Leszek Chodor, 3 kwietnia 2016
07-03-2025 rewizja po dużej awarii portalu
W przypadku nieczytelnych treści, proszę powiadomić: leszek@chodor.co
Artykuł w ciągu ostatnich 24 godzin czytało 13 Czytelników
Artykuł w reedycji po dużej awarii portalu
Płatew jest elementem konstrukcji przekrycia dachu, układanym w kierunku równoległym do kalenicy dachu. Płatew jest belką lub lekką kratownicą, która przenosi obciążenia pokrycia dachu na wiązary. W stalowych dachach bezpłatwiowych rolę płatwi pełni blacha dachowa przekrycia. W stalowych dachach płatwiowych blacha wyeliminowała krokwie dachowe.
Wprowadzenie
Umiejscowienie płatwi w pokryciu
W zależności od usytuowania w konstrukcji przekrycia hali można wymienić płatwie: połaciowe P1, kalenicowe P2 , i okapowe P3 (rys.1).
Rys.1. Umiejscowienie płatwi w konstrukcji przekrycia dachu
W zależności od sposobu ułożenia w stosunku do płaszczyzny połaci płatwie mogą być pionowe (środnik pionowy niezależnie od pochylenia połaci) (rys.2b,c) lub ze środnikiem prostopadłym do płaszczyzny połaci (rys.2a)
Zależność pochylenia przekrycia od rodzaju pokrycia
W tab.1 zestawiono zalecane spadki połaci dachowej w zależności od zastosowanego pokrycia dachowego wg noemy 1989 roku [1].
Współczesne pokrycia dachów hal stalowych wykonuj się w technologii wymienionej w kol. 14 tabeli (pokrycia bezspoinowe): 2x papa termozgrzewalna lub folia EPDM (Ethylene Propylene Diene terpolymer Monomer) o gr. 1,2 do 2,0 mm (0,045 ” do 0,075″).
W takim przypadku ze względu na szczelność pokrycia nie jest wymagany spadek ( w tabl.1 – 0%). Wskutek ugięcia przekrycia mogą tworzyć isę lokalne zastoisk wody (efekt jeziora), i dlatego nawet w przypadku podciśnieniowego systemu odprowadzenia wody (np. Geberit Pluvia) należy nadawać niewielki spadek, wynoszący 1,0 do 1,5%, a nawet 3%.
Spadek 3% jest najczęściej przyjmowany jako minimalny spadek współczesnych przekryć i jest potwierdzany przez producentów materiałów pokryć.
W przypadku krycia blachą trapezową bez pokrycia bitumicznego przyjmuje się spadek 5 stopni a 3 stopnie dla blachy płaskiej (łączonej na rąbek) .
Tab.1 Spadek połaci dachowej w zależności od pokrycia dachowego[1]
Zależność typu płatwi od wymaganej odporności ogniowej przekrycia
Analizy optymalizacyjne
Typ płatwi (pełnościenna , kratowa) zależy od jej rozpiętości L.
W rozdziale Optymalizacja płatwi artkułu Hale stalowe optymalne konstrukcyjnie pokazano, że praktycznie w całym zakresie płatwie walcowane są prawie 2x cięższe od płatwi giętych na zimno lub kratowych. Przy rozpiętościach 6 do 7,5 m najlepiej stosować płatwie gięte na zimno w rozstawie co 3 m; przy rozpiętościach 7,5 do 9 m płatwie gięte na zimno w rozstawie co 1,5 m. Przy rozpiętościach 9 do 12 stosować płatwie kratowe w rozstawie co 3,0 lub 4,5 m.
Analizy optymalizacyjne płatwi przeprowadzono też w pracy [2] oraz [3].
Typy płatwi
Płatwie stosowane w przekryciach stalowych mogą być wykonane z:
- profili giętych na zimno Z, C+, Sigma (rys. 18) – najczęściej w wykonaniu systemowym, ze zoptymalizowanymi grubościami ,ścianek drodze nadań producentów, klasy odporności ogniowej „E”
- profili gorącowalcowanych – w tej grupie najczęściej stosuje się profile IPE , a czasami ceowniki C – stosowane najczęściej w przypadku konieczności uzyskania odporności ogniowej R30 (granicznie R60) do młaych ropieościm (max 7 m)
- profili walcowanych przygotowanych jako płatwie ażurowe – stosone dla większych rozpiętości od płatwi IPE (do ok 9 m),
- profili
- Poniżej, na rys. 3 pokazano detale podparcia płatwi klasycznych walcowanych, które można stosować do podparcia pasa dolnego płatwi kratownicowej.
Dla większych rozpiętości stosuje się płatwie kratowe (
Rys.3. Podparcie płatwi walcowanych i pasa dolnego płatwi kratownicowych [4]
Zagadnienia wybrane
Płatwie klasyczne: walcowane, ażurowe i kratowe
Przed powszechnym stosowaniem płatwi giętych na zimno lub w przypadku wbudowania niewielkiej ilości płatwi – montowane są płatwie walcowane, najczęściej z dwuteowników typu IPE. Przy rozpiętościach 9-12 m płatwie walcowane należy sprefabrykować tak, by zwiększyć wysokość konstrukcyjną bez dodatkowych nakładów materiału, na przykład poprzez przygotowanie płatwi ażurowych w sposób pokazany na rys.14. Dostępne są również płatwie ażurowe sinusoidalne.
Rys.14. Przygotowanie płatwi ażurowych z otworami: a) sześciokątnymi, b) kołowymi . Z lewej – sposób prefabrykacji (rozcięcia) dwuteownika ; z prawej – profil ażurowy po zaspawaniu) (na podstawie [5])
Rys. 15 Płatew kratowa w systemie WideBay [6]
W przypadku rozpiętości powyżej 12 m należy stosować płatwie kratownicowe. Znane jest wiele systemów płatwi kratownicowych, stosowanych wraz z własnym systemem stężeń pionowych, najczęściej produkowanych jako składowa hal VP SSR, SLR II, ThermoDeck i HWR. Na rys. 15 pokazano lekką płatew WideBay, która jest stosowane do rozpiętości 16 m i średnio jest 15% do 25% lżejsze od płatwi walcowanych. Na rys. 16 pokazano zastosowanie płatwi kratowych w systemie Butler Landmark™ 2000. Płatwie w systemie Truss PurlinXT™ osiągają rozpiętość ok 19 m.
Rys.16. Płatew kratowa w systemie Butler Landmark™ 2000 [7]
Rys.17. Klasyczne płatwie kratowe 9 i 12 m [8]
Płatwie gięte na zimno
Płatwie lub krokwie w przekryciach stalowych wykonywane są najczęściej z lekkich profili giętych na zimno o przekroju: zetowym Z lub ceowym C+, lub sigma Σ lub kapeluszowym (rys.18).
Płatwie gięte na zimno są optymalne pod względem zużycia stali przy długościach do 12 m (rys. 13). Można pokazać, że są optymalne również cenowo, biorąc pod uwagę fakt, że producenci systemów płatwi swoją ofertę optymalizują w drodze projektowania wspomaganego eksperymentalnie, a nie tylko obliczeniowo zgodnie z normą [11]. W ten sposób maksymalnie wykorzystują rezerwy nośności płatwi giętych na zimno, na przykład wynikające ze wzmocnienia stali na skutek zgniotu na zimno, ale także poprzez stosowanie systemowych rozwiązań węzłów dobrze zbadanych doświadczalnie. Z tych powodów nośności płatwi podawane w katalogach producentów są większe niżby to wynikało z rachunków normowych, które na dodatek są złożone i pracochłonne. Zalecamy projektowanie płatwi giętych na zimno poprzez dobór na podstawie katalogów producentów i powstrzymanie się od indywidualnych obliczeń. Należy również stosować się do wytycznych producentów w zakresie detali, w tym podparcia płatwi, ich stężenia po długości hali oraz włączania w system zabezpieczenia stateczności dźwigarów dachowych.
Detale zamocowania (zawieszenia) płatwi giętej na zimno do pasa wiązara oraz mocowania blachy pokrycia do pasa płatwi pokazano na rys. 19 i rys.20.
Rys.19. Detal zamocowania blachy poszycia do pasa płatwi giętej na zimno [11]
Sztywność zamocowanie płatwi na skręcanie przez poszycie (rys.19) zależy między innymi od wysokości płatwi i od odległości łączników od środnika płatwi. Dość złożone zależności podane w pkt. 10.1.5. (PN-EN 1993-1-3, 2008) do celów praktycznego projektowania zostały włączone do procedur [12]. Dostrzega się wartość przedstawionych w normie zależności analitycznych, ale wyłącznie na potrzeby procedur informatycznych, oraz do weryfikacji doświadczalnej powadzonej przez producentów blach fałdowych (poszycia dachowego) oraz płatwi.
Reakcje podporowe płatwi Rw, R1 i R2 pokazane na rys.18a, a wywołane obciążeniem qEd blachy poszycia powinny być przeniesione ze wspornika, na którym jest zawieszona płatew na pas górny wiązara dachowego. Reakcja Rw, jest standardową reakcją podpory płatwi i powinna być przeniesiona ze środnika płatwi na wspornik poprzez łączniki. Reakcje poziome R1 i R2 są drugorzędowe, mogą być wyznaczone wg tab. 10.5 (PN-EN 1993-1-3, 2008). Siła R2 jest przeniesiona z poszycia na pas górny płatwi i następnie poprzez wspornik (najczęściej kątownik) na pas górny wiązara. Natomiast siła R1 jako mała najczęściej jest pomijana, szczególnie w przypadku uniesienia pasa płatwi nad pas dźwigara dachowego, bo bez problemu powinna być przeniesiona przez połączenie wspornika z dźwigarem. Szczegółowe analizy podparcia płatwi cienkościennej przy współpracy z poszyciem zawiera praca [13].
Rys. 20. Podparcie (zawieszenie) płatwi giętej na zimno n akonstrukcji: a) nad pasem wiązara dachowego [11], b) Zawieszenie płatwi i zabezpieczenie pasa dolnego wiązara przed zwichrzeniem [14]
Zastosowanie ukośnych usztywnień , jak na rys. 18b umożliwia zabezpieczenie przed zwichrzeniem rygla stalowego w miejscu oparcia płatwi, w miejscach w których pas dolny jest ściskany(nad slupami).
Rys.2. Usytuowanie płatwi w stosunku do połaci: a) prostopadle do połaci, b) pionowo, c) płatew kalenicowa (opracowano wg [4])
Podwieszenie płatwi
W przypadku najczęściej stosowanego usytuowania płatwi prostopadle do połaci (rys. 2a) następuje dwukierunkowe zginanie płatwi:
(1) w kierunku większej sztywności ( zginanie wokół osi y) od obciążenia
| $Q_z= [W+(Q+S)\cdot cos \alpha] \cdot a+g$ | (1) |
(2) w kierunku mniejszej sztywności (zginanie wokół osi z) od obciążenia
| $Q_y= [(Q+S)\cdot sin \alpha ] \cdot a$ | (2) |
Przy dużych kątach nachylenia połaci może okazać się, że decydujące jest zginanie względem osi z. W celu zmniejszenia tego efektu stosuje się podwieszanie płatwi w sposób pokazany na rys. 4.
Rys.4. Podwieszenie płatwi: a) jednym wieszakiem, b) dwoma wieszakami, c) detale [4]
Rys.5. Ilustracja zastosowania ściągów i zastrzałów
Podwieszenie jednym wieszakiem (rys. 4a) stosuje się wówczas, gdy:
| $Q_y \ \ < \ \ \cfrac {Q_z \cdot cos \alpha}{4}$ | (3) |
W przeciwnym przypadku (przy większym zginaniu z płaszczyzny) dajemy dwa wieszaki (rys. 4b) lub trzy wieszaki (rys. 5).
Moment zginający płatew z płaszczyzny wyznacza się jak dla belki dwu- lub trój-przęsłowej o długości prtzęsła l= b/2 lub b/3 (rys. 4a i 4b odpowiednio) ze znanej zależności:
| $M_z= Q_y \cdot l^2/n$ | (4) |
gdzie dla momentu podporowego: n=8 (belki dwuprzęsłowa), n= 10 (belka trójprzęsłowa).
Zginanie względem osi większej sztywności wyznacza się standardowo (My=Qzb2/8 dla płatwi jednoprzęsłowych). Należy zwrócić uwagę na jednoczesność zginania w obu kierunkach z warunku działania w jednym przekroju po długości płatwi.
Podwieszenia wykonuje się z prętów okrągłych nagwintowanych na końcach, tak, aby nakrętkami można było regulować naciąg. W ściągach panuje siła obliczona jak dla reakcji podpory, przy czym w ściągu ukośnym reakcja Sk może być oszacowana z reakcji podpory prostopadłej do ściągu i powiększona współczynnikiem 1/ sinβ.
Zwichrzenie płatwi
Zwichrzenie płatwi można pominąć (χLT=1) , jeśli pokrycie stanowi sztywną tarczę. Należy sprawdzić warunki:
(5) sztywność tarczy,
(6) nośność łączników połączenia blachy z pasem płatwi,
zgodnie z normami:
Podstawy metody wraz z licznymi diagramami podała Europejska Konwencja Konstrukcji Stalowych [17].
Zginanie międzywęzłowe płatwi kratowych
Pas górny płatwi kratowych jest obciążony między węzłami (rys.5) i dlatego przy wymiarowaniu prętów płatwi należy uwzględnić zginanie wywołane tymi obciążeniami. W istocie tak obciążona kratownica nie jest kratownic ą w sensie mechaniki budowli, lecz jest ramą z prętami pasów ciągłymi nad węzłami. Współcześnie kratownice oblicza się i wymiaruje jako ramy, a uproszczone metody szacowania zginania międzywęzłowego utraciły na znaczeniu.
Rys.5. Zginanie międzywęzłowe pasa górnego płatwi kratowej [4]
Często przy konstruowaniu płatwi przeważa kryterium prostoty i łatwości wykonania nad kryterium osiowego łączenia prętów. W tych przypadkach należy uwzględnić zginanie pasów od mimośrodowych rzeczywistych połączeń (rys.6).
Rys.6. Przykład zginania pręta kratownicy od mimośrodowych połączeń [4]
Problem mimośrodowych połączeń w węzłach występuje również w dźwigarach kratownicowych, które są przedmiotem artykułu Stalowe dźwigary kratowe.
Literatura
- PN-89/B-02361 Pochylenie połaci dachowych
- Chodor L., (2016). Przekrycia hal i galerii. Materiały XXXI Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Tom I, ss. 25–202, [ https://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/2016/03/Chodor_LPrzekrycia-hal-i-galerii-WPPK-2016.pdf]
- Chudy, S. (2015). Optymalizacja podsuwnicowych słupów hal, Praca magisterska, Politechnika Świętokrzyska, [https://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/2015/07/https://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/2015/07/Chudy-S.Optymalizacja-podsuwnicowych-słupow-hal-Praca-magisterska-Kielce-2015.pdf ]
- Bogucki W. (red.), (1982), Poradnik projektanta konstrukcji metalowych (Wydanie 1., Tom 2), Arkady, Warszawa
- Ruukki. (2015). Ruukki -Lightweight purlins technical manual, [ http://www.ruukki.com/~/media/Files/Lightweight-purlins/PDF/Ruukki-Lightweight-purlins-technical-manual.pdf ]
- Varco Pruden Buildings. (2015). Metal Frame Systems [ http://vp.com/products/framing-systems ]
- [https://www.butlermfg.com/products/structural-systems/landmark-2000-structural/]
- Krzyśpiak T. (1976), Konstrukcje stalowe hal (Wydanie 1), Arkady
- ArcelorMittal Distribution. (2015). Purlins – Arclad Services.
[ http://www.ruukki.com/~/media/Files/Lightweight-purlins/PDF/Ruukki-Lightweight-purlins-technical-manual.pdf ] - Pruszyński (2015), Profile Z, C, Sigma – Profile konstrukcyjne,
[ http://www.pruszynski.com.pl/profile_z,_c,_.php? ] - 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
- Consteel Software. (2019). ConSteel 13 Manual, [https://consteelsoftware.com/downloads/ ]
- Goczek, J., & Supeł, Ł. (2014). Płatwie z kształtowników profilowanych na zimno. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej,
- ArcelorMittal Distribution, (2015). Purlins – Arclad Services, [ http://www.ruukki.com/~/media/Files/Lightweight-purlins/PDF/Ruukki-Lightweight-purlins-technical-manual.pdf ]
- PN-EN 1993-1-1+A1:2006, Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych, Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków
- 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. (1995). European Recommendations for the Application of Metal Sheeting acting as a Diaphragm – Stressed Skin Desing (No. 88). European Convention for constructional SteelWork, [ https://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/2016/04/ECCS-1995-No-88-ER-for-Application-of-Metal-Sheeting-Acting-as-Diaphragm.pdf ]
________________________________
