Przekrycia cięgnowo-membranowe

Konstrukcje cięgnowe są dziś synonimem nowoczesności: celowości i logiki dzieła- jako wymóg ekonomiczności i zamierzenia twórcy: w budowlach wielkich przekryć pokonywania wielkich rozpiętości. W kategoriach nowoczesności mieści się także bicie rekordów w tym zakresie (Tofil, 2010). Konstrukcje cięgnowe są stosowane miedzy innymi w: mostach wiszących i powieszonych,  halach widowiskowo-sportowych, pawilonach wystawowych, dworcach i hangarach, masztach i kominach  z odciągami,  wyciągach narciarskich i kolejkach linowych, napowietrznych liniach energetycznych, urządzeniach do transportu ludzi i materiału (Kurzawa, 2011).  Konstrukcje cięgnowe coraz częściej występują wraz z przekryciami membranowymi, wykonanymi z nowoczesnych, trwałych i wytrzymałych materiałów tekstylnych – tkanin technicznych. Konstrukcje cięgnowe znamienne są tym, że pojedyncze cięgno (lina) doskonale nierozciągliwe i nieskończenie wiotkie o niezerowej masie swobodnie zwisające pomiędzy dwiema podporami w jednorodnym polu grawitacyjnym, przyjmuje prosty kształt krzywej łańcuchowej, danej równaniem:

$y=a \cdot cosh \left(\cfrac{x}{a}\right)$

Krzywa łańcuchowa

Rys.1. Krzywa łańcuchowa

(Wikipedia, 2015)

W równaniu krzywej łacuchoej i na rys . 1  x, y są współrzędną i rzędną, natomiast a zależy od warunków brzegowych i jest rzędną najniższego punktu krzywej.

Krzywa łańcuchowa jest przedmiotem wielu opracowań, np: (Kordos, 2006), (Pęcak, 2009), (Wikipedia, 2015). W opracowaniach tych wyczerpująco przedstawiono sens fizyczny i mechaniczny krzywej lańcuchowej. Wyprowdzenie równanie ciągna (krzywej łańcuchowej, zwanej katenoidą) zawiera artykuł Statyka cięgna.

Wprowadzenie

Przekrycia konstrukcjami cięgnowymi są często połączone z materiałami membranowymi, a utworzone w ten sposób konstrukcje cięgnowo-membranowe od 40 lat nabierają coraz większego znaczenia w  architekturze i inżynierii w tym w przekryciach hal i galerii.

Na rys. 2 przedstawiono przykład realizacji przekrycia cięgnowo-membranowego w amfiteatrze widowiskowym, na rys.3 zadaszenie  na dworcu PKP we Wrocławiu, na rys.4 zadaszenie hali wystawowej, a na rys. 5 zadaszenie hali magazynowej.

Zadaszenie cięgnowo-membranowe amfiteatru Kadzielnia w Kielcach

Rys.2. Zadaszenie cięgnowo-membranowe amfiteatru Kadzielnia w Kielcach

(K2 Engineering, Kowal, 2015)
Zadaszenie cięgnowo-membranowe na dworcu PKP we Wrocławiu

Rys.3. Zadaszenie cięgnowo-membranowe na dworcu PKP we Wrocławiu

 (K2 Engineering, Kowal, 2015)
Kopuła hali wystawowej Millenium Dome w konstrukcji cięgnowo-membranowej

Rys.4. Kopuła hali wystawowej Millenium Dome w konstrukcji cięgnowo-membranowej

 (Wikipedia, 2015)
Przekrycie membranowe hali magazynowej

Rys.5. Przekrycie membranowe hali magazynowej

(ArchiExpo, 2015)

Konstrukcje cięgnowe

Typy, podstawowe zalety i wady konstrukcji cięgnowych

Zastosowania konstrukcji cięgnowych umożliwia: dużą swobodę w kształtowaniu bryły budynku,  możliwość otrzymania dużej rozpiętość i powierzchni i niewielki ciężar konstrukcji, który zawdzięczamy wysokiej wytrzymałości materiału jak też występowania w cięgnach optymalnego układu sił, czyli wyłącznie sił rozciągających. Niestety lekkość samego układu cięgnowego dla równowagi prowadzi do:  dużych  obciążeń fundamentów i bloków kotwiących, skomplikowanego wykonawstwa ze względu na konieczność ustalenia właściwej geometrii i stężenia ustroju, a także sprężenia i kotwienia cięgien pod dużym naciągiem.

W praktycznych sytuacjach należy użyć bardzo specjalistycznego sprzętu z wysokokwalifikowanym i doświadczonym zespołem inżynierów oraz techników. Z powodu bardzo silnych nieliniowości geometrycznych klasyczne metody projektowania zawodzą i należy stosować metody półodwrotne (zgadywania poprawnej geometrii i sprężania cięgien, a następnie sprawdzania podstawowych równań teorii sprężystości (Navier’a, Cauchy’ego i Hooka). Kolejne iteracje prowadzone są ręcznie  z użyciem programów komputerowych, np. (Sofistic AG, 2008). Takie obliczenia są żmudne, wymagają dobrej znajomości teorii oraz zachowania konstrukcji linowo-membranowych i są prowadzone przez wyspecjalizowane ośrodki i inżynierów.

Na rys. 6 pokazano często stosowane kształty dwukrzywiznowych przekryć cięgnowych, które opisano w tab.1. pracy (Chodor, Powałek, 2015).

 Kształty przekryć cięgnowych

Rys.6 Często stosowane kształty przekryć cięgnowych

 Podstawowe rodzaje konstrukcji cięgnowych , to:

Pojedyncze cięgna, gdzie elementem nośnym są pojedyncze cięgna (rys.7), tworzące wiązkę cięgien ułożonych  równolegle lub radialnie i zakotwionych w konstrukcji wsporczej. Zabezpieczając strukturę przed ujemnymi wpływami ssania wiatru, pokrycie musi mieć duży ciężar własny, co zmniejsza walory ekonomiczne.

Przekrycie z pojedynczego cięgna

Rys.7 Warianty przekrycia z pojedynczego cięgna

 (Pałkowski, 2009)

Płaskie wiązary cięgnowe zwane też kratownicami (dźwigarami) Jawertha (rys.8), w których zastosowano cięgna napinające pojedyncze cięgna (nośne), otrzymując napięty płaski dźwigar cięgnowy. Napięcie znacznie ogranicza przemieszczenia wywołane nierównomiernym obciążeniem oraz poprawia wrażliwość ustroju na drgania wywołane porywami i ssaniem wiatru.

Wiązary cięgnowe płaskie

Rys.8 Wiązary cięgnowe płaskie

(Pałkowski, 2009)

Powierzchniowe siatki cięgnowe (rys.9),  składają się z cięgien: nośnych i napinających rozpiętych na zakrzywionej powierzchni w odróżnieniu od wiązarów płaskich. Obydwa rodzaje cięgien są kotwione w dźwigarze brzegowym, który oprócz oparcia na fundamencie przytrzymywany jest na obwodzie słupami lub odciągami.

Powierzchniowe siatki cięgnowe

Rys.9 Powierzchniowe siatki cięgnowe

(Pałkowski, 2009)

Szczególnym rodzajem konstrukcji cięgnowych są:

Mosty wiszące (rys.10), odznaczają się bardzo elastyczną formą. Ustrój nośny stanowią dwa kable wsparte na wysokich pylonach do którego zostaje podwieszany najczęściej żelbetowy lub stalowy pomost.

Mosty wiszące

Rys.10 Mosty wiszące

 (Pałkowski, 2009)

Mosty podwieszane (zwane wantowymi) są formą przejściową pomiędzy  mostem tradycyjnym a mostem wiszącym. Ustrój nośny stanowią ukośne liny (rozmieszczone na ogół w kształcie wachlarza) zamocowane do wysokich pylonów, których kształty mogą być bardzo zróżnicowane (rys.11).

Mosty podwieszane

Rys.11 Mosty podwieszane

 (Pałkowski, 2009)

Tab.1. Podstawowe rodzaje przekryć cięgnowych  (opracowano na podstawie )

RysunekPowierzchniaOpis
Kow1SiodłowaObiekty sportowe
Kow2HiperbolicznaPawilony wystawowe
Kow3SiodłowaHale sportowe i widowiskowe
Kow4SiodłowaHale sportowe i widowiskowe
Kow5CylindrycznaTeatry, kina

Cięgna

Cięgna są elementami o dużej nośności na rozciąganie i niewielkiej  sztywności na zginanie, to znaczy nie przenoszą momentów zginających oraz sił ściskających. Cięgna, zbliżone do ideału pod względem małej sztywności na zginanie, nazywane się cięgnami wiotkimi, wykonywanymi  jako druty lub splotki w trzech grupach A, B i C (tab. 2). Cięgna sztywne wykonane z kształtowników stalowych i obciążone siłami rozciągającymi zdolne są przenosić również momenty zginające, ale jest to traktowane pobocznie i z reguły prowadzi do zmniejszenia efektywności materiałowej elementu.

Tab.2. Grupy i rodzaje cięgien
Tab.1.1. (PN-EN 1993-1-11, 2008)Tab.1 PN-EN

Cięgna poprzez zastosowanie specjalnych połączeń z konstrukcją, powinny być przystosowane do regulacji i wymiany podczas eksploatacji budowli w którą są wbudowane. Wymóg ten sprawia, że cięgna są na ogół prefabrykowane i dostarczane na budowę łącznie z konstrukcją wsporczą. Właśnie takie regulowane i wymienialne cięgna są przedmiotem podstawowej normy do projektowania konstrukcji cięgnowych (PN-EN 1993-1-11, 2008).
Cięgna, które nie spełniają wymogu regulacji i wymienności stosowane są głównie w mostach podwieszanych lub mostach sprężanych i z reguły  nie są stosowane w przekryciach budowli.

Do wyrobów grupy A wg tab.2, zalicza się się również pręty okrągłe zakończone gwintem (stężenia dachów, ścian i dźwigarów, odciągi dachów i pylonów, systemy cięgien do kratownic drewniano-stalowych oraz konstrukcji stalowych płaskich i przestrzennych).

Cięgna grupy B składają się z drutów, których końce są zakotwione w tulejach zaciskowych lub innych końcówkach i są produkowane w zakresie średnic od 5 mm do 160 mm (PN-EN 12385-2+A1, 2008).

Cięgna  grupy C wymagają indywidualnego lub zbiorczego zakotwienia i szczególnej ochrony przed korozją.

Liny splotkowe jednozwite stosuje się jako: odciągi masztów antenowych, kominów przemysłowych, innych masztów i mostów; cięgna nośne i brzegowe w konstrukcjach lekkich; wieszaki lub cięgna główne w mostach podwieszonych;cięgna stabilizujące w siatkach cięgnowych oraz kratownicach. Liny zamknięte stosuje się w zakresie średnic od 20 do 180 mm, głównie na: odciągi i cięgna główne w konstrukcjach mostowych; cięgna główne i stabilizujące w kratownicach cięgnowych; odciągi pylonów i masztów; cięgna brzegowe w siatkach cięgnowych. Liny splotkowe stosuje się jako: odciągi masztów; wieszaki w mostach podwieszonych; cięgna tłumiące i stabilizujące pomiędzy odciągami; cięgna brzegowe w membranach z tkanin. Wiązki równoległych splotek stosuje się jako odciągi w mostach stalowych i zespolonych, cięgna główne w mostach podwieszonych oraz zewnętrzne.

Splotka (żyła) jest elementem liny, składającym się z drutów o odpowiednim kształcie i wymiarach, splecionych helisoidalnie w tym samym lub przeciwnych kierunkach, w jednej lub kilku warstwach wokół rdzenia. Lina splotkowa (wielozwita) jest zespołem splotek splecionych helisoidalnie w jednej (lina jednowarstwowa) lub kilku warstwach wokół rdzenia lub środka (lina nieodkrętna lub o równoległym ułożeniu splotek). Lina jednozwita (spiralna) jest zespołem co najmniej dwóch warstw drutów splecionych helisoidalnie wokół drutu centralnego. Lina zamknięta jest liną jednozwitą z zewnętrzną warstwą prętów zetowych. Cięgno jest głównym elementem rozciąganym w konstrukcji (np. w moście wantowym) i składa się z liny, splotki lub wiązki równoległych drutów lub splotek.

Na rys. 12 pokazano najczęściej występujące rodzaje lin stalowych.

Rodzaje lin stalowych

Rys.12. Rodzaje lin stalowych: a) splotkowa (wielozwita), b) spiralna zwarta, c) spiralna zamknięta, d) kabel złożony z pojedynczych drutów lub lin

Do oceny trwałości cięgien stosuje się klasy ekspozycji podane w tab.3

Tab.3. Klasy ekspozycji cięgien
Tab.2.1. (PN-EN 1993-1-11, 2008)Tab.2 PN-EN

Ciężary jednostkowe  i współczynniki wypełnienia najczęściej stosowanych lin  zestawiono w tab.4. Współczynnik wypełnienia jest to stosunek sumarycznego nominalnego pola przekroju wszystkich drutów do pola wewnątrz obrysu, opartego na nominalnej średnicy liny. Ciężar jednostkowy jest ciężarem własnym jednostkowego odcinka liny, uwzględniający ciężar przekroju metalowego wraz z zabezpieczeniem antykorozyjnym.

Tab.4. Ciężary jednostkowe i współczynniki wypełnienia lin
Tab.2.2 (PN-EN 1993-1-11, 2008)Tab3 PN-EN

Stal na druty

Rys.13. Charakterystyka wytrzymałościowe różnych stali: 1 – stal S235, 2- stal S355, 3- stal na druty lin

 

Na rys.13 porównano charakterystykę wytrzymałościową typowe druta na liny z charakterystyką stali S235 i S355. Stal na druty lin ma wielokrotnie wyższą wytrzymałość od stali konstrukcyjnej.

Wytrzymałość charakterystyczną $f_y$ i $f_u$ dla stali konstrukcyjnej oraz $f_{0,2}$ lub $f_{o,1}$ i $f_u$ dla drutów przyjmuje się jak następuje:
dla stali zgodnie z (PN-EN 12056-3, 2002) i (PN-EN 1993-1-4, 2007),
dla drutów zgodnie z (PN-EN 10264-1 (U), 2012), (PN-EN 10028-2, 2010), (PN-EN 10264-3 (U), 2012) i (PN-EN 10264-4 (U), 2012),
dla lin  zgodnie z (PN-EN 12385-4, 2011), (PN-EN 12385-10+A1, 2008),
dla zakończeń lin stalowych zgodnie z (PN-EN 13411-3, 2007),
dla splotek zgodnie z (PN-EN 10138-3 (U), 2000).

Zalecane kategorie wytrzymałościowe lin są następujące:
druty stalowe okrągłe Rr=1770 MPa,
druty stalowe zetowe Rr=1570 MPa,
druty okrągłe ze stali nierdzewnej Rr=1450 MPa.
Wytrzymałość liny jest stowarzyszona z minimalną siłą zrywającą linę Fmin,  ale niekoniecznie odpowiada wytrzymałości drutów na rozciąganie.

Moduły sprężystości cięgien można przyjmować następująco:

  • cięgna grupy A:  E=210,0 GPa,  z wyjątkiem cięgien ze stali nierdzewnej, dla których należy stosować parametry wg (PN-EN 1993-1-4, 2007),
  •  cięgna grupy B: na podstawie badań w zależności od poziomu naprężeń oraz od tego, czy cięgno było przeciągnięte oraz obciążone i odciążone,
  • cięgna grupy C:  wg  (PN-EN 10138-3 (U), 2000),

Przy braku wyników badań doświadczalnych, w pierwszym przybliżeniu obliczeniowej procedury iteracyjnej dla cięgien grupy B i C, można przyjmować początkowy moduł sprężystości wg tab. 5.

Tab.5. Moduł sprężystości EQ odpowiadający obciążeniom zmiennym Q
Tab.3.1. (PN-EN 1993-1-11, 2008)Tab 4

Dla lin zamkniętych moduł sprężystości E można przyjmować według wykresu, rys. 3.1. (PN-EN 1993-1-11, 2008).

W przypadku analizy konstrukcji w trwałych sytuacjach obliczeniowych fazy eksploatacji stosuje się sieczny moduł sprężystości, wyznaczony w ten sposób, że bada się min 5 cykli obciążenia pomiędzy minimalną i maksymalną siła w cięgnie, wywołaną charakterystycznymi obciążeniami stałymi i zmiennymi.

Sztywności cięgien można wyznaczać, mnożąc moduł sprężystości E przez pole przekroju metalowego Am.

Cięgna grupy B należy przycinać na wymiar, ustalony dla określonego obciążenia zgodnie z pkt 3.4 , a długości i tolerancje wykonania należy ustalać zgodnie z pkt 3.5 (PN-EN 1993-1-11, 2008). Inne wymagania projektowe dla cięgien, w tym wymagania dotyczące transportu, przechowywania i montażu, terminologia i parametry cięgien stalowych, zakotwienia lin jednozwitych, i inne wymagania- podano w załącznikach A ,B i C do normy (PN-EN 1993-1-11, 2008).

Współczynnik rozszerzalności termicznej przyjmuje się:  αt=12·10-6/deg  dla drutów stalowych ze stali konstrukcyjnej; αt=16·10-6/deg dla drutów stalowych ze stali nierdzewnej.

W przypadku próbek krótkich o długości mniejszej niż 10-krotna długość zwoju uwzględnia się to, że pełzanie próbki jest mniejsze niż w przypadku długiego cięgna. Przy braku dokładnych danych, efekt ten można uwzględnić, przygotowując krótsze cięgna o 0,15 mm na każdy metr długości.

Zakotwienia cięgien

Zakotwienia cięgien są istotnym elementem konstrukcji cięgnowych: mają duży wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji cięgnowych, gdyż są najczęściej umiejscowione w miejscach największego wytężenia i jednocześnie są najdroższymi elementami. Ze względu na zróżnicowanie wymagań i technologii wyróżniamy zakotwienia:
  • cięgien sprężających (nośnych i napinających),
  • wieszaków,
  • cięgien wantowych.

Od zakotwień cięgien oczekuje się aby umożliwiały naciąg cięgna, a po jego zakończeniu zapewniały trwałe przenoszenie siły w cięgnie (utrzymanie siły naciągu oraz długości cięgna) przez cały okres użytkowania elementu i ponadto powinny zapewniać dokładne wprowadzenie w cięgno siły o projektowanej wartości.

Cięgna sprężające, zarówno grupy B jak i C, są zakończone tulejami zalewanymi metalem lub żywicą (PN-EN 13411-4, 2013), tulejami wypełnianymi zaprawą cementową;  pierścieniami ochronnymi (kauszami) i nasadkami (PN-EN 13411-3, 2007), końcówkami i złączami zaciskanymi; zaciskami linowymi kabłąkowymi (PN-EN 13411-5, 2009) lub zakotwieniami klinowymi wiązek drutów, formowanymi na zimno łbami drutów lub nakrętkami dla prętów.
Wieszaki umożliwiają proste i trwałe rozwiązania konstrukcyjne, ponieważ nie podlegają kontrolowanemu naciągowi na montażu i mogą być tradycyjnie przygotowane na warsztacie. Dlatego są chętnie i często stosowane przez wykonawców. Czasami podlegają kontrolowanemu naciągowi wstępnemu i wówczas stosuje się tradycyjne metody wprowadzania siły sprężenia, stosowane w konstrukcjach stalowych .
Cięgna wantowe są realizowane najczęściej w formie podwieszeń w mostach wantowych (podwieszanych). Wanta, to pochodzący z języka żeglarskiego termin określający olinowanie podtrzymujące maszt, złożone z wielu prawie równoległych lin. W tym przypadku fundamentalne znaczenie zyskuje wymaganie trwałości zmęczeniowej.

W każdej z grup wyróżnia się zakotwienia czynne i bierne. Zakotwienie czynne umożliwia naciąg drutów, splotów, prętów lub lin z możliwością regulacji siły. Zakotwienie bierne zapewnia utrzymanie pojedynczych drutów, splotów,prętów lub lin, ale bez możliwości regulacji naciągu.   Zakotwienia cięgien sprężających dzielimy ponadto na zakotwienia cięgien z drutów sprężających, zakotwienia cięgien ze splotów sprężających oraz zakotwienia cięgien prętowych.

Najczęściej stosowane typy zakotwień cięgien zestawiono w tab 6.

Tab.6. Najczęściej stosowane typy zakotwień cięgien (opracowano na podstawie  (Elamed, 2013) z własnymi poprawkami i uzupełnieniami oraz wymianą ilustracji)

NazwaOpisSzkic
CIĘGNA Z DRUTÓW SPRĘŻAJĄCYCH
Zakotwienie stożkowe


CZYNNE
Składa się z bloku kotwiącego w postaci elementu stalowego lub żelbetowego silnie uzwojonego lub umieszczonego w odcinku rury, ze stożkowym otwo-rem w środku, na którego powierzchni umieszczono spiralnie zwinięty drut, oraz ze stożka kotwiącego z podłużnymi kanałami na obwodzie. Zakotwienie stożkowe działa na zasadzie wciskania stożka między naciągnięte druty, a ostateczne zaklinowanie kabla następuje po zwolnieniu naciągu, gdy nastąpi poślizg stożka.
BIERNE
Zakotwienia klinowe oraz stożkowe mogą również pełnić rolę zakotwień biernych - z reguły nie stosuje się uproszczeń w konstrukcji zakotwienia.
Przodujący PRODUCENCI: Freyssinet, CCL
P1
P3


Zakotwienie główkowe

BIERNE
Składa się ze stalowego bloku w kształcie walca z szeregiem równoległych otworów przelotowych o średnicy nieco większej niż średnica drutów w kablu. Otwory są rozfryzowane. W otworach opierają się główki spęcznione na końcach drutów. Walcowy blok opiera się na płycie stalowej umieszczonej na czole sprężanej konstrukcji.
CZYNNE
W przypadku zakotwienia czynnego, powierzchnia pobocznicy walca jest gwintowana, a na niego jest nakręcona nakrętka większej średnicy, która pozwala regulować siłę w cięgnie i wówczas właśnie nakrętka opiera się na płycie oporowej w konstrukcji. Dzięki plastycznej obróbce na zimno, umożliwiającej zachowanie niewielkich rozmiarów główek, głowice kotwiące cechują stosunkowo niewielkie rozmiary.

Przodujący PRODUCENCI: BBR
P2
Główkowe3

Główkowe4
CIĘGNA ZE SPLOTÓW SPRĘŻAJĄCYCH
Zakotwienie szczękowe
BIERNE
Najczęściej spotykane zakotwienia cięgien złożonych ze splotów. Blok zakotwienia w kształcie walca opiera się na powierzchni bloku oporowego (stalowego lub żeliwnego), umieszczonego na powierzchni czołowej konstrukcji. Blok zakotwienia ma układ przelotowych otworów stożkowych o osiach równoległych lub zbieżnych z niewielkim kątem.
W każdym ze stożkowych otworów mieści się pojedynczy splot oraz obejmująca go stożkowa szczęka kotwiąca. Kotwienie bierne splotu jest zapewnione dzięki wpychaniu szczęk kotwiących do ich stożkowych otworów przy użyciu stalowych sprężyn, będących elementem zakotwienia.
CZYNNE
Zakotwienie czynne splotu uzyskuje się w ten sposób, że po osiągnięciu wymaganej siły naciągowej szczęki kotwiące są wpychane do ich stożkowych otworów przy użyciu tłoka kotwiącego w prasie naciągowej.

Szczęka kotwiąca była początkowo dwudzielna(VSL, BBR, DSI, SUSPA, AMSYSCO), następnie trójdzielna (Freyssinet, VT-M, Tensacciai, Alga, CCL, MK4).

Przodujący PRODUCENCI: BBR, BBV Systems, VSL, AMSYSCO VT-M, Freyssinet, TEN-SACCIAI, S.P.A., Alga S.p.A., CCL, MK4, DYWIDAG-Systems International
P6

Szczękowe 1

P5

P7
PRZYKŁADY:
⇒ Dywidag ETA-06/0022 – system sprężania z przyczepnością
⇒ BBR VT CONA CMI/CME to najbardziej rozpowszechniony rodzaj zakotwień kabli sprężających. Szczęki kotwiące składają się z trzech części, złączonych okrągłą sprężyną. Wykorzystywane mogą być wyłącznie siedmiodrutowe, stalowe sploty (liny) sprężające o średnicy 15,3 mm i 15,7 mm.
⇒ BBV L3-L31: Zakotwienie składa się z trąbki, wielopłaszczyznowego, żeliwnego korpusu lub płyty oporowej oraz głowicy kotwiącej. Cięgna stalowe kotwione są w głowicy kotwiącej za pomocą specjalnych klinów. Korpus zakotwienia lub płyta oporowa zapewniają równomierne rozłożenie naprężeń ściskających w betonie, zaś trąbka – właściwe ułożenie cięgien w strefie zakotwienia.
Zakotwienie wgłębne
BIERNE
Zakotwienia, których działanie jest oparte na przekazaniu siły z kabla na beton poprzez przyczepność lub docisk. Końcówki splotów w tych rozwiązaniach są rozplecione lub zakończone zaciskami plastycznymi, opartymi na stalowej blasze i są zabetonowane wewnątrz sprężanej konstrukcji.

Najczęściej spotyka się dwa rodzaje zakotwień: na zaciskach plastycznych (przykładowo Freyssinet typ N) lub tak zwane zakotwienia cebulkowe (Freyssinet typu G)

PRODUCENCI: wszystkie systemy sprężania
Wgłębne1

Wgłębne2
Zaciski plastyczne

BIERNE
Zakotwienie bierne wykorzystujące zaciski plastyczne służy do zakotwienia biernego splotów i lin. Zacisk
plastyczny to stalowa tuleja z odpowiednio dobranego materiału podlegającego plastycznym odkształceniom trwałym, która przy pomocy hydraulicznej prasy zostaje zaciśnięta na splocie lub linie, powodując plastyczne wciśnięcie stali między druty. Dla poprawy pracy styku materiałów stosuje się między nimi spiralę z twardego drutu o niewielkiej średnicy. Zakotwienia z zaciskami plastycznymi występują jako wariant w większości systemów sprężania.

Przodujący PRODUCENCI: Freyssinet, DYWIDAG-Systems International, VSL, Alga S.p.A.
P9

Plastyczny
PRZYKŁAD
⇒ Dywidag ETA-06/0025 – SUSPA Splot- zaciski plastyczne stosowane są m.in. przy systemie kabli sprężających z przyczepnością, zawierających od 2 do 22 splotów do sprężania konstrukcji
Zakotwienie pętlicowe

BIERNE
Zakotwienie pętlicowe wykonuje się poprzez zakrzywienie splotu w postaci pętli. W zakotwieniach tych na końcu osłon kanałów kablowych stosuje się uszczelniające korki gumowe lub bitumiczne. Pętlicę rozplata się możliwie szeroko z zastosowaniem pomocniczego zbrojenia miękkiego w betonie wokół pętlic, przy braku miejsca, wykorzystując przekładkę z blachy wygiętej w kształcie litery „U” lub wykonaną z połowy rury stalowej. Promienie zakrzywienia pętlic lub blach dobiera się z warunku nieprzekroczenia dopuszczalnych docisków przez beton.

Przodujący PRODUCENCI: VSL, DYWIDAG-Systems International

P10
PRZYKŁAD
⇒ Dywidag ETA-06/0025 – SUSPA Splot – system sprężania konstrukcji z przyczepnością.
Zakotwienie łącznikowe

BIERNE
CZYNNE
Stosowane są dwa typy zakotwień łącznikowych: nieprzesuwne i przesuwne (bierne, czynne). Obydwa typy służą do uciąglenia kabla (połączenia kolejnych odcinków ze sobą w sposób umożliwiający przeniesienie siły naciągu). Łącznik nieprzesuwny znajduje się na styku kolejno wykonywanych części konstrukcji, a jego kompletny montaż jest prowadzony po wykonaniu naciągu odcinka kabla po jednej ze stron łącznika. Łącznik przesuwny jest zakładany na końcówce nienaciągniętego odcinka kabla, a naciąg połączonego kabla odbywa się po wykonaniu kolejnej części konstrukcji.

Przodujący PRODUCENCI: BBR, BBV Systems, Freyssinet, VSL, AMSYSCO VT-M, TEN-SACCIAI S.P.A., Alga S.p.A., CCL, MK4,
DYWIDAG-Systems International]
P11

Łącznik stały
Łącznik ruchomy

PRZYKŁADY:
⇒ BBV L3-L31 (stałe) – montowane analogicznie do zakotwienia czynnego, z tą różnicą, że zamiast tradycyjnej głowicy posiada głowicę łącznikową. Umożliwia sprężenie jednego segmentu konstrukcji, a następnie podłączenie do już zastosowanej głowicy łącznikowej cięgien segmentu sprężanego w kolejnym etapie. Zakotwienie łącznikowe montuje się w specjalnej stalowej tubie, chroniącej przed zabetonowaniem oraz penetracją mleczka betonowego.
⇒ BBV L3-L31 (ruchome) – montowane z użyciem głowicy łącznikowej. Umożliwia uciąglenie kabla bez konieczności jego kotwienia. Głowica łącznikowa umieszczona jest w specjalnej tubie umożliwiającej przesuw tejże głowicy wraz z naciąganymi cięgnami.
CIĘGNA PRĘTOWE
Zakotwienie śrubowe

BIERNE
Zakotwienie, w którym siłę sprężającą wprowadzało się przez nakręcanie śruby, jest jednym z pierwszych, jakie stosowano Gwinty nacinano na prętach, a nakrętka opierała się na płytce podkładkowej. Ten typ występuje głównie w kładkach dla pieszych oraz budowlach niewielkich rozmiarów. Za pomocą siłownika pręt zostaje wprowadzony w stan początkowego naprężenia (zostaje rozciągnięty), po czym dokręca się nakrętkę do blachy oporowej.
CZYNNE
Konstrukcja śrubowych zakotwień czynnych prętów sprężających nie różni się prawie niczym od zakotwień biernych. Jedyną różnicą jest długość odcinka pręta, jaki wystaje z zakotwienia – w zakotwieniu czynnym musi on być dość długi, aby uchwycić go naciągarką.

Przodujący PRODUCENCI: Macalloy, SAH, Roebling, PZ

Śrubowe
PRZYKŁAD
⇒ Macalloy - zestaw składa się z pręta żebrowanego o średnicach od 25 mm do 50 mm. Dodatkowo jako produkt indywidualny można stosować największe dostępne na rynku pręty o średnicy 75 mm i charakterystycznej sile zrywającej 4311 kN. Standardowe zestawy składają się z kwadratowej, stalowej płyty oraz płaskiej podkładki i nakrętki, alternatywnie mogą zostać zastosowane podkładki i nakrętki sferyczne. System prętów obejmuje także gwintowaną płytę oporową (produkt indywidualny) oraz płytę oporową z przyłączem iniekcyjnym. Charakterystyczną cechą prętów Macalloy jest kształt wyciskanego gwintu o specyfice gwarantującej minimalne straty z tytułu osiadania nakrętki na poziomie 0,6-0,7 mm w przypadku dwu i więcej cykli naciągowych.
ZAKOTWIENIA WIESZAKÓW
Zakotwienie śrubowe
BIERNE
CZYNNE
Opis j.w.

Przodujący PRODUCENCI: Macalloy, SAH, Roebling, PZ
Śrubowe1
Zakotwienie widelcowe
BIERNE
Typ połączenia cięgna z konstrukcją nośną. Cięgnami są pręty i liny wielozwite. Końcówka cięgna jest połączona fabrycznie z elementem zakotwienia, a dopiero na budowie jest konieczna odpowiednia zmiana w długości cięgna za pomocą śruby rzymskiej, dzięki której można skrócić lub wydłużyć cięgno. Do montażu tego typu elementu trzeba użyć specjalnego siłownika, który rozciągnie element z odpowiednią siłą. Do zalet tego typu połączenia należy zaliczyć przede wszystkim wygodę w wykonawstwie oraz koszt montażu elementu na obiekcie. Wadą są ograniczenia wytrzymałościowe elementów, dlatego stosuje się je tylko w niewielkich i lekkich konstrukcjach podwieszanych. Stosowane jest w kładkach dla pieszych niewielkich rozmiarów obiektach mostowych.

Przodujący PRODUCENCI: Macalloy, Daver Steels, Bridon
Widełkowe2

Widełkowe2

Widełkowe3
PRZYKŁAD
⇒ Macalloy - zakotwienia wieszaków (widelec + tuleja gwintowana): wieszaki prętowe, to prefabrykowane systemy cięgien prętowych o różnych rozmiarach systemowych, używane jako zestawy. W systemach cięgien prętowych stosuje się gwinty metryczne ISO z rozmiarami gwintów od M10 do M100 (systemy 460 i 520: od M10 do M100, system S460: od M10 do M56). Pręty są łączone z konstrukcją z użyciem końcowych łączników widelcowych, wykonanych ze stali lub staliwa (systemy 460 i 520) lub staliwa nierdzewnego (system S460) z parą uszu i gwintem wewnętrznym. Końcowe łączniki widelcowe są łączone za pomocą sworzni o dwóch płaszczyznach ścinania do blach węzłowych konstrukcji wykonanych ze stali.
ZAKOTWIENIA CIĘGIEN WANTOWYCH
Zakotwienie szczękowe
BIERNE
Najczęściej spotykane zakotwienia to połączenie szczękowe (systemy firmy Freyssinet). Połączenie to jest bardzo skomplikowane, ponieważ każdy splot w kablu łączony jest indywidualnie za pomocą szczęki o kształcie stożkowym. Ten system łączenia ma dużą zaletę, jaką jest ochrona antykorozyjna. Końcówki splotów oraz szczęki wypełnia się woskiem. Tłumiki drgań w połączeniach szczękowych są zintegrowane z podłączaniem umieszczonym w rurze obsadowej.
CZYNNE
Zakotwienie szczękowe zapewnia utrzymanie siły w cięgnie podwieszenia, a ponadto pozwala na regulację naciągu całej wanty. W tym celu na powierzchni zewnętrznej walcowego bloku zakotwienia wykonany jest gwint, łączący samo zakotwienie z pierścieniową nakrętką regulacyjną. Nakrętka jest elementem przekazującym siłę naciągu na płytę oporową w konstrukcji, a jej regulacja pozwala na zmianę siły w wancie.

Przodujący PRODUCENCI: BR, BBV Systems, Freyssinet,DYWIDAG-Systems Internationa
Want0
Wantowe1
Wantowe1-1
Zakotwienie główkowe
BIERNE
Stosowane w wantach; zasada działania identyczna ze stosowanym w sprężaniu. Siła naciągu każdego z drutów cięgna jest przenoszona na blok zakotwienia poprzez główkę spęcznioną na końcu drutu, opartą na krawędziach otworu w zakotwieniu. Zakotwienia te mogą służyć do kotwienia want złożonych nawet z kilkuset drutów.
CZYNNE
Zakotwienie główkowe zapewnia utrzymanie siły w cięgnie podwieszenia, a ponadto pozwala na regulację naciągu całej wanty. W tym celu na powierzchni zewnętrznej walcowego bloku zakotwienia wykonany jest gwint łączący samo zakotwienie z pierścieniową nakrętką regulacyjną. Nakrętka jest elementem przekazującym siłę naciągu na płytę oporową w konstrukcji, a jej regulacja pozwala na zmianę siły w wancie.

Przodujący PRODUCENCI: BBR, BBV Systems, Freyssinet,
Dywidag-Systems International
P20

Wanta Główka2
Want4
PRZYKŁAD
⇒ BBR-V: standardowe kable podwieszające wykonywane są z siedmiomilimetrowych drutów, z których każdy drut jest indywidualnie kotwiony w głowicy kotwiącej za pomocą spęczanej na jego końcach główki. Możliwe są następujące warianty: DINA dla małych średnich kabli (od 13 do 241 drutów) oraz HiAm dla średnich i dużych kabli (od 56 do 499 drutów). Technologia wykonywania spęczanych główek na końcach prętów pozwala na osiągnięcie pełnej wytrzymałości na rozciąganie zastosowanej stali sprężającej bez jakichkolwiek poślizgów w zakotwieniu. Zakotwienia główkowe kabli BBR-V cechuje duża odporność na obciążenia dynamiczne oraz wyjątkowe.

Analiza konstrukcji cięgnowych

 Obciążenia konstrukcji cięgnowych

Ciężar własny cięgien wraz z elementami wyposażenia wyznacza się na podstawie przekroju poprzecznego i gęstości materiałów, chyba, że wartości te są określone w odpowiednich PN-EN 12385. W przypadku lin jednozwitych i zamkniętych oraz cięgien z drutów, charakterystyczny ciężar własny $g_k=w\cdot A_m$ wyznacza się dla składników metalowych i zabezpieczenia antykorozyjnego o łącznym ciężarze jednostkowym w. W przypadku cięgien grupy C, ciężar własny wyznacza się na podstawie ciężaru poszczególnych drutów lub splotek oraz ciężaru materiałów ochronnych (np. osłony HDPE, wosku, itd). Ciężary jednostkowe najczęściej stosowanych lin podano w tab.4.

Oddziaływanie wiatru w projektowaniu cięgien uwzględnia się jako efekty statyczne wynikające z oporu cięgien zgodnie z  (PN-EN 1991-1-4, 2008) oraz jako efekty dynamiczne i wzbudzanie, powodujące drgania cięgien. Najczęściej w przypadkach praktycznie spotykanych, złożonych kształtów siatek cięgnowych należy przeprowadzić badania modelowych  w tunelu aerodynamicznym.

Obciążenie oblodzeniem należy przyjmować zgodnie z załącznikiem B i C do normy (PN-EN 1993-3-2+Ap1, 2008).

W obliczeniach uwzględnia się wpływ różnicy temperatur między cięgnem a konstrukcją. W przypadku cięgien w obiektach wolno-stojących wpływ różnicy temperatur uwzględnia się zgodnie z (PN-EN 1991-1-5, 2005).

Aby zapobiec luzowaniu się cięgien i spadkowi naprężeń, co mogłoby doprowadzić do niekontrolowanej utraty stateczności i zmęczenia, a także spowodować uszkodzenia elementów nośnych i niekonstrukcyjnych – cięgna poddaje się wstępnemu sprężeniu, przez wymuszenie deformacji konstrukcji. W takich przypadkach na oddziaływania stałe składają się obciążenia grawitacyjne „G” oraz siły sprężające „P”, które zwykle traktuje się je jako pojedyncze oddziaływanie stałe „G+P” z odpowiednim współczynnikiem częściowym γGi.

Wstępny naciąg cięgien dobiera się tak, aby konstrukcja w warunkach wszystkich obciążeń stałych wykazywała oczekiwany (wymagany) stan odkształcenia i wytężenia, zgodnie z przyjętą geometrią. Stosuje się urządzenia do napinania i regulacji cięgien, przy czym wartość siły wstępnego naciągu w rozpatrywanej sytuacji traktuje się jako wartość charakterystyczną ze względu na interesujący stan graniczny. Jeśli nie wprowadza się regulacji cięgien, to zmienność sił wstępnego naciągu uwzględnia się w obliczeniach konstrukcji.

Wymianę co najmniej jednego cięgna traktuje się jako przejściową, a nagłą awarię cięgna traktuje się jako wyjątkową sytuację obliczeniową. Jeśli nie przeprowadza się dokładnej analizy, to można przyjąć, że efekt nagłej awarii cięgna odpowiada przyrostowi oddziaływań  $E_d=1,5 \cdot (E_{d2}-E_{d1})$, gdzie $E_{d2}$ -wartość odpowiadająca stanowi po usunięciu cięgna, a $E_{d1}$ -wartość odpowiadająca stanowi przed awarią.

Obciążenia zmęczeniowe przyjmuje się zgodnie z zestawem norm PN-EN 1991.

Współczynnik tarcia miedzy liną, a stalowymi elementami wyposażenia (jak zaciski, siodła, uchwyty) wyznacza się na podstawie badań. Siły tarcia można redukować stosownie do redukcji średnicy cięgna w miarę wzrostu rozciągania.

Statyka rozciągliwego cięgna

Statykę rozciągliwego cięgna o cięciwie ukośnej (rys.14) w prosty, ale ogólny sposób przedstawili (Pałkowski, 2009) oraz (Chodor, 2016).

Oryginalne podejście i inne aspekty zagadnienia zaprezentowano w artykule Statyka ciegna.

Ropatrzmy cięgno rozpięte pomiędzy podporami oddalonymi o wymiar l w rzucie, ale na różnych wysokościach, tak że odległość pomiędzy punktami zaczepienia wynosi ls.

 Schemat statyczny pochyłego cięgna

Rys.14 Schemat statyczny pochyłego cięgna

 (Pałkowski, 2009)

Załóżmy, że zmierzyliśmy (lub założyliśmy) wartość siły naciągu S. Warunek zerowania się momentu zginającego w dowolnym punkcie cięgna (warunek idealnej wiotkości cięgna) możemy zapisać w postaci:

$y=x \cdot tg\alpha- \cfrac {M}{S \cdot cos \alpha}$  (1)

w którym M jest momentem zginającym obliczonym jak dla belki swobodnie podpartej o rozpiętości l, obciążonej danym obciążeniem q(x).

a stąd  funkcja y’ wynosi

$y’=tg\alpha- \cfrac {Q}{S cos \alpha}$  (2)

gdzie Q=dM/dx jest siłą poprzeczną w zastępczej belce.

Długość s cięgna po wydłużeniu

$s=\int \limits_{0} \limits^{l} \sqrt{1+y’^2}dx=\int \limits_{0} \limits^{l} [1+\cfrac{1}{2}y’^2] dx=l+\cfrac{1}{2} \cdot \int \limits_{0} \limits^{l}y’^2 dx $  (3)

   Po podstawieniu (2) do (3), otrzymamy:

$s=l+ \cfrac {cos \alpha}{2S^2} \cdot\int \limits_{0} \limits^{l}Q^2 dx $  (4)

Równanie (4) jest najprostszym równaniem nachylonego cięgna nierozciągliwego. Jeśli jest znana długość cięgna s, to na podstawie (4) można obliczyć naciąg S dla dowolnego obciążenia q(x) i kąta nachylenia cięciwy cięgna, a następnie z (1) rzędne osi cięgna, a w tym strzałkę zwisu.

Długość cięgna rozciągliwego w dowolnym momencie możemy znaleźć z ogólnej zależności (5):

$s=s_0+\Delta l_s+\Delta l_t$  (5)

gdzie wydłużenia cięgna wynoszą:

na skutek wzrostu temperatury o Δt w stosunku do temperatury montażu, wynosi

$ \Delta l_t=\alpha_t \cdot \Delta t \cdot s_0$, $\alpha_t$ wg pkt. 1.2.  (6a)

na skutek działania siły rozciągającej

$ \Delta l_s\approx S \cdot \cfrac {s_0}{EA_m}$.  (6b)

gdzie przyjęto założenie upraszczające, że w każdym przekroju cięgna działa siła rozciągająca S. Można pokazać, że założenie to jest poprawne  w ramach teorii II rzędu przy małym zwisie cięgna. Długość początkowa cięgna s0 jest długością w stanie montażu.

Końcową długość cięgna o małym zwisie uzyskamy po podstawieniu do (5) zależności (4), (6a) i (6b) otrzymamy równanie cięgna w postaci:

$ l_s+ \cfrac {cos\alpha}{2S^2}\int \limits_{0} \limits^{l} Q^2dx=s_0+ \cfrac{Ss_0}{EA_m}+\alpha_t \cdot \Delta_t \cdot t_0$.  (7)

lub po przekształceniach

${\small S^3+S^2 EA_m \left [ 1- \frac {1}{s_0}(l_s-\alpha_t \Delta t s_0)\right ]= \cfrac {EA_m \cdot cos \alpha} {2s_0} \cdot \int \limits_{0} \limits^{l}Q^2 dx} $.  (8)

W przypadku szczególnym dla q(x)=q=const i α=0 (poziome cięgno),  z (8) otrzymamy:

$ S^3+ S^2 EA_m \left [ 1- \cfrac {1}{s_0} (l_s-\alpha_t \Delta t s_0)\right ]= \cfrac {EA_m \cdot q^2 \cdot l^3}{24s_0} $.  (9)

Równanie (8) lub (9) jest 3-go stopnia ze względu na S i można je prosto rozwiązać dowolną metodą, a ręcznie najprościej metodą zgadywania.
Maksymalna siła w cięgnie wynosi (rys.14) ${\small S_{max}=\sqrt {(S cos \alpha)^2+(R_B+S sin \alpha)^2}}$.

Zauważmy jeszcze, że wyprowadzone równania najprościej stosować w metodzie półodwrotnej (zgadywania), polegającej na założeniu stanu docelowego: geometrii cięgna i jego naciągu S i sprawdzeniu warunków równowagi oraz warunków geometrycznych i fizycznych.

Zadawalający obraz  uzyskamy w procedurze iteracyjnej poprzez poprawianie stanu w konfiguracji odkształconej.

W istocie w podobny sposób przebiega projektowanie złożonych siatek cięgien ze wspomaganiem komputerowym na przykład za pomocą programu (Sofistic AG, 2008).

Analiza statyczna i dynamiczna układów cięgnowych

Analizę statyczną i dynamiczną układów cięgien prowadzi się numerycznie ze wspomaganiem zaawansowanych programów obliczeniowych,na przykład wymienionych w pkt. 3.3.

W przypadku współpracy układu cięgien z przekryciem membranowym prowadzi się jednoczesną analizę układu cięgna-membrany. W przypadku ułożenia na cięgnach pokrycia, nie współpracującego z konstrukcją linową  można prowadzić odrębną analizę. Nie jest jednak zalecane projektowanie przekrycia/pokrycia nie współpracującego z układem i nie jest też w aktualnej praktyce realizowane.

Wymiarowanie konstrukcji cięgnowych

Warunek trwałości drutów, lin i splotek

Liny muszą być zabezpieczone przed korozją. Przykłady zabezpieczenia antykorozyjnego lin podano na rys. 15.

Zabezpieczenie antykorozyjne cięgna

Rys.15. Przykłady zabezpieczenia antykoroyzjnego liny

(Pałkowski, 2009)

Cięgna grupy B i C przynależne do klas ekspozycji 2, 4, i 5 wg tab.3., wymagają następującej ochrony:

  1. Poszczególne druty powinny być zabezpieczone przed korozją poprzez ocynkowanie lub pokrycie stopami cynku.
    Powłoki drutów okrągłych z cynku lub jego stopów w cięgnach grupy B powinny spełniać wymagania klasy A wg (PN-EN 10028-2, 2010), a do drutów zetowych stosuje się wymagania klasy A wg (PN-EN 10264-3 (U), 2012),  przy czym do tych drutów zazwyczaj stosuje się grubszą powłokę galwaniczną 300 g/m2, aby zrekompensować względny ubytek grubości w ostrych narożach, a powłoka ze stopu Zn95Al5 stanowi znacznie lepszą ochronę niż powłoka galwaniczna tej samej grubości i dlatego druty okrągłe i zetowe można pokrywać powłoką o podstawowej gramaturze Zn95Al5.
    W przypadku cięgien grupy C dla powłok ochronnych należy spełnić wymagania (PN-EN 10138-3 (U), 2000).
  2. Wnętrze liny powinno być zabezpieczone przed przenikaniem wilgoci.
    Wszystkie przestrzenie wewnątrz cięgna grupy B, wypełnia się aktywnym lub pasywnym wypełniaczem, który nie powinien ulegać przemieszczeniom wskutek działania wody, ciepła lub drgań. Wypełniaczem aktywnym są oleje poliuretanowe z pyłem cynkowym. Wypełniaczem pasywnym może być trwale sprężysto-plastyczny wosk lub żywica wodorowa z płatkami aluminium. Wypełniacze wewnętrzne wprowadzone podczas wytwarzania cięgien są narażone na wyciskanie podczas obciążania, co wymaga innych zabezpieczeń w stosownym czasie. Przy doborze wewnętrznego wypełnienia wymagana jest jego określona zgodność  z pozostałymi środkami ochrony.
  3. Powierzchnia zewnętrzna powinna by zabezpieczona przed korozją.
    Po zakończeniu montażu cięgien grupy B, stosuje się dodatkowe środki ochrony powierzchni zewnętrznych cięgien grupy B, w celu likwidacji uszkodzeń i uzupełnieniu warstwą cynku. Takie zabezpieczenie może stanowić osłona polietylenowa lub farba wysoko pigmentowana cynkiem, przy czym minimalna grubość osłony polietylenu wynosi min[d/15, 3 mm], gdzie d- średnica liny. Zabezpieczenia malarskie obejmuje: powłokę poliuretanową z pyłem cynkowym jako podkład 2×50 μm + powłokę poliuretanową z miką żelazną jako wykończenie 2×125 μm.

Cięgna grupy B ze stali nierdzewnej oraz nierdzewne wykończenia bez dodatkowych zabezpieczeń powinny odpowiadać wymaganej klasie odporności korozyjnej. Cięgna grupy C wymagają dwóch niezależnych powłok antykorozyjnych z odpowiednią warstwą izolacyjną. Odpowiednie zabezpieczenia w miejscach zacisków, siodeł i zakotwień powinny zapobiec napływowi wody deszczowej. Połączenia konstrukcji cięgnowych powinny być uszczelnione.

Odcinki końcowe cięgien grupy C na ogół chroni się za pomocą rurowej osłony stalowej lub polietylenowej, przy czym przestrzeń między cięgnem a wnętrzem osłony powinna być wypełniona odpowiednim wypełniaczem antykorozyjnym lub zaprawą cementową. Alternatywnie stosuje się bezpośrednio natłoczoną osłonę poliuretanową lub zabezpieczenia poszczególnych splotek lub cięgien powłokami epoksydowymi.

Osłona cięgien grupy C powinna być szczelna w strefie zakotwienia, złącza osłony projektuje się tak, by  nie pękały przy jej rozciąganiu. Przy zaciskach i zakotwieniach stosuje się dodatkowe zabezpieczenia, aby zapobiec penetracji wody. Pustki wypełnia się całkowicie materiałem hydrofobowym, który nie oddziałuje niekorzystnie na cięgno. Alternatywnie stosuje się ochronę cięgna przez cyrkulację suchego powietrza wewnątrz osłony. Materiał hydrofobowy stanowią wypełniacze miękkie, jak: smar, wosk, miękka żywica lub wypełniacze twarde, jak cement. Skuteczność wypełniaczy powinna być potwierdzona badaniami.

Wymagania dotyczące transportu i składowania i montażu zawiera Załącznik B (PN-EN 1993-1-11, 2008).

Ochrona cięgien głównych w mostach wiszących wymaga specjalnej troski. Po uzyskaniu wymaganego przekroju, cięgno jest owijane ściśle przylegającą miękką taśmą ocynkowaną w otoczce odpowiedniej pasty, niezbędnej do całkowitego wypełnienia pustki między powierzchnią drutów zewnętrznych cięgna, a taśmą ochronną. Po usunięciu nadmiaru pasty z wierzchu taśmy, powłoka cynkowa jest czyszczona, a następnie malowana. Specjalnych zabiegów w mostach wiszących wymagają  strefy zakotwienia cięgien, z których taśma ochronna jest usuwana. Powszechnym sposobem jest ochrona przed dostępem wilgoci do przestrzeni wokół drutów.

 Warunki nośności i użytkowalności – ogólne zasady

W analizie konstrukcji cięgnowych rozpatruje się stany graniczne nośności ULS (SGN), w których obciążenie osiowe nie może przekroczyć obliczeniowej nośności przy rozciąganiu oraz stan graniczny użytkowalności SLS (SGU), w którym naprężenia i odkształcenia nie powinny przekroczyć wartości granicznych, a także kryterium zmęczenia, w którym zakresy zmienności naprężeń, wywołane zmiennością obciążeń osiowych oraz drganiami od wiatru i deszczu nie powinny przekraczać wartości granicznych.  Ze względu na wymagania trwałości, kryterium użytkowalności często jest decydujące.

Elementy wyposażenia cięgien prefabrykowanych, takie jak siodła i zaciski, projektuje się również ze względu na stany graniczne ULS i SLS, przy czym elementy te dobiera się „na nośność liny”, przyjmując do obliczeń oddziaływania, odpowiadające nośności liny – sile zrywającej lub gwarantowanej wytrzymałości. Zmęczenie sprawdza się wg (PN-EN 1993-1-9, 2007). Oddziaływania zmęczeniowe na liny są uzależnione od promienia krzywizny siodła lub strefy zakotwienia.

Rozpatrzeć należy dwie sytuacje obliczeniowe:

  1. Sytuację przejściową podczas budowy, czyli procesu, obejmującego: formowanie, montaż i wstępny naciąg cięgien, w której zalecane jest stosowanie współczynnika obciążeń stałych γG=1,10 w sytuacji krótkotrwałej (rzędu kilku godzin) przy instalowaniu pierwszego cięgna i γG=1,20 przy instalowaniu kolejnych cięgien (γG=1,00 w przypadku korzystnych efektów oddziaływań).
    Sytuacja, w której stan graniczny jest zdeterminowany przez obciążenie „G+P” (jednoczesne działanie obciążenia stałego G i wstępnego naciągu cięgna „P”), wymaga zastosowania współczynnika obciążeń γP, przy czym zaleca się stosowanie γP=1.Technologia budowy powinna być tak zaprojektowana, aby można było uzyskać:

    • wymaganą geometrię konstrukcji,
    • odpowiedni stan naprężenia od oddziaływań stałych, pozwalający spełnić kryteria SGN i SGU we wszystkich miarodajnych sytuacjach projektowych i eksploatacyjnych.

    Wykonawca i obsługujący go technolog powinien w szczególności prawidłowo zastosować środki kontrolne, umożliwiające pomiar kształtu, pochylenia, deformacje, częstotliwości, kolejność i sposób zadawania sił, tak by miarodajne były wartości charakterystyczne obciążeń stałych, wymuszonych deformacji i innych obciążeń. Nie należy dopuszczać do przypadkowego zadziałania sił lub awaryjnego (losowego) przyjęcia kształtu przez montowaną konstrukcję.

  2. Sytuację trwałą podczas eksploatacji, w której zależnie od stanu granicznego ULS, czy SLS, czy zmęczenia, współczynniki częściowe  γm=γR należy różnicować, uwzględniając ostrość warunków podczas badań atestacyjnych oraz przyjęte środki przeciwdziałania efektom zgięciowym. Oddziaływanie stałe „G+P” odpowiada nominalnej geometrii konstrukcji.

 W analizie układów zarówno w fazie budowy jak i eksploatacji uwzględnia się nieliniowe efekty oddziaływań, wynikające z odkształceń konstrukcji (silne nieliniowości geometryczne). Uwzględnia się deformacje (zmiany geometrii) wywołane zwisem cięgien, ich skróceniem bądź wydłużeniem w tym w fazie eksploatacji wydłużeniem od pełzania. Efekt zwisu można uwzględniać w ten sposób, że dla poszczególnych cięgien lub ich segmentów przyjmować zastępczy moduł sprężystości Et określony wzorem (10) – wzrór 5.1 (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$E_t= \cfrac {E}{l+ \cfrac {w^2 \ \ l^2 \ \ E} {12 \cdot \sigma^3}}$.  (10)

gdzie:   $E$ [MPa] moduł sprężystości cięgna , $w$ [MPa/mm] – ciężar jednostkowy (tab. 4),  $ \sigma$  [MPa] – naprężenia w cięgnie, przy czym w przypadku sytuacji typowych w fazie eksploatacji  $\sigma=\sigma_{„G+P”}$, $l$ [mm] – rozpiętość pozioma cięgna.

Całkowitą długość cięgna oraz wymiary związane z rozmieszczaniem siodeł i zacisków oznacza się dla nieokreślonego naciągu, przy czym wymagane są dodatkowe oznaczenia kontrolne, umożliwiające późniejsze dokładne sprawdzenie wymiarów po zakończeniu montażu. Tolerancje wykonania bierze się pod uwagę po przeciągnięciu oraz po cyklicznych próbach obciążenia i odciążenia. Konstrukcje wrażliwe na odchyłki wymiarów wyposaża się w odpowiednie urządzenia regulujące.

Analizy konstrukcji cięgnowych i cięgnowo-membranowych należy prowadzić wg teorii II-giego lub  III-ciego rzędu przy odpowiednich założeniach dotyczących imperfekcji układu, to znaczy należy uwzględnić wpływ przemieszczeń i odkształceń na siły i naprężenia konstrukcji obarczonej imperfekcjami.

W celu wyznaczenia efektów oddziaływań zmiennych przyjmuje się początkową geometrię konstrukcji, odpowiadającą stanowi obciążeń $”G+P”$ przy określonej temperaturze T0. Nieliniowe odpowiedzi wyznacza się dla konstrukcji o nominalnej geometrii w temperaturze oddziaływania T0, poddanej kombinacji oddziaływań obliczeniowych $\gamma_G \cdot „(G+P)”+\gamma_Q \cdot Q_{k1} +\gamma_Q \cdot \Psi_2 Q_{k2}$

Nośność cięgna

Układy z cięgnami prętowymi (grupa A), ze względu na stan graniczny nośności, wymiaruje się standardowo zgodnie z (PN-EN 12056-3, 2002) oraz (PN-EN 1993-1-4, 2007), zależnie od rodzaju stali.

Warunek nośności dla prętów sprężających oraz cięgien grup B i C zgodnie z  (6.1) (PN-EN 1993-1-11, 2008) ma postać:

$\cfrac {F_{Ed}}{F_{Rd}}\leq 1$.  (11)

gdzie: $F_{Ed}$ – wartość obliczeniowa siły podłużnej w elemencie, $F_{Rd}$ – wartość obliczeniowa nośności przy rozciąganiu.

Wg (6.2) (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$F_{Rd}=\ min \left[ \cfrac {F_{uk}}{1,5 \gamma_R} \, ; \, \cfrac {F_k}{\gamma_R} \right]$.  (12)

gdzie:  $F_{uk}$ – wartość charakterystyczna siły zrywającej, $ F_k$  – wartość charakterystyczna umownej nośności przy rozciąganiu wg tab. 7, $\gamma_R$ – współczynnik częściowy, zależny od tego, czy stosuje się odpowiednie środki na końcach cięgien w celu redukcji momentów zginających od skręcania cięgna: zalecana wartość $\gamma_R=0,9 $ , jeśli środków takich nie zastosowano i  $\gamma_R=1,0 $, jeśli środki zastosowano.

Tab.7. Umowna nośność cięgien
Tab. 6.1. (PN-EN 1993-1-11, 2008)N1 (PN-EN 10138-1 (U), 2000)
N2 (PN-EN 10264-1 (U), 2012)
*) w przypadku prętów sprężających
(PN-EN 12056-3, 2002),
(PN-EN 1993-1-4, 2007).

Sprawdzenia w stosunku do $F_k$ opierają się na założeniu, że cięgno pozostaje w warunkach oddziaływań obliczeniowych. W przypadku cięgien (np. lin zamkniętych), dla których  $ F_k \ge \frac {F_{uk}}{1,5}$ sprawdzenie to nie jest wymagane. Zgodnie z (PN-EN 12385-1 +A1, 2007) wartości eksperymentalne $F_{uke}$ i $F_{ke}$ uzyskane z badań przy odbiorze elementów, powinny przewyższać wartości charakterystyczne: $ F_{uke} >F_{uk}, F_{ke} >F_k$.

W przypadku cięgien grupy B siła zrywająca wynosi wg (6.4) (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$F_{uk}=F_{min} \cdot k_e$.  (13)

gdzie minimalna siłę zrywajacą $F_{min}$ wyznacza się zgodnie z  (6.5) wg (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$F_{min}= \cfrac {K \cdot d^2 \cdot R_r}{1000}\ \ kN$.  (14)

gdzie Rr– wytrzymałość liny w MPa, ke – współczynnik straty wskutek zakotwienia według tab.8.

W przypadku prętów sprężających lub cięgien grupy C wartość charakterystyczna siły zrywającej wynosi (15) – (6.3) wg (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$F_{uk}=A_m \cdot f_{uk}$.  (15)

gdzie fuk – wartość charakterystyczna wytrzymałości na rozciąganie prętów, drutów lub splotek według odpowiedniej normy wyrobu, $A_m$ – pole przekroju metalowego cięgna.
Wartości K, d, Rr dla lin są określone w (PN-EN 12385-2+A1, 2008).

Tab.8. Współczynnik straty ke
Tab. 6.3. (PN-EN 1993-1-11, 2008)Tab 6

Siodła i zaciski

Jeśli parametry geometryczne siodła spełniają warunki podane na rys. 16 , a ponadto promień krzywizny siodła r1 ≥[30d; 400∅], gdzie: ∅- średnica drutu, d- średnica cięgna, d– szerokość strefy styku;  przy tym, że wartość r1 może być zredukowana do 20d, jeśli podłoże liny na szerokości równej co najmniej 60% średnicy jest pokryte warstwą miękkiego metalu lub natrysku cynkowego o grubości co najmniej 1 mm, to naprężenia wywołane zakrzywieniem drutów można pominąć w obliczeniach.

Ułożenie liny w siodle

Rys.16 Ułożenie liny w siodle

(PN-EN 1993-1-11, 2008, rys. 6.1)

Położenie punktów T1 i T2 (rys.16) wyznacza się dla odpowiednich przypadków obciążenia, uwzględniając ruchy łożysk i przemieszczenia cięgien.

 W przypadku lin jednozwitych stosowanie siodeł o mniejszym promieniu wymaga uzasadnienia eksperymentalnego.

Aby zapobiec poślizgowi cięgien sprawdza się warunek (16) – (6.6) wg (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$ max \frac {F_{Ed1}}{F_{Ed2}} \leq e^{\frac{\mu\alpha}{\gamma_{M,fr}}} $.  (16)

gdzie:  $F_{Ed1}$, $F_{Ed2}$ – obliczeniowe wartości odpowiednio większej i mniejszej siły w cięgnie po obu stronach siodła, μ – współczynnik tarcia, α – kąt w radianach, określający strefę styku, $\gamma_{M,fr}$ -współczynnik częściowy związany z oporem tarcia. Zaleca się przyjmować $\gamma_{M,fr}=1,65$.

Jeśli warunek (16) nie jest spełniony, to jest niezbędne zastosowanie zacisków wywierających dodatkowy docisk radialny siłą $F_r$, tak by spełniony był warunek  (6.7) (PN-EN 1993-1-11, 2008):

$\cfrac {F_{Ed1} – {\frac {k \cdot F_r \cdot \mu}{\gamma_{M,fr}}}}{F_{Ed2}} \leq e^{\frac{\mu\alpha}{\gamma_{M,fr}}} $.  (17)

gdzie: $k$ – współczynnik przy  w pełni efektywnym tarciu między zaciskiem a bruzdami siodła.
Gdy siła $F_r$ nie przekracza nośności cięgna na docisk (p. niżej), przyjmuje się $k=2,0$, a w pozostałych przypadkach $k=1,0$.

Ustalając siłę $F_r$ w zależności od śrub sprężających, rozpatruje się następujące wpływy i okoliczności:

  • długotrwale pełzanie,
  • redukcję średnicy przy wzroście rozciągania,
  • sprasowanie lub owalizację cięgna,
  • spadek siły sprężającej w zaciskach śrubowych wywołany obciążeniem zewnętrznym,
  • różnicę temperatur.

Warunek nośności cięgna na docisk qEd od siły oddziaływania zacisku $F_r$ ma postać  (6.8) (PN-EN 1993-1-11, 2008) :

$\cfrac {q_{Ed}}{q_{Rd}}\leq 1$.  (18)

 

gdzie: $q_{Ed}= \frac{F_r}{d’L_2}$, przy czym:  $0,6d \le d’ \le d$ , ($d’$ wg rys.16b), $q_{Rd} = \frac {q_{Rk}}{\gamma_{M,bed}}$,

$\gamma_{M,bed}$ – współczynnik częściowy. Przy przyjęciu podanych wartości granicznych $q_{Rk}$ ze współczynnikiem $\gamma_{M,bed} =1,00$ spadek nośności cięgna na zerwanie nie przekracza 3%.
Naprężenie $q_{Rk}$ jest graniczną wartością docisku, którą wyznacza się eksperymentalnie. Przy braku szczegółowych badań wartości graniczne docisku można przyjąć następująco:

  1. jeśli zastosowano stalowe zaciski i  siodła;
    $q_{Rk}=40$ MPa dla liny zamkniętej,
    $q_{Rk}=25$ MPa dla liny splotowej jednozwitej,
  2. jeśli zastosowano zaciski na poduszkach i siodłach
    $q_{Rk}=100$ MPa dla liny zamkniętej,
    $q_{Rk}=60$ MPa dla liny splotowej jednozwitej.

Zaciski na poduszkach powinny mieć warstwę miękkiego metalu lub natrysku cynkowego o grubości co najmniej 1 mm.

Siodła wymiaruje się na charakterystyczną siłę zrywającą $F_{uk}$ pomnożoną przez współczynnik $k$.  Zaleca się przyjmować $k=1,1$.

Jeśli zacisk ma przenosić siłę podłużną na cięgno, a części (rys.17) nie są wzajemnie zaklinowane, to w celu wyeliminowania poślizgu należy spełnić warunek (6.9) (PN-EN 1993-1-11, 2008) :

$F_{Ed \parallel }\leq \cfrac {(F_{ED \perp} + F_r)} {\gamma_{M,fr}} $.  (19)

gdzie:
$F_{Ed \parallel }$ – składowa obliczeniowa siły zewnętrznej równoległa do cięgna, $F_{Ed \perp}$ – składowa obliczeniowa siły zewnętrznej prostopadła do cięgna, $F_r$ –  radialna siła zacisku, $\mu$ – współczynnik tarcia, $\gamma_{M,fr}=1,65$ – współczynnik częściowy dla oporu tarcia.

Siła radialna może ulec zmniejszeniu lub zwieszeniu na skutek zmiany sposobu przenoszenia siły zewnętrznej przez zacisk.

Docisk w zacisku

Rys.17. Docisk w zacisku

(PN-EN 1993-1-11, 2008, rys. 6.2)

Nośność na docisk od siły $F_{Ed \perp} +F_r$   lub $F_{Ed \parallel }$  sprawdza się w sposób analogiczny jak podano wyżej.

Zaciski oraz  ich środki złączne, jak np. połączenia wieszaków z cięgnem głównym, wymiaruje się na umowną siłę  obliczeniową o wartości $1,15\cdot F_k$, gdzie $F_k$ jest charakterystyczną nośnością cięgna dołączanego. Stosowanie wartości $F_k$ oznacza wymiarowanie na pełną nośność.

Użytkowalność konstrukcji cięgnowej

Rozpatruje się następujące kryteria użytkowalności:

  • kryteria deformacji lub drgań,
  • kryteria stanu sprężystego.

Ograniczenie deformacji lub drgań przekłada się na wymagania odnoszące się do sztywności układu konstrukcyjnego, wstępnego naciągu cięgien oraz nośności zacisków na poślizg. Ograniczenia związane z zachowaniem stanu sprężystego dotyczą maksymalnej i minimalnej wartości naprężeń od kombinacji obciążeń właściwych ze względu na stany graniczne użytkowalności.

Ograniczenie naprężeń wprowadza się po to, by:

  • zapewnić sprężystą odpowiedź układu w odpowiednich sytuacjach obliczeniowych odnoszących się do fazy budowy i eksploatacji,
  • ograniczyć odkształcenia, które w przeciwnym razie mogłyby obniżyć skuteczność zabezpieczeń antykorozyjnych (np. przez pękanie osłon, twardych wypełniaczy, rozszczelnienie złączy, itd.), a także wpłynąć niekorzystnie na zmęczenie,
  • przy sprawdzaniu stanów granicznych ULS można było w analizie przyjmować liniową odpowiedź układu.

Ograniczenie naprężeń określa się w stosunku do wytrzymałości na zerwanie:

$\sigma_{uk}= \cfrac {F_{uk}}{A_m}$.  (20)

gdzie: $F_{uk}$, $A_m $ – jak wyżej.

Naprężenie graniczne $f_{const}$ wyznacza się ze wzoru:

$f_{const}= \cfrac {\sigma_{uk}}{1,5 \gamma_R \cdot \gamma_F}= \cfrac {0,66 \sigma_{uk}} {\gamma_R\cdot\gamma_F}$.  (21)

przy czym $\gamma_R \cdot \gamma_F=1,0\cdot 1,10 =1,10$ w przypadku sytuacji krótkotrwałych, $\gamma_R \cdot \gamma_F=1,0\cdot 1,20=1,20$ w przypadku sytuacji długotrwałych.

Zaleca się ograniczać naprężenia $f_{const}$ w fazie budowy do wartości:
$f_{const}= 0,60 \sigma_{uk}$  – kilka godzin po zainstalowaniu pierwszych cięgien,
$f_{const}= 0,55 \sigma_{uk}$ – po zainstalowaniu pozostałych cięgien.

Naprężenie graniczne $f_{SLS}$ wyznacza się analogicznie do $f_{const}$ze wzoru (21), ale z innymi współczynikami bezpieczestwa, a mianowicie:

$\gamma_R \cdot \gamma_F=0,90\cdot 1,48=1,33$ , gdy uwzględnia się naprężenia od zginania i  $\gamma_R \cdot \gamma_F=1,0\cdot 1,48=1,48$ , gdy nie uwzględnia się naprężenia od zginania.

 W badaniach przyjmuje się $f_{SLS}=0,45 \sigma_{uk}$.

W fazie eksploatacji naprężenia graniczne  $f_{SLS}$ uzależnia się od warunków obciążenia, w następujący sposób:
$f_{SLS}=0,50 \sigma_{uk}$ – przy oddziaływaniu zmęczeniowym z uwzględnieniem zginania,
$f_{SLS}=0,45 \sigma_{uk}$  -przy oddziaływaniu zmęczeniowym bez uwzględnienia zginania.

Drgania cięgien

W przypadku cięgien konstrukcji wolno stojących (np. odciągów) ze względów bezpieczeństwa rozpatruje się drgania wywołane wiatrem w fazie budowy oraz w fazie eksploatacji.

Siły aerodynamicznego oddziaływania wiatru na cięgna ujawniają się jako zjawiska:

  • uderzenia przy turbulentnym przepływie powietrza,
  • wzbudzenie wirowe (zawietrzne wiry Karmana),
  • galopowanie (drgania samowzbudne),
  • galopowanie wskutek interakcji z innymi cięgnami,
  • łączne oddziaływanie wiatru i deszczu,

Galopowanie nie następuje w przypadku cięgien o przekroju okrągłym z powodu symetrii. Jednak zjawisko może wystąpić wskutek zmiany kształtu spowodowanej osadzaniem się warstw lodu lub pyłu. Siły towarzyszące galopowaniu i łącznemu działaniu wiatru i deszczu są  funkcją ruchu cięgna i efektem niestateczności aerodynamicznej w postaci drgań o dużej amplitudzie po przekroczeniu krytycznej prędkości wiatru. Ponieważ modele dynamicznego wzbudzenia drgań nie są jeszcze wystarczająco dokładne z punktu widzenia analizy niezawodności, należy stosować się odpowiednie środki ograniczające drgania.

Drgania cięgien mogą być także wywołane oddziaływaniami dynamicznymi na inne części konstrukcji (jak np. dźwigary, pylony). Zjawisko to jest często określane jako „wzbudzenie parametryczne”, które odpowiada za drgania o dużej amplitudzie, gdy nakładają się drgania własne odciągów i konstrukcji.

Konstrukcje podparte cięgnami montuje się z uwagi na nadmierne drgania wywołane wiatrem i deszczem, stosując oględziny lub inne metody, umożliwiające dokładne wyznaczenie postaci, amplitud i częstości drgań.

Projekt i wykonawstwo konstrukcji cięgnowych powinny uwzględniać odpowiednie środki ograniczające drgania podczas lub po zakończeniu montażu. Do takich środków zalicza się:

  • modyfikację powierzchni cięgien (aerodynamiczny kształt),
  • urządzenia tłumiące,
  • cięgna stabilizujące (np. odciągi pionowe z odpowiednimi połączeniami)

Ryzyko drgań zwiększa się wraz ze zwiększaniem długości odciągu. Odciągi krótkie (o długości mniejszej niż 70 do 80 m) na ogół nie stwarzają takiego ryzyka, chyba że mamy do czynienia z konstrukcjami niezbyt stabilnymi (wskutek kształtu lub podatnego pomostu), które są narażone na rezonans typu parametrycznego.

W przypadku cięgien długich, o długości większej od 80 m, projekt powinien przewidywać instalację tłumików o krytycznym stosunku tłumienia przekraczającym 0,5%. Tłumiki rozmieszcza się przy tych cięgnach, których zakotwienia nie wykazują znacznych przemieszczeń.

Ocenę ryzyka rezonansu parametrycznego przeprowadza się w toku szczegółowej analizy postaci niestateczności konstrukcji i odciągów, rozpatrując częstotliwości kątowe i przemieszczenia zakotwień dla każdej postaci drgań.

Stosuje się odpowiednie środki, aby zapobiec nakładaniu się częstotliwości, tj. sytuacjom, w których częstotliwość wzbudzenia cięgien zawiera się w przedziale 20% częstotliwości drgań własnych konstrukcji (pierwszej lub drugiej częstotliwości). W razie konieczności stosuje się cięgna stabilizujące, powodujące przesunięcie kątowych częstotliwości drgań poszczególnych odciągów.

Ze względu na komfort użytkowników i bezpieczeństwo, amplitudę drgań odciągów wyznacza się za pomocą kryterium odpowiedzi konstrukcji, zgodnie z którym przy umiarkowanej prędkości wiatru 15 m/s amplituda drgań nie powinna przekroczyć wartości L/500, gdzie L-długość odciągu.

Generalnie drganiom cięgien od wiatru i deszczu należy zapobiegać przez odpowiednie rozwiązania projektowe. Wchodzi w grę zastosowanie odciągów z lin teksturowanych.

Zmęczenie konstrukcji cięgnowych

Trwałość zmęczeniowa cięgien w klasie 3, 4 lub 5 określa się na podstawie oddziaływań zmęczeniowych wg (PN-EN 1993-1-9, 2007)  oraz odpowiednich kategorii zmęczeniowych szczegółów konstrukcyjnych.

Zniszczenie zmęczeniowe układów cięgnowych na ogół  następuje w miejscach zakotwień, siodeł lub zacisków. Miarodajne kategorie zmęczeniowe tych szczegółów konstrukcyjnych powinno się określać na podstawie badań odwzorowujących rzeczywiste konfiguracje, występujące w praktyce, a także wpływ zginania i oddziaływań poprzecznych. Ocenę wyników badań przeprowadza się wg  Załącznika D (PN-EN 1993-1-11, 2008).

Przy braku odpowiednich badań krzywe wytrzymałości zmęczeniowej i kategorie zmęczeniowe można ustalać odpowiednio według rys. 18 i tab. 9.

 Krzywa wytrzymałości zmęczeniowej dla cięgna

Rys.18 Krzywa wytrzymałości zmęczeniowej dla cięgna

(PN-EN 1993-1-11, 2008, rys. 9.1)

Tab.9. Kategorie  zmęczeniowe Δσc, odpowiadające wytrzymałości zmęczeniowej
Tab. 9.1. (PN-EN 1993-1-9, 2007)

Tab 7

Konstrukcje membranowe

Wprowadzenie

W ostatnich latach wraz z postępem w technologii produkcji tkanin technicznych trwałych, ekonomicznych i o dużej wytrzymałości wzrosło znaczenie i stosowanie przekryć membranowych w licznych obszarach architektury i inżynierii jako przekrycia na:  stadionach, amfiteatrach, lotniskach, centrach handlowych, halach wystawowych, widowiskowych, parkach rozrywki, halach magazynowych i produkcyjnych, parkingach, stacjach benzynowych, restauracjach, zadaszeniach przystanków, wejść do hoteli czy biurowców, kortach tenisowych, basenach itd.  Tego typu materiały konstrukcyjne mogą tworzyć również elementy fasad. Technologie oparte na materiałach tekstylnych stały się stałym elementem nowoczesnej architektury przede wszystkim obiektów sportowych i rekreacyjnych.

Właściwości tkanin technicznych stosowanych w architekturze tekstylnej umożliwiają projektowanie zadaszeń o różnorodnych formach architektonicznych, m.in. parabolicznych, stożkowych, łukowych, symetrycznych i niesymetrycznych, żagle, siodła czy stożki, i in. Tworzy się z nich także struktury sferyczne i pneumatyczne. Tkanina architektoniczna jest wytrzymałym i trwałym materiałem budowlanym wykorzystywanym do zadaszenia zarówno stałych, jak i tymczasowych obiektów.

Najbardziej ekonomicznym materiałem membranowym jest PVC/PVDF – idealne rozwiązanie zarówno dla stałych jak i tymczasowych struktur. Tkanina  pokryta warstwą PVC/PVDF ma wiele zalet: jest miękka, elastyczna i lekka jednocześnie mając bardzo dużą wytrzymałość na rozciąganie. W szerokim zakresie zmian temperatury i wilgotności pozostaje stała wymiarowo, a specjalny proces powlekania warstwą ochronną zapobiega tworzeniu się pleśni, plam i smug. Przekrycia membranowe mogą przybierać różne formy o dowolnych kształtach i wymiarach:

Powłoki membranowe najczęściej są rozpinane na konstrukcji cięgnowej, ale mogą być również rozpięte na sztywnych ramach lub ścianach, masztach, belkach, kratownicach itd.

Tkaniny techniczne

Do zadaszeń membranowych wykorzystuje się nowoczesne, trwałe i wytrzymałe tkaniny techniczne. Ten lekki materiał konstrukcyjny daje niemal nieograniczone możliwości projektowania zadaszeń o oryginalnych kształtach. Materiał powlekany składa się z plecionej tkaniny bazowej chronionej z obu stron przez specjalną wielowarstwową powłokę, zwaną powleczeniem. Tkaninę bazową tworzą nitki osnowy biegnące wzdłuż beli materiału oraz nitki wątkowe biegnące z kolei w poprzek.

Przekrój powlekanej tkaniny z poliestru i PVC

Rys.23 Przekrój powlekanej tkaniny z poliestru i PVC

  (Mehler Texnologies Sp. z o.o, 2015)

Do budowy konstrukcji tekstylnych najczęściej używa się tkanin poliestrowych powlekanych PVC. Wysokiej jakości tkaniny powlekane posiadają nośnik ze specjalistycznej przędzy tkanej w technologii Low-Wick (uzyskany specjalny splot nośnika zapobiega zaciąganiu wody i brudu na poziomie kapilarnym) oraz szczelne powleczenie dodatkowo zabezpieczone lakierem na bazie polimerów fluorowych, dzięki której są one odporne na wilgoć i zabrudzenia, a ich trwałość szacowana jest na ponad 20 lat. Zwykłe tkaniny plandekowe nie mają tak wielowarstwowej struktury oraz wysokiej jakości lakieru PVDF, przez co plastyfikatory zawarte w PVC z czasem migrują w stronę powierzchni, skracając użytkową żywotność materiału.
Powłoka PVC zawiera dodatki, takie jak stabilizatory UV, środki zwiększające odporność na ogień (antypireny) oraz składniki grzybobójcze. Wysokiej jakości tkaniny architektoniczne pokrywane są ochronnym lakierem PVDF, które nadaje powłoce właściwości samoczyszczące.

Poszczególne materiały membranowe dzielą się na typy, które określają ich klasę wytrzymałości. Tkaniny techniczne stosowane w architekturze poddawane są fabrycznie dwukierunkowym naprężeniom o różnym natężeniu. W kierunku osnowy (wzdłuż beli materiału) tkanina jest bardziej odporna na rozciąganie, aby ograniczyć jej wydłużanie. Z kolei w kierunku wątku (w poprzek beli) bardziej podatna na rozciąganie, dzięki czemu łatwiej poddaje się naprężeniem ortogonalnym powstającym w procesie napinania materiału. Przykładem chętnie stosowanych tkani technicznych są  membranowe materiały powlekane Valmex® Mehatop, prod.  Mehler Texnologies.

Współczesne membranowe tkaniny architektoniczne zawierają stabilizatory UV, które chronią kolor i tkaninę bazową, spowalniając tempo degradacji materiału. Przy wahaniach temperatury oraz poziomu wilgotności tkaniny techniczne zachowują stabilność wymiarową. Specjalny proces powlekania warstwą ochronną (lakierem) zapobiega tworzeniu się pleśni, plam oraz innych przebarwień na powierzchni zadaszenia membranowego.

Tkaniny techniczne posiadają izolacyjność cieplną, dającą częściową i ochronę cieplną i ograniczenie strat ciepła w kierunku na zewnątrz obiektu.
Pojedyncza warstwa membrany Valmex FR 1000 o wadze około 1050 g/m² ma współczynniki izolacyjności  cieplnej U =5,7 W/m²K , natomiast dwuwarstwowa konstrukcja zadaszenia membranowego ze szczeliną powietrzną szerokości 200 mm ma U= ok. 2,7 W/m²K. Zadaszenia membranowe umożliwiają osiągnięcie jeszcze lepszych wartości izolacyjności cieplnej poprzez dodanie kolejnych warstw materiału konstrukcyjnego lub izolacyjnego. Trzeba wziąć jednak pod uwagę, że im więcej będzie warstw membrany w konstrukcji zadaszenia, tym mniej światła będzie ono przepuszczać.
Specjalne rodzaj tkanin technicznych charakteryzuje  odporności ogniowej (np. Valmex®  Fr.), a przede wszystkim tkaniny są tak zaprojektowane, że nie powstają płonące krople materiału i materiał jest NRO.

W zależności od koloru tkaniny mamy różne parametry świetlne tkanin podane w tab. 10 na przykładzie tkanin Valmex.

Tab.10. Parametry świetlne tkani technicznych (przykład Valmex (Mehler Texnologies Sp. z o.o, 2015))

Analizy statyczne przekryć (cięgnowo-) membranowych

Powłoki tekstylne są znamienne tym, że nieliniowości geometryczne są jeszcze silniejsze niż w konstrukcjach cięgnowych. Przyjmuje się, że właściwą teorią do analizy membran tekstylnych jest teoria III rzędu, polegająca na rozwinięciu ścisłej macierzy sztywności do 3-go wyrazu szeregu Taylora. Z tego powodu ważne jest posługiwanie się właściwym oprogramowaniem, umożliwiającym taką analizę. Współcześnie jest dostępnych kilka programów a tego zakresu, a między innymi:

   Literatura

ArchiExpo. (2015). Metal frame supported tensile structure. R roof  with PVC membrane  for parking lots - DBS Mont. Retrieved December 29, 2015, from http://www.archiexpo.com/prod/dbs-mont/product-87104-735266.html
Chodor, L. (2016). Przekrycia hal i galerii. In XXXI Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji (Vol. I, pp. 25 – 202). Katowice-Szczyrk. Retrieved from http://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/2016/03/Chodor_LPrzekrycia-hal-i-galerii-WPPK-2016.pdf
Chodor, L., & Powałek, M. (2015). Kopuła siatkowa. Retrieved December 10, 2015, from http://chodor-projekt.net/encyclopedia/kopula-siatkowa/
Dlubal. (2015). Konstrukcje podwieszone i membrany. Oprogramowanie inynierskie RFEM RFORM-FINDING. Retrieved December 29, 2015, from https://www.dlubal.com/pl/rozwiazania/zastosowanie/konstrukcje-podwieszone-i-membrany
Elamed. (2013). Przegląd zakotwień. Mosty, (02). Retrieved from http://mosty.elamed.pl/uploads/mos/articles/mosty_artykul_2013_02_38015.pdf
K2 Engineering, & Kowal, A. (2015). K2 Engineering- Projektowanie - Doradztwo- Konstrukcje Membranowe. Retrieved December 29, 2015, from http://www.k2se.com/realizations?locale=pl
Kordos, M. (2006). Kształt wiszącego łańcucha. Retrieved December 29, 2015, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Millennium_Dome&oldid=695420335
Kurzawa, Z. (2011). Stalowe konstrukcje prętowe. Cz. II. Struktury przestrzenne, przekrycia cięgnowe, maszty i wieże. Poznań: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej.
Mehler Texnologies Sp. z o.o. (2015). Przewodnik techniczny po trwalej architekturze tekstylnej Mehler Texnologies. Retrieved from przewodnik-techniczny-po-trwalej-architekturze-tekstylnej-mehler-texnologies.pdf
PN-EN 10028-2. Wyroby płaskie ze stali na urządzenia ciśnieniowe - Część 2: Stale niestopowe i stopowe o określonych własnościach w podwyższonych temperaturach (2010). UE: PKN.
PN-EN 10138-1 (U). Prestressing Steels Part 1 - General Requirements (2000). UE: PKN.
PN-EN 10138-3 (U). Prestressing steels Part 3: Strand (2000). UE: PKN.
PN-EN 10264-1 (U). Drut stalowy i wyroby z drutu -Drut stalowy na liny -Część 1: Wymagania ogólne (2012). UE: PKN.
PN-EN 10264-3 (U). Drut stalowy i wyroby z drutu -Drut stalowy na liny -Część 3: Drut okrągły i kształtowy ze stali niestopowej do pracy w trudnych warunkach obciążenia (2012). UE: PKN.
PN-EN 10264-4 (U). Drut stalowy i wyroby z drutu -Drut stalowy na liny -Część 4: Drut ze stali odpornej na korozję (2012). UE: PKN.
PN-EN 12056-3. Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków - Część 3: Przewody deszczowe - Projektowanie układu i obliczenia (2002). UE: PKN.
PN-EN 12385-1 +A1. Liny stalowe -Bezpieczeństwo -Część 1: Wymagania ogólne (2007). UE: PKN.
PN-EN 12385-10+A1. Liny stalowe -Bezpieczeństwo -Część 10: Liny jednozwite do ogólnych zastosowań w konstrukcjach technicznych (2008). UE: PKN.
PN-EN 12385-2+A1. Liny stalowe -Bezpieczeństwo - Część 2: Definicje, oznaczenie i klasyfikacja (2008). UE: PKN.
PN-EN 12385-4. Zakończenia lin stalowych -Bezpieczeństwo -Część 4: Zalewanie metalem i żywicą (2011). UE: PKN.
PN-EN 13411-3. Zakończenia lin stalowych -- Bezpieczeństwo -Część 3: Tuleje i ich zaciskanie (2007). UE: PKN.
PN-EN 13411-4. Zakończenia lin stalowych -- Bezpieczeństwo -Część 4: Zalewanie metalem i żywicą (2013). UE: PKN.
PN-EN 13411-5. Zakończenia lin stalowych- Bezpieczeństwo- Część 5: Zaciski linowe kabłąkowe (2009). UE: PKN.
PN-EN 1991-1-4. Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wiatru (2008). UE: PKN.
PN-EN 1991-1-5. Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-5: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania termiczne (2005). UE: PKN.
PN-EN 1993-1-11. Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-11: Konstrukcje cięgnowe (2008). UE: PKN.
PN-EN 1993-1-4. Eurokod 3 -Projektowanie konstrukcji stalowych -Część 1-4: Reguły ogólne -Reguły uzupełniające dla konstrukcji ze stali nierdzewnych (2007). UE: PKN.
PN-EN 1993-1-9. Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych -Część 1-9: Zmęczenie (2007). UE: PKN.
PN-EN 1993-3-2+Ap1. Eurokod 3-Projektowanie konstrukcji stalowych- Część 3-2: Wieże, maszty i kominy.  Kominy (2008). UE: PKN.
Pałkowski, S. (2009). Konstrukcje stalowe: wybrane zagadnienia obliczania i projektowania. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
Pęcak, D. Wyprowadzenie wzoru na krzywą łańcuchową (2009). Retrieved from https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Krzywa_%%C5%%82a%%C5%%84cuchowa&oldid=43873094
Sofistic AG. (2008). SOFiSTiK Online User Maual Version 2010. Retrieved from http://www.strenco.pl/filemanager/userfiles/PDF/ConSteel_7%%200_Manual_PL_EC.pdf
Technet GMBH. (1989). Easy - Software fur die durchgangige Planung und Berechnung Leichter Flachentragwerke. Retrieved December 29, 2015, from http://technet-gmbh.de/index.php?id=63
Tofil, J. (2010). Rozwój współczesnych przekryć o konstrukcji cięgnowej. Czasopismo Techniczne. Architektura, R. 107(z. 7-A/2), 381–386. Retrieved from https://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i4/i2/i8/i3/r4283/TofilJ_RozwojWspolczesnych.pdf
Wikipedia. (2015, November 7). O2 Arena (Londyn). In Wikipedia, wolna encyklopedia. Retrieved from https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=O2_Arena_(Londyn)&oldid=44019495
Wikipedia. (2015, October 19). Krzywa łańcuchowa. In Wikipedia, wolna encyklopedia. Retrieved from https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Krzywa_%%C5%%82a%%C5%%84cuchowa&oldid=43873094

 

Related Hasła

Comments : 0
O autorze

* dr inż. Leszek Chodor. Architekt i Inżynier Konstruktor; Rzeczoznawca budowlany. Autor wielu projektów budowli, w tym nagrodzonych w konkursach krajowych i zagranicznych, a między innymi: projektu wykonawczego konstrukcji budynku głównego Centrum „Manufaktura” w Łodzi, projektu budowlanego konstrukcji budynku PSE w Konstancinie Bielawa, projektów konstrukcji „Cersanit” ( Starachowice, Wałbrzych, Nowograd Wołyński-Ukraina). Autor kilkudziesięciu prac naukowych z zakresu teorii konstrukcji budowlanych, architektury oraz platformy BIM w projektowaniu.

Wyślij

Translate »