Problemy projektowe i wykonawcze związane z obudową z płyt warstwowych

Producenci paneli warstwowych mają z reguły odpowiednie aprobaty, które pozwalają na stosowanie ich wyrobów w budownictwie.

Aprobaty te nie obejmują niestety systemów mocowania paneli do konstrukcji wsporczych lekkiej obudowy, mimo że odbiegają one od po­łączeń standardowych stosowanych w konstrukcjach metalowych.

Na dodatek połączenia te ze względu na swoją specyfikę, nie mogą być trak­towane jak te, które stosowane są w lekkiej obudowie z blach trapezowych. Decyduje o tym rdzeń paneli warstwowych, który charakteryzuje się dużo mniejszą od okładzin sztywnością i wytrzymałością.

Konsekwencją tego jest m.in. mniejsza nośność połączeń z wa­runku na przerwanie okładziny przez łeb łącznika, a co najważniejsze - konieczność określa­nia nośności obliczeniowej na podstawie stanu granicznego użytkowalności, co możliwe jest w zasadzie tylko przez badania doświadczalne.

Połączenia pośrednie na zaczepy z blach

Badania pośrednich połączeń paneli warstwowych z ryglami ściennymi, w których zastosowano łączniki śrubowe, prowadzono na połączeniach wzorowanych na obiekcie rzeczywistym. W połączeniach tych zastosowano zaczepy z blach w sposób niezalecany. W przypadku takiego wykonania decydują one o nośności połączenia [1], [2].

Na RYS. 1 i RYS. 2 pokazano rozważane połączenia, w których zaczepy z blach zastosowano w sposób niezalecany i zalecany.

Stanowisko badawcze zaprojektowano tak, by mogło służyć do przeprowadzania badań na modelach stanowiących odwzorowanie rzeczywistych rozwiązań konstrukcyjnych.

W przypadku badania połączeń na zaczepy z blach jako konstrukcję wsporczą, do której mocowano panele warstwowe, zastosowano belkę złożoną z dwóch ceowników zwykłych 140, połączonych w płaszczyźnie półek przewiązkami (RYS. 3). Łączniki pośrednie w badanych połączeniach zaczepiano o dolne półki ceowników w połowie ich rozpiętości.

Modele połączeń na zaczepy z blach wykonano z odcinków różnych paneli warstwowych o rdzeniu z poliuretanu i styropianu. Mocowano je do stalowej belki dwoma połączeniami, rozmieszczonymi symetrycznie względem osi poprzecznej paneli.

Przemieszczenia modeli rejestrowano za pomocą dwóch czujników zegarowych o dokładności 0,01 mm i zakresie 50 mm, rozmieszczonych symetrycznie w osi zaczepów z blach (RYS. 3).

We wszystkich próbach obciążenie realizowano w kilku etapach, ze stopniowym jego wzrostem do coraz to większych wartości, stosując po każdym etapie odciążenie w zasadzie do zera. Tak prowadzone badania pozwoliły na określenie obciążenia granicznego, przy którym następuje zniszczenie połączenia, oraz ustalenie nośności z warunku użytkowalności.

Pierwszy model to połączenie wykonane w sposób zalecany (RYS. 2), z zastosowaniem panelu warstwowego 60. W połączeniu tym śruby umieszczono względem siebie w odległości ok. 330 mm. Model drugi wykonano podobnie jak pierwszy, lecz zastosowano panel 75.

W modelu trzecim natomiast przyjęto panel jak w modelu drugim, lecz połączenie zostało zrealizowane w sposób niezalecany (RYS. 1), w celu porównania wyników z pracą "Badania śrubowych połączeń z konstrukcją lekkiej obudowy z płyt warstwowych" [3]. Śruby w tym modelu są oddalone od siebie o ok. 380 mm. W rozwiązaniu tym powstają większe momenty zginające w zaczepach z blach.

W pierwszym i drugim modelu zniszczenie połączeń następowało najczęściej przez przerwanie okładziny zewnętrznej paneli warstwowych przez łby śrub zamkowych, po czym zaczepy z blach zsuwały się z półek belki stanowiącej konstrukcję wsporczą. Zarówno zaczepy, jak i śruby zamkowe w większości prób po zniszczeniu połączenia pozostawały proste (FOT. 1).

W modelu trzecim natomiast, z połączeniami wykonanymi w sposób niezalecany, w żadnej próbie nie zanotowano przerwania okładziny zewnętrznej panelu przez łeb śruby.

Wszystkie elementy złączne, to znaczy śruby i zaczepy, ulegały trwałemu odkształceniu.

Podczas obciążania modelu stosunkowo szybko następował przyrost przemieszczeń bez zwiększania obciążenia, a także wyginanie się zaczepów z blach, co w efekcie doprowadzało do ich zsunięcia się z półek ceownika (FOT. 2).

Należy podkreślić, iż dla połączeń wykonanych w sposób zarówno zalecany, jak i niezalecany nie stwierdzono, by zniszczenie następowało równocześnie na obu połączeniach.

Jednoczesność zniszczenia była tylko pozorna, gdyż mniej wytężone połączenie szybko przejmowało obciążenie przypadające wcześniej na cały model. Wyniki badań zestawiono w TABELI 1.

Podane tam nośności i maksymalne przemieszczenia zostały wyznaczone jako średnie z trzech prób przeprowadzonych w każdej serii. Wartości te dotyczą całego modelu, złożonego z dwóch połączeń.

Wartości obliczeniowe ustalono z warunku użytkowalności. Założono jako dopuszczalne przemieszczenie sprężyste panelu w okolicy punktu mocowania z konstrukcją równe 2 mm, a trwałe 0,5 mm.

Zależność przemieszczenia od obciążenia, na przykładzie jednej serii badań kompletnego połączenia, przedstawiono na RYS. 4., RYS. 5. i RYS. 6.

Jeśli porównać przedstawione wyniki badań z otrzymanymi w pracy "Badania śrubowych połączeń z konstrukcją lekkiej obudowy z płyt warstwowych" [3], widać, że zniszczenie modeli połączeń na zaczepy z blach wykonanych w sposób niezalecany było podobne.

Polegało ono na wyczerpaniu nośności blach łączących, które po przekroczeniu zakresu pracy sprężystej odkształcały się plastycznie i zsuwały z półek ceowników. Niezalecany sposób montażu zaczepów z blachy obniża kilkakrotnie nośność połączenia w porównaniu z wykonanym w sposób zalecany.

Mechanizm zniszczenia w przypadku prawidłowo wykonanych podwójnych połączeń pośrednich na zaczepy z blach był podobny jak w przypadku połączeń bezpośrednich i polegał na przerwaniu okładziny paneli warstwowych przez łby pojedynczych łączników. Miało to jednak miejsce przy obciążeniach mniejszych od podwójnej nośności połączeń na pojedyncze łączniki [3].

Świadczy to m.in. o występowaniu nierównomiernego rozdziału obciążenia na połączenia w przypadku ich większej liczby. Uzasadnia to konieczność stosowania w takim przypadku współczynników niejednoczesności pracy połączeń proponowanych w normie PN-B­‑03230:1984 [4].

Połączenia bezpośrednie na śruby zamkowe i wkręty

W połączeniach bezpośrednich jako łączniki stosowane są śruby zamkowe, wkręty lub łączniki specjalne.

Po­łączenia te pokazano schematycznie na RYS. 7., RYS. 8. i RYS. 9.

W dalszej części artykułu przedstawiono wyniki badań doświadczalnych bezpośrednich połączeń z konstrukcją wsporczą lekkiej obudowy obiektów budowlanych z paneli warstwowych.

Badania obejmowały połączenia wykonane za pomocą śrub zamkowych i wkrętów, w zastosowaniu do paneli warstwowych o okładzinach z blach stalowych i rdzeniu ze styropianu lub spienionego poliuretanu (RYS. 10., RYS. 11., RYS. 12. i RYS. 13.).

Ograniczono się przy tym do obciążeń działających wzdłuż łączników, będących efektem odrywania elementów obudowy wskutek ssania wiatru. Program badań dostosowano do celu, jakim było określenie nośności granicznej rozważanych połączeń i warunku na przerwanie okładziny przez łeb łącznika, a także ich nośności obliczeniowej niezbędnej do projektowania.

Badania nośności połączeń paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą, zrealizowanych za pomocą śrub zamkowych lub wkrętów, prowadzono z wykorzystaniem przyrządu pokazanego na RYS. 14. Umożliwia on osiowe przekazywanie na połączenie kontrolowanego obciążenia za pośred­nictwem łącznika. Równoczesny pomiar od dołu, czujnikiem zegarowym o dokładności 0,01 mm i zakresie 50 mm, przemieszczenia łba łącznika, pozwalał na wyznaczenie obok siły nisz­czącej ścieżki równowagi statycznej połączenia.

W połączeniach na śruby zastosowano panele warstwowe pokazane na RYS. 10. i RYS. 12. oraz śruby zam­kowe M8×100 mm, których łby (w kształcie grzybka) miały średnicę 17 mm lub 19 mm. Trzpień śrub zamkowych w bezpośrednim sąsiedztwie łba ma przekrój kwadratowy o boku 8 mm, co wy­maga dostosowania doń otworów w okładzinie zewnętrznej paneli warstwowych. Sposób wy­konania tych otworów ma istotny wpływ na wartość siły niszczącej połączenie, przy której następuje przerwanie okładziny przez łeb śruby.

Obciążenie badanych połączeń realizowano w kilku etapach, ze stopniowym jego wzrostem do coraz to większych wartości, stosując po każdym etapie odciążenie do zera.

Tak prowadzone badania pozwalają na wyznaczenie obciążenia granicznego, przy którym następuje zniszczenie połączenia, oraz ustalenie nośności obliczeniowej z warunku zarówno znisz­czenia, jak i użytkowania.

Na RYS. 15. pokazano ścieżkę równowagi statycznej jednego z badanych połą­czeń, a w TAB. 2. i TAB. 3. zestawiono całość wyników opracowanych statystycznie przy założe­niu rozkładu normalnego, poziomu istotności a oraz wadliwości w. Odpowiednie nośności obliczeniowe wyznaczono przy tym w zależności od a, w oraz liczby próbek n, następująco [5]:

F_{i min} =   – t·s_Fi

przy i = n, u,

gdzie:

 – wartość średnia,

s_Fi – odchylenie standardowe,

t – wskaźnik tolerancji.

W przypadku nośności obliczeniowych z warunku zniszczenia przyjęto a = 0,05 oraz w = 0,135%. W przypadku natomiast odpowiednich nośności z warunku użytkowalności założono a = 0,10 oraz różne wadliwości w, uzależnione od przyjętych ograniczeń na przemiesz­czenia. Rozpatrzono przy tym trzy podane niżej kryteria dotyczące maksymalnych przemieszczeń sprężystych i trwałych oraz odpowiednie wadliwości:

• A – sprężyste 2,0 mm, trwałe 0,5 mm – wadliwość w = 10,0%,
• B – sprężyste 3,0 mm, trwałe 0,75 mm – wadliwość w = 5,0%,
• C – sprężyste 4,0 mm, trwałe 1,0 mm – wadliwość w = 2,275%.

Należy zaznaczyć, że nośności z warunku zniszczenia połączeń Fn zależą od grubości i wytrzymałości okładziny zewnętrznej paneli warstwowych (0,55 mm, St2 lub St0), średnicy łbów śrub (17–19 mm), a także dość wyraźnie od sposobu wykonania kwadratowych otworów w okładzinach zewnętrznych.

Siłom niszczącym towarzyszą przy tym znaczne odkształ­cenia okładziny wokół łbów śrub. Wyznaczone na tej podstawie nośności obliczeniowe Fn min wywołują zbyt duże odkształcenia, których nie można dopuścić ze względów użytkowalności. Zachodzi więc konieczność ustalenia nośności obliczeniowej badanych połą­czeń na podstawie kryterium użytkowalności. Wyniki odpowiednich obliczeń zestawiono w TAB. 3.

Z poszczególnych kryteriów otrzymano różne wartości nośności obliczeniowych. Dla celów praktycznych najlepsze wydaje się kryterium B, z którego otrzymuje się Fu min = 1,3 kN.

Połączenia paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą lekkiej obudowy wykonane z zastosowaniem wkrętów badano podobnie jak omówione wcześniej połączenia na śruby zamkowe z zastosowaniem m.in. przyrządu pokazanego na RYS. 14. Badania obejmowały jednak większą liczbę połączeń, co pozwoliło dokonać oceny wpływu na nośność zarówno średnicy i mate­riału podkładek, jak i usytuowania wkrętów w stosunku do wyprofilowania okładziny (środek fałdy lub bruzdy, skraj panelu).

W połączeniach zastosowano wszystkie panele warstwowe pokazane na RYS. 10., RYS. 11., RYS. 12. i RYS. 13. oraz wkręty samogwintujące i samowiercące różnych firm [6].

Podstawowa różnica między wkrętami, oprócz długości, które muszą być dobrane stosownie do grubości paneli warstwowych, tkwiła w materiale i średnicy podkładek stykających się z okładziną zewnętrzną. Te niepozorne elementy mają istotny wpływ na nośność połączeń. Inaczej było z usytuowaniem wkrętów względem wyprofilowania okładziny ze­wnętrznej.

Przeprowadzone badania wykazały, że nie ma to większego wpływu na nośność połączeń. Biorąc pod uwagę skuteczność uszczelnienia połączenia, najkorzystniejsze wydaje się więc umieszczanie wkrętów w środku fałdy okładziny.

Zachowanie się połączeń na wkręty podczas badań było w zasadzie takie samo jak w przypadku śrub zamkowych. Dotyczy to zarówno mechanizmu zniszczenia, jak i zależności między obciążeniem a przemieszczeniem łbów. W związku z tym analizy wyników badań przeprowadzono analogicznie jak poprzednio.

Na RYS. 16. pokazano ścieżkę równowagi statycznej jednego z badanych połą­czeń, a w TAB. 4. i TAB. 5. zestawiono całość wyników opracowanych statystycznie.

Analizując wyniki zestawione w TAB. 4., widzimy wpływ materiału i średnicy podkładki wkrętów na nośności obliczeniowe z warunku zniszczenia. Podobnie jednak jak w przypadku śrub zamkowych, wyznaczone tu nośności obliczeniowe nie mogą być przyjęte do projekto­wania ze względu na zbyt duże przemieszczenia.

Nośności obliczeniowe wkrętów z warunku użytkowania zestawiono w TAB. 5. Nośno­ści te są zdecydowanie mniejsze od obliczonych w TAB. 4. Warto ponadto zwrócić uwagę, że nośności wkrętów ze stalowymi podkładkami o średnicy 22 mm są w zasadzie takie same, jak wkrętów z podkładkami o średnicy 19 mm. Wskazuje to na brak celowości stoso­wania w przypadku wkrętów podkładek stalowych o średnicy większej niż 19 mm. Dla celów praktycznych najlepsze wydaje się kryterium B, w oparciu o które otrzymuje się dla wkrętów z podkładkami:

• aluminiowymi o średnicy 19 mm – F_{u min} = 0,6 kN,
• stalowymi o średnicy 16 mm – F_{u min} = 0,7 kN,
• stalowymi o średnicach 19 mm i 22 mm – F_{u min} = 0,9 kN.

Wnioski szczegółowe z badań połączeń

Zniszczenie modeli połączeń pośrednich na zaczepy z blach wykonanych w sposób niezalecany polegało na wyczerpaniu nośności blach łączących. Niezalecany sposób montażu zaczepów z blachy zdecydowanie obniża nośność połączenia w porównaniu z wykonanym w sposób zalecany.

Osiągnięcie nośności granicznej analizowanych połączeń pośrednich jest poprzedzone dużymi deformacjami trwałymi w ich obrębie, co nie jest dopuszczalne ze względów użytkowych. W związku z tym proponowane nośności obliczeniowe badanych połączeń są zdecydowanie mniejsze od granicznych.

Ścieżki równowagi statycznej bezpośrednich połączeń na śruby zamkowe i wkręty w sytuacji odrywania paneli warstwowych lekkiej obudowy od konstrukcji wspor­czych są wyraźnie nieli­niowe i wykazują duży udział odkształceń trwałych. W efekcie nośności oblicze­niowe wyznaczone z warunku zniszczenia tracą znaczenie praktyczne na rzecz odpowiednich nośności z warunku użytkowalności (granicznych przemieszczeń trwałych i sprężystych).

Badania połączeń bezpośrednich, w odróżnieniu od badań połączeń pośrednich, były na tyle liczne, że dały możliwość wyznaczenia dla połączeń nośności obliczeniowych z warunku użytkowalności w oparciu o obliczenia statystyczne (TAB. 6).

Połączenia na łącz­niki specjalne FL, które są bardzo atrakcyjne ze względu na brak punktowych mostków termicznych, można stosować jedynie do paneli warstwowych z rdzeniem poliuretanowym, których wykonanie daje gwarancję uzyskania odpowiedniej przyczep­ności okładziny do rdzenia, co eliminuje mechanizm zniszcze­nia przez oderwanie okładziny od rdzenia. Powstawaniu takiego mechanizmu zniszczenia sprzyjać będzie zwiększająca się liczba łączników na szerokości paneli warstwowych.

Wyniki badań połączeń zarówno bezpośrednich, jak i pośrednich z dwoma połączeniami, w porównaniu z odpowied­nimi wynikami dla pojedynczych połączeń, wskazują na występowanie nierów­nomiernego rozkładu obciążenia na połączenia. Uzasadnia to celowość stosowania w takim przypadku współczynników niejednoczesności pracy połączeń propono­wanych w normie PN­‑B­‑03230:1984 [4].

Literatura

1. B. Gosowski, P. Mazurowski, M. Kubów, "Nośność pośrednich połączeń płyt warstwowych z konstrukcją wsporczą", II Konferencja Naukowa "Badania nośności granicznej konstrukcji metalowych", Wrocław – Karpacz 2001, s. 93-100.
2. B. Gosowski, P. Mazurowski, P. Wilczewski, "Badania pośrednich połączeń płyt warstwowych lekkiej obudowy z konstrukcją wsporczą", "Inżynieria i Budownictwo", 3/2003, s. 155-158.
3. B. Gosowski, E. Kubica, "Badania śrubowych połączeń z konstrukcją lekkiej obudowy z płyt warstwowych", "Inżynieria i Budownictwo", 11/1999, s. 635–638.
4. PN-B-03230:1984, "Lekkie ściany osłonowe i przekrycia dachowe z płyt warstwowych i żebrowych. Obliczenia statyczne i projektowanie".
5. B. Gosowski, P. Wilczewski, "Badania bezpośrednich połączeń płyt warstwowych lekkiej obudowy z konstrukcją wsporczą", VIII Konferencja Naukowa "Połączenia i węzły w konstrukcjach metalowych", Olsztyn - Łańsk 2003, "Konstrukcje Stalowe", 5/2003, s. 43.
6. B. Gosowski, E. Kubica, "Badania laboratoryjne konstrukcji metalowych", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012, s. 294.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!