STAN AWARYJNY KONSTRUKCJI DACHOWEJ Z RYGLAMI O FALISTYM ŚRODNIKU.pdf

Dr hab. inŜ. Aleksander KOZŁOWSKI, prof. PRz, kozlowsk@prz.edu.pl

Dr inŜ. Lucjan ŚLĘCZKA, sleczka@prz.edu.pl

Politechnika Rzeszowska

STAN AWARYJNY KONSTRUKCJI DACHOWEJ Z RYGLAMI

O FALISTYM Ś RODNIKU

FAILURE STATE OF ROOF STRUCTURE WITH CORRUGATED WEB’S GIRDERS

Streszczenie Dźwigary z falistym środnikiem są stosowane w Polsce od kilku lat, od czasu gdy ich produkcja

została zapoczątkowana w Rudzie Śląskiej przez firmę GZP . Takie dźwigary posiadają sinusoidalny kształt

środnika, o długości fali równej 155 mm i amplitudzie ±20 mm, a jego grubości wynoszą jedynie t w =2,0; 2,5 lub

3,0 mm. DuŜa smukłość środnika (h w /t w do 600) czyni je znacznie lŜejszymi w porównaniu do zwykłych

blachownic z płaskim środnikiem, ale określenie nośności i sztywności dźwigara z pofałdowanym środnikiem

moŜe sprawiać trudności. Referat opisuje stan awaryjny konstrukcji dachowej, z dźwigarami o falistym

środniku, wywołany przekroczeniem nośności środnika na docisk. Opisano przyczyny awarii oraz sposób jej

usunięcia.

Abstract Steel composed girders with sinusoidally shaped web are commonly used in Poland for a few years,

when their production was started in Ruda Śląska under Zeman license. Such girders are produced with web

thickness t w =2,0; 2,5 or 3,0 mm only, with the length of wave equal to 155 mm and wave amplitude ±20 mm.

Very high web’s slenderness (h w /t w up to 600) makes them much lighter in comparison to girders with flat web,

but thin, corrugated web makes additional difficulties during design stage. Paper deals with failure state of roof

structure with corrugated web’s girders caused by failure of web under local concentration load. Reasons of

failure and also the way of strengthening has been described.

1. Wprowadzenie

Postęp technologiczny w dziedzinie budownictwa, w tym w konstrukcjach stalowych

przejawia się we wprowadzaniu nowych wyrobów, elementów i systemów konstrukcyjnych.

Nowe rozwiązania charakteryzują się mniejszym zuŜyciem materiałów i lepszą

technologicznością, co ma na celu zwiększenie ich konkurencyjności. Projektowanie

konstrukcji o innowacyjnych rozwiązaniach wymaga jednak od projektanta szczególnej

wnikliwości i ostroŜności, szczególnie wobec niepełnych danych do projektowania, norm

i wytycznych.

Przykładem nowoczesnego wyrobu przemysłu konstrukcji stalowych są blachownice z

falistym środnikiem, produkowane w Hucie Pokój. Mogą być z nich projektowane słupy,

rygle a takŜe płatwie. Badania i analiza nośności elementów z blachownic z falistym

środnikiem były przedmiotem wielu prac, m.in. [1], [2], [3], [4]. Projektowanie tych

elementów wykonuje się według wytycznych [5] oraz według [6]. Nośność na zginanie

oblicza się przy załoŜeniu, Ŝe napręŜenia normalne w całości przenoszą pasy blachownicy, a

nośność na ścinanie przy załoŜeniu, Ŝe napręŜenia tnące przenoszone są przez falisty środnik.

623

Największy problem występuje przy ocenie nośności takich blachownic na obciąŜenia

skupione, np. w miejscu podpór. Poświęcono temu kilka prac [1], [3], [7].

Błędna ocena przez projektanta wytęŜenia strefy podporowej blachownicy z falistym

środnikiem była przyczyną stanu awaryjnego konstrukcji dachowej nowo wybudowanej hali

produkcyjnej w jednym z miast Podkarpacia.

2. Opis konstrukcji hali

Hala produkcyjna o wymiarach w planie 240 x 62 m i wysokości w kalenicy 8,7 m,

wykonana jest jako budynek parterowy z dachem jednospadowym o nachyleniu 3%. W

połowie długości hali zastosowano dylatację. W przyszłości przewiduje się dobudowę do

ściany podłuŜnej (w osi D) następnej części hali o tych samych wymiarach.

Konstrukcja hali jest mieszana, Ŝelbetowo-stalowa: fundamenty, ściany osłonowe i słupy

wykonane są w konstrukcji Ŝelbetowej, konstrukcja nośna przekrycia: dźwigary główne,

płatwie i blacha pokrycia – stalowe (rys. 1).

Rys. 1. Analizowana hala: a) główny układ poprzeczny, b) widok wnętrza hali

624

Rozstaw słupów w kierunku podłuŜnym wynosi 12,0 m, w kierunku poprzecznym:

18-26-18 m, rozstaw płatwi jest zmienny i wynosi od 3,75 do 4,0 m. Słupy nośne, Ŝelbetowe

z betonu B25 o wymiarach 30x40 cm, wykonano jako prefabrykowane, osadzane w

kielichowych stopach fundamentowych.

Płatwie zaprojektowano jako kratowe o rozpiętości 12 m, z prętów o przekroju rur

kwadratowych i prostokątnych. Przekrycie dachu składa się z nośnej blachy fałdowej

TR-84x0,75, na której zastosowano ocieplenie z wełny mineralnej twardej 15 cm oraz

pokrycie z dwóch warstw papy termozgrzewalnej.

Głównym elementem nośnym konstrukcji dachowej jest dźwigar blachownicowy z

falistym środnikiem typu SIN produkcji Huty Pokój, zaprojektowany jako ciągły element

3-przęsłowy, oparty na słupach Ŝelbetowych. Zastosowano następujące przekroje:

WTB 1500-300x15 na elementy pośrednie i WTB 1500-220x15 na elementy nośne

umieszczone w ścianach szczytowych i układach przydylatacyjnych. Dźwigary zostały

podzielone na pięć odcinków montaŜowych o długości ok. 12,5 m kaŜdy. Styki

poszczególnych części wykonano jako śrubowe, doczołowe, z dodatkowymi nakładkami na

dolnym i górnym pasie blachownicy. Blachy czołowe i blachy nakładek wykonano o grubości

12 mm, stosując śruby M20 kl. 5.8. W styku doczołowym zastosowano 22 śruby, w stykach

zakładkowych po 4 śruby. Na podporach blachownic zastosowano „Ŝeberka podporowe” jako

dwa nie stykające się bezpośrednio ze środnikiem słupki z pojedynczych kątowników, po obu

stronach środnika. Są to kątowniki L 60x6 na podporach skrajnych (osie D i G) i kątowniki

L 40x4 na podporach pośrednich (osie E i F), spawane obustronnie do dolnego i górnego pasa

blachownicy. Blachownice oparto na słupach Ŝelbetowych za pośrednictwem poziomo

ułoŜonych prętów Ø 30, jako „płytek centrujących”. Pręty te są spawane do blach

głowicowych osadzanych przed betonowaniem na końcach słupów, w postaci marek.

3. Opis stanu awaryjnego

W dniu 21 grudnia 2005 r. zauwaŜono znaczne deformacje (dochodzące do 6 cm)

blachownic w strefie podpór wewnętrznych (osie E i F), czyli oparcia blachownic na słupach

środkowych. Nastąpiło zmiaŜdŜenie falistego środnika blachownicy na długości ok. 30-40 cm

(rys. 2).

Rys. 2. Zgniecenie blach falistego środnika na podporze środkowej

625

Dalsze narastanie tych deformacji i nieuchronne zniszczenie dźwigarów łącznie z

zawaleniem się dachu, zostało powstrzymane przez oparcie się zdeformowanego dolnego

pasa blachownicy na krawędziach blach głowicowych słupów Ŝelbetowych (rys. 3), co

rozłoŜyło punktowe obciąŜenie strefy podporowej na strefę o szerokości równej szerokości

słupa.

Rys. 3. Oparcie zdeformowanego pasa dolnego na krawędziach słupa betonowego i wyboczenie wiotkich

słupków podporowych

Jednocześnie nastąpiło znaczne wyboczenie wiotkich słupków podporowych - „Ŝeberek”

wykonanych z kątownika L 40x4 (rys. 3).

Nie stwierdzono podobnych deformacji na podporach skrajnych, ani na podporach

środkowych w dźwigarach przydylatacyjnych i skrajnych. Nie stwierdzono takŜe innych

uszkodzeń, odkształceń czy ugięć innych elementów konstrukcyjnych hali głównej.

4. Wyt ęŜ enie ś rodnika rygla podczas awarii

4.1. Oszacowanie obci ąŜ enia ś niegiem

Grubość pokrywy śnieŜnej zalegającej na dachu w dniu awarii wynosiła, według

oświadczenia kierownika budowy, 30 - 35 cm, co odpowiada dolnej wartości zakresu

obciąŜenia śniegiem w IV strefie klimatycznej, w której jest zlokalizowany budynek. Dane te

zostały potwierdzone przez Regionalną Stację Hydrologiczno-Meterologiczną Instytutu

Meteorologii i Gospodarki Wodnej, wg której grubość pokrywy śnieŜnej w dniach 20÷22

grudnia wynosiła od 30 do 37 cm. Zawartość wody w pokrywie śnieŜnej (27-69 mm)

powodowała obciąŜenie śniegiem o wartości do 0,69 kN/m 2 . Wartość charakterystyczna

obciąŜenia śniegiem gruntu wg zaleceń normy [8] wynosi w miejscu lokalizacji budynku

0,69 kN/m 2 , co wskazuje, Ŝe obciąŜenie śniegiem w dniu awarii nie miało charakteru

wyjątkowego.

4.2. No ś no ść falistego ś rodnika pod obci ąŜ eniem skupionym

Zaobserwowane formy zniszczenia i konstrukcja węzłów podporowych wyraźnie

wskazywały na formę zniszczenia przez docisk siłą skupioną do środnika. Oparcie dźwigara

na pręcie okrągłym Ø 30 powodowało bardzo skupione przekazanie reakcji podporowej na

626

środnik dźwigara. Obliczeniowa nośność środnika falistego według [5] moŜe być określana

na podstawie PN-90/B-03200 [9] według następującej zaleŜności:

(1)

gdzie: c

k - jest współczynnikiem obliczanym z zaleŜności

c - jest szerokością

f - wytrzymałością obliczeniową stali.

W wypadku zastosowanego dźwigara WTB 1500-300x15 opartego na pręcie Ø 30 nośność

ta moŜe być określona jako

t - jest grubością środnika, a d

. Wpływ kątowników, jako „Ŝeber usztywniających”

jako niewielki pominięto. Formuła ta daje jednak zaniŜone wartości nośności w stosunku do

wyników badań doświadczalnych [3], [5].

Inną propozycją oszacowania nośności środników falistych pod obciąŜeniem skupionym

jest formuła Pasternaka-Brańki [1]:

P Rc 48

(2)

W - jest spręŜystym wskaźnikiem wytrzymałości pasa obciąŜonego siłą skupioną na

zginanie w płaszczyźnie dźwigara, y

I - jest moment bezwładności pojedynczej fali względem

osi podłuŜnej dźwigara, f - jest amplitudą fali środnika, pozostałe oznaczenia jak wyŜej.

Korzystając z powyŜszej zaleŜności obliczeniowa nośność środnika na obciąŜenie

skupione w wypadku rozpatrywanego dźwigara została określona na poziomie

Obliczona dla obciąŜeń w dniu awarii wartość obliczeniowa (charakterystyczna) reakcji na

środkowej podporze wynosiła

139

R B

356

(

283

, a na podporze skrajnej

R A

106

(

. Nośność dwu kątowników, obliczona jako nośność prętów osiowo

, a więc o taką wartość moŜna zmniejszyć reakcję

podporową, działającą jako siła skupiona bezpośrednio na środnik.

Porównując nośność określoną wzorem (2) ze zredukowaną reakcją działającą na środnik

widać, Ŝe nośność na podporze środkowej została znacząco przekroczona, natomiast na

podporach skrajnych warunek nośności był spełniony – co odpowiada zaobserwowanemu

występowaniu stref zgniecenia środnika na podporach środkowych i braku uszkodzeń na

podporach skrajnych. Dodatkowym czynnikiem wpływającym degradująco na nośność w

obszarze podpór środkowych była interakcja podporowego momentu zginającego i nośności

środnika na docisk.

N L

4.3. Analiza MES wyt ęŜ enia strefy podporowej rygla

Celem weryfikacji nośności uzyskanych za pomocą wzorów (1) i (2) wykonano obliczenia

programem ADINA 8.3. Zamodelowano fragment dźwigara o całkowitej długości ok.

3700 mm, w strefie podpory wewnętrznej. Do modelowania uŜyto elementów powłokowych,

czterowęzłowych. Po dokonaniu wstępnego studium zbieŜności rozwiązania, ostatecznie

zastosowano podział środnika w obszarze docisku na dwadzieścia elementów skończonych po

długości jednej fali oraz sto dwadzieścia elementów na wysokości środnika, z dodatkowym

zagęszczeniem dolnej części, gdzie następuje docisk. Zgodnie z [6] zastosowano materiał

627

, o

rozdziału obciąŜenia, w

gdzie:

P Rc

ściskanych wynosi

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: