Leszek Chodor, 11 listopada 2014
01-02-2025 rewizja po dużej awarii portalu
03-05-2026 dodanie rozdziału o wymianach w fałdach blachy trapezowej
W przypadku nieczytelnych treści, proszę powiadomić: leszek@chodor.co
Artykuł w ciągu ostatnich 24 godzin czytało 5 Czytelników
Kształtowanie stali na zimno, jest to wytwarzanie produktów stalowych poprzez: gięcie, prasowanie lub tłoczenie cienkich blach w normalnej temperaturze. Dynamiczny rozwój produkcji trwa od okresu odbudowy po II wojnie światowej i w tym czasie kraje, które opanowały nowoczesną, zautomatyzowaną i zmechanizowaną produkcję kształtowników profilowanych na zimno – coraz bardziej optymalizują zużycie energii, co jest szczególnie istotne obecnie, w erze budownictwa zrównoważonego i energooszczędnego – Architektury zielonej. Technologia gięcia profili stalowych, w stosunku do walcowania na gorąco – umożliwia produkcję przy dużo mniejszym wydatku energii, wyroby są wzmocnione poprzez zgniot na zimno i wytworzone przy znacznie mniejszych odpadach technologicznych zarówno surowców (rudy żelaza , dodatków stopowych, węgla) jak i półproduktów (blach cienkich). Asortyment profili giętych na zimno jest bardzo szeroki, bo efektywnie produkować można w zasadzie dowolne otwarte i zamknięte kształty ściśle dopasowane do potrzeb przemysłu i budownictwa. Obszerne omówienie zagadnienia można znaleźć w poradnikach: [1], [2], również zagranicznych, np. [3], a także w normie [4].
Profile gięte na zimno (g-z)
Rodzaje profili g-z
W tab. 1 i tab. 2 zestawiono najczęściej stosowane rodzaje kształtowników giętych na zimno.
Tab. 1 Rodzaje kształtowników giętych na zimno ze względu na zamknięcie
Tab.2 Rodzaje kształtowników giętych na zimno ze względu na rodzaj giętej blachy
Efektywność profili giętych na zimno
Gięcie na zimno za pomocą wieloklatkowych giętarek rolkowych umożliwia otrzymanie kształtowników o bardziej racjonalnym rozłożeniu metalu niż w przypadku walcowania na gorąco. Na rys.1. pokazano, że kształtowniki gięte na zimno z grupy kątowników i ceowników mają o kilkanaście procent większe wskaźniki wytrzymałości od kształtowników walcowanych tego samego rodzaju i o takiej samej masie.
Kształtowanie profili g-z
Profile formowane na zimno są projektowane zgodnie z normą [4] z blach o grubościach od 1 mm do 4 mm i złożone ze ścianek o stosunku długości do grubości wg tab. 3 i geometrii zagięcia wg rys. 2
Tab.3 Maksymalne stosunki długości do grubości ścianki kształtownika giętego na zimno [4]
Rys.2. Geometria naroża profilu giętego: 1 – warstwa obojętna po odkształceniu, 2- pocienienie [1]
Ważną składową profilów giętych na zimno są usztywnienia krawędzi oraz płaskich ścianek (tab. 4).
Tab. 4 Usztywnienia ścianek profili giętych [ na podstawie [4]]
Technologia formowania profili na zimno
Najczęściej spotykaną metodą obróbki plastycznej w profilach formowanych na zimno jest zaginanie. Wykorzystuje się w tym celu następujące urządzenia: giętarka rolkowa, prasa krawędziowa, ciągarka.
Konstrukcje z kształtowników g-z
Na rys.3 pokazano przykład konstrukcji hali wykonanej całkowicie z kształtowników giętych, a na rys.4. kilka rodzajów przekryć produkowanych z ażurowych profili.
Rys.3. Hala z kształtowników giętych: 1- płatwie, 2- płatwie szczytowe, 3- słupki ścian, 4- rygle ścian, 5- oczep ściany szczytowe, 6- łączniki
Rys.4. Przekrycia z ażurowych profili giętych na zimno [3]
Grupy zastosowań kształtowników g-z
Wyróżniamy dwie grupy zastosowania kształtowników giętych na zimno:
- na elementy architektoniczne: ościeżnice, skrzydła okienne, skrzydła drzwiowe, bramy przemysłowe, elementy ścian osłonowych, obudowy szybów dźwigowych, pomosty, regały, schody, elementy wykończeniowe,
- na elementy nośne konstrukcji, a mianowicie na konstrukcje samodzielne wykonywane całkowicie z kształtowników giętych lub na elementy wydzielone ze zwykłych konstrukcji stalowych, elementy o konstrukcji zespolonej.
- na elementy pomocnicze konstrukcji nośnej , jak wymiany i belki wzmacniające, stężenia połączeniowe i ścinne itp.
Konstrukcje samodzielne najczęściej spełniają kryteria: mają nie więcej niż 4 kondygnacje, wysokość ścian nie przekracza 6 m, a rozpiętość stropów 12m. Hale mają zwykle rozpiętość 9-24m i wysokość do 8 m i są wyposażone w suwnice o małym udżwigu do 100 kN. Przykładowe konstrukcje typu lekkiego, to: domy mieszkalne, magazyny, hale, budynki przemysłowe, komunalne, wiaty, pawilony, zbiorniki, budynki użyteczności publicznej.
Elementy wydzielone o ze zwykłych konstrukcji stalowych to: wiązary dachowe przy rozpiętościach 9-18m, stropy w budynkach mieszkalnych o rozpiętości do 12m, płyty dachowe, i płatwie w budynkach halowych, stężenia ścian, ściany warstwowe
Elementy o konstrukcji zespolonej, to: elementy poszycia dachów, elementy konstrukcji powłokowych, stropy (zastosowanie blach fałdowych z nadlewką betonową).
Należy zwrócić uwagę, że podane wyżej ograniczenia w zastosowaniu są już historyczne i obecnie budownictwo LSF przekracza często te ograniczenia.
Elementy konstrukcji z profili g-z
Profile gięte na zimno stosuje się najczęściej na następujące elementy konstrukcji:
- Płatwie mogą być projektowane jako przęsłowe lub ciągłe, mają one małą sztywność na skręcanie. W celu ograniczenia odkształceń w czasie załadunku, transportu, rozładunku i składowania zaleca się ograniczać długość płatwi wykonywanych w wytwórni.
- Belki stropowe i podciągi powinno wykonywać się do 6,0m oraz w nominalnym rozstawie 0,6-1,2m. Z reguły projektuje się je jako dwuteowe (profile złożone). Połączenia ze słupami projektowane są zazwyczaj jako przegubowe, rzadziej na pełne zamocowanie. Gdy rozpiętości są większe niż 3,0m powinno stosować się stężenia między belkami.
- Słupy mają zazwyczaj wysokość jednej kondygnacji. Grubość ściany przekroju waha się w granicach 2-6mm. Usztywnienia ścian przekroju dokonuje się przy wykonaniu rowków. Najczęściej stosowane profile to rury kwadratowe i prostokątne, rury okrągłe, profile złożone (dwuteowe).
- Stropy najczęściej stosuje się tu zespolenie blach fałdowych z elementami walcowanymi na gorąco z nadlewką betonową. Możliwe jest również wykonanie stropu przy zastosowaniu zespolenia z płytami OSB.
- Dźwigary kratowe zazwyczaj są projektowane jako konstrukcje o rozpiętościach 6-15 m. Najczęściej spotykane ustroje to: wiązary jedno i dwuspadowe o skartowaniu krzyżulcowym lub krzyżowo słupkowym, kratowe trójprzegubowe ze ścięgnem, jętkowe, krokwiowe, wieszarowe ze ściągiem. W projektowaniu z profili giętych w stosunku do walcowanych mogą wystąpić następujące różnice: osie prętów nie pokrywają się z liniami zarysu teoretycznego, osie nie zbiegają się w jednym punkcie, stosowane pręty są niesymetryczne w płaszczyźnie wiązara.
Zastosowania specjalne
Wymiany w pokryciu w fałdach blachy trapezowej
Częstym problemem inżynierskim jest wzmacnianie trapezowej blachy nośnej pokrycia dachu wokół otworów pod świetliki, klapy dymowe i inne otwory technologiczne. W takich przypadkach tradycyjnie wykonuje się wymiany z kształtowników, które przy dużych rozpiętościach pomiędzy belkami nośnymi przekrycia mogą wymagać zastosowania dużych kształtowników. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest włączenie blachy fałdowej do współpracy w przenoszeniu obciążeń. Artykuł dotyczy takich rozwiązań.
Rozważany problem na przykładzie poszycia dachowego wykonanego z konstrukcyjnej blachy fałdowej. W dachowym przekryciu z blachy trapezowej opartym na płatwiach w rozstawie $L_x$ oraz (najczęściej) podciągach/wiązarach w rozstawie $L_y$ konieczne jest wykonanie otworu wymiarach w świetle $b_x \times b_y$ . Zgodnie z zasadami krawędzie swobodne wokół otworu zostały poddane obróbce blacharskiej. Poza blachami obróbek od dołu blachy trapezowej przytwierdzono wzmacniające profile nośne (wymiany) P1 i zamykające P2. Rozważane zagadnienie przedtawiono na rys. 5.
Rys.5. Zawieszenie otworu w dachu na pokryciu z blachy trapezowej
Model blachy trapezowej
Model blachy trapezowej jest szczegółowo opisano w pracy ECCS (1995) [5].
W szczególności pokazano tam ,że płytowe sztywności giętne $D_y$ oraz $D_x$ w $ [kN mm^2/mm]$ blachy trapezowej w dwóch prostopadłych kierunkach : nośnym „x” oraz prostopadłym „y” odpowiednio wynoszą (oznaczenia na rys.5):
\[ D_y = \cfrac{EI_y}{d} \tag{1} \label{1} \]
\[ D_x = \cfrac{ E \cdot t^3 \cdot d}{12\cdot (1-\nu^2)\cdot u} \tag{2} \label{2} \]
gdzie:
$E=210 GPa$ , $\nu=0,3$ – moduł Younga i współczynnik Poissona stali
Model płyty ortotropowej opisany sztywnościami giętnymi $(\ref{1})$ i $(\ref{2})$ jest szeroko wykorzystywany do modelowania sztywności tarczowej przekrycia (np praca [6].
Dla zagadnienia rozprzężonego zginania moment bezwładności zastępczego pręta w kierunku prostopadłym na 1 m szerokości [cm4/ m] wynosi:
\[ I_x = \cfrac{ d \cdot t^3 }{12} \cdot \cfrac{1}{1-\nu^2} \cdot \cfrac{1}{u} \tag{3} \label{3} \]
gdzie ostatni czynnik uwzględnia płytową (przestrzenną) pracę pręta.; d, t w [cm] , u w [m]
W niniejszym artykule płytę ortotropową aproksymujemy rusztem prętowym złożonym z prostopadłych zastępczych belek o momencie bezwładności $I_{y1} $ w kierunku nośnym oraz $I_{x1}$ w kierunku rozdzielczym.
Momenty bezwładności zastępczego (jednego) pręta w kierunku nośnym $I_{y1}$ oraz prostopadłym $I_{x1}$ powinny wynosić
\[ I_{y1} = I_y \cdot a_y \quad ; \quad I_{x1} = I_x \cdot a_x \tag{4} \label{4} \]
gdzie:
$I_y$ moment bezwładności blachy $[cm^4/m$ podany przez producenta (na 1 m szerokości blachy).
$I_x$ wg ($\ref{3}$) też na 1 m szerokości blachy.
$a_y \, , \, a_x$ rozstaw belek odpowiednio nośnych i rozdzielczych w modelu (rys.1)
Przykłady
Przykład 1 [ Wymiany pod klapę dymową; bl. trapezowa konstrukcyjna]
Dane
rozstaw płatwi $L_y$ = 5400 mm
rozstaw dźwigarów $L_x$ = 8000 mm
klapa dymowa mcr PRolight C160
wymiary $b_x=b_y$= 1600 mm
$e_y=5400/2= 2400 \, mm$
$e_x=24000/2=12000 \, mm$
$B_x=B_x= 1800 \, mm$
ciężar $G_{klapa} = 1 \,kN$
Obciążenia dachu
stałe $G= 0,4 \, kN/m^2 $ (warstwy ocieplenia)
ciężar własny blachy $G_b = 0,106 \, kN/m^2 $ – uwzględniane „automatycznie w tablicach
zastępcze obciążenie od śniegu $Q_s= 1,00 \, kN/m^2$ – z uwzględnieniem zasp śniegu.
zastępcze obciążenie od urządzeń na dachu $Q_d= 0,1 \, kN/m^2$ – z rozwiązania zadania pomocniczego traktowane jako zmienne
zastępcze obciążenie podwieszone do blachy $Q_p= 0,3 \, kN/m^2$.
$Q_d$ oraz $Q_p$ traktuje jako obciążenia zmienne o nieustalonej lokalizacji.
Łącznie:
obciążenie charakterystyczne $Q_k= 0,4+ 1,00 +0,1+0,3= 1,6 \, kN/m^2$,
obciążenia obliczeniowe: $Q_d= 1,35 \cdot 0,106 \cdot 0,85+ 1,5 \cdot [ 1 \cdot 1,00+ 0,7 \cdot ( 0,1+0,3) ] = 0,122+ 1,50 + 0,42= 2,04 \, kN/ m^2$
Dobór blachy dachowej
Blachę dobrano z tablic producenta Blachy Pruszyński
dla rozpiętości obliczeniowej $L_d = 5400+ 2 \cdot 50= 5500 \, mm$
gdzie $50 =ok \, 5400/1000 \, mm tolerancja ustawienia teoretycznej podpory.
Dobrano blachę T135x0,88
dla której:
nośność charakterystyczna dla dopuszczalnego ugięcia L/200 wynosi $Q_{Rk} = 1,72 > 1,6 kN/m^2$
nośność obliczeniowa $Q_{Rd} = 3,63 > 2,04 kN/m^2$
$I_y= 355,45 \, cm^4/m$
$d= 310 \, mm$
$u=490 \, mm$ (obliczono odrębnym szacunkiem)
Ruszt zastępczy
Rozstawy pomiędzy prętami nośnymi i rozdzielczymi przyjęto:
$a_y = 0,5 \, m $
$a_x=0,5 \, m$
Momenty bezwładności belek zastępczych
($\ref{3}$) $\to$ $I_x = \cfrac{ 31 \cdot 0,88 ^3 }{12} \cdot \cfrac{1}{1-0,3^2} \cfrac{1}{0,49} = 3,95 \, cm^4/m$
($\ref{4}$) $\to$ ,$I_{x1} = 3,95 \cdot 0,5 = 1,975 \, cm^4$ , $I_{y1} = 355,45 \cdot 0,5 = 177,73 \, cm^4$
Zastosowano zastępcze pręty w postaci płaskowników:
w kierunku y: $h=13,5 \, cm$ $t= 12 \cdot 177,73 / 13,5^3= 0,87 \, cm$
w kierunku x: $t=0,87 \, cm$ $h=\sqrt[3]{12 \cdot 1,975 / 0,87 }=3,0 \, cm$
Dalej w opracowaniu
Literatura
- Widuch A., Welzel A., Musioł J., Szczeszek, B., Holota H., Loranty M. (1983), Kształtowniki stalowe gięte. Poradnik. Wydawnictwo Śląsk
- Bródka J., Broniewicz M., Giżejowski, M. (2006). Kształtowniki gięte: poradnik projektanta. Polskie Wydawnictwo Techniczne
- Trisevskij I. S., Klepanda, W. W. (1978), Metalliceskije oblegcennyje konstrukcii. Spravocnoje posobie. Budyvelnik
- PN-EN 1993-1-3:2008, Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-3: Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno
- ECCS, European Recommendations for the Application of Metal Sheeting acting as a Diaphragm – Stressed Skin Desing, 1995
- Korcz N., Modele tarczowe uwzględniające tarczową pracę pokrycia dachowego, JCEEA, t. XXXIV, z. 64 (4/I/17), październik-grudzień 2017, s. 213-228
________________________________
