VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV KOVOVÝCH A DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF METAL AND TIMBER STRUCTURES ZASTŘEŠENÍ VLAKOVÉHO NÁDRAŽÍ THE ROOFING OF A RAILWAY STATION BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR JAN OLBERT Ing. JOSEF PUCHNER, CSc. BRNO 2013
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště B3607 Stavební inženýrství Bakalářský studijní program s prezenční formou studia 3647R013 Konstrukce a dopravní stavby Ústav kovových a dřevěných konstrukcí ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student Jan Olbert Název Vedoucí bakalářské práce Datum zadání bakalářské práce Datum odevzdání bakalářské práce V Brně dne 30. 11. 2012 Zastřešení vlakového nádraží Ing. Josef Puchner, CSc. 30. 11. 2012 24. 5. 2013...... doc. Ing. Marcela Karmazínová, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Děkan Fakulty stavební VUT
Podklady a literatura ČSN EN 1991-1-1 Zatížení konstrukcí - Část 1-1: Obecná zatížení - Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb ČSN EN 1991-1-3 Zatížení konstrukcí - Část 1-3: Obecná zatížení - Zatížení sněhem ČSN EN 1991-1-4 Zatížení konstrukcí - Část 1-4: Obecná zatížení - Zatížení větrem ČSN EN 1993-1-1 Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby ČSN EN 1993-1-8 Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-8: Navrhování styčníků Zásady pro vypracování Navrhněte nosnou ocelovou konstrukci zastřešení vlakového nádraží o půdorysných rozměrech 63m x 300m a světlé výšce umožňující průjezd vlaků. Návrh vypracujte v následujícím rozsahu: - technická zpráva - statický výpočet - výkresová dokumentace (přehledný výkres, výkresy důležitých detailů) - výpis materiálu a nátěrové plochy - návrh postupu montáže... Ing. Josef Puchner, CSc. Vedoucí bakalářské práce
Abstrakt Cílem práce je návrh nosné konstrukce nástupištní haly vlakového nádraží. Konstrukce je budována nad obdélníkovým půdorysem o rozměrech 63,0 m x 300,0 m se světlou výškou, umožňující pohyb železničních vozidel podle ČSN 73 6320. Příčné vazby dvoulodní haly jsou tvořeny vetknutými sloupy, na které jsou kloubově uloženy příhradové vazníky. Osová vzdálenost jednotlivých příčných vazeb je 4,0 m. V podélném směru jsou sloupy uloženy kloubově, přičemž stabilita sloupů v podélném směru je zajištěna příhradovými ztužidly v rovině střechy a stěn. Klíčová slova Nosná konstrukce, ocelová hala, dvoulodní objekt, příčná vazba, sloup, příhradový vazník, vaznice, paždík, ztužidlo, štítový sloup, vetknutí, kloubové uložení. Abstract The goal of this thesis is structural design of railway station lobby steel roofing. The construction dimensions are 63,0 m x 300,0 m with height adapted for railway vehicles traffic according to ČSN 73 6320 technical standard. The two-bay hall cross coupling consists of lattice trusses mounted on restrained columns. Axial spacing between individual bonds is 4,0 m. In the longitudinal direction the stability of articulated columns is secured by truss bracing placed in the roof and walls. Keywords Structure, steel lobby, two-bay building, cross coupling, column, lattice truss, roof purlin, wall purlin, bracing, gable column, restraint, articulated support.
Bibliografická citace VŠKP OLBERT, Jan. Zastřešení vlakového nádraží. Brno, 2013. 18 s., 136 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav kovových a dřevěných konstrukcí. Vedoucí práce Ing. Josef Puchner, CSc.
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité informační zdroje. V Brně dne 21. 5. 2013 podpis autora Jan Olbert
Poděkování: Děkuji vedoucímu práce Ing. Josefu Puchnerovi, CSc. za odborné vedení mé bakalářské práce, za cenné rady a připomínky a za čas, který mi při konzultacích věnoval.
Obsah Zadání bakalářské práce... 2 Abstrakt a klíčová slova... 4 Bibliografická citace VŠKP... 5 Prohlášení o původnosti práce... 6 Poděkování... 7 Obsah... 8 A. Textová část 1. Úvod... 9 2. Dispozice... 10 3. Zatížení... 12 4. Materiál... 12 5. Základní prvky nosné konstrukce... 12 5.1. Střešní a stěnový plášť... 12 5.2. Vaznice... 12 5.3. Vazník... 12 5.4. Stěnový sloup... 13 5.5. Štítový sloup... 13 5.6. Štítový nosník... 13 5.7. Paždík... 13 5.8. Ztužidlo... 13 6. Založení objektu... 13 7. Výroba konstrukčních prvků... 14 8. Povrchová úprava konstrukce... 14 9. Doprava na staveniště a montáž... 14 10. Závěr... 14 Seznam použitých zdrojů... 15 Technické normy a odborná literatura... 15 Internetové zdroje... 15 Seznam použitých zkratek a symbolů... 16 Malá písmena latinské abecedy... 16 Velká písmena latinské abecedy... 17 Písmena řecké abecedy... 18 Seznam obrázků... 18 Seznam příloh... 18 8
1. Úvod Tato bakalářská práce se zabývá návrhem nosné ocelové konstrukce odbavovací a nástupištní haly vlakového nádraží. Umístění konstrukce není přesně zadáno, nicméně při výpočtu klimatických účinků zatížení jsem uvažoval její umístění na území statutárního města Brna. Vlakové nádraží je řešeno jako úvraťové, neboli hlavové. Jde tedy o stanici na jedné trati, která má připojeny navazující traťové úseky obou směrů do jednoho zhlaví. Příkladem hlavové stanice je Masarykovo nádraží v Praze. Menší část halové konstrukce potom tvoří prostor pro výpravní budovu s dopravní kanceláří a prostor pro odbavení cestujících. Větší část zastavěné plochy slouží jako zastřešení nástupišť. Zvláštností je tvar střešní konstrukce, který tvoří zborcená plocha druhého stupně - hyperbolický paraboloid neboli sedlová plocha. Obr. 1: Hyperbolický paraboloid nad čtvercovým půdorysem 9
2. Dispozice Konstrukce se rozkládá nad půdorysem o rozměrech 63.0 m x 300.0 m. Vlastní výška nad terénem je proměnná v rozmezí od 5.0 m do 15.0 m. Dispozice konstrukce sestává z 10 identických částí, tzv. bloků, které jsou vzájemně prostorově zrcadleny. Schéma zrcadlení je znázorněno na Obr. 1. Obdélníkový půdorys jednoho bloku má rozměry 31.5 m x 60.0 m. Vždy ve dvou protějších rozích bloku jsou potom vztyčeny sloupy o stejné výšce 5.0 m a 15.0 m. Obr. 2: Zrcadlení bloků 10
Půdorys bloku je rozdělen v příčném směru na 22 částí po vzdálenosti 1.5 m, které tvoří půdorysnou osovou vzdálenost vaznic. Rozdělením na 15 částí po 4.0 m ve směru podélném vzniká osová vzdálenost příčných vazeb. Obr. 3: Detail bloku Hlavní nosnou konstrukci tvoří příhradové vazníky s parabolickým dolním pásem, které jsou kloubově uloženy na sloupy. Prostorová stabilita v příčném směru je zajištěna vetknutím sloupů do základové konstrukce. V podélném směru, kde jsou sloupy staticky řešeny jako kloubově uložené, stabilitu zajišťují střešní a stěnová ztužidla, která se nacházejí vždy v krajních dvou polích bloku. Rozdílné statické řešení uložení sloupu v příčném a podélném směru je vyřešeno kotvením sloupu pomocí čepového spoje. Uspořádání vnitřního prostoru v místě nástupišť se řídí normami ČSN 73 6320 a ČSN 73 4959. Schématický příčný řez v místě nástupiště je zobrazen na obr. 4. Obr. 4: Schéma příčného uspořádání vnitřního prostoru 11
3. Zatížení Účinky zatížení na konstrukci jsou navrženy dle zásad platných norem. Statický výpočet se skládá ze dvou posudků: Posudek únosnosti a stability na 1. mezní stav únosnosti Posudek použitelnosti na 2. mezní stav použitelnosti Celkem bylo vytvořeno 12 zatěžovacích stavů a 2 kombinace (viz str. 20 př. B2 Statický výpočet). Výpočtem účinků zatížení se podrobně zabývá příloha B1 Výpočet zatížení a posouzení vybraných konstrukčních detailů. 4. Materiál Všechny základní prvky nosné konstrukce jsou vyrobeny z oceli pevnostní třídy S235. Prvky spojů konstrukce jako jsou čepy, čelní a patní desky, plechy přípojů jsou z oceli vyšší pevnostní třídy S355. Ke spojování prvků jsou použity svarové, šroubové a čepové spoje. Šrouby jsou navrženy ve třídě kvality 8.8. 5. Základní prvky nosné konstrukce 5.1. Střešní a stěnový plášť Při výběru typu plášťů bylo přihlédnuto zejména k účelu konstrukce. Bylo rozhodnuto pro kombinaci systému synergického pláště SCHÜCO pro střešní konstrukci a systému prosklené fasády pro konstrukci stěnového pláště. Střešní plášť je uložen na vaznice, stěnový plášť je připojen na paždíky a štítové nosníky. 5.2. Vaznice Vaznice jsou staticky řešeny jako spojité nosníky o třech polích délky 4.0 m s celkovou délkou 12.0 m a jsou kloubově uloženy na horní pás vazníků. Osová vzdálenost vaznic je 1.5 m. Zvolený průřez je válcovaná obdélníková trubka TR 4HR 160x90x6. Celková délka vaznice nevyžaduje zřizování montážních spojů z důvodu přepravy. 5.3. Vazník Příhradový vazník s parabolickým dolním pásem je hlavním nosným prvkem příčné vazby. Je navržen jako prostý nosník kloubově uložený na stěnové sloupy. Celkem je v konstrukci použito 8 tvarově rozdílných vazníků V1 V8 (viz str. 38 př. B1 Výpočet zatížení a posouzení vybraných konstrukčních detailů; str. 11 19 př. B2 Statický výpočet; př. B3 výkres 002 Schéma vazníků). Horní pás vazníku je navržen jako uzavřený průřez 2U komory 2x UAP250. Dolní pás je tvořen válcovanou kruhovou trubkou profilu TR Φ 219.1x10. Diagonály a svislice vazníku sestávají z válcovaných kruhových trubek TR Φ 60.3x2.9. Všechny prvky vazníku budou při výrobě spojeny svarovými spoji. 12
Vzhledem k nadměrné délce budou, z důvodu přepravy na staveniště, jednotlivé vazníky rozděleny na tři části a na místě spojeny montážními šroubovými spoji. 5.4. Stěnový sloup Stěnový sloup podpírá příčnou vazbu konstrukce. Je tvořen válcovanou kruhovou trubkou TR Φ 406.4x8.8. Celkem je v konstrukci použito 16 různě dlouhých sloupů od 5.0 m do 15.0 m. Osová vzdálenost jednotlivých sloupů je 4.0 m. Sloup je připojen k základové konstrukci pomocí čepového spoje s uvažovanou osou čepu kolmo k podélné ose konstrukce. 5.5. Štítový sloup Štítový sloup podpírá konstrukci štítu. Je tvořen stejným profilem jako stěnový sloup, tedy válcovanou kruhovou trubkou TR Φ 406.4/8.8. Délka štítového sloupu je 5.0 m. Štítovým sloupům je zabráněno rotaci kolem obou půdorysných os z důvodu přenášení vodorovných účinků zatížení větrem na štít. Jejich spojení se základovou konstrukcí je řešeno pomocí základové patky. 5.6. Štítový nosník Štítové nosníky tvoří nosnou část předního uzavřeného i zadního otevřeného štítu konstrukce. Jednotlivé nosníky jsou vzájemně spojovány svarovými spoji na staveništi. Profil nosníků tvoří uzavřený průřez 2U komory 2x UAP200. 5.7. Paždík Paždíky slouží jako vodorovné nosné prvky opláštění konstrukce. Jsou řešeny jako prosté nosníky, kloubově připojené ke stěnovým sloupům. Paždíky v krajních polích jsou součástí stěnového ztužidla. Délka paždíku je 4.0 m. Jsou tvořeny z profilu válcované čtvercové trubky TR 4HR 120x120x4. Vzdálenost spodních paždíků od roviny uložení konstrukce je 3.0 m. Zbylé svislé vzdálenosti mezi paždíky jsou 2.0 m. 5.8. Ztužidlo Ztužidla zajišťují podélnou stabilitu konstrukce. Jsou umístěna vždy v krajních dvou polích jednotlivých bloků konstrukce. Střešní i stěnová ztužidla jsou navržena z profilu válcované trubky TR Φ 121x4.0. 6. Založení objektu Základová konstrukce pro mnou řešenou stavbu sestává ze soustavy ŽB základových patek na které budou uloženy stěnové a štítové sloupy. Nicméně výpočet základových patek není součástí této bakalářské práce. 13
7. Výroba konstrukčních prvků Všechny prvky budou vyrobeny nebo připraveny pro vložení do konstrukce ve výrobním závodě v souladu s ČSN EN 1090 Provádění ocelových a hliníkových konstrukcí. Ve výrobním závodě budou taktéž veškeré prvky opatřeny antikorozním nátěrem. Barva nátěru bude zvolena po dohodě s investorem. 8. Povrchová úprava konstrukce Ochranu všech prvků konstrukce je třeba zajistit nátěrovým systémem podle stupně korozní agresivity (dle ČSN EN ISO 9223). Všechny nátěry musí být provedeny v souladu s platnými normami. Nátěr se skládá ze základní antikorozní barvy, podkladní barvy a vrchního emailu. Po dokončení montáže musí být konstrukce zkontrolována a případné poruchy antikorozní ochrany musí být řádně opraveny. 9. Doprava na staveniště a montáž Pro dopravu jsou rozhodující rozměry nejdelších dílců, tedy příhradových vazníků. Ty budou rozděleny na tři samostatné části a na staveništi spojeny montážními šroubovými spoji a jako celek vloženy do konstrukce. Montáž konstrukce bude provedena pomocí autojeřábů. Začne osazením kotevních patek na ŽB základové patky s předem zabetonovanými kotevními šrouby. Na ukotvené sloupy se namontují paždíky a stěnová ztužidla. Na sloupy se uloží příhradové vazníky a na ně poté namontují vaznice. Následovat bude umístění střešních ztužidel. Na závěr se nosná konstrukce opatří střešním a stěnovým pláštěm. 10. Závěr V této práci byla navržena ocelová konstrukce zastřešení vlakového nádraží. Dle platných norem bylo vypočteno zatížení působící na konstrukci. V softwarovém produktu SCIA ENGINEER 2012.1 byl vytvořen prostorový prutový model a ten byl zatěžován vypočtenými hodnotami zatížení. Strojně byly provedeny posudky na 1. mezní stav únosnosti a na 2. mezní stav použitelnosti. Manuálně byly potom navrženy a posouzeny vybrané detaily konstrukce. Všechny navržené prvky byly vyhodnoceny jako vyhovující. 14
Seznam použitých zdrojů Technické normy a odborná literatura [1] ČSN EN 1991-1-1 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-1: Obecná zatížení - Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb. Praha: Český normalizační institut, březen 2004. 44 s. [2] ČSN EN 1991-1-3 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-3: Obecná zatížení - Zatížení sněhem. Praha: Český normalizační institut, červen 2005. 51 s. [3] ČSN EN 1991-1-4 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-4: Obecná zatížení - Zatížení větrem. Praha: Český normalizační institut, duben 2007. 126 s. [4] ČSN EN 1993-1-1 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: Český normalizační institut, prosinec 2006. 96 s. [5] ČSN EN 1993-1-8 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-8: Navrhování styčníků. Praha: Český normalizační institut, prosinec 2006. 127 s. [6] ČSN 73 6320 Průjezdné průřezy na dráhách celostátních, dráhách regionálních a vlečkách normálního rozchodu. Praha: Český normalizační institut, červen 1997. 28 s. [7] ČSN 73 4959 Nástupiště a nástupištní přístřešky na drahách celostátních, regionálních a vlečkách. Praha: Český normalizační institut, duben 2009. 24 s. [8] MACHÁČEK, Josef; SOKOL, Zdeněk; VRANÝ, Tomáš; WALD, František. Navrhování ocelových konstrukcí. Příručka k ČSN EN 1993-1-1 a ČSN EN 1993-1-8. Navrhování hliníkových konstrukcí. Příručka k ČSN EN 1999-1. Praha: Informační centrum ČKAIT, 2009. 184 s. [9] TICHÝ, Milík; kolektiv. Zatížení stavebních konstrukcí. Technický průvodce 45. Praha: Nakladatelství technické literatury, 1987. 468 s. Internetové zdroje [10] OCEL.WZ.CZ [online]. [cit. 2013-05-18]. Spoje ocelových konstrukcí. Dostupné z WWW: http://ocel.wz.cz/ [11] DETAILYOK.WEBNODE.CZ [online]. [cit. 2013-18-5]. Detaily ocelových konstrukcí. Dostupné z WWW: http://detailyok.webnode.cz/ [12] ESDEP COURSE [online]. [cit. 2013-18-5]. European Steel Design Education Programme. Dostupné z WWW: http://www.fgg.uni-lj.si/kmk/esdep/master/toc.htm 15
Seznam použitých zkratek a symbolů Malá písmena latinské abecedy a b c cf cf,0 fu fy h hf i kr kw ky kyy kyz kz kzy kzz qb qp s sk t tf tw u vb vb,0 vm z z0 ze zj zmin účinná výška svaru šířka rozměr průřezu pro zatřídění průřezu součinitel síly součinitel síly pro konstrukce nebo nosné prvky bez vlivu koncového efektu mez pevnosti mez kluzu výška vzdálenost těžišť pásnic poloměr setrvačnosti součinitel terénu součinitel vzpěrné délky v kroucení součinitel vzpěrné délky v ose y kombinační součinitel pro namáhání ohybovým momentem a normálovou silou kombinační součinitel pro namáhání ohybovým momentem a normálovou silou součinitel vzpěrné délky v ose z kombinační součinitel pro namáhání ohybovým momentem a normálovou silou kombinační součinitel pro namáhání ohybovým momentem a normálovou silou referenční dynamický tlak maximální hodnota dynamického tlaku základní hodnota zatížení sněhem pro danou oblast charakteristická hodnota zatížení sněhem tloušťka tloušťka pásnice tloušťka stojiny posun v příslušné ose základní rychlost větru výchozí hodnota základní rychlosti větru střední rychlost větru výška parametr drsnosti terénu referenční výška pro zatížení vnějšího povrchu větrem vzdálenost středu smyku od těžiště minimální výška 16
Velká písmena latinské abecedy A plocha Av plocha přenášející smykovou sílu C1 součinitel rozdělení momentů C2 součinitel rozdělení momentů C3 součinitel rozdělení momentů Cdir součinitel směru Ce součinitel expozice Cfr součinitel tření CmLT součinitele ekvivalentního konstantního momentu Cmy součinitele ekvivalentního konstantního momentu Cmz součinitele ekvivalentního konstantního momentu Co součinitel orografie Cp,net součinitel tlaku Cr součinitel drsnosti Cseason součinitel ročního období Ct teplotní součinitel E modul pružnosti v tahu, tlaku G modul pružnosti ve smyku H výška It torzní moment setrvačnosti Iv intenzita turbulence Iy moment setrvačnosti k ose y-y Iz moment setrvačnosti k ose z-z Iω polární moment setrvačnosti L délka Lcr kritická délka Le efektivní délka návětrného svahu Lu skutečná délka návětrného svahu Mcr kritický moment MN,Rd ohybová únosnost redukovaná normálovým namáháním MRd,el pružnostní únosnost v ohybovém momentu MRd,pl únosnost v ohybovém momentu My ohybový moment k ose y-y Mz ohybový moment k ose z-z N normálová síla Ncr kritická normálová síla NRd,el pružnostní únosnost na normálovou sílu (tah, tlak) NRd,pl únosnost na normálovou sílu (tah, tlak) VRd únosnost ve smyku Vz posouvající síla Wel pružnostní modul průřezu Wpl plastický modul průřezu 17
Písmena řecké abecedy λ λ 1 α γg γm0 γm1 γm2 γq ε ζ ζg ζj κwt μ1 μcr ρ ρ Φ φ χ Ψ0 Ψf Ψλ štíhlost hodnota štíhlosti pro výpočet poměrné štíhlosti sklon střešní roviny dílčí součinitel stálého zatížení dílčí součinitel únosnosti průřezu kterékoli třídy dílčí součinitel únosnosti průřezu při posuzování stability prutu dílčí součinitel únosnosti průřezu při porušení v tahu dílčí součinitel proměnného zatížení součinitel závisející na fy zmenšovací součinitel bezrozměrný parametr působiště zatížení vzhledem ke středu smyku bezrozměrný parametr nesymetrie průřezu bezrozměrný parametr kroucení Tvarový součinitel bezrozměrný kritický moment objemová hmotnost redukční součinitel hodnota pro výpočet součinitele vzpěrnosti χ imperfekce ve tvaru globálního počátečního naklonění součinitel vzpěrnosti pro příslušnou křivku vzpěrné pevnosti kombinační součinitel pro proměnné zatížení parametr nesymetrie průřezu Součinitel koncového efektu Seznam obrázků Obr. 1: Hyperbolický paraboloid nad čtvercovým půdorysem Obr. 2: Zrcadlení bloků Obr. 3: Detail bloku Obr. 4: Schéma příčného uspořádání vnitřního prostoru Seznam příloh B1 B2 B3 Výpočet zatížení a posouzení vybraných konstrukčních detailů Statický výpočet Výkresová dokumentace 001 Dispozice 002 Schéma vazníků 003 Vybrané detaily 18