Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Stężanie elementów nośnych konstrukcji stalowej za pomocą płyt warstwowych

Cz. 1. Wykorzystanie więzi rotacyjnej
Stężanie elementów nośnych konstrukcji stalowej za pomocą płyt warstwowych. Cz. 1. Wykorzystanie więzi rotacyjnej | Bracing of steel structural elements with sandwich panels. Part 1: Use of rotational constraint
Stężanie elementów nośnych konstrukcji stalowej za pomocą płyt warstwowych. Cz. 1. Wykorzystanie więzi rotacyjnej | Bracing of steel structural elements with sandwich panels. Part 1: Use of rotational constraint
Paneltech

Prace badawcze prowadzone w ciągu ostatnich 10 lat pozwoliły na opracowanie nowych metod kształtowania stężeń elementów nośnych konstrukcji stalowych za pomocą płyt warstwowych. Umożliwi to zwiększenie konkurencyjności płyt warstwowych na rynku budowlanych pokryć dachowych.

Wprowadzenie płyt warstwowych do budownictwa istotnie zmieniło sposób kształtowania i wymiarowania stalowych obiektów budowlanych.

Ciężar obudowy stał się nawet o rząd wielkości mniejszy od obciążenia śniegiem, co umożliwiło zmniejszenie ciężaru własnego konstrukcji stalowej przez efektywne ekonomicznie stosowanie elementów o dużych smukłościach ścianek,jak np. profile zimnogięte i blachownice kl. 4.

Zobacz też: Problemy jednopowłokowych dachów wykonanych ze stalowych blach trapezowych

W Polsce pierwszą linię technologiczną do produkcji płyt z rdzeniem poliuretanowym PW/8 o wydajności do 800 tys. m2 płyt rocznie uruchomiono w 1974 r. w Obornikach Wielkopolskich [1].

Właściwości płyt warstwowych

Płyty warstwowe najczęściej traktowane są jako samonośne elementy obudowy obiektu budowlanego.

W odniesieniu do swej stosunkowo niewielkiej masy charakteryzują się bardzo dobrymi właściwości mechanicznymi.

Na RYS. 1 przedstawiono zależność między względnymi przyrostami masy, momentem bezwładności a wskaźnikiem wytrzymałości płyt warstwowych o rdzeniu wykonanym ze styropianu (EPS), poliuretanu (PUR) oraz wełny mineralnej (MWF).

ABSTRAKT

W pierwszej części artykułu dotyczącego stężenia elementów nośnych konstrukcji stalowej za pomocą płyt warstwowych omówiono zagadnienie wykorzystania więzi rotacyjnej. Opisano metody pozwalające uwzględnić współpracę płyty warstwowej z elementami nośnymi, które zilustrowano przykładem obliczeniowym.

The first part of the article concerning bracing of steel structural elements with sandwich panels presents the use of rotational constraints. Methods are described that facilitate integration of sandwich panels with load-bearing pieces, illustrated by a calculation example.

Punktem odniesienia była płyta warstwowa o rozstawie środków ciężkości stalowych blach okładzin (≈ grubości płyty) h = 40 mm.

Można zauważyć,że np. 5-krotne zwiększenie grubości płyty warstwowej o rdzeniu poliuretanowym powoduje przyrost masy płyty mPUR o zaledwie 68%, podczas gdy wskaźnik wytrzymałości Wy zwiększa się 5-krotnie, a moment bezwładności – ponad 24-krotnie.

W przeciwieństwie do pokryć projektowanych z wykorzystaniem nośnych blach trapezowych płyty warstwowe z reguły nie były wykorzystywane do stężania elementów konstrukcji stalowej (mogło to skutkować zwiększeniem jej ciężaru, a co za tym idzie także kosztu inwestycji).

W wielu przypadkach inwestorzy rezygnowali ze stosowania pokrycia z płyt warstwowych, gdyż niższy koszt montażu płyt warstwowych nie był w stanie zrekompensować zwiększonej ceny konstrukcji stalowej.

Współpraca elementów poszycia ze szkieletem stalowym

Płyty warstwowe oprócz podstawowej funkcji, jaką jest tworzenie przegrody budowlanej o wymaganych parametrach użytkowych,­takich jak izolacyjność cieplna i akustyczna, bezpieczeństwo pożarowe itd., stanowią elementy mechanicznie współpracujące ze stalowym szkieletem nośnym.

Korzystna zazwyczaj współpraca elementów poszycia z konstrukcją stalową może być wykorzystywana przy ­projektowaniu elementów nośnych i układów konstrukcyjnych i umożliwiać bezpieczną redukcję ich ciężaru.

W normie PN-EN 1993-1-3:2008 [2] zdefiniowano trzy rodzaje współpracy konstrukcji nośnej z elementami poszycia i określono tzw. klasy konstrukcyjne, odpowiadające klasom konsekwencji zniszczenia podanym w normie PN-EN 1990:2004 [3].

Jest to podejście racjonalne, ponieważ włączanie do współpracy elementów nienależących do głównego konstrukcyjnego układu nośnego powoduje zwiększenie jego nośności, a także jest przyczyną transformacji modelu niezawodnościowego układu konstrukcyjnego w kierunku modelu układu szeregowego o wyższym ryzyku zniszczenia.

Wykorzystanie obudowy jako konstrukcyjnego elementu stężającego pozwala na "uprzestrzennienie" modelu statycznego stalowej konstrukcji szkieletu nośnego i na wynikającą z tego (zazwyczaj korzystną)redystrybucję sił wewnętrznych oraz zwiększenie wartości obciążeń krytycznych.

Płyty warstwowe charakteryzują się relatywnie dużą sztywnością, zarówno tarczową, jak i płytową, jednak – w przeciwieństwie do pokrycia z blach trapezowych - ich współpraca z konstrukcją nośną była dotychczas najczęściej pomijana.

Przyczyną tego jest duża odkształcalność połączeń płyt warstwowych oraz ich odmienne (w stosunku do innych połączeń blach cienkich) zachowanie się pod obciążeniem.

Ze względu na wysokość konstrukcyjną płyt warstwowych wkręty samowiercące stosowane do ich łączenia są stosunkowo długie i smukłe (najczęściej średnica trzpienia wkrętu wynosi 5,5 mm), a ich długość może przekraczać 200 mm [4].

Przy takich proporcjach często miarodajną formą zniszczenia łącznika jest zginanie trzpienia, niewystępujące w przypadku połączeń blach cienkich, w których zastosowano wkręty krótkie, o kilku- lub kilkunastomilimetrowej długości trzpienia.

Kolejną przyczyną pomijania współpracy płyt warstwowych z konstrukcją nośną jest niewielka, znacznie niższa niż w przypadku pokryciowych blach trapezowych, grubość blach okładzinowych, wynosząca zazwyczaj 0,4–0,7 mm.

 

Przeczytaj: Izolacja termiczna attyk na przykładzie kompleksu budynków basenowych o konstrukcji stalowej

Efektem tego jest występowanie, przy stosunkowo niewielkich obciążeniach trwałych,plastycznych odkształceń blach okładzin w postaci owalizacji otworów [5] (RYS. 2, FOT. 1–2).

Próby modelowania zachowania się połączeń płyt warstwowych z konstrukcją nośną napotykały na dodatkowe trudności związane z wpływem temperatury i odkształceń reologicznych na mechaniczne właściwości syntetycznego rdzenia płyty.

W ciągu ostatnich 10 lat opracowano dwie metody obliczeniowe, przedstawione w pracy doktorskiej Markusa Dürra [6] oraz w wytycznych ECCS/CIB [7], które umożliwiają analityczną ocenę wpływu współpracy płyt warstwowych ze stalową konstrukcją wsporczą.

W przypadku obu metod jest to jednak możliwe jedynie w klasie konstrukcyjnej II (w rozumieniu normy PN-EN 1993-1-3:2008 [2]) oraz tylko przy statycznym i quasi-statycznym charakterze działających obciążeń.

Wpływ współpracy płyty z konstrukcją ogranicza się zatem jedynie do pojedynczych elementów, które mogą być dzięki temu zabezpieczone przed wystąpieniem zarówno giętnych, jak i giętno-skrętnych form niestateczności ogólnej.

Szczególnie istotne znaczenie ma to w przypadku projektowania elementów nośnych z zimnogiętych profili o kształcie zetowym i ceowym, które w normalnych warunkach podparcia i obciążenia są elementami zginanymi i skręcanymi.

Nie dopuszcza się uwzględniania współpracy płyt w analizie układów konstrukcyjnych, jakkolwiek możliwe jest wykorzystanie płyt warstwowych jako głównych elementów nośnych niewielkich obiektów, typu kioski handlowe, budynki gospodarcze itp.

DOŁĄCZ DO NEWSLETTERA – kliknij tutaj »

Przytoczone opracowanie ECCS/CIB [7] ma jedynie rangę zaleceń, rozszerzających zakres stosowalności norm PN-EN 1993-1­‑3:2008 [2] i PN-EN 14509:2013-12 [8].

Zgodnie z p.10.1.1 (6) normy PN-EN 1993-1-3:2008 [2] elementy konstrukcyjne mogą być bowiem stężane poszyciem innym niż blacha trapezowa pod warunkiem odpowiedniego zaprojektowania połączeń tego poszycia z elementami podpierającymi.

W opracowywanych przez krajowy Instytut Techniki Budowlanej aprobatach technicznych nie poruszono kwestii współpracy płyt warstwowych z konstrukcją wsporczą.

W Niemczech Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) wydaje 2 rodzaje aprobat: dla płyt warstwowych samonośnych (selbsttragende Sandwich-Elemente), których wykorzystanie do stężania elementów konstrukcyjnych nie jest dozwolone, oraz nośnych płyt warstwowych (tragende Sandwich-Elemente), które można wykorzystywać do stężania elementów konstrukcyjnych; przy czym elementy te nie mogą stanowić stężeń innych elementów i ustrojów konstrukcyjnych obiektów budowlanych.

Przeczytaj: Płyty warstwowe ścienne i dachowe - co warto o nich wiedzieć?

Aprobaty DIBt oraz zapisy w Załączniku Krajowym DIN EN 1993-1-3/NA (rozdz. NA 2.2) [9] umożliwiają stosowanie płyt warstwowych jako stężenia elementów konstrukcji stalowych w Niemczech [10].

Stężenia ciągłe elementów konstrukcji metalowych

W stalowych prętowych układach konstrukcyjnych element zginany lub ściskany rzadko występuje jako element pojedynczy.

Zwykle na jego długości projektowane są połączenia z innymi elementami nośnymi układu grawitacyjnego lub stężającego lub elementami uważanymi za niekonstrukcyjne - najczęściej stanowiącymi przegrodę budowlaną.

Poszycie w postaci blachy trapezowej lub płyt warstwowych z prawidłowo zaprojektowanymi i wykonanymi połączeniami może stanowić, ciągłe na długości pręta, odkształcalne więzi kinematyczne ograniczające zarówno przemieszczenia prostopadłe do osi pręta ξ, jak i obroty wokół jego osi ϑ (RYS. 3).

Więzi te charakteryzowane są przez sztywność translacyjną kξ i rotacyjną kϑ.

Niezwykle istotnym efektem redukcji przemieszczeń ξ i ϑ jest zwiększenie sił i momentów krytycznych elementów wsporczych, co może skutkować redukcją lub całkowitą eliminacją efektów niestateczności ogólnej elementu, przekładającą się bezpośrednio na zwiększenie nośności elementów ściskanych i zginanych.

Biorąc pod uwagę wartość oddziaływania więzi k0 i kϑ na element prętowy, można mówić o stężeniu pełnym - gdy sztywność więzi jest na tyle duża, że o nośności elementu decyduje nośność przekrojowa, a współczynniki niestateczności ogólnej χ i lub χ LT można przyjmować równe 1,0, oraz o stężeniu częściowym - gdy współczynniki χ i i χ cLT przyjmują wartości mniejsze niż 1,0, jednak nadal są to wartości większe niż w przypadku elementu pozbawionego stężeń.

W tym ostatnim przypadku korzystny efekt stężenia za pomocą pokrycia można uwzględnić przez odpowiednie zwiększenie wartości Ncr i Mcr.

W przypadku więzi translacyjnej, oprócz wartości sztywności kξ, znaczenie ma również usytuowanie tej więzi na wysokości profilu względem skrajnych włókien ściskanych.

Jak wykazano m.in. w pracy V. Březiny [11], idealnie sztywna ciągła więź translacyjna, którą można uważać za wymuszoną oś obrotu przekroju,może stanowić stężenie pełne obciążonej równomiernie belki wolnopodpartej, pod warunkiem, że będzie usytuowana na wysokości nie mniejszej niż 46,6% wysokości strefy ściskanej.

Im bardziej więź ta będzie odsunięta od skrajnych włókien ściskanych, tym mniejszy będzie efekt stabilizacji.

Warto przeczytać: Projektowanie konstrukcji stalowych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodów

W przypadku usytuowania stężenia na wysokości pasa rozciąganego niewielki pozytywny wpływ działania stężenia można całkowicie pominąć w uproszczonych obliczeniach inżynierskich, z korzyścią dla bezpieczeństwa konstrukcji.

 

Więzi ciągłe o sztywnościach kξ i kϑ odwzorowują stosunkowo złożony, nieliniowy charakter rzeczywistej współpracy mechanicznej poszycia z elementem podpierającym, w obowiązującej normie projektowania konstrukcji cienkościennych PN-EN 1993-1-3:2008 [2] więzi te oznaczono symbolami Sid i CD.

Stężenie tworzące więź translacyjną jest najczęściej ukształtowane w postaci pasma blachy trapezowej albo pasma płyt warstwowych, usytuowanego między sąsiednimi zginanymi lub ściskanymi elementami konstrukcyjnymi obarczonymi wstępnymi imperfekcjami łukowymi.

O odkształcalności tej więzi w główniej mierze decyduje zatem nie sztywność podłużna poszycia, lecz jego sztywność postaciowa S oraz odkształcalność połączeń między poszyciem a elementem nośnym i między sąsiednimi arkuszami (płytami) poszycia.

Tworzone przez poszycie więzi translacyjne i rotacyjne współdziałają ze sobą i stabilizują element wsporczy.

Jeżeli poszycie jest zamocowane do pasa ściskanego, to w zależności od wartości sztywności postaciowej S można oczekiwać dwojakiego rodzaju współpracy wymienionych więzi.

Gdy sztywność postaciowa S jest wystarczająca do zapewnienia pełnego stężenia elementu wsporczego i odwzorowuje w modelu wymuszoną oś obrotu, to przemieszczenia rotacyjne nie wystąpią i sztywność rotacyjna kϑ nie zostanie „aktywowana”.

Jeśli sztywność postaciowa S nie wystarcza do uzyskania pełnego stężenia elementu podpierającego, mogą się pojawić deformacje skrętne i sztywność rotacyjna kϑ „aktywuje się” i stabilizuje dodatkowo element podpierający.

Uzyskanie pełnego stężenia elementu podpierającego poszycie jest możliwe zarówno przez spełnienie warunku minimalnej sztywności postaciowej:

                S > Smin  (1)

jak i warunku minimalnej sztywności rotacyjnej:

                           (2)

Formuły pozwalające na określenie wartości minimalnych sztywności Smin i Cϑ, k,min podano w załączniku BB.2 normy PN-EN1993-1-1:2006/A1:2014-07 [12]:

gdzie:

E, G – odpowiednio moduł sprężystości i moduł sprężystości przy ścinaniu,

Iw – wycinkowy moment bezwładności profilu stężanego poszyciem,

IT – moment bezwładności przy skręcaniu swobodnym,

Iz – moment bezwładności względem osi „słabej”,

L – rozpiętość belki stężanej,

h – wysokość belki stężanej,

oraz:

  (4)

gdzie:

Mpl, k – wartość charakterystyczna nośności plastycznej przekroju belki przy zginaniu,

EIz – sztywność giętna w płaszczyźnie osi „słabej” przekroju,

Kν  współczynnik zależny od rodzaju analizy: 0,35 w przypadku analizy sprężystej oraz 1,0 w przypadku analizy plastycznej,

Kϑ – współczynnik zależny od rozkładu momentów zginających i podparcia bocznego pasa ściskanego (TABELA 1).

Wartości współczynnika Kϑ z TABELI 1 odpowiadające pasowi ściskanemu zamocowanemu nieprzesuwnie można przyjmować do obliczeń wtedy, gdy spełniony zostanie warunek (3).

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 3/2015

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Uszczelnij dach! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Dobra robota zaczyna się od dobrego materiału... ZOBACZ »


Łatwa hydroizolacja dachu bez mieszania i odmierzania »

Gdzie stosować izolację polimocznikową?

Wymagania dotyczące dachów płaskich będą zawsze kompleksowe. Już od dawna dachy płaskie stają się „dachami użytkowymi“, przykładowo dla urządzeń fotowoltaicznych, klimatyzacyjnych, wymienników ciepła i wielu innych...
czytaj dalej »

Być może wciąż zastanawiasz się czy Twoja firma powinna zainwestować w posadzki epoksydowe? Jeśli szukasz odpowiedniego materiału na podłogę w hali produkcyjnej... czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Uszczelnianie dachu - to warto wiedzieć »

Zarabiaj pieniądze sprzedając prąd »

Przeczytaj, zanim zdecydujesz się na zakup konkretnego materiału. czytaj dalej » Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego... czytaj dalej »

Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Akustyczne płyty ścienne i sufitowe »

Energooszczędne płyty warstwowe z izolacją z wełny mineralnej o unikalnych właściwościach przeciwpożarowych i strukturalnych...  czytaj dalej »


Jak przyspieszyć prace budowlane?

Zobacz, jak możesz zaoszczędzić czas (i pieniądze). Uzyskaj bezpłatną wycenę materiałów w 48 godzin!  czytaj dalej »


Jak ochronić przed wodą podpiwniczenia i fundamenty?

Wykańczasz dom i potrzebne Ci wysokiej jakości materiały?

W przypadku aplikacji na podłożach wykazujących mikropęknięcia, przy wykonywaniu izolacji wodoszczelnej wanien...
czytaj dalej »

Dopasuj rozwiązanie do Twoich potrzeb i rodzaju wykonywach prac... czytaj dalej »


Jak trwale zabezpieczyć budynki przed wodą?

Skutecznie zabezpiecz budowane konstrukcje przed pożarem »

Rozwijamy kreatywne rozwiązania dla osiągniecia pożądanego sukcesu nawet w przypadku specjalnych projektów czytaj dalej » Masywne elementy budowlane w starych obiektach często nie spełniają wymagań przeciwpożarowych określonych w obowiązujących przepisach. czytaj dalej »

Chcesz ograniczyć straty ciepła z budynku? Zobacz »


W obecnych czasach rosnące ceny energii cieplnej i elektrycznej skłaniają do analizy strat ciepła w budynkach mieszkalnych. Jedynym sposobem ograniczenia kosztów jest... ZOBACZ »



dr inż. Izabela Tylek
dr inż. Izabela Tylek
Izabela Tylek , absolwentka Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej. Pracuje na Politechnice Krakowskiej od 2002 r., obecnie jako adiunkt w Katedrze Konstrukcji Metalowych. Główną dzie... więcej »
dr inż. Krzysztof Kuchta
dr inż. Krzysztof Kuchta
Krzysztof Kuchta , absolwent Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej. Pracuje na Politechnice Krakowskiej od 2002 r., obecnie jako adiunkt w Katedrze Konstrukcji Metalowych. Główną dzi... więcej »
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Triflex Polska Triflex Polska
Triflex zyskał na rynku europejskim pozycję lidera w zakresie opracowywania, kompleksowego doradztwa oraz zastosowania uszczelnień i powłok...
6/2019

Aktualny numer:

Izolacje 6/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Problemy eksploatacyjne tynków wewnętrznych
  • - Warunki techniczne robót murarskich
Zobacz szczegóły
Jaką technologię wykonania tarasu wybrać w naszym klimacie?

Jaką technologię wykonania tarasu wybrać w naszym klimacie?

Zarówno w starych, jak i nowo wzniesionych budynkach coraz częściej można zauważyć bardzo zły stan balkonów i tarasów. Dlaczego tak się dzieje?
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.