczech (obiekt o rzucie prostokątnym i wymiarach rzutu 38 x 65 m). Konstrukcja wisząca, zbudowana z lin o średnicy 26 mm, rozmieszczonych co 3 m. Liny poprowadzono w specjalnych, obetonowanych osłonach z rur stalowych. Poszczególne liny usztywniono prętami ze stali żebrowanej. Ukośne belki stanowiące konstrukcję widowni niosły jednocześnie skrajne dźwigary konstrukcji dachu wiszącego o rozpiętości 64,50m, szerokości 39,30m i grubości płyty 5,7cm. 41

42 Hala lodowiska w Sztokholmie Schemat cięgnowej konstrukcji dachu lodowiska w Sztokholmie: 1 - wiązar linowy z krzyżulcami, 2 - słup, 3 - konstrukcja trybun, 4 - odciągi, 5 - fundament odciągu 42

43 Hala sportowo- widowiskowa Yoyogi w Tokio 43

44 Hala sportowo-widowiskowa Yoyogi w Tokio z basenami i skoczniami o rozpiętości między pylonami 126 i 120m Schemat przekrycia wiszącego nad halą sportową - przekrój podłużny 44

45 Hala sportowo-widowiskowa Yoyogi w Tokio Hala na rzucie zbliżonym do koła. Przekrycie wiszące z cięgnami w postaci kabli nośnych, podwieszonych do żelbetowych pylonów i zakotwionych w żelbetowych przeciwciężarach (31 lin o przekroju 52mm i 6 lin o przekroju 34,5mm stal o wytrzymałości 1500 MPa). Siły ściskające od naciągu liny przenoszą żelbetowe rozpory umieszczone wzdłuż poziomej osi, a pylony przekazują cały ciężar dachu na grunt poprzez pierścieniowe żelbetowe obrzeże. Rolę cięgien poprzecznych pełnią belki stalowe o rozpiętości około 65m i wysokości od 50 do 100cm w rozstawie co 4,5m, usztywnione cięgnami napinającymi. Pokrycie dachu wykonane zostało z lekkich dwuwarstwowych płyt materiałowych o ciężarze 8,0kN/m 3, oparte na obu półkach belek-cięgien. 45

46 Hala wystawowa na terenie Międzynarodowych Targów w Poznaniu przekrój podłużny Szczytowe podpory żelbetowe w postaci układów tarczowo-prętowych rozstawiono co 7,2m. Konstrukcja ścian piwnic posłużyła do przeniesienia sił z odciągów 14 Φ5 mm ze stali o wytrzymałości 1650 MPa. 46

47 Hala sportowa we Włocławku (2001) Dach w rzucie z góry ma kształt elipsy o promieniach 81 i 76 m. Dwukrzywiznową powierzchnię tworzą wklęsłe parabolicznie kable nośne rozmieszczone w rozstawie 3,0m i eliptyczne kable napinające w rozstawie 8,0 m z zagęszczeniem w osi hali do 4,0 m. 47

48 Olimpia stadion przekryty dachem wiszącym typu namiotowego Monachium (Niemcy) Wybudowany w latach specjalnie na Igrzyska Olimpijskie w 1972 roku. Pojemność stadionu miejsc. 48

49 Przekrycie wiszące nad stadionem piłkarskim w Braga (Portugalia) Pojemność miejsca. Czas budowy 2003r. Inauguracja ME 2004r. 49

50 Przekrycie wiszące nad stadionem piłkarskim w Braga (Portugalia) Stadion posiada trybuny tylko wzdłuż dłuższych boków płyty boiska. Jedna z trybun została niemalże usadowiona na zboczu góry i posiada przekrój zbliżony do pochyłości stoku. Wzdłuż krótszych boków boiska nie ma trybun, i z jednej jego strony zostało odsłonięte piękne skaliste zbocze góry. W ten sposób obiekt, zyskując piękną scenerię stał się niemalże integralną częścią góry i krajobrazu. 50

51 Przekrycie wiszące nad stadionem piłkarskim w Braga (Portugalia) Zadaszenie trybun jest utrzymywane przez cięgna zamocowane na szczytach trybun po obu stronach boiska. Podtrzymując pokrycie dachowe cięgna przebiegają nad całą płytą boiska. Architekt, decydując się na umieszczenie stadionu w zboczu góry, a przez to rezygnując z trybun za bramkami, zerwał z dotychczasową europejską tradycją lokalizacji trybun. 51

52 Przekrycie stadionu Nowy Wembley (Anglia) Należy do największych i najnowocześniejszych stadionów na świecie (oddany do użytku w 2007 roku). Stadion pomieści 90 tysięcy osób. Największą atrakcją architektoniczną nowego Wembley jest rozsuwany dach, podtrzymywany przez ogromny łuk wysoki na 133m i o długości 315m (nowy stadion najwyższy w historii), wraz z systemem lin podwieszonych do łuku. 52

53 Stadion Narodowy w Warszawie (2011)

54

55 Przekrycie nad stadionem uniwersyteckim w Phenix (USA) Powierzchnia przekrycia 9000 m 2 Rozpiętość 230 m Wymiary otworu centralnego 74x110 m 55

56 Przekrycie nad stadionem uniwersyteckim w Phenix (USA) Powierzchnia przekrycia 9000 m 2 Rozpiętość 230 m Wymiary otworu centralnego 74x110 m 56

57 Welodrom na Igrzyska Olimpijskie w Londynie w 2012 (Anglia, 2011) Budowla jest wykonana na planie koła - kształt przekrycia jest paraboloidą hiperboliczną. Widownia mieści 6 tys. osób. Konstrukcja wykonana jest w części dolnej z żelbetu, a w górnej ze stali. Pokrycie dachowe wykonane jest z drewna i ma możliwość przemieszczania się na łączeniach. Oparte jest na siatce kablowej o rozmiarze oczka 3,6 m. Stalowe, galwanizowane kable puszczone są parami i mają średnicę 36 mm każdy. Rozpiętość zadaszenia sięga 136 m, a wysokość w najwyższym punkcie 13,7m. Dzięki zastosowaniu kabli możliwe jest bezproblemowe przemieszczenie powierzchni dachu w górę lub dół o 50 cm od obciążenia śniegiem lub wiatrem. Dzięki zastosowaniu dachu cięgnowego zaoszczędzono 1000 ton stali w porównaniu do konwencjonalnej konstrukcji zrealizowanej za pomocą belek i kratownic przestrzennych.