Elementy konstrukcyjne hali stalowej
Hale stalowe są jednymi z najbardziej popularnych obiektów budownictwa przemysłowego. Z tego też powodu elementy konstrukcyjne hali stalowej są bardzo dobrze poznane i opisane w wielu źródłach literaturowych, co pozwala na optymalne wykorzystanie ich nośności. Elementy hali stalowej można podzielić, dość umownie, na dwie grupy pod względem roli jaką pełnią w konstrukcji:
- konstrukcja pierwszorzędowa (słupy i rygle główne),
- konstrukcja drugorzędowa (płatwie, stężenia, słupy ściany szczytowej, konstrukcja ryglowa).
Konstrukcja nośna hali stalowej to w większości przypadków ramowy, płaski układ konstrukcyjny. Hala powstaje poprzez kilkukrotne powielenie wspomnianej ramy względem jej osi podłużnej. Każda rama składa się ze słupów głównych, które podpierają główne dźwigary dachowe. Hale mogą być jedno lub wielokondygnacyjne, jednonawowe lub składać się z kilku naw co oczywiście wpływa na ilość słupów i rygli.
Słupy są przegubowo połączone z fundamentem, a dokładniej mówiąc oparte przegubowo na stopach fundamentowych przy użyciu kotew stalowych. Sztywność ramy zapewniona jest przez zaprojektowanie sztywnego jej naroża (miejsce połączenia między ryglem a słupem). Powoduje to, że układ ramowy jest stateczny (stabilny) w swojej płaszczyźnie. Przystępując do doboru profili słupów stalowych mamy do wyboru kilka rodzajów rozwiązań. Elementy te można wykonać z profili gorącowalcowanych (IPE, HEB, HEA) lub spawanych blachownic. Oba rozwiązania mają swoje wady i zalety. Atutem pierwszego podejścia jest fakt, że elementy te zakupuje się jako gotowe produkty, ale wykorzystanie stali jest mniej efektywne. Stosując blachownice (o stałym lub zmiennym przekroju) trzeba liczyć się z kosztami wynikającymi z czasu i pracochłonności ich wykonania. Natomiast w zamian otrzymuje się element niemal optymalny pod kątem efektywności wykorzystania stali. Słupy konstrukcji głównej racjonalnie jest projektować ze stali S355.
Podstawowym i zarazem oczywistym zadaniem dźwigarów dachowych jest podtrzymywanie warstw dachowych oraz przenoszenie obciążeń od wiatru, śniegu oraz obciążeń technologicznych. Możemy je podzielić na dwa typy. Pierwszy rodzaj to rygle pełnościenne, czyli belkowe elementy hali wykonane z profili walcowanych na gorąco (IPE, HEB, HEA) albo z elementów spawanych tzw. blachownica. Stosuje się stal S355. Jej koszt jest około 10-15% wyższy niż stali S235, natomiast zyski na nośności mogą sięgać 30-40%. Blachownice mogą być projektowane jako belki o stałej wysokości przekroju lub też o zmiennej wysokości (tzw. belki o zbieżnym środniku). O wyborze między belką walcowaną a blachownicą decyduje jej rozpiętość oraz przyjęte obciążenia. Dla typowej stalowej hali o rozstawie słupów rzędu 12-16 m odpowiednim rozwiązaniem będzie rygiel z profilu walcowanego na gorąca. Natomiast jeśli dach jest silnie obciążony, a dodatkowo jego rozpiętość przekracza wartość 16-18 m, wtedy Projektant powinien rozważyć zastosowanie przekroju spawanego. Ustrój ten, za sprawą dowolnie kształtowanej geometrii (wysokość belki, grubość i szerokość pasów), może przenosić bardzo duże siły wewnętrzne występujące w ramie. Oczywiście trzeba zdawać sobie sprawę, że blachownicowe belki stalowe muszą zostać indywidualnie wykonane w wytwórni, co powoduje, że ich produkcja jest dłuższa i bardziej kosztowna. Stosując profile gorącowalcowane uproszczenie polega na tym, że wymagają one jedynie docięcia długości oraz owiercenia. Drugim typem ustroju nośnego są dźwigary kratownicowe. Elementy te znajdą zastosowanie w halach o rozstawie słupów przekraczającym 20-24 m. Jest to umowna rozpiętość, powyżej której stosowanie kratownicy jest rozwiązaniem lżejszym niż belki pełnościennej. Istotna, z punktu widzenia kubatury oraz samej funkcjonalności hali, jest wysokość kratownicy. Zwykle przyjmuje się ją w przedziale 1/10-1/12 rozpiętości. Zatem dla hali o rozstawie słupów np. 24 m, należy przewidzieć, że kratownica „zabierze” około 2 m z przestrzeni pod dachem. Jednocześnie tak znacząca wysokość podnosi sztywność konstrukcji oraz zmniejsza ugięcia dachu. Dokładniejszy opis wiązarów kratownicowych można znaleźć w innych opracowaniach Poradnika Inwestora.
Płatwie dachowe to kolejny istotny element hali stalowej. Stanowią one podbudowę dla elementów pokrycia dachu (blacha trapezowa, płyty warstwowe). Płatwie mogą być położone na dźwigarach dachowych albo być rozpięte między nimi. Mogą być projektowane jako belki ciągłe, wieloprzęsłowe jak i wolnopodparte. Jeśli rozstaw ram jest mniejszy niż 8 m, wtedy płatew można wykonać z profili gorącowalcowanych IPE lub HEA. Jeśli płatew ma mieć rozpiętość 8-15 m, to wtedy elementy te wykonuje się jako kratownice. Ich kształtowanie jest bardzo zróżnicowane. Można stosować profile z rur kwadratowych, z rur okrągłych, dwuteowniki (zwykle HEA). Ustrój kratownicowy, przy znacznych rozpiętościach, będzie zawsze lżejszym rozwiązaniem, niż belka walcowana lub spawana. Obecnie projektuje się elementy hali stalowej w taki sposób, aby zużycie materiału na m2 było jak najbardziej ekonomiczne. Zastosowanie płatwi z blach giętych na zimno (zetowniki, ceowniki, sigma) pozwala znacząco zredukować masę konstrukcji. Natomiast jest to rozwiązanie droższe oraz wymagające wykonania większej ilości obliczeń na etapie doboru profilu. Pewnym uproszczeniem i udogodnieniem są kalkulatory lub tablice doboru odpowiedniego przekroju oferowane przez producentów. Stosowana jest stal o granicy plastyczności 355MPa (S355) lub S350 w przypadku profili zimnogiętych.
Wcześniej wspomniano, że stateczność głównej ramy hali stalowej jest zapewniona przez zastosowanie sztywnego połączenia w narożu przy jednoczesnym przegubowym oparciu słupów na stopach fundamentowych. Warto zadać sobie pytanie co zapewnia sztywność ramy z jej płaszczyzny? Inaczej mówiąc co powoduje, że rama główna pozostaje w pozycji pionowej mimo przegubowego podparcia na stopach fundamentowych? Elementami za to odpowiedzialnymi jest układ stężeń ściennych, dachowych (tzw. tężnik połaciowy poprzeczny) oraz pionowych tężników podłużnych. Są to elementy hali stalowej wykonane zwykle w kształcie litery „X”, umiejscowione w przedskrajnych polach hali (między drugą a trzecią ramą licząc od końców hali). W większości przypadków są to elementy wykonane z prętów pełnych D12÷D30, które mogą przenosić jedynie siły rozciągające. Z tego też powodu warto wykonać je ze stali S355, którą cechuje właśnie większa wytrzymałość na rozciąganie niż np. stal S235. Hale magazynowe oraz hale produkcyjne często wyposażone są w suwnice natorowe lub podwieszane do konstrukcji dachu. Jest to związane z koniecznością transportowania magazynowanych elementów, produkowanych towarów lub napraw ciężkich urządzeń technologicznych, które muszą być zdemontowane i wysłane do serwisu. W czasie wielokrotnych przejazdów suwnicy, które odbywają się wzdłuż hali, generowane są obciążenia dynamiczne, powodujące zmiany naprężeń w konstrukcji hali. Z tego powodu stężenia w takich halach wykonuje się z prętów, które poza rozciąganiem mogą przenosić również siły ściskające. W takich sytuacja stosuje się profile z rury kwadratowej lub rury okrągłej. Eliminuje to konieczność częstego naciągania wiotkich stężeń prętowych wykonanych z pręta pełnego. Szerszy opis układu stężającego halę stalową znajdziemy w Poradniku Inwestora. Będąc przy temacie suwnic i transportu w hali należy wspomnieć o elementach, które nie zawsze występują w hali stalowej, czyli o belkach podsuwnicowych, po których porusza się suwnica (jeśli występuje). Z reguły są to elementy jednoprzęsłowe o schemacie belki wolnopodpartej. Wykonuje się je z profili szerokostopowych HEB lub HEA, a przy większych udźwigach suwnicy również z profilli spawanych dwuteowych. Można stosować stal S235, ponieważ, ze względu na schemat statyczny, zwykle decydujące jest ugięcie belki a nie jej nośność.
Słupy ściany szczytowej są to pionowe elementy zlokalizowane w skrajnych ramach hali. U podstawy są przegubowo podparte na stopach fundamentowych, a ich wierzchołek jest również przegubowo połączony z ryglem dachowym (tzw. słup wahaczowy). Elementy te pełnią kilka istotnych ról w konstrukcji. Podpierają one rygiel ściany szczytowej, co powoduje, że rygle ściany szczytowej mają schemat statyczny belki wieloprzęsłowej, a co za tym idzie mogą być wykonane z dużo mniejszych profili (zwykle HEA) niż rygle bardziej obciążonych ram wewnętrznych. Dodatkowo słupy ram skrajnych przejmują obciążenie od wiatru wiejącego na ścianę szczytową (parcie oraz ssanie wiatru). Pełnią one również funkcję podparcia dla obudowy hali. Słupy ściany szczytowej projektuje się zwykle z profili walcowanych na gorąco HEA ze stali S235 lub S355.
Konstrukcja ryglowa to elementy hali stalowej wykonywane z rur kwadratowych lub prostokątnych, zlokalizowanych między ramami głównymi oraz między słupami ściany szczytowej. Służą one do podparcia obudowy hali (głównie przy pionowym układzie obudowy), ale również jako podpory dla stolarki ściennej, drzwiowej i bramowej. Są to elementy wykonywane ze stali S235JR. Dla tej grupy elementów nie zachodzi potrzeba stosowania wyższych gatunków stali, ponieważ zwykle ich nośność nie jest mocno wykorzystana.
Wszystkie wymienione elementy prefabrykowane są w wytwórni konstrukcji stalowych, a następnie transportowane na plac budowy jako tzw. elementy wysyłkowe. Hala z gotowych elementów wysyłkowych może być zmontowana w bardzo krótkim czasie, przy użyciu śrub, a tym samym szybko oddana do użytkowania.
