Błędy projektowe i wykonawcze

Transkrypt

1 dr inż. Lesław Niewiadomski, mgr inż. Kamil Słowiński Politechnika Śląska Błędy projektowe i wykonawcze konstrukcji przekrycia hali stalowej kkonsekwencje błędów popełnionych na etapie projektu oraz podczas montażu konstrukcji bezpłatwiowego dachu hali stalowej mogą być bardzo poważne. Jak w praktyce wyglądają skutki tego typu zaniedbań? Wbudownictwie stalowych obiektów halowych prętowe połaciowe stężenia dachowe zastępowane są coraz częściej przeponami z blach fałdowych. W rozwiązaniach takich blacha fałdowa pokrycia dachu, oprócz funkcji osłonowej i przejmowania obciążeń prostopadłych powodujących jej zginanie, tworzy sztywną tarczę, która przejmuje również obciążenia ścinające działające w jej płaszczyźnie. Rozwiązanie to wymaga przeprowadzenia analizy statyczno-wytrzymałościowej uwzględniającej współpracę tarczy dachowej z prętowym szkieletem stalowym oraz zastosowania odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych [1-3]. Podczas montażu konstrukcji tak zaprojektowanych dachów bardzo często konieczne jest zastosowanie dodatkowych prętowych stężeń montażowych, umożliwiających rektyfikację oraz zapewniających stateczność konstrukcji. W artykule przedstawiono konsekwencje błędów popełnionych na etapie projektu oraz podczas montażu konstrukcji bezpłatwiowego dachu hali stalowej. Opis konstrukcji nośnej Hala magazynowa o szerokości 120,9 m i długości 169,8 m składa się z ośmiu oddylatowanych od siebie dwunawowych segmentów o wymiarach od 35,55 x 60,0 m do 47,55 x 60,0 m (rys. 1). Konstrukcję nośną każdego segmentu stanowią słupy wewnętrzne rozstawione na siatce 12,0 x 30,0 m i zewnętrzne w rozstawie 6,0 m i 4,5 m, na których oparte są przegubowo podciągi kratowe o rozpiętości 12 m, oraz dźwigary kratowe (wiązary) o rozpiętości 30,0 m i rozstawie 6,0 m (rys. 2). Dźwigary kratowe wykonano jako jednoprzęsłowe wolnopodparte kratownice dwutrapezowe o wysokości 2,0 m i pochyleniu górnego pasa 3%. Na profile pasów przyjęto dwuteowniki szerokostopowe od HEA100 do HEA160 ze stali S355, a na skratowanie rury kwadratowe od RK40x3 do RK100x4 ze stali S

2 projektowanie nowoczesne hale 3/11 a) b) c) Rys. 1. Rzut konstrukcji nośnej dachu Podciągi zaprojektowano jako jednoprzęsłowe wolnopodparte kratownice o rozpiętości 12,0 m i wysokości 1,2 m, o pasach z dwuteowników HEA i skratowaniu z rur kwadratowych. Dolne pasy podciągów połączono przegubowo-przesuwnie (w płaszczyźnie podciągu) ze słupami, a pasy górne, za pomocą dodatkowych prętów, z górnymi pasami dźwigarów dachowych. Słupy wewnętrzne, sztywno połączone z fundamentami w kierunku poprzecznym i podłużnym hali, zaprojektowano jako skrzynkowe spawane z blach, a słupy ścian zewnętrznych wykonano z dwuteowników IPE i utwierdzono w fundamentach w kierunku prostopadłym do płaszczyzn ścian. We wszystkich segmentach zastosowano stężenia połaciowe typu X z prętów Ø20, rozmieszczone w kształcie litery H (por. rys. 1), zakładając jednocześnie, że geometryczną niezmienność połaci dachowej zapewni sztywna tarcza utworzona przez blachę trapezową pokrycia dachu. Dźwigary kratowe połączono w środku rozpiętości pionowym stężeniem kalenicowym wykonanym z rur kwadratowych oraz dwuteownika HEA120 ze stali S235 (por. rys. 2). Stężenia ścian typu X wykonano z ceowników gorącowalcowanych oraz rur kwadratowych. Deformacje konstrukcji przekrycia hali Zarówno podczas montażu, jak i po zmontowaniu konstrukcji nośnej hali nie wykonano żadnych pomiarów geodezyjnych. Dokładne i kompleksowe pomiary geodezyjne konstrukcji nośnej przeprowadzono dopiero po ponadrocznym okresie jej użytkowania. Objęły one m.in. pomiary: geometrii segmentów hali, pionowości słupów, poziomych wygięć pasów Rys. 2. Przekroje hali: a) typowy przekrój poprzeczny; b) przekrój podłużny w osiach B i D; c) tężnik kalenicowy wiązarów, ugięć górnych i dolnych pasów wiązarów oraz poziomych wygięć pionowych stężeń wiązarów. Przeprowadzone pomiary wykazały, że wygięcia boczne większości górnych i dolnych pasów wiązarów w całym obiekcie przekraczają znacznie (do ok. 150%) wartości dopuszczalne wg normy [4], wynoszące 40 mm (rys. 3, 4). We wszystkich wiązarach przekroczone zostały nawet do ok. 400% dopuszczalne wzajemne przemieszczenia górnego i dolnego pasa (skręcenia wiązarów), które wg normy [4] nie powinny przekraczać 20 mm. Wskutek znacznych wygięć poziomych górnych pasów dźwigarów część łączników głównych, mocujących blachę do pasów, znalazła się poza półkami pasów (rys. 5). W wyniku tego w miejscach połaci dachowej, w których wystąpiły największe wygięcia poziome górnych pasów dźwigarów, arkusze blach połączone zostały z pasami w każdej fałdzie nie dwoma łącznikami jak zakładał projekt ale tylko jednym łącznikiem (por. rys. 5c). Pomiary wykazały także znaczne ugięcia pionowe dźwigarów przy obciążeniu ciężarem własnym, pokryciem dachu i instalacjami. W kilku przypadkach przekroczyły one o 20% dopuszczalne ugięcia normowe wynoszące wg [5] 120 mm. Stwierdzono również wygięcia poziome pionowych stężeń wiązarów oraz stężeń stabilizujących podciągi kratowe (rys. 6). Wyniki obliczeń konstrukcji przekrycia Obliczenia nośności konstrukcji hali przeprowadzono dla fazy projektowej oraz dla stanu istniejącego. Przy zestawieniu obciążeń uwzględniono rzeczywisty rozkład blach trapezowych na dachu. Na górnych pasach dźwigarów uło- 29

3 a) b) c) Rys. 3. Przykładowe wygięcie dźwigara dachowego Rys. 4. Wyniki pomiaru poziomych wygięć pasów (w mm) wiązara 8 /C -D-E żone zostały dwuprzęsłowe arkusze blach, łączone przegubowo na co drugim dźwigarze pośrednim (arkuszy blach nie ułożono mijankowo). W fazie projektowej, we wszystkich dźwigarach dachowych stanowiących podporę środkową dla dwuprzęsłowych blach trapezowych pokrycia dachu (52 dźwigary ze 120 dźwigarów), stwierdzono przekroczenie nośności drugich, licząc od podpór, krzyżulców i węzłów pasa górnego (rys. 7), odpowiednio o 9% i 20%. W stanie istniejącym konstrukcję hali potraktowano jako ustrój prętowy, w którym na miejsce przepon z blachy fałdowej wprowadzono kratownice zastępcze o sztywnościach ze względu na ścinanie równych sztywnościom przepon. W obliczeniach statycznych wykorzystano fakt, że przebiegi poziomych przemieszczeń początkowych we wszystkich Rys. 5. Przykłady wadliwego połączenia blachy trapezowej pokrycia dachu z górnymi pasami wiązarów kratowych wiązarach są podobne do siebie (antysymetryczny układ przemieszczeń), co pozwoliło ograniczyć się, w przypadku jednakowych obciążeń pionowych, do analizy pojedynczych wiązarów, stężonych w poziomie pasa górnego kratownicą zastępczą. W zastosowanych modelach obliczeniowych jako deformacje początkowe wiązarów przyjęto pomierzone przemieszczenia węzłów konstrukcji pod obciążeniem stałym. Ze względu na wyjątkowo duże deformacje początkowe wiązarów, które powodują zginanie poprzeczne dolnego rozciąganego pasa wiązarów, obliczenia wykonano wg teorii II rzędu. Nieliniowa analiza statyczno-wytrzymałościowa wykazała przekroczenie nośności rzędu 9-12% drugich, licząc od podpór, krzyżulców dźwigarów pośrednich, pełniących funkcję 30

4 projektowanie nowoczesne hale 3/11 podpór środkowych dla dwuprzęsłowych blach trapezowych. Podobnie jak w fazie projektowej, stwierdzono również przekroczenie nośności rzędu 20% drugich, licząc od podpór, węzłów pasa górnego tych dźwigarów dachowych. Ugięcia dźwigarów przy pełnym obciążeniu normowym (ze śniegiem) przekraczają, w ok. 20 dźwigarach hali, dopuszczalne wartości normowe od kilku do 37%. W przeponach połaci dachowej istotne wytężenie materiału stwierdzono w połączeniach arkuszy blach trapezowych z pasami wiązarów. Przekroczenie nośności tych połączeń wystąpiło w linii kalenicowego tężnika pionowego (stopień wykorzystania nośności p = 1,20), w segmentach wewnętrznych. W pozostałych połączeniach (łączniki uszczelniające, łączniki główne na długości przepony, łączniki pośrednie między elementami brzegowymi przy ścianach podłużnych hali a przeponą) nośność nie została przekroczona. reklama Przyczyny deformacji konstrukcji przekrycia Na podstawie analizy rozwiązań konstrukcyjnych, wyników pomiarów geodezyjnych elementów konstrukcji nośnej hali oraz wyników obliczeń statyczno-wytrzymałościowych określono przyczyny deformacji konstrukcji przekrycia hali. W rozwiązaniu konstrukcyjnym dachu hali ograniczono, w stosunku do zaleceń normy [5], ilość prętowych stężeń połaciowych, zakładając, że ich funkcję pełnić będzie sztywna tarcza z blach trapezowych pokrycia dachu. W projekcie przekrycia hali nie przewidziano jednak prętowych stężeń montażowych. Wskutek ich braku górne pasy dźwigarów, o smukłości znacznie przekraczającej (od ok. 25% do ok. 65%) przed ułożeniem i przymocowaniem pokrycia z blach trapezowych dopuszczalną smukłość dla elementów ściskanych wynoszącą λ = 250, wyboczyły się pod ciężarem własnym kratownicy. Brak należytego przytrzymania górnych ściskanych pasów dźwigarów doprowadził do ich dużych, znacznie przekraczających normę, wygięć poziomych, a także dużych ponadnormatywnych wygięć poziomych pasów dolnych i skręceń całych dźwigarów. Na tak zdeformowanych dźwigarach dachowych zostały następnie ułożone i zamocowane arkusze blachy trapezowej. W ten sposób utrwalone zostały montażowe wygięcia i skręcenia wiązarów. Główną przyczyną wygięć prętów stabilizujących podciągi kratowe (rys. 6) były duże wygięcia pasów górnych dźwigarów dachowych oraz niewspółpłaszczyznowe usytuowanie blach węzłowych tych prętów na pasach górnych dźwigarów i podciągów kratowych. Wygięcia poszczególnych prętów i skręcenia pionowych stężeń dźwigarów dachowych spowodowane zostały dużymi przemieszczeniami poziomymi pasów dźwigarów oraz różnicami przemieszczeń pomiędzy sąsiednimi dźwigarami. Wpływ na odkształcenia prętów tych stężeń miało również niewłaściwe rozwiązanie ich śrubowych połączeń z pasami dźwigarów (rys. 8). Blachy węzłowe pasów tężnika nie wypełniały szczeliny między blachami węzłowymi przyspawanymi do pasów dźwigarów, co spowodowało powstanie luzów w połączeniach. 31

5 Wnioski Przeprowadzona analiza hali wykazała błędy, które mogą zostać popełnione przy projektowaniu i montażu obiektu z tarczą dachową z blach trapezowych, współpracującą z prętowym szkieletem nośnym oraz pozwoliła wyciągnąć praktyczne wnioski dotyczące kształtowania konstrukcji dachów takich obiektów. Do błędów popełnionych na etapie projektu można zaliczyć: pominięcie fazy montażowej w obliczeniach dźwigarów dachowych, w której blacha ułożona na dźwigarach nie jest jeszcze z nimi połączona łącznikami i nie zabezpiecza ich górnych pasów przed utratą stateczności, brak stężeń montażowych zapewniających stateczność i prawidłowe usytuowanie dźwigarów dachowych w czasie montażu, nieuwzględnienie schematów statycznych blach trapezowych pokrycia dachu i ich rozmieszczenia przy zestawianiu obciążeń na poszczególne dźwigary, niewłaściwe, niezgodne z przepisami [1] ukształtowanie tarczy dachowej z blach trapezowych (m.in. brak elementów brzegowych na obwodzie tarcz dachowych oraz elementów pośrednich), brak w obliczeniach konstrukcji analizy wytrzymałościowej tarczy dachowej współpracującej ze szkieletem stalowym, np. wg [1]. Natomiast do błędów popełnionych na etapie montażu konstrukcji można zaliczyć: brak pomiarów geodezyjnych (nadzoru geodezyjnego) w czasie montażu wrażliwych na deformacje dźwigarów dachowych, brak stężeń montażowych zapewniających prawidłowe usytuowanie dźwigarów, zgodne z wymogami normy [4], oraz brak powykonawczych pomiarów geodezyjnych zmontowanej konstrukcji nośnej hali. Konstrukcja nośna dachu omawianej hali została zaprojektowana oszczędnie. Zwłaszcza dźwigary dachowe (wiązary) są bardzo delikatne i były podatne na odkształcenia (wygięcia, skręcenia) w czasie montażu. Brak doprowadzenia dolnych pasów wiązarów do podpór słupów i podciągów dodatkowo pogorszył ogólną stateczność wiązarów i istotnie wpłynął na stan sił wewnętrznych w przeponach z blach trapezowych pokrycia od wygięć początkowych. Bardzo odpowiedzialnym elementem w konstrukcji dachu analizowanej hali jest pionowe kalenicowe stężenie dźwigarów dachowych, które w sytuacji dużych wygięć i skręceń dźwigarów zapewnia stateczność całej konstrukcji nośnej dachu. Odpowiedzialną funkcję pełnią również pręty stabilizujące górne pasy podciągów kratowych, zmniejszając istotnie długość wyboczeniową bardzo wytężonych górnych pasów podciągów. Biorąc powyższe pod uwagę, celowe wydaje się doprowadzanie i łączenie dolnych pasów dźwigarów z podporami (słupami, podciągami kratowymi) z zapewnieniem swobody przesuwu między pasem i podporą w płaszczyźnie dźwigara. Rozwiązanie takie nie wpłynie w znaczący sposób na całkowity koszt obiektu, a zwiększy ogólną sztywność i odporność konstrukcji dachu na wpływ odkształceń jej elementów. Uzyskane wyniki analizy dotyczące wpływu wygięć początkowych wykazały niewielki ich wpływ na nośność najbardziej wytężonych elementów konstrukcji nośnej dachu omawianej Rys. 6. Wygięte pręty stężeń stabilizujące podciągi kratowe Rys. 7. Przypodporowy fragment dźwigara dachowego Rys. 8. Połączenie prętów stężeń pionowych z dolnymi pasami dźwigarów hali. Oznacza to, że przekroczenie nawet znaczne dopuszczalnych wygięć nie musi dyskwalifikować konstrukcji, wymaga jednak przeprowadzenia odpowiedniej analizy statyczno-wytrzymałościowej. q Piśmiennictwo 1. European Recommendations for the Application of Metal Sheeting Acting as a Diaphragm. Stressed Skin Design. ECCS Committee TC7, TWG 7.5, May Bródka J., Garncarek R., Miłaczewski K.: Blachy fałdowe w budownictwie stalowym. Arkady, Warszawa Bródka J., Broniewicz M.: Konstrukcje stalowe z rur. Arkady, Warszawa PN-B-06200:2002 Konstrukcje stalowe budowlane Warunki wykonania i odbioru Wymagania podstawowe. 5. PN-90/B Konstrukcje stalowe Obliczenia statyczne i projektowanie. 32