KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB

Transkript

1 Ing. Vladimír Jirka, Ph.D. Ústav stavitelství I fakulty architektury učební texty předmětu POZEMNÍ STAVITELSTVÍ KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB část druhá KONSTRUKCE NAMÁHANÉ PŘEVÁŽNĚ OHYBEM 2006

2 KONSTRUKCE OHÝBANÉ - VAZNÍKY, RÁMY A PROSTOROVÉ KONSTRUKCE Konstrukční systémy halových staveb Odlišnosti statického fungování prostého nosníku a rámu Základním prvkem v ohýbaném konstrukčním systému je ohybově namáhaný prostě uložený (a) nebo vetknutý (b) prvek přenášející především svislá zatížení. profil prvků zatížení a) b) opěrná kce reakce PROSTÝ NOSNÍK tlak tah rámová příčel tuhé RÁM spojení průběh momentu M ohybový moment M rozpon L Veškeré zatížení na prostě uloženém prvku je přenášeno ohybovým namáháním uprostřed rozpětí. Únosnost závisí na průřezovém modulu nosníku a dovoleném namáhání materiálu (viz. vazníkové a bezvazníkové soustavy). Je-li nosníková konstrukce v podepření vetknuta (tuhá) vznikne v oblasti podpory ohybový moment, který je přenášen i opěrnou (svislou) konstrukcí vzniklé rámové soustavy. V důsledku spolupůsobení opěrné konstrukce se snižují ohybové momenty v rámové příčli. Horní pas nosníku i rámové příčle je tlakově namáhán, je třeba zajistit stabilitu před vybočením. Deskové soustavy Betonové bezvazníkové soustavy Střešní konstrukci tvoří desky s výztužnými žebry (a), zalamované lomenicové desky (b), zvlněné skořepinové dílce (c) nebo komůrkové tenkostěnné průřezy. V podélném směru mohou být prizmatické (výhoda kontinuální výroby) nebo zakřivené (d) (vzepnuté), sedlového tvaru apod. Navrhují se na rozpony m při šířkách prvků 1,2 3 m. žebrové panely TT profilu hladké panely Spiroll (skelet S1.2) 31

3 a) desky s výztužnými žebry 2400 Pro zajištění tuhosti střešní tabule jsou prvky vzájemně stykovány m Bezvazníková soustava mezi rámy těžkého montovaného skeletu Integro 32

4 b) zalamované lomenicové c) zvlněné skořepinové d) komůrkové tenkostěnné zakřivené, vzepnuté prizmatické 33

5 Příhradové a strukturální deskové konstrukce Strukturální deskové útvary jednosměrně a zejména obousměrně pnuté střešní konstrukce. Přenáší zatížení obousměrným ohybem a někdy i tuhostí v kroucení. a) roštové desky z rovinných příhradových nosníků h = 1/15 1/30 L L = m b) soustavy s prostorovým uspořádáním diagonál Navrhují se převážně z kovových materiálů (ocel, dural, ) z tenkostěnných uzavřených trubkových nebo Jäklových profilů, někdy z plastů a dřeva h = 1/15 1/30 L příruby dolní příruby horní diagonály L = m 34

6 Vazníkové soustavy Střešní konstrukce vazníkové soustavy sestává především ze střešních vazníků (nosníkových prvků) ukládaných na sloupy, průvlaky nebo stěny.vazníky lze členit podle: Tvaru: přímopasé, pultové, sedlové, lomené a obloukové Konstrukce: plnostěnné, příhradové, Virendelovy Materiálu: železobetonové, ocelové, dřevěné A přímopasý C - sedlový B pultový D lomený pas horní styčník E - obloukový diagonála příčel pas dolní táhlo 35

7 Na střešní vazníky jsou ukládány přímo plošné střešní prvky (žebírkové či kazetové panely s odlehčenou deskou) bezvaznicový systém nebo střešní vaznice nesoucí střešní plášť - vaznicový systém. střešní panely podpora vazník (rámová příčel) vaznice BEZVAZNICOVÝ VAZNICOVÝ vaznice vazník rámová příčel střešní panely vazník vaznice táhlo 36

8 Soustavy s betonovými vazníky Železobetonové vazníky jsou zpravidla navrhovány z předpjatého prefabrikovaného železobetonu. Betonové vazníky mají velkou životnost a nevyžadují údržbu. Smykové propojení obou pásnic bývá řešeno: plnou stěnou stěnou vylehčenou otvory Plné vazníky jsou výrobně jednodušší, ale často brání prostupu technických instalací. Rozpony m. montážní styk těžiště pruty příhradové soustavy Příhradové vazníky výrobně pracnější, vyžadují větší konstrukční výšku haly. Pro větší rozpony je nutno je dělit a na stavbě dodatečně spojit předpínacími kabely. Z důvodu montážní stability se ukládají nad svým těžištěm. Rozpony m Vierendeel příčlemi táhlo rozpon až 30 m Vazníky jednolodních hal jsou ukládány na sloupy, u vícelodních jsou vnitřními podporami průvlaky. Sloupy bývají profilu obdélného, I, nebo členěné, uložené na monolitické či prefabrikované patky (na sraz či do kalichu). 37

9 Soustavy s ocelovými vazníky a) plnostěnné vazníky s prolamovanou stojinou menší rozpony 6 9 m, větší zatížení Plnostěnné vazníky z válcovaných nosníků nebo složených svařovaných průřezů (z plechů a širokých ocelí). Snadná výroba i údržba, těžké, menší rozpony ocelový Ι nosník - rozřezaný, o ½ vlny posunutý a svařený b) plnostěnné průřezy složené větší rozpony m L h = 1 / 15 L c) příhradové vazníky rovinné velké rozpony ( 32) m h = 1 / 10 L d) girlandové sedlové vazníky vytvářející trojkloubovou soustavu s ocelovým táhlem na rozpony až 80 m. Typické parabolickým tvarem dolního pasu a taženými diagonálními prvky. Příhradovina bývá z prutových prvků válcovaných, tenkostěnných profilů nebo z trubek. Lehčí, umožňují i větší rozpětí. dolní parabolický pas kloub kloub táhlo tažené diagonály kloub 38

10 Podpůrné konstrukce betonové či ocelové sloupy, zděné stěny. Ocelové sloupy ze svařovaných profilů (otevřených či uzavřených), z válcovaných profilů, nebo jako členěné průřezy. Ukládají se pomocí kotevních desek na základovou konstrukci. Spojování prutů ve styčnících (styčníkový plech) pomocí svarů. Montážní styky se šroubují. styčníkový plech kulový styčník kotevní deska styčníkový plech 39

11 Střešní plášť je navrhován s plnostěnnými vaznicemi prostě uloženými. Při větších roztečích bývají vaznice příhradové, spojité: vzpěrkové (a) nebo zavěšené (b). a vazník světlík vaznice b vaznice vazník Při bezvaznicové skladbě se na vazníky přímo ukládají plošné dílce: profilované plechy, žebírkové železobetonové desky, kovoplastické a dřevěné kompletizované panely 40

12 Soustavy s dřevěnými vazníky Vazníky jsou plnostěnné nebo příhradové, celodřevěné nebo materiálově kombinované. Horní a dolní pasy dřevěných vazníků jsou z hranolů a prken. Plná stojina je prvek sbíjený nebo lepený z prken (a,c), vodovzdorných překližek (b) nebo dřevotřískových desek. Příhradové stojiny se navrhují z prken nebo hranolů (d,e) h = 1 / 8 1 / 12 L a) L = 6 15 m b) h 1 = 1 / 16 L c) L = m h 2 = 1 / 30 L h = 1 / 5 L d) h = 1 / 5 1 / 7 L e) L = m L = m Výhodou lepených konstrukcí (c) je jejich větší odolnost, únosnost a požární bezpečnost. Dřevěné vazníky se ukládají na zděné stěnové nebo pilířové konstrukce na dřevěnou pozednici. Malé rozpony bezvaznicová soustava s dřevěným bedněním, větší rozpony užívají dřevěných vaznic lepených nebo příhradových. Lze užít i dřevěných žebrových panelů, kde žebra nahrazují profily vaznic. Tuhost v rovině střešního pláště se zajišťuje diagonálním zavětrováním. vazníky příhradové vazníky lepené 41

13 Průřezy dřevěných vazníků se tvoří spojováním konstrukčních částí různými spojovacími prostředky: svorníky svorníky hřebíky či vruty lepením styčníkové kovové desky s trny hmoždíky (bulldogy) 42

14 Příklad uplatnění centrálního uspořádání ocelových vazníků na objektu: SAZKA ARENA Praha, Vysočany ateliér ATIP Trutnov Vladimír & Martin Vokatý 36 vazníků délky až 56 m, hmotnosti do 20 tun víceúčelová hala diváků malá aréna míst 135 m tubus 180 tun kupole 1500 tun ocelová táhla pro přesná předpínání 43

15 RÁMOVÉ SOUSTAVY Vetknutí střešního nosníku do sloupové podpory v rámovém rohu (tuhé spojení) vede ke zmenšení ohybových momentů uprostřed rozpětí. V důsledku tuhého spojení se přenáší rámový moment do rámové stojky. Nevýhodné namáhání stojek rámu ohybem (a) lze částečně eliminovat návrhem spojité rámové konstrukce (b): zatížení a) tuhý styčník rám rámová příčel průběh momentu M rámová stojka b) spojitá rámová konstrukce kloub kloub kloub vetknutí rozpon L náběhy lze vytvořit tuhý styčník Průběh ohybového namáhání v konstrukci je závislý na ohybové tuhosti stojky a příčle, je ovlivňován také náběhy. Pak se koncentruje v místech s vyšší ohybovou tuhostí. 44

16 c) vetknutý rám velká míra statické neurčitosti, citlivost konstrukce na účinky poklesu podpor, teplotních a objemových změn h = 1/12 1/15 rozpětí L b = 1/3 2/3 h rozpětí L = m h C = h ( ); b C = b vetknutí d) dvojkloubový rám vložením kloubů do patek, menší citlivost na pokles základů (sedání stavby) h = 1/10 1/6 L kloub e) trojkloubový rám přidáním kloubu i do příčle třetí kloub 45

17 f 1 ) konzolový rám vložením kloubu do rámového rohu, stejně jako trojkloubový není citlivý na vynucené deformace kloub vzpěra kloub vetknutí f 2 ) konzolový rám spojitý vložením kloubu do rámového rohu, stejně jako trojkloubový není citlivý na vynucené deformace kloubová vzpěra vetknutí 46

18 Betonové rámové soustavy Železobetonové rámové konstrukce se realizují jako monolitické (a) nebo prefabrikované (montované) (b). Pro celomontované rámové soustavy se užívají subtilní prutové dílce z betonů vysoké pevnosti, skořepinové (c) a lomenicové (d) rámové prvky. Prutové soustavy mohou vytvářet rovinné vazby. a) monolitické Paris Churých Riola, Italy Alvar Aalto 1978 b) prefabrikované 47

19 c) skořepinové sakrální stavba (USA) zimní stadion v Plzni d) lomenicové L = 9 36 m tloušťka mm, h = 1/40 1/50 L 48

20 Tuhé spojení rámové příčle a stojky se v monolitické železobetonové konstrukci docílí uspořádáním výztuže v rámovém rohu (a). Totéž v montované konstrukci se řeší prostřednictvím šroubovaných nebo svařovaných stykovacích desek (e,f). Spoje jsou přímo v rohu nebo v místech s malými ohybovými momenty (vkládání zkrácených příčlí mezi sloupy s konzolami) (g). Řešení střešního pláště obdobné jako u vazníkových zastřešení (h). a) tuhý roh v monolitické konstrukci e) šroubový styk v montované konstrukci f) h) vaznice g) tuhé rohy (styčníky) vloženy mezi zkrácené stojiny a příčel 24 m 49

21 Ocelové rámové soustavy Pro lehké ocelové haly malých a středních rozponů tenkostěnné profily tvářené za studena (např. [ ), válcované plnostěnné a prolamované profily, příhradové z tenkostěnných trubek, betonářské oceli apod. Pro těžké haly plnostěnné svařované průřezy otevřené (I) nebo uzavřené (truhlíkové ) ev. příhradové trubkové nebo z válcovaných profilů. Tuhost v příčném směru je zajištěna vlastní tuhostí vazníků, v podélném směru se vkládají příhradová, rámová ap. ztužidla. Střešní a obvodový plášť v bezvaznicové či vaznicové skladbě jako u hal vazníkových. h = 1/35 1/40 L L = 9 60 m střešní plášť s vaznicemi bezvaznicová skladba ztužidlo táhlo ztužidlo kloubové uložení cca 18 m 50

22 Tenkostěnné, otevřené, za studena tvarované ocelové profily v tříkloubovém tlačeném nosníku s táhlem užívá soustava HARD. Průřezy nosných prvků ve tvaru [ Konstrukční systémy halových staveb 20% vzpěra táhlo m 51

23 Provedení rámového rohu (styčníku) v ocelové konstrukci a) rám plnostěnný svary šroubové spoje b) rám příhradový c) kotvení rámové stojky do základové konstrukce se provádí ocelovou kotevní deskou a kotevními šrouby 52

24 Dřevěné rámové soustavy Rámová příčle i stojky plnostěnné (a) nebo příhradové (b). Konstrukční návrh sbíjeného nebo lepeného průřezu je obdobný jako u dřevěných vazníkových soustav. Zvýšení únosnosti plnostěnného vazníku lze dopomoci vlepovanou ocelovou výztuží. V praxi rámy 2- nebo 3-kloubové: příznivé statické působení, výhody dopravní a montážní. a) H = 1 / 23 L H = 1 / 25 L b) L = m b) H = 1 / 25 L L = m R = 5 10 m L = m Střešní plášť v závislosti na vzdálenosti rámů v bezvaznicové nebo vaznicové skladbě jako u vazníkových soustav Kloubové uložení stojiny rámu na základovou patku 53

25 Pozornost nutno věnovat rámovému rohu a přenosu smykových sil. Příklady řešení rámového rohu: (b) příhradový sbíjený (předchozí strana); (c) plnostěnný lepený; (d) smíšený. Vnitřní a podporové klouby jsou řešeny jako kovové (d),(e). c) lepený prvek svorníky d) tlak tah e) H = 1 / 25 L rozpon L = m f) Rámový roh lze zjednodušit užitím ocelového táhla zachycujícího tahovou složku momentu v rámovém rohu. 54

26 Některé příklady uplatnění rámových konstrukcí na stavbách Konstrukční systémy halových staveb olympijský stadion v Soulu, Korejská republika 1988 (železobeton) Continental Train Platform, Waterloo Station, London, United Kingdom - N.Grimshaw & part (ocel) rekonstruovaná tržnice v Praze na Smíchově (ocel) bazénová hala (lepené dřevo) 55