Konstrukcje łukowe od czasów starożytnych są jednym z ważniejszych elementów architektury i konstrukcji budowlanych. Przekrycia płaskie nie były traktowane jako inżynierskie.
Konstrukcje łukowe
Wprowadzenie
Pierwszą łukową konstrukcją z żelaza był pokazany na rys. 19, most Coalbrookdale wybudowany w latach 1777 -1781 r. w Shropshire, Anglia.
Rys. 21. Pierwsza na świecie konstrukcja z żelaza Iron Bridge w Shropshine (1778) [1]
Największym na świecie samonośnym łukiem jest Gateway Arch w Saint Louis, USA otwarty w 1965 roku, choć zaprojektowany już w 1947 r. przez fińskiego architekta Eero Saarinen’a. Monument ma wysokość 192 m i formę odwróconej krzywej łańcuchowej [2]. Jest 62 piętrowym budynkiem wysokim, jednym z najwyższych w Saint Louis. Rozpiętość łuku przy podstawie wynosi 192 metry (tyle samo co jego wysokość). Elementy konstrukcyjne, z których jest zbudowany łuk, to trójkąty równoboczne o boku 16,5 m przy podłożu, do 5,2 m w najwyżej położonym punkcie. Konstrukcja wykonana jest z dwupłaszczowych modułów stalowych o przekroju trójkątnym. Wewnętrzny płaszcz ze stali węglowej grubości 10 mm tworzy powłokową konstrukcję, natomiast zewnętrzny płaszcz ze stali nierdzewnej jest wykończeniem łuku. Nowatorska konstrukcja nie posiada wewnętrznego szkieletu nośnego; moduły są samonośne.
Rys. 22. Największy stalowy łuk GateWay Arch, Saint Louis (1965) [2]
Konstrukcje łukowe w obiektach kubaturowych
Prezentacja Crystal Palace w roku 1851 (rys.2) zapoczątkowała erę żelaza w budownictwie i stosowanie żelaznych, a następnie stalowych łuków do przekryć hal. Za największą konstrukcję stalową dzisiaj uważany jest Stadion Narodowy „Ptasie Gniazdo” w Pekinie, który został zbudowany na Igrzyska Olimpijskie w 2008 roku (rys.21a). Konstrukcja stalowa stadionu zawiera wiele przenikających się łuków stalowych (rys. 21b).
Rys.23 Narodowy stadion w Pekinie: widok konstrukcji, b) przenikające się łuki [3]
Wybrane detale konstrukcyjne konstrukcji łukowych na przykładzie projektu Hali Głównej Targów Kielce [4], przedstawiono na rys.22.
Rys.24. Konstrukcja łuku na Tragach w Kielcach [4]
Rys.25. Podstawowe kształty łuków, na przykładzie łuku trójprzegubowego: a) łuk paraboliczny, b) łuk kołowy
Wyboczenie i imperfekcje łuku
Wyboczenie z płaszczyzny łuku lub zwichrzenie płaskiej postaci zginania coraz częściej zabezpiecza się zabiegami konstrukcyjnymi, na przykład poprzez sprzężenie dwóch łuków w kierunku bocznym w sposób pokazany na rys.24 lub 25.
Rys.26. Przykład sprzężenia łuków przeciw wyboczeniu z płaszczyzny. Kładka Humber Bay Arch Bridge w Toronto, Kanada [6]
Rys.27. Przykład sprzężenia łuków przeciw wyboczeniu z płaszczyzny. Stadion Moses-Mabhida_Stadium [7]
Sklepienia i kopuły
Przekrycia jednokrzywiznowe (sklepienia) i dwukrzywiznowe (kopuły) wyczerpująco omówiono w artykule [8].
Sklepienia z blach trapezowych
Łukowe blachy trapezowe
Łukowe blachy trapezowe są wyrobem hutniczym uzyskiwanym poprzez wygięcie panela na promień R wzdłuż długości fałd (rys.27, 28).
Rys.28. Panel łukowy z blachy fałdowej [9]
System łukowych blach trapezowych znajduje zastosowanie w obiektach użyteczności publicznej, obiektach handlowych, przemysłowych i magazynowych zarówno jako jednowarstwowe przekrycia samonośne, jak i przekrycia dwuwarstwowe, z warstwą izolacji termicznej.
Zdolność konstrukcji do przenoszenia obciążeń pionowych wynika z sił wewnętrznych występujących w łukach głównie w postaci sił normalnych, zaś stosowane dotychczas w budownictwie blachy trapezowe przenoszą obciążenia w postaci sił gnących, co znacznie ogranicza rozpiętość między podporami. Dopiero zastosowanie blach trapezowych giętych łukowo w sposób ciągły pozwala na zwielokrotnienie nośności i osiągnięcie rozpiętości między podporami nawet do 20 m, co pozwala na zminimalizowanie konstrukcji oraz redukcję czasu i kosztów budowy.
Łukowe blachy trapezowe łączą w sobie zalety sklepień łukowych – walory architektoniczne i znaczną wytrzymałość – z najnowszymi osiągnięciami w technologii profilowania blach.
Łukowe blachy trapezowe są produkowane w Polsce przez Arcelor Mittal [9] pod nazwami handlowymi LT 40 i LT 70 i wytwarzane są na zautomatyzowanych, sterowanych komputerowo liniach technologicznych. Proces produkcji obejmuje w jednym zintegrowanym cyklu trapezowanie i ciągłe gięcie łukowe blachy. Promień gięcia blach łukowych podlega stałej kontroli laserowej. Asortyment obecnie produkowanych trapezowych blach łukowych zestawiono w materiałach [9]
System Floline (Legato)
Z blach przedstawionych w pkt. 8.1. można kształtować sklepienia: jednopowłokowe lub dwupowłokowe, pokazane na rys. 29.
Rys.29 System przekryć łukowych Legato (lub Floline) [10]
Systemy złożone jest z blachy nośnej (spodniej), ocieplenia, profilu dystansowego oraz z blachy trapezowej wierzchniej.
System Legato przekryć łukowych z blach trapezowych opracowała austriacka firma Zeman & Co Gesellschaft mbH . Firma Zeman obecnie prowadzi w Polsce spółkę Zeman HDF ( Hale, Dachy , Fasady) Greschbach-Zeman-Pokój. W 2013 roku Zeman sprzedał 50% udziałów w firmie Florprofile dla ArcelorMittal Construction, partnera od 1999 roku. System Legato jest produkowany przez Arcelor Mittal [11] również dzisiaj, choć bardziej znany jest tożsamy system Floline [12].
Dla płaskich blach trapezowych korzystamy z tabel, które przy założeniu określonych obciążeń, schematu statycznego i rozpiętości, zawierają dokładne dane umożliwiające dobór profilu blachy. Dla elementów łukowych nie ma możliwości zestawienia podobnych tablic, gdyż nośność elementów łukowych zależy nie tylko od rozpiętości i warunków obciążenia, ale także w znacznym stopniu od stosunku rozpiętości do promienia łuku. Stawiając sobie zadanie uwzględnienia wszystkich pośrednich wartości promieni, należałoby sporządzić niezliczoną ilość tabel dla różnych przypadków rozpiętości i obciążenia. Jest to praktycznie niemożliwe. Przeliczenie do tej pory ogromnej liczby przypadków wykazuje jednak, że istnieje określony stosunek rozpiętości do promienia, przy którym, lub w pobliżu którego, uzyskuje się pod względem statycznym, najlepszy efekt ekonomiczny. Takie wytyczne wskazano w systemie Floline [13].
Graniczne rozpiętości łuków w systemie Floline określano na podstawie badań eksperymentalnych, które pozwoliły dobrać optymalne parametry oraz oszacować nośność przekryć dla konkretnych rozwiązań, w tym konkretnych rozwiązań dla profili dystansowych oraz łączników blachy nośnej z profilem dystansowym i profilu z blachą wierzchnią.
System Hupro
Amerykańsko-kanadyjski system hal łukowych Hupro [14] daje możliwość budowy hal o rozpiętości od 9 do 42 m i długości, będącej wielokrotnością szerokości 61 ,0 cm podstawowego panela. System zaprojektowano z warunku szybkiego montażu i łatwego transportu. Hale doskonale naddają się na obiekty sportowe, przemysłowe, magazynowe, garażowe i inne. Na rys. 30 pokazano zastosowanie hali na zadaszenie kortów tenisowych z zaznaczeniem sposobu wentylacji.
Rys. 30 System przekryć łukowych Hupro [15]
Realizacja dwupowłokowego łuku z blach fałdowych – Hala Targi Kielce
Na rys. 31 pokazano wejście główne do reprezentacyjnej hali Targów w Kielcach, w której zastosowano dwupowłokowe sklepienie z blach fałdowych, a na rys. 32 widok na przekrycie od zewnątrz i od wewnątrz obiektu
Rys 31. Przekrycie dwupowłokowe. Reprezentacyjna hala Targi Kielce [16]
Zastosowane rozwiązanie przekrycia dwupowłokowego zastosowanego w konstrukcji hali z rys. 29 pokazano na rys. 30, detal „a”. Na warstwę wierzchnią przekrycia zastosowano łuk systemu Floline z profilu LT 40x 0,75 (tab. 4), giętego na promień 7,5 m i 37,8 m, a na warstwę dolną (nośną) łuk z profilu LT40x0,88 , giętego na promień 7,3 m i 37,6 m. Pomiędzy blachami zastosowano dano dystansowy zetownik gięty na zimno Z 60x150x 1,5 zg. Profile dystansowe stężano między sobą prętami C 50x110x 1,5 zg. Powyższa konstrukcja stanowi odstępstwo od zaleceń systemu Floline, który opracowano i przebadano dla profili dystansowych kapeluszowych, pokazanych na rys. 33. To odstępstwo niestety spowodowało nadmierną odkształcalność przekrycia i problemy eksploatacyjne obiektu.
Rys 32. Łuk nośny dwupowłokowego systemu Floline i kapeluszowy profil dystansowy
Jak pokazano w pracy [16] przekrycia jednopowłokowe i dwupowłokowe z blach fałdowych można i należy analizować jako powłoki średniej grubości podatne na ścinanie według teorii Reisnera-Mindlina (np. za pomocą programu ABAQUS). Sztywność na ścinanie powłoki złożonej można określić w zadaniu pomocniczym, na płytowo tarczowym modelu wycinka łukowego o przekroju złożonym ze ścianek profilu dystansowego oraz łukowych blach fałdowych. Ten sposób analizy pozwala zaprojektować przekrycie o dowolnych krzywiznach oraz różnych profilach dystansowych i pozwala prawidłowo dobrać łączniki pomiędzy profilem dystansowym i blachą nośną oraz wierzchnią.
Konstrukcje z blach profilowanych innych niż trapezowe
Sklepienia z blachy falistych
W ostatnich latach intensywnie zaczęły rozwijać się konstrukcje powłokowo-gruntowe w zastosowaniu na mosty i wiadukty i przepusty drogowe, ale także na przekrycia obiektów kubaturowych [17], [18].
Na rys. 34 pokazano jedną z wizji architektonicznych hal w epoce architektury zrównoważonej [18] , spełniającej wiele kryteriów budownictwa ekologicznego i energooszczędnego. Struktura EcoSheel składa się z dziewięciu sklepień , z których każde jest odpowiednio mniejsze od wyższego. Taka konstrukcja pozwala wprowadzić światło naturalnego światła do wnętrza przestrzeni poprzez okna wbudowane w końcach sklepienia. Sklepienia te mogą być wykonane jako dwupowłokowa i może być łatwo izolowana do dowolnej grubości, poprzez wdmuchanie izolacji między dwiema powłokami. Odzysk wody deszczowej jest łatwy ze względu na głębokie fałdy , które naturalnie zbierają wodę i kierują ją na do rynien w podstawie . Ogniwa fotoelektryczne lub kolektory słoneczne są montowane na zakrzywionej powierzchni budynku co podnosi ich efektywność. System Multi – EcoShell Eco jest wykorzystywany na budynki biurowe , przychodnie , restauracje, obiekty handlowe , winnice , a nawet obudowy istniejących obiektów.
Rys. 33. Hala łukowa z blach falistych [19]
W przypadku konstrukcji powłokowych, współpracujących z gruntem projektujemy ją jako odkształcalną i możemy wymiarować według różnych teorii, z których największe zastosowanie ma metoda kanadyjska [20] lub skandynawska [21].
Przekrycia z innych blach profilowanych
Obok blach trapezowych i falistych na sklepienia łukowe stosuje się również inne blachy profilowane lub siatki, dostosowane do wizji architektonicznej:
- blachy płaskie na rąbek stojący ułożone na powierzchni jedno- lub dwu-krzywiznowej, najczęściej prostokreślnej po linii rąbków (rys. 35)
- blachy z regularnymi wytłoczeniami (rys.36),
- blachy z nieregularnymi krzywiznami i wytłoczeniami (rys.37)
- blachy z innymi wytłoczeniami, na przykład pokazanymi na rys. 38.
Rys. 34 Przekrycie dwukrzywiznowe z blach płaskich na rąbek
Rys. 35 Blachy z wytłoczeniami na krzywiźnie stożka [22]
Rys. 36 Blachy z nieregularnymi wytłoczeniami i krzywiznami [23]
Rys. 37 Blachy z rozmaitymi wytłoczeniami [23]
Analizy konstrukcyjne takich nieregularnych przekryć należy prowadzić dla indywidualnie aproksymowanych powierzchni, na których są rozpięte, a także z użyciem odpowiednich programów, elementów i algorytmów, numerycznych. Wymiarowanie zaleca się prowadzi ogólną metodą imperfekcyjną (realną), dobierając siły równoważne od imperfekcji w sposób standardowy.
Przekrycia cięgnowe
Przekrycia cięgnowe wyczerpująco omówiono w artykule Przekrycia cięgnowo-membranowe.Literatura
- [https://pl.wikipedia.org/wiki/Iron_Bridge]
- Wikipedia, https://pl.wikipedia.org/wiki/Gateway_Arch
- Wikipedia, (2015), Beijing National Stadium, [ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Beijing_National_Stadium&oldid=690816850 ]
- Kaczmarek, J., Polimex Mostostal Siedlce. (2010), Rysunki warsztatowe konstrukcji. Rozbudowa Targów Kielce- hala G.
- PN-EN 1993-2:2010, Projektowanie konstrukcji stalowych, Część 2: Mosty stalowe
- [Wikipedia, (2010) https://en.wikipedia.org/wiki/Humber_Bay_Arch_Bridge ]
- Wikipedia. (2010), Moses Mabhida Stadium. In Wikipedia, the free encyclopedia. [ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Moses_Mabhida_Stadium&oldid=683619800 ]
- Chodor, L., Powałek, M. (2015). Kopuła siatkowa. PiWiki -Inżynierowie i Architekci Chodor-Projekt. https://chodor-projekt.net/encyclopedia/kopula-siatkowa/
- ArcelorMittal, (2009, May), Floline curved metal panels, [ http://ds.arcelormittal.com/repo/AMC%20Eastern%20Europe/DOCUMENTATION/Floline_EN.pdf ]
- Zeman Z6, (2009, May). System Legato. Das selbsttragende Bogensystem vom Erfinder. The self-supporting arch system from the inventor., [
http://www.zeman-stahl.com/images/stories/prospekte/legato%20prospekt%20de%20zebau.pdf? ] - ArcelorMittal, (2009, May), Floline curved metal panels, [ http://ds.arcelormittal.com/repo/AMC%20Eastern%20Europe/DOCUMENTATION/Floline_EN.pdf ]
- ArcelorMittal. (2009, May). GlobalRoof (R). Floline Blachy łukowe. http://ds.arcelormittal.com/repo/AMC%20Eastern%20Europe/DOCUMENTATION/Arval_BlachyLukoweFloline_view.pdf
- ArcelorMittal, (2009, May). GlobalRoof (R). Floline Blachy łukowe, [ http://ds.arcelormittal.com/repo/AMC%20Eastern%20Europe/DOCUMENTATION/Arval_BlachyLukoweFloline_view.pdf ]
- Kurzawa Z., Rzeszut K., Szumigała, M. (2015). Stalowe konstrukcje prętowe. Część III Konstrukcje z łukami, elementy cienkościenne, pokrycia membranowe, elementy zespolone, belki podsuwnicowe. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej.
- Hupro, (1985), Stalowe hale Hupro. Infromacje techniczne,, [ http://www.hupro.pl/informacje-techniczne/ ]
- Chodor L. (2014), Ekspertyza techniczna. Rozszczelnianie pokrycia hali E na terenie Targów Kielce. Polskie Inwestycje, sp.j. Grażyna i Anna Chodor; Archiwum Chodor-Projekt, sp. z o.o.
- Machelski C. (2008). Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powłokowych. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne
- Janusz L., Madaj A. (2009), Obiekty inżynierskie z blach falistych: projektowanie i wykonawstwo. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności
- Sparacia J. (2015), Eco Architecture: Eco Shell Multi-Use Building System gets powered by renewable energy. Ecofriend, [ http://www.ecofriend.com/eco-architecture-eco-shell-multi-use-building-system-gets-powered-by-renewable-energy.html ]
- CAN-CSA S6-00, CHBDC (2000), Buried Structures, Canadian Standards Asociation – International
- TRITA-BKN Nr 112, Pettersson J., Sundquist, (2014), Design of soil steel composite bridges, 5th Ed., Stockholm
- Wikipedia, (2015), Vulcania, Saint- Ours,[ https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Vulcania_w_Saint-Ours&oldid=36559637 ]
- Inox, (2009), Wytłoczenie, Wzór i Tekstura – Trzeci wymiar powierzchni stali nie-rdzewnych (Seria Budowlana, Księga 14), [ http://www.worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/Euro_Inox/3D_Finishes_PL.pdf ]
________________________________
