Dach w każdym budynku, niezależnie od jego rozmiarów jest niebywale istotnym elementem, który wraz ze ścianami tworzy wygrodzenie kubatury wewnętrznej obiektu chroniąc ją przed zewnętrznymi zjawiskami atmosferycznymi. Dach, jako część budynku spoczywający nad głowami jego użytkowników zalega powszechnie w świadomości społecznej jako jeden z najważniejszych elementów konstrukcji obiektu. To przekonanie jest jak najbardziej słuszne, a w przypadku obiektów przemysłowych stanowi niekiedy trudne zagadnienie techniczne. Dach hali stalowej może zostać rozwiązany na wiele sposobów. W dalszej części tekstu przybliżone zostaną zarówno rodzaje dachów w hali stalowej a także aspekty techniczne i użytkowe, które mają wpływ na ostateczną jego formę. Przytoczone zostaną zalety i wady każdego z możliwych rozwiązań, oraz aspekty techniczne i użytkowe, które często decydują o wyborze właściwego rozwiązania.
Rodzaje konstrukcji dachu hali stalowej
Wyróżnia się dwa główne rodzaje konstrukcji dachu hali stalowej – konstrukcję blachownicową i kratownicową. W konstrukcji blachownicowej głównymi elementami konstrukcyjnymi są belki, które zwyczajowo posiadają kształt dwuteownika, wykonanego z blach płaskich, które łączy się w procesie spawania. Dwuteowe belki dachowe, powstałe w wyniku spawania blach nazywa się dźwigarami blachownicowymi bądź dźwigarami pełnościennymi. Powtarzalne ramy konstrukcji hali, których głównymi elementami dachu są właśnie dźwigary blachownicowe rozstawiane są zwyczajowo w odległościach od 5 do 7.6 metra. Rozstawy mniejsze utrudniają komunikację z uwagi na wąskie światło pozostawione dla bram wjazdowych. Z kolei ograniczenie górne podyktowane jest koniecznością wykonania obudowy ścian oraz zaprojektowania drugorzędowej konstrukcji dachu (prostopadłej do głównych dźwigarów) omawianej w dalszej części tekstu. Blachownice mogą osiągać skrajnie różne rozpiętości, od dosyć małych wynoszących około 6-8 metrów, do bardzo dużych, przekraczających nawet 70 metrów. Ta kolosalna różnica w rozpiętościach, jakie osiągają dźwigary blachownicowe ma swoje konsekwencje w znaczącym wzroście ich wysokości gabarytowej, grubości blach stalowych, z których je wykonano jak i konieczności dokładania dodatkowych ustrojów stężających tak wysokie i wąskie (a więc wiotkie) elementy nośne dachu. Bardzo często okazuje się więc, że dźwigary blachownicowe o bardzo dużych rozpiętościach są elementami względnie ciężkimi a więc i mało ekonomicznymi. Dźwigary blachownicowe stanowiące tak zwaną pierwszorzędową (a więc główną i najważniejszą) konstrukcję dachu współpracują z położonymi na nich w kierunku prostopadłym belkami dachowymi potocznie nazywanymi płatwiami. Płatwie dachowe w przypadku hali stalowej projektowane być mogą jako wyroby hutnicze (dwuteowniki) lecz o wiele częściej, z uwagi na chęć redukowania masy własnej (a więc i ceny) konstrukcji, projektuje się płatwie z profili giętych na zimno. Płatwie wykonane z profili giętych na zimno przyjmują najczęściej kształt litery Z (potocznie zetowniki), oraz w charakterystycznych miejscach dachu hali stalowej wykorzystuje się profile C oraz G a ich grubości zazwyczaj nie przekraczają 2.5 – 3.0 mm. Płatwie stanowią bezpośrednie oparcie dla poszycia dachu hali stalowej, które wykonuje się z blachy trapezowej o grubościach od 0.7 do 1.5 mm. Płatwie dachowe w przypadku dachu blachownicowego rozstawia się dosyć gęsto: co 1 – 2 metry gdyż pełnią również dodatkową rolę stężeń dachu, a w szczególności zabezpieczają główne dźwigary blachownicowe przed utratą stateczności. W efekcie końcowym, dzięki gęstemu rozstawowi płatwi, dźwigar jest odpowiednio zabezpieczony przed niepożądanymi efektami utraty stateczności (co zwiększa jego projektowaną nośność, zmniejsza masę własną a więc korzystnie wpływa na jego cenę) a blacha dachowa jest dosyć niska i cienka a więc odpowiednio tańsza.
Drugim rozwiązaniem konstrukcji dachu hali stalowej jest konstrukcja kratownicowa. Kratownica jest ustrojem połączonych ze sobą wzajemnie prętów, które w porównaniu z dźwigarem blachownicowym, są wielokrotnie cieńsze i smuklejsze. Typowa kratownica dachowa jest elementem płaskim co znaczy, że wszystkie jej pręty tworzą jedną płaszczyznę. Kratownice dachowe zbudowane są z pasa dolnego i górnego, które połączone są ze sobą prętami potocznie nazywanymi skratowaniami. Punkty styku skratowań z pasami dolnymi i górnymi dostosowuje się do konkretnego projektu, tak jak gabaryty i rodzaj każdego profilu pręta indywidualnie do schematów sił wewnętrznych w nim panujących. Bardzo częstą praktyką w konstruowaniu dachów z kratownic jest przyjęcie schematu, w którym dźwigary kratowe rozstawione w odległości nie większej niż 6.0 m stanowią bezpośrednie oparcie dla blachy trapezowej. W takim przypadku od blachy trapezowej oczekuje się większej nośności, przez co często jest odpowiednio grubsza i wyższa (np. 130 mm) ale unika się konieczności dokładania konstrukcji z płatwi giętych na zimno co prowadzi do racjonalnego wykorzystania materiału.
Dźwigar pełnościenny czy dźwigar kratownicowy?
Kratownicowe dachy hal stalowych mogą osiągać bardzo duże rozpiętości, przy jednocześnie bardzo często mniejszej masie własnej niż konstrukcja zbudowana z dźwigarów pełnościennych. Ich kolejną zaletą jest łatwiejsze prowadzenie podwieszanych do dachu instalacji, gdyż dźwigary kratownicowe są elementami bardzo ażurowymi, a więc posiadają liczne puste przestrzenie dużych gabarytów, które umożliwiają prowadzenie instalacji pomiędzy elementami skratowania. W przypadku dźwigarów pełnościennych istnieje oczywiście możliwość zaprojektowania otworów technologicznych, jednakże każdy z nich stanowi naturalne osłabienie dźwigara pełnościennego, a więc ilość tych otworów powinna być odpowiednio przemyślana tak jak ich lokalizacja i gabaryt. Często zdarza się, że prace nad projektami branżowymi instalacji wentylacji, instalacji elektrycznej, odwodnienia dachu i innych są poprzedzone projektem konstrukcji głównej, a więc niekiedy trudno jest przewidzieć odpowiednie rozmieszczenie i gabaryty wspomnianych przejść technologicznych w konstrukcji. Z tego punktu widzenia dźwigary kratownicowe pozwalają na zdecydowanie większą swobodę w rozmieszczaniu instalacji podwieszanych pod dachem, a w efekcie do ich bardziej optymalnego zaprojektowania.
Konstrukcje kratownicowe nie są jednak pozbawione wad. Do jednej z głównych niewątpliwie należy ich gabaryt. Dźwigar kratownicowy w stosunku do dźwigara pełnościennego tej samej długości jest zazwyczaj wyższy (nawet dwu- trzykrotnie). Jest to aspekt istotny w przypadku hal magazynowych a w szczególności hal wysokiego składowania, dla których składowanie towarów odbywa się w systemach regałowych sięgających niemalże spodu konstrukcji dachu. W przypadku kiedy konstrukcja dachu wykonana jest z dźwigarów kratownicowych użytkowa wysokość hali zostaje zaniżona o dodatkowe pół metra, metr, bądź nawet dwa metry, co sprawia, że kubatura hali nie jest w pełni wykorzystana, co okazuje się istotne z punktu widzenia kosztów eksploatacji obiektu, w którym należy utrzymywać pożądaną temperaturę częściowo permanentnie pustej i niewykorzystanej przestrzeni pod dachem.
Jednakże nie tylko aspekty użytkowe decydują o wyborze rodzaju konstrukcji. Bardzo istotnym aspektem w doborze odpowiedniego rozwiązania jest właściwe zestawienie obciążeń na dach hali stalowej uwzględniające między innymi oddziaływania środowiskowe, obciążenia technologiczne ale również ocieplenie dachu hali.
Warstwy dachu hali stalowej
Dach hali stalowej to nie tylko konstrukcja utrzymująca ciężar śniegu, wytrzymująca napór wiatru czy zabezpieczająca przed opadami deszczu. Pokrycie dachu hali stalowej jest równie istotne. Co więcej, wpływa też na samą konstrukcję i jej kształt. Dach pełni między innymi rolę termoizolacyjną. Dobór termoizolacji dachu hali stalowej jest istotnym czynnikiem z wielu punktów widzenia. W pierwszej kolejności należy wziąć pod uwagę, że oferowane na rynku materiały termoizolacyjne różnią się między sobą swoim ciężarem własnym. Dostępne i powszechnie stosowane są materiały takie jak wełna mineralna, charakteryzująca się gęstością od 60 do 150 kg/m3 (w przypadku dachowych płyt wełnianych), ale również takie jak styropian czy PIR (poliizocyjanuran), które są znacznie lżejsze a ich gęstość wynosi od 15 do 30 kg/m3. Co warte uwagi, nie zawsze lżejsza izolacja oznacza tańszą i lżejszą konstrukcję. W przypadku stalowych konstrukcji dachu hali zdarza się bowiem, że bardzo lekka konstrukcja dachu, na której spoczywa mało obciążenia doznaje efektu podrywania od wiatru, na który to efekt trzeba ją dodatkowo wzmacniać i zabezpieczać zwiększając w efekcie jej masę. Paradoksalnie więc dopuszczalny jest scenariusz, w którym cięższa izolacja, lub grubsza warstwa izolacji sprawi, że masa konstrukcji dachu będzie mniejsza. Tym samym pokrycie dachu hali stalowej może wpłynąć realnie na jej całkowity ciężar.
Pokrycie dachu hali stalowej to również aspekty ochrony przeciwpożarowej, a dobór materiału izolacji termicznej musi spełniać wymagania odpowiednich przepisów dotyczących nierozprzestrzeniania ognia w zależności od klasy odporności pożarowej budynku i jego elementów.
Izolacje przeciwwodne dachu hali stalowej wykonuje się zazwyczaj z membran PVC, których zewnętrzna warstwa odporna jest na promieniowanie UV zapewniając odpowiednią trwałość. Alternatywnym rozwiązaniem jest również wykonanie izolacji przeciwwodnej z papy i mas bitumicznych. Oba rozwiązania (PVC i papy) są dopuszczalne i praktycznie zamiennie. Należy mieć jednak na uwadze, że papa i membrana PCV charakteryzują się inną chropowatością powierzchni – stawiają inny opór spływającej wodzie. Dla dachów projektowanych „pod membranę” wystarczy zapewnić spadek dachu wynoszący nie mniej niż 2%, a w przypadku papy dobrze jest zachować minimalny spadek dachu wynoszący 5%. Widać, że wybór izolacji przeciwwodnej dachu wpływa na całkowitą wysokość obiektu (lub w drugą stronę – dla określonej wysokości całkowitej zmniejsza się jego wysokość użytkowa) a w przypadku konstrukcji o dużych rozpiętościach, dla których odległość między kalenicą a koszem (najwyższym i najniższym punktem dachu) jest duża, wpływ ten jest odpowiednio większy. Na koniec warto jedynie dodać, że rozwiązań tych nie należy bezpośrednio łączyć – to znaczy nie należy uszczelniać dachu jednocześnie membraną PCV i papą, gdyż związki zawarte w papie i masach bitumicznych silnie degradują materiał, z którego wykonana jest membrana PCV.
Jakie rozwiązanie wybrać?
Dobór odpowiedniego pokrycia dachu hali stalowej jest zagadnieniem złożonym z wielu aspektów. Wpływ na właściwe rozwiązanie techniczne mają nie tylko geometria obiektu i rozpiętości konstrukcyjne ale również lokalizacja, od której zależą obciążenia środowiskowe, wyposażenie budynku które definiuje obciążenia instalacyjne, odrębne przepisy ochrony przeciwpożarowej a także wyposażenie dodatkowe takie jak instalacja fotowoltaiczna umieszczona na dachu, w przypadku której odpowiedni rzeczoznawca bądź towarzystwo ubezpieczeniowe postawi dodatkowe wymagania w odniesieniu do warstw dachu hali stalowej.
Zainteresował Cię ten temat? Zapraszamy zatem do lektury artykułu Pokrycie dachowe hali przemysłowej
Przykładowe realizacje Commercecon
Przykładem hali stalowej o ryglach dachowych pełnościennych jest realizacja rozlewni wody mineralnej Długopolanka w Starej Łomnicy. Dwunawowa konstrukcja hali zaprojektowana została w postaci rygli pełnościennych o zmiennej wysokości, na których oparto płatwie zimnogięte (Zetowe), a poszycie dachu stanowiła blacha trapezowa. Rozstaw głównych ram wynosił 7.30 m a całkowita wysokość hali ponad 11 metrów. Pomimo znaczącej rozpiętości konstrukcyjnej wynoszącej 2 x 30 m dzięki zastosowaniu rozwiązania dźwigarów z blachownic osiągnięto bardzo niską wysokość konstrukcji stalowej dachu, która w najwyższym miejscu wynosiła około 1,35 m.
Przykładem hali stalowej o dachowych dźwigarach kratowych jest realizacja hali Hatrans w Łodzi. Konstrukcja dachu zaprojektowana została jako dwunawowa, z rozrzedzonymi słupami wewnętrznymi (co drugi słup wewnętrzny). Płatwie kratowe o rozpiętości ponad 19 metrów (19.10 m) charakteryzowały się wysokością gabarytową około 2.0 m. Co druga para kratownic schodząca się w linii środkowej hali oparta była na słupach, a co druga na podciągu kratowym o analogicznej wysokości gabarytowej i wynikowej rozpiętości konstrukcyjnej 12.00 m (2 x 6.00 m). Z uwagi na wspólną deformację płatwi i podciągu pod wpływem obciążenia konieczne było silne ograniczenie ugięć konstrukcji. W tej roli lepiej sprawdzają się stalowe ustroje kratownicowe, które zachowują bardzo dobrą sztywność (doznają małych ugięć) przy bardzo niskim zużyciu stali – dlatego znalazły zastosowanie na tym obiekcie.
