Stężanie elementów nośnych konstrukcji stalowych za pomocą płyt warstwowych

Elementy lekkiej obudowy hal stalowych w postaci blach profilowanych lub płyt warstwowych charakteryzują się stosunkowo dużą sztywnością tarczową. Przy zapewnieniu odpowiedniej nośności, sztywności i trwałości połączeń między obudową a szkieletem nośnym możliwe jest uzyskanie współpracy mechanicznej, która umożliwia przekształcenie, zazwyczaj płaskich, głównych ustrojów nośnych hali w przestrzenny, płytowo-tarczowo-prętowy ustrój nośny.

Efektem takiego ukształtowania ustroju konstrukcyjnego jest korzystna redystrybucja sił wewnętrznych prowadząca do zmniejszenia masy konstrukcji nośnej.

Pozytywnym następstwem współpracy obudowy hali ze szkieletem nośnym jest również ograniczenie przemieszczeń bocznych prętowych elementów konstrukcyjnych.

Powstałe w ten sposób stężenie uwzględnia się w obliczeniach statyczno-wytrzymałościowych odpowiednio zwiększając wartości obciążeń krytycznych albo prowadząc nieliniową analizę statyczną z wprowadzonymi do modelu ciągłymi na długości prętów więziami sprężystymi.

Ze względu na niewielką nośność połączeń płyty warstwowe mogą być stosowane jedynie jako stężenie pojedynczych ściskanych lub zginanych elementów konstrukcyjnych [1].

Sztywność tarczy pokrycia tworzonej przez płyty warstwowe

Możliwość uwzględnienia korzystnych właściwości mechanicznych obudowy ograniczona jest podatnością i nośnością połączeń poszycia z konstrukcją nośną, które determinują podatność tarczy tworzącej obudowę szkieletu konstrukcyjnego.

Różnice między sztywnością tych połączeń i płyt warstwowych są na tyle duże, że w obydwu modelach obliczeniowych opisujących współpracę płyt warstwowych z konstrukcją nośną [1, 2] przyjęto założenie o nieodkształcalności płyt warstwowych i podatności połączeń.

Połączenia płyt warstwowych z konstrukcją nośną umieszcza się zwykle w liniach prostopadłych do osi podłużnej panelu.  

Ścienne płyty warstwowe nie są wzajemnie łączone, nie występuje zatem współpraca między sąsiednimi płytami i każda z nich może być traktowana jako indywidualny element konstrukcyjny (RYS. 1).

W przypadku stabilizacji elementów ściskanych płytami warstwowymi model mechaniczny układu konstrukcyjnego może być zatem przyjęty przez analogię do pręta wielogałęziowego o nieskończenie sztywnych przewiązkach (RYS. 2).

Dachowe płyty warstwowe często dodatkowo łączy się ze sobą na krawędziach podłużnych przy zastosowaniu tzw. łączników uszczelniających, co przy odpowiednim ich doborze może skutkować zwiększeniem nośności i sztywności ścinania S użebrowanej tarczy pokrycia dachowego.

Sztywność S zdefiniowano przez analogię do modułu odkształcalności postaciowej sprężystego ciała stałego (RYS. 3):

(1)

gdzie:

F - siła skupiona przyłożona do tarczy,

γ - kąt odkształcenia tarczy.

Pominięcie oddziaływania łączników uszczelniających ujednolica obliczenia płyt ściennych i dachowych stanowiąc jednocześnie uproszczenie działające na korzyść bezpieczeństwa konstrukcji [1].

Przedstawiony w wytycznych ECCS-CIB [1] obliczeniowy model współpracy płyty warstwowej z konstrukcją nośną oparto na następujących założeniach:

• płyty warstwowe stanowią sztywne tarcze, a ich połączenia z konstrukcją wsporczą są podatne,
• panele stanowią układ wzajemnie równoległych pasm,
• po odkształceniu panele pozostają równoległe do ich krawędzi podłużnych,
• w łącznikach powstają jedynie siły równoległe do krawędzi podłużnych paneli.

Dzięki wykorzystaniu tych założeń można określić wartości sił działających na poszczególne łączniki płyty warstwowej (RYS. 4):

(2)

gdzie:

k_v - sztywność połączenia,

c_k - odległości między łącznikami tworzącymi k-tą parę.

Suma momentów pochodzących od par sił Vk w łącznikach tworzy moment sił wewnętrznych:

(3)

gdzie:

n - liczba paneli płyt warstwowych,

m - liczba stabilizowanych belek,

n_k - liczba par łączników w obrębie jednej płyty.

Moment sił zewnętrznych rozpatrywanego układu (por. RYS. 3) można zapisać w następującej formie:

(4)

gdzie:

S - sztywność ścinania układu tarcz płyt warstwowych.

Dzięki wykorzystaniu równania równowagi momentów oraz równań (3) i (4) otrzymuje się wyrażenie opisujące sztywność ścinania układu tarcz płyt warstwowych:

(5)

przy uwzględnieniu zależności L = n B, gdzie B - szerokość pojedynczej płyty warstwowej, sztywność ścinania przypadającą na i-tą stabilizowaną belkę można wyrazić prościej:

(6)

Jeśli układ płyt warstwowych stabilizujący belkę jest jednostronnie zamocowany do podpory, która może być traktowana jako sztywna (np. belka podwalinowa), to sztywność Si należy powiększyć o dodatkowy człon [1]:

(7)

w którym:

(8)

gdzie:

k_v - sztywność połączenia płyty warstwowej z belką stabilizowaną,

k_v,1 - sztywność połączenia płyty warstwowej z podporą sztywną,

n_f - liczba łączników w linii przypadająca na jeden panel.

Sztywność translacyjna połączenia płyty warstwowej z konstrukcją nośną

Płyty warstwowe najczęściej łączy się z konstrukcją nośną za pomocą wkrętów samowiercących o podwójnym gwincie trzpienia umożliwiającym zamocowanie płyty bez zagniatania blachy okładzinowej w sąsiedztwie łba wkręta (RYS. 5).

Smukły trzpień wkrętu oraz niewielkie grubości stalowych blach okładzin rdzenia są przyczyną specyficznego zachowania się połączenia pod obciążeniem.

W przypadku działania na połączenie siły poprzecznej do osi łącznika proces zniszczenia połączenia inicjowany jest przez uplastycznienie stali i owalizację otworu w cieńszej blasze okładziny dolnej. Wywołuje to redystrybucję obciążeń w połączeniu i zwiększony nacisk okładziny górnej na trzpień wkrętu, co skutkuje jego zginaniem i rozciąganiem ze względu na docisk łba do okładziny górnej.

Na RYS. 6 przedstawiono przykładową ścieżkę równowagi statycznej połączenia płyty warstwowej na wkręty samowiercące uzyskaną podczas badań przez S. Käppleina i T. Ummenhofera [3]. Charakterystyka doświadczalna może być aproksymowana biliniowo, z punktem załamania odpowiadającym obciążeniu, przy którym następuje owalizacja otworu.

Wytyczne ECCS-CIB [1] opracowano na podstawie m.in. badania S. Käppleina, T. Ummenhofera [3]. Zastrzeżono jednak przy tym, że nośność łącznika nie może być parametrem krytycznym ze względu na zapewnienie wymaganej sztywności stężenia tworzonego przez płyty warstwowe.

Z tego powodu podana tam metoda obliczeniowa może być stosowana jedynie w przypadku, gdy łączniki między płytą a konstrukcją nośną przechodzą przez całą grubość płyty warstwowej (RYS. 7) i usytuowane są w odległości nie mniejszej niż 20 mm od krawędzi płyty [1]. W przypadku stosowania połączeń z łącznikiem ukrytym (RYS. 8) metody tej nie można stosować.

Zgodnie z przeprowadzonymi badaniami [1, 3] sztywność ścinania połączenia płyty warstwowej z konstrukcją nośną można opisać za pomocą pięciu składników (RYS. 9):

• sztywności giętnej rdzenia łącznika EI,
• sztywności rotacyjnej zamocowania łba łącznika C_head,
• sztywności rotacyjnej zamocowania trzpienia łącznika w elemencie podpierającym C_sup,
• sztywności translacyjnej k_F2 wynikającej z oddziaływania okładziny dolnej na trzpień łącznika,
• sztywności translacyjnej k_F1 wynikającej z oddziaływania okładziny górnej na trzpień łącznika.

W pracach ECCS-CIB [1] i S. Käppleina, T. Ummenhofera [3] stwierdzono, że sztywność rotacyjna zamocowania łba łącznika C_head oraz sztywność translacyjna k_F1 mają stosunkowo niewielki wpływ na sztywność ścinania połączenia k_v, która jest nieliniową funkcją obciążenia V.

Zaproponowano, aby wartość sztywności połączenia k_v odpowiadała obciążeniu połączenia w stanie granicznym użytkowalności.

Przyjęto, że obciążenie to nie przekracza połowy nośności charakterystycznej połączenia V_Rk ze względu na owalizację otworu w okładzinie dolnej:

(9)

Sztywność ścinania kv połączenia można wyrazić wtedy za pomocą formuły [3]:

(10)

przy czym:

(11)

(12)

(13)

(14)

gdzie:

t_cor,F2 - grubość rdzenia okładziny wewnętrznej,

t_cor,sup - grubość rdzenia ścianki kształtownika podpierającego,

d₁ - najmniejszy wymiar średnicy gwintowanej części trzpienia łącznika,

d_S - średnica niegwintowanej części trzpienia łącznika,

f_u,F2 - wytrzymałość na rozciąganie rdzenia okładziny wewnętrznej,

D - grubość płyty warstwowej w miejscu łączenia.

W TABELI 1 podano zakres stosowalności formuły (10), który obejmuje jedynie płyty warstwowe w okładzinach stalowych. Wyspecyfikowanie analogicznych parametrów dla płyt z okładzinami aluminiowymi jest obecnie możliwe tylko na podstawie badań.

Wytyczne ECCS-CIB [1] dopuszczają również stosowanie formuły (10) w przypadkach projektowych, w których wartości parametrów d, t_cor,F2 i t_cor,sup przekraczają maksima określone w TABELI 1. W takich przypadkach do obliczeń zamiast wartości rzeczywistych wymienionych wyżej parametrów należy przyjmować wartości maksymalne podane w TABELI 1.

Zestawienie wartości sztywności połączenia k_v, które można przyjmować jako bezpieczne oszacowania w odniesieniu do płyt warstwowych z okładzinami stalowymi, zamocowanymi w ściankach kształtowników o gr. 1,5–4,0 mm, podano w TABELI 2.

W pozostałych przypadkach projektowych sztywności k_v należy wyznaczać na podstawie danych doświadczalnych.

Siły stabilizujące

Weryfikacja warunku stateczności elementu ściskanego lub zginanego wymaga pośredniego lub bezpośredniego uwzględnienia imperfekcji konstrukcji, które najczęściej sprowadza się do jednej zastępczej imperfekcji geometrycznej.

Jeśli sprawdzenie stateczności dotyczy elementu stężanego, to weryfikacji należy poddać również stężenie.

Zgodnie z normą 1993-1-1:2006/A1:2014-07 [5] przy analizie statycznej stężeń należy założyć, że pojedynczy element stężany obarczony jest wstępną imperfekcją geometryczną (RYS. 10) w postaci półfali sinusoidy, opisanej równaniem:

(15)

przy czym amplituda imperfekcji e0 jest mniejsza od amplitud imperfekcji przyjmowanych przy weryfikacji nośności elementów ściskanych lub zginanych, a ponadto nie jest uzależniona od kierunku wyboczenia oraz technologii wykonania i parametrów geometrycznych profilu:

(16)

gdzie:

m - liczba elementów stężanych.

W przypadku gdy siła ściskająca w stabilizowanym elemencie jest zmienna, np. w pasie belki zginanej, do obliczeń można przyjmować jej stałą wartość równą wartości maksymalnej, co jest bezpiecznym uproszczeniem.

Analiza stateczności układów stężających wymaga przeprowadzenia obliczeń statycznych według teorii II-ego rzędu. Dopuszczalne jest jednak stosowanie analizy uproszczonej za pomocą metody amplifikacji.

Jeśli przyjmuje się założenie o stałej wartości siły podłużnej w elemencie stabilizowanym oraz zakłada dodatkowo, że jedynym oddziaływaniem stabilizującym jest sztywność ścinania S tarczy płyt warstwowych, współczynnik amplifikacji α można przedstawić wzorem:

(17)

gdzie:

F_i i S_i - osiowa siła ściskająca i sztywność ścinania tarczy z płyt warstwowych przypadająca na i-tą belkę stabilizowaną odpowiednio.

W monografii Ch. Petersena [6] zaproponowano formułę pozwalającą na dokładniejsze oszacowanie wartości współczynnika amplifikacji α, uwzględniającą dodatkowy, korzystny wpływ sztywności giętnej stabilizowanego elementu oraz zmienność siły podłużnej wzdłuż jego osi:

(18)

Stosując metodę amplifikacji oraz wykorzystując wzór (17), przemieszczenia osi elementu stabilizowanego można zapisać jako funkcję zastępczej sztywności ścinania tarczy płyt warstwowych:

(19)

co pozwala wyznaczyć rozkłady momentów zginających Mi (x):

(20)

i obciążenie q_i (x) (RYS. 11–13) stabilizujące stężany element:

(21)

Alternatywnym podejściem jest stabilizacja elementu przez uniemożliwienie obrotów jego przekrojów względem osi z, tj. w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny środkowej płyt warstwowych.

Ze względu na duże sztywności tarczowe płyt warstwowych można przyjąć, że zamocowanie każdej z nich przynajmniej dwoma łącznikami uniemożliwia obrót stabilizowanego elementu względem środka ciężkości tej grupy łączników. Pary siły reakcji, które powstają w ten sposób w łącznikach, tworzą momenty zginające stanowiące obciążenie stabilizujące analizowany element.

Rozmycie tego obciążenia na długości osi elementu można przedstawić w postaci obciążenia mi (x) (RYS. 11-13) [7]:

(22)

które okazuje się bardziej użyteczne przy wyznaczaniu sił działających na łączniki niż obciążenie qi(x).

Wyznaczanie obciążeń działających na łączniki

Stężenie elementu konstrukcyjnego zwiększa jego nośność i umożliwia zwiększenie obciążenia siłą podłużną lub momentem zginającym. Na skutek działania tych uogólnionych sił wewnętrznych w zimperfekowanych geometrycznie prętach powstają siły boczne, które mogą osiągać wartości znaczące z punktu widzenia weryfikacji nośności łączników, zwłaszcza w kontekście cienkich blach okładzin dolnych płyt warstwowych.

Dodatkowe obciążenie wynikające z działania obciążenia stabilizującego powinno zostać przeniesione przez łączniki i musi być rozpatrywane łącznie z pozostałymi obciążeniami. W przypadku elementów cienkościennych siły pochodzące od obciążeń stabilizujących należy uwzględniać łącznie z obciążeniami podanymi w tabl. 10.4 normy PN-EN 1993-1-3:2008 [8].

Wartości sił działających na łączniki płyt warstwowych stabilizujących elementy nośne wyznacza się przy założeniu, że analizowany układ statyczny odpowiada ściskanej belce bezprzekątniowej (Vierendeela), gdzie pojedynczy panel płyty warstwowej pełni rolę przewiązki, łączniki panelu są zatem obciążone siłą poprzeczną V_S i momentem zginającym M_S, podobnie jak łączniki przewiązek.

Ekstremalny moment zginający M_S,max działa na łączniki płyty skrajnej (RYS. 11-13):

(23)

stąd wartość siły ścinającej pochodzącej od działania momentu M_S,max, działającej na najbardziej wytężony łącznik, można wyznaczyć przy założeniu liniowego rozkładu obciążeń:

(24)

W przypadku gdy jedna z linii zamocowań płyty może być uważana za podporę nieodkształcalną na skutek zablokowania możliwości ruchu sztywnego paneli w kierunku poprzecznym do osi stabilizowanego elementu (np. przy łączeniu płyty z kształtownikiem zamocowanym w ścianie murowanej lub żelbetowej albo na belce podwalinowej), wartości sił w łącznikach kształtownika podporowego są inne niż w łącznikach mocujących płytę do elementu odkształcalnego. Największa wartość siły ścinającej w łączniku mocującym płytę warstwową do elementu odkształcalnego może być w powyższym przypadku wyznaczona według formuły [1]:

(25)

a w przypadku łączników mocujących płytę do kształtownika na podporze sztywnej [1]:

(26)

Siła poprzeczna VS działająca na łączniki paneli płyt warstwowych w kierunku osi elementów stabilizowanych przyjmuje ekstremalną wartość dla łączników paneli skrajnych obciążonych momentem MS,max. Należy podkreślić, że moment ten jest uzależniony od zastępczej sztywności ścinania Si tarczy złożonej z płyt warstwowych i w przypadku zamocowania płyt warstwowych do elementów odkształcalnych można go wyznaczyć według formuły:

(27)

natomiast przy zamocowaniu jednej z łączonych krawędzi do podpory nieodkształcalnej:

(28)

Przyjmuje się, że siła poprzeczna VS rozkłada się równomiernie na wszystkie łączniki panelu w danej linii łączników:

(29)

gdzie:

LS - odległość między liniami środków ciężkości łączników sąsiednich podpór.

Miarodajną z punktu widzenia weryfikacji stanu granicznego nośności wartość ekstremalnej siły wypadkowej V_S,max (RYS. 14) działającej na łącznik stabilizowanego elementu wyznacza się jako sumę geometryczną obciążeń ,max pochodzących od działania siły poprzecznej oraz (odpowiednio do przypadku projektowego) jednej z sił: ,  albo .

Stan graniczny użytkowalności stężenia z płyt warstwowych

Przy weryfikacji warunku stanu granicznego użytkowalności należy wykazać, że spełniony jest warunek ograniczający kąt linii ugięcia osi elementu stężanego [1]:

(30)

Autorzy wytycznych ECCS-CIB [1] nie podali jednak uzasadnienia przyjmowania takiej wartości kąta γ dla tarczy poszycia z płyt warstwowych.

Przykład obliczeniowy

Sprawdzono możliwość stabilizacji zginanych rygli ściennych za pomocą paneli z płyt warstwowych zamocowanych do ich półek ściskanych. Dolne końce płyt połączone są z profilem zamocowanym do belki podwalinowej (RYS. 15).

Przyjęto następujące dane:

• geometria układu:
  - rozpiętość rygli l_r = 6,0 m,
  - rozstaw rygli a_r = 3,0 m,
  - liczba belek stabilizowanych m_b = 2,
• obciążenie (pominięto obciążenie rygli ciężarem własnym profili i obudowy):
  - obciążenie wiatrem q_wk = 0,6 kN/m²,
  - częściowy współczynnik bezpieczeństwa γ_Q = 1,5,
  - maksymalny obliczeniowy moment zginający rygiel M_max = 12,15 kNm,
  - profil płatwi – ceownik czterogięty C200×75×20×2,0
  - wysokość h = 200 mm,
  - szerokość b = 75 mm,
  - szerokość usztywnienia brzegowego półki c = 20 mm,
  - grubość nominalna ścianek t_n = 2 mm,
  - grubość powłoki cynkowej t_Zn = 0,04 mm,
  - grubość obliczeniowa ścianek t = tn – t_Zn = 1,96 mm,
  - wewnętrzny promień wyokrąglenia r_i = 4 mm,
  - wymiary profilu mierzone w jego osi środkowej: h_c = h – t = 198,0 mm, b_c = b – t = 73,04 mm, c_c = c – t = 19,02 mm,
• materiał płatwi - stal S350GD:
  - moduł sprężystości podłużnej E = 210 N/mm²,
  - moduł sprężystości przy ścinaniu G = 81 N/mm²,
• parametry płyty warstwowej:
  - szerokość panelu bp = 1000 mm,
  - grubość okładziny dolnej (wewnętrznej) panelu – 0,4 mm,
  - stal okładzin – S280GD, f_u,F2 = 360 N/mm²,
• parametry połączenia płyty warstwowej z konstrukcją nośną:
  - rozstawy par łączników: c₁ = 900 mm, c₂ = 500 mm,
  - liczba łączników panelu w jednej linii mocowania n_f = 4,
  - sztywność połączenia k_v = 2 kN/mm (przyjęto według TABELI 2),
  - średnica rdzenia łącznika d₁ = 4,8 mm.

Wyznaczenie parametrów geometryczno-wytrzymałościowych profilu przeprowadzono zgodnie z załącznikiem C normy PN-EN 1993-1-3:2008 [8].

Sprawdzenie warunków stosowalności metod obliczeniowych normy PN-EN 1993-1-3:2008 [8]:

• h/t = 100 < 500,
• b/t = 37,5 < 60,
• c/t = 20 < 50,
• 0,2 < c/b = 0,27 < 0,6.

Warunki stosowalności normy zostały spełnione.

Parametry przekroju zastępczego złożonego ze ścianek płaskich:

• liczba węzłów n_w = 6,
• liczba ścianek n_s = n_w – 1 = 5.

Sprawdzenie warunków istotności wpływu wyokrągleń naroży profilu:

• kąt zagięcia blachy w narożu f = p/2
• promień wyokrąglenia naroża w linii środkowej profilu: r_m = r_i + 0,5t_n = 5,0 mm
• długość odcinka pomocniczego: gr = r_m(tg(Φ/2) − sin(Φ/2)) = 1,46 mm
• długości umownych ścianek płaskich profilu:
  hp = hc − 2gr = 195,11 mm
  bp = bc − 2gr = 70,11 mm
  cp = cc − gr = 17,56 mm
• sprawdzenie warunków istotności wpływu wyokrągleń:
  r_i = 4 mm < 5tn = 10 mm - warunek spełniony,
  r_i = 4 mm < 0,1·min(hp, bp) = 7,5 mm - warunek spełniony.

Wpływ wyokrągleń nie jest istotny, jednak zgodnie z normą PN-EN 1993-1-3:2008 [8] przy wyznaczaniu cech decydujących o sztywności przekroju wpływ wyokrągleń powinien być uwzględniony. Jeśli obydwa powyższe warunki są spełnione, to można przyjąć, że parametr gr = 0 [9], co odpowiada wyznaczaniu cech przekroju o ściankach płaskich stykających się w narożach ostrych.

Parametr korekcyjny geometryczno-wytrzymałościowych cech przekroju według normy PN-EN 1993-1-3:2008 [8] wynosi:

Przyjęto następujące współrzędne węzłów w układzie współrzędnych y₀z₀ (RYS. 16):

• nr 0 y₀ = b_c = 73,04 mm, z₀ = c_c = 19,02 mm,
• nr 1 y₁ = b_c = 73,04 mm, z₁ = 0 mm,
• nr 2 y₂ = 0 mm, z2 = 0 mm,
• nr 3 y₃ = 0 mm, z3 = hc = 198,0 mm,
• nr 4 y₄ = b_c = 73,04 mm, z₄ = h_c = 198,0 mm,
• nr 5 y₅ = b_c = 73,04 mm, z₅ = h_c – c_c = 179,0 mm.

Pole powierzchni:

Momenty statyczne i środek ciężkości:

Momenty bezwładności względem osi słabej:

Momenty bezwładności względem osi mocnej:

Moment bezwładności przy skręcaniu:

Odśrodkowe momenty bezwładności:

Współrzędne wycinkowe:

Stałe wycinkowe:

Współrzędne środka ścinania:

Wycinkowy moment bezwładności:

Zredukowane parametry przekroju:

Minimalna wymagana sztywność ścinania pokrycia:

Wyznaczenie sztywności ścinania tarczy z płyt warstwowych:

• sztywność połączeń płyty warstwowej z kształtownikiem na podporze "sztywnej":

kv1 = kv = 2 kN/mm

• sztywność tarczy rozpiętej na belkach odkształcalnych:

• sztywność połączeń tarczy z podporą "sztywną" i dwiema belkami odkształcalnymi:

• przyrost sztywności ścinania tarczy ze względu na oddziaływanie podpory "sztywnej":

Sprawdzenie warunku sztywności ścinania tarczy z płyt warstwowych:

Warunek został spełniony. Płyty warstwowe mogą być traktowane jako stężenie rygli.

Sprawdzenie stanu granicznego użytkowalności stężenia z płyt warstwowych.

Strzałka wygięcia wstępnego:

Siła Fi w ściskanym pasie belki:

Maksymalny kąt obrotu stabilizowanej belki:

Dopuszczalny kąt obrotu:

Sprawdzenie warunku stanu granicznego użytkowalności:

Warunek został spełniony.

Wyznaczenie wartości sił obciążających łączniki w liniach podpór płyt warstwowych:

• ekstremalna siła działająca na łącznik belki odkształcalnej:
  • maksymalna siła działająca na łącznik w kierunku osi panelu:
•  
  • maksymalny moment zginający obciążający grupę łączników pojedynczego panelu:
•  
  • siła działająca w kierunku linii łączników:
•  
  • siła wypadkowa:
• 

Wyznaczone powyżej wartości sił V_Smax mogą wydawać się relatywnie małe, warto jednak zauważyć, że są one znaczące w porównaniu z równie niewielką nośnością wkręta na docisk do okładziny dolnej, która zgodnie ze wzorem (8) wynosi 0,838 kN.

Siły wypadkowe V_Smax są oddziaływaniami wynikającymi ze stabilizacyjnego działania tarczy z płyt warstwowych. Przy sprawdzaniu warunku stanu granicznego nośności należy je rozpatrywać łącznie z pozostałymi składowymi obciążenia łącznika. Więcej informacji na temat wymiarowania łączników płyt warstwowych może znaleźć m.in. w publikacji P. Kaweckiego, W. Kaweckiego, J. Łaguny [10].

Podsumowanie

Wytyczne ECCS-CIB [1] umożliwiają projektantom wykorzystanie termoizolacyjnych płyt warstwowych jako stężeń elementów konstrukcji stalowych. Dzięki dużej sztywności tarczowej płyty warstwowe mogą stanowić, ciągłe wzdłuż osi pręta, więzi obrotowe i translacyjne, które zwiększają wartości momentów i sił krytycznych.

Efektywność stężeń z płyt warstwowych ograniczona jest jednak nośnością i sztywnością najsłabszego ogniwa układu konstrukcyjnego, jakim są podatne połączenia na wkręty samowiercące.

W tym przypadku staranność wykonania połączeń nabiera większego znaczenia niż zwykle, ponieważ pozwala uzyskać nośność i sztywność połączeń zgodne z założonymi w projekcie oraz ich odpowiednią trwałość zapewniającą niezmienność wymienionych parametrów w planowanym okresie eksploatacji obiektu budowlanego.

Wykorzystanie płyt warstwowych jako elementów stężenia konstrukcji stalowej powinno być wyraźnie zaznaczone w projekcie – nie tylko w jego części obliczeniowej, lecz także w specyfikacji, opisie technicznym i na rysunkach wykonawczych. Płyty warstwowe powinny być wtedy traktowane jako elementy konstrukcyjne; ich modyfikację lub demontaż należy przeprowadzać z ostrożnością i poprzedzać je odpowiednią analizą konstrukcyjną.

Problemem stanowiącym istotne utrudnienie w prowadzeniu wiarygodnych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych płyt warstwowych i ich połączeń jest brak kompletu parametrów mechanicznych rdzenia płyty. Parametry te uzależnione są od temperatury eksploatacji oraz czasu trwania obciążenia i wyznacza się je na drodze badań doświadczalnych. Ich wartości nie są niestety podawane w polskich aprobatach technicznych czy kartach deklaracji właściwości użytkowych.

Można mieć jednak nadzieję, że przy obecnej, dużej już liczbie polskich wytwórców płyt warstwowych, problem ten zostanie dostrzeżony i potraktowany przez producentów jako jeden z punktów strategicznych kreowania przewagi konkurencyjnej produktu na coraz bardziej wymagającym rynku budowlanych pokryć dachowych.

Literatura

1. European Recommendation on the Stabilization of Steel Structures by Sandwich Panels, ECCS/CIB Joint Committee, 1st Edition, 2013.
2. M. Dürr, "Die Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Träger durch Sandwichelemente und Trapezbleche" [praca doktorska], Universität Federiciana zu Karlsruhe, Karlsruhe 2008.
3. S. Käpplein, T. Ummenhofer, "Querkraftbeanspruchte Verbindungen von Sandwichelementen", Stahlbau, vol. 80, 8/2011.
4. "Płyty warstwowe z rdzeniem z poliuretanu. Katalog techniczny", Ruukki Polska Sp. z o.o., 2012.
5. PN-EN 1993-1-1:2006, "Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1. Reguły ogólne i reguły dla budynków".
6. Ch. Petersen, "Statik und Stabilität der Baukonstruktionen", 2. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1982.
7. S. Käpplein, K. Berner, T. Ummenhofer, "Stabilisierung von Bauteilen durch Sandwichelemente", Stahlbau, vol. 81, 12/2012.
8. PN-EN 1993-1-3:2008, "Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-3. Reguły ogólne. Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno".
9. J. Goczek, Ł. Supeł, "Płatwie z kształtowników profilowanych na zimno", Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2014.
10. P. Kawecki, W. Kawecki, J. Łaguna, "Wykorzystanie właściwości połączeń płyt warstwowych na wkręty w obliczeniach współpracy poszycia z elementami konstrukcji", "Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury", t. XXX, z. 60, 2/2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!