Obudowa z płyt warstwowych - problemy projektowe i wykonawcze

W odniesieniu do schematu statycznego standardem są panele zarówno jednoprzęsłowe swobodnie podparte, jak i ciągłe kilkuprzęsłowe, lecz z jednakowymi rozstawami podpór. Podpory pośrednie paneli ciągłych są przy tym niepodatne. Sporo zastrzeżeń można mieć do rozpatrywanego obciążenia paneli. Najczęściej są to obciążenia działające w kierunku do podpór (śniegiem, parciem wiatru).

W nowszych opracowaniach ([1], [2]) rozważa się ponadto obciążenie w kierunku od podpór (ssaniem wiatru), a także zwraca uwagę na obciążenie temperaturą. W przypadku tego typu obciążeń mamy do czynienia z reguły nie z liniowym, a z punktowym podparciem płyt na łbach łączników, co w sposób istotny wpływa na zmniejszenie ich nośności.

W niektórych aprobatach ([3]) można zamiast tablic obciążeń znaleźć wzory redukujące obciążenie paneli działające do podpór na obciążenie w kierunku przeciwnym.

Warto też zwrócić uwagę na mało precyzyjne opisy zamieszczane obok tablic obciążeń. Używane tam często określenie "obciążenie dopuszczalne" w świetle aktualnie obowiązujących norm projektowania, w których na etapie wymiarowania stosuje się metodę stanów granicznych, jest niezrozumiałe. Najczęściej zakłada się ponadto, że projektant zna zasady ustalania obciążeń paneli warstwowych lekkiej obudowy, podane np. w normie PN-B-03230:1984 [4]. Niestety, różnią się one od stosowanych standardowo w innego typu konstrukcjach. Dotyczy to w szczególności obciążenia ssaniem wiatru i temperaturą.

Analiza statyczna paneli z niskoprofilowanymi okładzinami

Modelem analizowanych paneli warstwowych, które w lekkiej obudowie podlegają walcowemu zginaniu, są w zasadzie belki warstwowe o szerokości b = 1,00 m z cienkimi okładzinami.

Schematy statyczne rozważanych belek pokazano na RYS. 1. Obciążenie stanowi równomierne obciążenie poprzeczne q [kN/m] lub różnica temperatury ΔT [°C].

Równania różniczkowe odpowiednio linii ugięcia w(x) i kąta odkształcenia postaciowego γ(x) w przypadku belki trójwarstwowej z rdzeniem o gr. h oraz jednakowych okładzinach z cienkiej blachy o gr. t (h ≥ 100 t), o szerokości b i gr. h + 2t równej w przybliżeniu h, można zapisać w postaci [5]:

gdzie:

B_c = 0,5E_tbth² - sztywność okładzin na zginanie,

B_r = Grbh - sztywność rdzenia na ścinanie,

p = obciążenie poprzeczne,

ν = α_t ΔT/h, gdzie: ΔT = T_w – T_z to różnica temperatury [°C] odpowiednio okładziny wewnętrznej i zewnętrznej oraz α_t – współczynnik rozszerzalności cieplnej okładzin.

Obciążenie poprzeczne p(x) rozważanych belek warstwowych, z dowolną liczbą n podpór pośrednich, w którym obok obciążenia równomiernie rozłożonego q uwzględniono również niewiadome reakcje podpór pośrednich Ri, można zapisać w postaci dystrybucyjnej [6], [7]:

gdzie:

δ (x - a_i) – dystrybucje Diraca.

Równania różniczkowe po podstawieniu do nich obciążenia rozwiązano w postaci ogólnej z dokładnością do stałych całkowania, które wyznaczono ze znanych [5] warunków podparcia paneli na końcach ( RYS. 1 ). Rozwiązania te mają postać:

gdzie:

H(x - a_i) – dystrybucje Heaviside’a [6], natomiast niewiadome reakcje R_i wyznacza się z warunków podparcia belek na długości, które przyjmują postać:

w(a_j) = ε_iR_i przy i, j = 1, 2,..., n.

W dalszej kolejności z wykorzystaniem znanych zależności różniczkowych na siły wewnętrzne [5]:

wyprowadzono stosowne zależności na momenty zginające M(x) i siły poprzeczne V(x) w rozważanych belkach.

Wykonanie obliczeń statycznych ciągłych paneli warstwowych, o szerokości b = 1,00 m, na podstawie tak wyprowadzonego rozwiązania umożliwia opracowany program komputerowy. Ogólniejsze problemy statyki paneli warstwowych zostały rozwiązane w artykułach "Distributional solutions of bending problems for continuous sandwich panels with thin facings" [8] oraz "Exact solution of bending problem for continuous sandwich panels with profiled facings" [9].

Analizy parametryczne

W pierwszej kolejności na przykładzie paneli o schematach statycznych pokazanych na RYS. 1 oceniono wpływ położenia niepodatnych podpór pośrednich (ε₁ = ε₂ = ε₃ = ε = 0) na przebieg momentów zginających w panelach obciążonych równomiernie poprzecznie (q = 1,2 kN/m) lub różnicą temperatury (ΔT = -50°C).

Wyniki obliczeń paneli o dwóch grubościach h (h = 8,0 i 12,0 cm), z okładzinami stalowymi o gr. t = 0,55 mm (E_t = 205 GPa) i rdzeniu o module sprężystości poprzecznej G_r = 5,0 MPa, przy zróżnicowanych długościach L, przedstawiono na RYS. 2a i RYS 2b.

Wpływ podatności podpór pośrednich (ε ≠ 0) na przebieg momentów zginających oceniono na przykładzie podobnych paneli warstwowych, lecz wyłącznie czteroprzęsłowych z jednakowymi rozstawami podpór (a = L/4). Wyniki obliczeń przy czterech wartościach podatności podpór pośrednich ε (ε = 0,0; 0,5; 2,0 i 5,0 m/MN) pokazano na RYS. 3.

Warto ponadto zwrócić uwagę na wartości reakcji na podporach pośrednich analizowanych paneli warstwowych. Jest to szczególnie ważne w przypadku wykonywania połączeń paneli z konstrukcją wsporczą na wkręty samowiercące. Wyniki odpowiednich obliczeń zestawiono w TAB. 1, TAB. 2 i TAB. 3.

Zróżnicowanie rozpiętości przęseł w ciągłych panelach warstwowych powoduje w przypadku obciążenia q zwiększenie zarówno momentów zginających, jak i reakcji. Inaczej jest w przypadku obciążenia różnicą temperatury ΔT.

Zróżnicowanie rozpiętości przęseł powoduje zmniejszenie momentów zginających nad podporami, przy równoczesnym zwiększeniu reakcji podporowych. Podatność podpór pośrednich powoduje natomiast, bez względu na obciążenie, zmniejszenie momentów podporowych i reakcji, a zwiększenie momentów zginających przęsłowych.

Uwagi szczegółowe i zalecenia

Zamieszczone w aprobatach tablice ułatwiające dobieranie paneli warstwowych lekkiej obudowy zostały opracowane przy pewnych założeniach upraszczających i z tego względu nie mogą być stosowane bezkrytycznie we wszystkich rozwiązaniach projektowych.

Przeprowadzone w pracy analizy wskazują, że zróżnicowanie rozstawów podpór pośrednich w ciągłych panelach warstwowych może mieć istotny wpływ na zmianę rozkładu momentów zginających i reakcji na długości paneli. Nie bez znaczenia jest również fakt, że podpory pośrednie paneli (rygle ścienne, płatwie) mają określoną podatność. Na szczególną uwagę w ciągłych panelach warstwowych zasługuje obciążenie temperaturą.

Przeprowadzone porównania wyników obliczeń według przedstawionego w pracy rozwiązania z odpowiednimi wynikami obliczeń według wzorów podanych w normie PN-B-03230:1984 [4] i książce "Lightweight sandwich construction" [10] wykazały, że niektóre z tych wzorów są obarczone błędami. W przypadku normy PN­‑B-03230:1984 [4] odnosi się to wszystkich wzorów dla paneli trzyprzęsłowych, a w przypadku książki "Lightweight sandwich construction" [10] do wzorów na momenty zginające przęsłowe w panelach dwu- i trzyprzęsłowych obciążonych poprzecznie.

Warto dodać, że te ostatnie wzory ([10]) zostały zamieszczone w normie PN-EN 14509:2010 [11] w postaci poprawnej.

Projektowanie połączeń bezpośrednich paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą

Na  RYS. 4 zilustrowano połączenie paneli ściennych o okładzinach niskoprofilowanych wkrętami zakrytymi oraz widocznymi. Taki sposób łączenia stosowany jest do paneli ściennych w układzie pionowym, przy czym standardowe panele ścienne łączy się wkrętami tak, jak to pokazano na RYS. 20. Zastosowanie w połączeniach wkrętów samowiercących lub samogwintujących uzależnione jest od grubości półki rygla ściennego. Te pierwsze można w zasadzie stosować wówczas, gdy grubość podłoża nie przekracza 12 mm.

Na RYS. 5 pokazano właściwy sposób połączenia ze słupami ściennych paneli warstwowych układanych w elewacji poziomo. Dzięki zastosowaniu w tym przypadku kształtek dystansowych 2 można zdecydowanie zwiększyć nośność wkrętów z warunku na przeciągnięcie łba przez okładzinę.

Na RYS. 6, na przykładzie dachowych paneli warstwowych z zewnętrzną okładziną wysokoprofilowaną pokazano wykonanie połączeń z płatwiami zlokalizowanych w stykach podłużnych tych paneli. Zaletą tego typu połączeń jest ich szczelność, co gwarantuje usytuowanie wkrętów w górze fałd, a także spora nośność, głównie dzięki zastosowaniu podkładek siodłowych 2. W ten sposób w zasadzie eliminuje się mechanizm zniszczenia połączenia przez przeciągnięcie łba wkrętu przez okładzinę.

Na RYS. 7 pokazano natomiast prawidłowy sposób wykonania połączenia z płatwiami w styku poprzecznym warstwowych paneli dachowych. Z koniecznością realizacji tego typu styków w panelach dachowych (sztukowania paneli) mamy do czynienia, gdy długości pojedynczych połaci dachowych przekraczają 12-14 m.

Mechanizmy zniszczenia połączeń

Połączenia na łączniki mechaniczne stosowane m.in. w lekkiej obudowie [12], spośród których do łączenia paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą obecnie najchętniej stosowane są wkręty samogwintujące lub samowiercące, omówione są szczegółowo w normach PN-B-03207:2002 [13] i PN-EN 1993-1-3:2008 [14].

Podano tam zasady zarówno projektowania (odpowiednie wzory na nośności, reguły konstruowania), jak i wykonania (montażu, badań, odbioru). Warto jednak podkreślić, że normy PN-B-03207:2002 [13] i PN-EN 1993-1-3:2008 [14], zgodnie ze swoimi tytułami, dotyczą konstrukcji stalowych z kształtowników i blach profilowanych na zimno.

Do tego typu konstrukcji nie można niestety zaliczyć paneli (płyt) warstwowych, ponieważ są to elementy zespolone, w których blachy profilowane, o stosunkowo małej grubości (0,4 mm do 0,7 mm), stanowią jedynie okładziny rdzenia o zdecydowanie innych niż stal właściwościach. Norm tych nie powinno się więc stosować bezkrytycznie podczas projektowania połączeń paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą.

Ogólnie nośności obliczeniowe wkrętów należy wyznaczać, rozpatrując następujące mechanizmy zniszczenia połączeń:

• przy działaniu obciążenia prostopadle do trzpienia wkrętu ze względu na:
  - ścięcie trzpienia,
  - owalizację otworu lub rozerwanie blachy,
  - rozerwanie przekroju netto połączenia;
• przy działaniu obciążenia równolegle do trzpienia wkrętu ze względu na:
  - rozerwanie (urwanie) trzpienia,
  - wyrwanie (wyciągnięcie) wkrętu z podłoża,
  - przeciągnięcie łba wkrętu przez blachę (okładzinę).

Wzory na nośności obliczeniowe wkrętów odpowiadające poszczególnym mechanizmom zniszczenia połączeń można znaleźć m.in. w stosownych tablicach norm PN-B-03207:2002 [13] i PN-EN 1993-1-3:2008 [14]. Należy jednak zaznaczyć, że wzory te umożliwiają wyznaczanie odpowiednich nośności obliczeniowych z warunków zniszczenia połączeń.

Tak wyznaczone nośności obliczeniowe są z reguły nieprzydatne do celów projektowania ze względu na zbyt duże deformacje. Dotyczy to w szczególności takich mechanizmów zniszczenia, jak:

• owalizacja otworu, której w przypadku cienkich okładzin towarzyszy zgniecenie blach,
• przeciągnięcie łba wkrętu przez okładzinę,
• wyrwanie (wyciągnięcie) wkrętu z podłoża.

Dużo bezpieczniej jest korzystać w tym przypadku z danych zamieszczonych w aprobatach [15-18]), z uwzględnieniem, jakich mechanizmów zniszczenia dotyczą podane nośności oraz przy jakich warunkach zostały one wyznaczone.

Niestety, nie wszystkie aprobaty zawierają potrzebne na etapie projektowania nośności obliczeniowe. Przykładowo, jedynie w aprobacie AT-15-6435/2006 [18] można znaleźć wartości nośności obliczeniowych z warunku na przeciągnięcie łba wkrętu przez okładzinę. Przyjęto przy tym okładzinę z blachy stalowej o gr. 0,5 mm, 0,6 mm i 0,7 mm. Nie podano ani gatunku stali okładziny, ani danych podkładki (średnica, materiał - aluminium, stal). Ze względu na małe wartości podanych tam nośności obliczeniowych można przypuszczać, że wyznaczono je z warunku użytkowania. Przyjęto jednak asekuracyjnie najgorsze parametry połączenia (okładzina ze stali S185, podkładka aluminiowa o średnicy 16 mm).

Jeśli jednak podaje się zaniżone wartości nośności obliczeniowych przy tym mechanizmie zniszczenia, niepotrzebnie obniża się atrakcyjność rynkową swoich wyrobów.

Zasady obliczania obciążeń połączeń

Przy zestawianiu obciążenia wiatrem działającego na panele warstwowe lekkiej obudowy, a także ich połączenia z konstrukcją wsporczą, należy wspomnieć o pewnych ustaleniach dotychczasowej polskiej normy, które powodują, że obciążenia te będą miały większe wartości niż w przypadku obliczania konstrukcji nośnej. Należą do nich:

• większa wartość współczynnika działania porywów wiatru, który niezależnie od podatności budowli na dynamiczne działanie wiatru należy przyjmować b = 2,2 (por. p. 5.3 normy PN-B­‑02011:1977 [19] wyd. 3);
• konieczność rozpatrzenia w wybranych strefach obudowy tzw. obciążenia krawędziowego, co omówiono szczegółowo w załączniku Z1-16 normy PN-B-02011:1977 [19] wyd. 3, w przypadku którego mamy znacznie większe współczynniki areodynamiczne C_z (dla ścian C_z = -1,2, a dla dachu C_z = -2,0);
• w obliczeniach elementów mocujących panel ścienny lub dachowy do konstrukcji nośnej należy dodatkowo przyjmować współczynnik dynamiczny u = 1,4 (por. p. 3.1 normy PN-B-03230:1984 [4]).

W obliczeniach zarówno połączeń paneli warstwowych, jak i samych paneli należy uwzględniać:

• ciężar własny,
• obciążenie wiatrem (parciem, ssaniem),
• obciążenie termiczne (okres chłodny i ciepły)
• oraz w przypadku paneli dachowych - obciążenie śniegiem.

Norma PN-B-03230:1984 [4] podaje współczynniki obciążenia poszczególnych składowych obciążeń, a także zalecane do rozpatrzenia w poszczególnych stanach granicznych kombinacje obciążeń, w których proponowane są odpowiednie współczynniki jednoczesności obciążeń zmiennych (por. p. 3.5 i 3.6 normy PN-B-03230:1984 [4]).

W obliczeniach połączeń elementów ściennych i dachowych z konstrukcją nośną należy przyjmować współczynnik niejednoczesności pracy łączników mocujących, które w zależności od liczby łączników na jedną kondygnację wynoszą: 1,35 przy czterech, 1,5 przy pięciu oraz 1,7 przy sześciu i ich większej liczbie (por. tabl. 13 normy PN-B-03230:1984 [4]).

Punkt 5.4.1 normy PN-B-03230:1984 [4] zaleca ponadto, aby podkładki łączników mocujących miały dostatecznie dużą powierzchnię, ograniczającą naprężenie w rdzeniu do 0,5 MPa. Warunku tego nie da się niestety spełnić w przypadku wkrętów, których podkładki mają średnice od 16 mm do 26 mm.

Z wymienionego warunku nośności obliczeniowe wkrętów w przypadku obciążenia równoległego do ich trzpienia wynosiłyby od 101 N do 265 N. Konsekwencją tego byłaby dużo większa od powszechnie stosowanej liczba wkrętów mocujących panele warstwowe. W przypadku wyznaczania tego typu nośności obliczeniowej wkrętów z warunku użytkowania omawiany warunek z normy PN-B-03230:1984 [4] nie musi być spełniony.

Aktualnie obowiązują normy europejskie dotyczące zarówno oddziaływań na konstrukcje budowlane, jak i projektowania paneli (płyt) warstwowych [11]. Właściwe zastosowanie ich w projektowaniu lekkiej obudowy wymaga dokładnego zapoznania się z nimi, co może nastręczać trudności, choćby ze względu na objętości norm europejskich, znacznie przekraczające dotychczasowe normy polskie. Uwagi do tych ostatnich norm nie wróżą w tym zakresie nic dobrego, tzn. projektanci będą nadal zaniżać obciążenia elementów lekkiej obudowy. 

Projektowanie z warunku zniszczenia i użytkowania

Omawiane połączenia paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą charakteryzują się nieliniowymi ścieżkami równowagi statycznej. Nieliniowość uwidacznia się najwyraźniej w przypadku obciążenia połączenia działającego wzdłuż trzpienia łącznika.

Charakterystyczne jest ponadto to, że zniszczenie połączeń następuje przy bardzo dużych przemieszczeniach zarówno sprężystych, jak i trwałych, co jest niedopuszczalne ze względów użytkowych. Należy przy tym pamiętać, że podatność podpór ciągłych paneli warstwowych wpływa istotnie na rozkład sił wewnętrznych, a co za tym idzie - na ich nośność. Dotyczy to w szczególności obciążenia paneli ssaniem wiatru lub temperaturą, przy którym podporami są łby wkrętów. Niestety, zwraca się na to uwagę tylko w niektórych aprobatach.

Warto ponadto zwrócić uwagę na obciążenia połączeń siłami działającymi prostopadle do trzpienia wkrętów, zwane popularnie ścinaniem. W szczególności dotyczy to mechanizmu zniszczenia ze względu na owalizację otworu lub rozerwanie blachy [20]. Nośności obliczeniowe są w tym przypadku bardzo małe, ze względu na coraz cieńsze okładziny.

Taki sposób obciążenia ścian można łatwo wyeliminować w obiektach halowych, przez przekazanie ciężaru własnego paneli warstwowych na cokoły. Jest to jednak podstawowa przyczyna, z powodu której w przypadku połączeń bezpośrednich na wkręty nierealne jest włączenie paneli warstwowych jako stężeń ze względu na zwichrzenie płatwi (w wypadku płyt dachowych) lub rygli ściennych (w wypadku płyt ściennych).

Spośród podanych ustaleń normowych odnośnie obliczania obciążeń połączeń płyt warstwowych z konstrukcją wsporczą największe zastrzeżenia wzbudzają propozycje z normy PN-B-03230:1984 [4], a mianowicie:

• dodatkowy współczynnik dynamiczny ν,
• współczynniki niejednoczesności obciążeń,
• a także ograniczenie, aby pod podkładką łącznika naprężenia w rdzeniu nie przekraczały 0,5 MPa.

Spełnienie ich wydaje się niezbędne w przypadku niektórych połączeń pośrednich projektowanych indywidualnie. W przypadku natomiast standardowych połączeń bezpośrednich na wkręty samogwintujące lub samowiercące nie ma potrzeby ich stosowania, z zastrzeżeniem, że nośności obliczeniowe wkrętów będą wyznaczone nie z warunku zniszczenia, lecz użytkowania.

Warunek użytkowania powinien być przy tym rozumiany nie tylko jako ograniczenie przemieszczeń sprężystych i trwałych w połączeniach, ale także zachowanie ich szczelności. To ostatnie odnosi się do wkrętów z podkładkami zapewniającymi szczelność. Przekroczenie w tym przypadku obciążenia wywołującego trwałą deformację metalowej podkładki jest równoznaczne z pozbawieniem połączenia szczelności.

Wykorzystanie na etapie projektowania połączeń paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą nośności obliczeniowych wkrętów wyznaczonych z warunku zniszczenia wymaga oczywiście uwzględnienia dodatkowych współczynników podanych w normie PN-B-03230:1984 [4]. Porównanie jednak odpowiednich nośności wskazuje, że nie gwarantuje to redukcji tych nośności do wartości zbliżonych do wyznaczonych z warunku użytkowania przy przyjęciu wartości tych współczynników jako minimalnych.

Wartość iloczynu współczynnika dynamicznego ν i niejednoczesności obciążenia (PN-B-03230:1984 [4]) wynosi: minimalna 1,4×1,35 = 1,89, a maksymalna - 1,4×2,7 = 3,78. Korzystniej byłoby przyjmować w tym przypadku wartość pośrednią (np. ok. 2,5). Stosowanie natomiast wartości maksymalnej wpłynęłoby na znaczne zwiększenie liczby wkrętów, co mogłoby być trudne do zrealizowania, szczególnie w strefach tzw. obciążeń krawędziowych.

Podczas projektowania połączeń paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą zalecane jest korzystanie z nośności obliczeniowych wkrętów wyznaczonych z warunków użytkowania. W przypadku braku tych nośności można je oszacować na podstawie nośności obliczeniowych wyznaczonych z warunków zniszczenia. Warto przy tym przypomnieć, że w wielu aprobatach dotyczących paneli warstwowych podawana jest maksymalna siła podłużna, jaką można dopuścić w trzpieniach wkrętów. Z reguły jest to nie więcej niż 1,0 kN. Jest ona bliska nośności obliczeniowej wyznaczonej z warunku użytkowania wkrętów o średnicy nie mniejszej niż 5,5 mm z podkładką stalową o średnicy co najmniej 19 mm.

Wnioski ogólne i zalecenia

Spośród proponowanych na krajowym rynku paneli warstwowych należy wybierać te, dla których w aktualnej aprobacie znajduje się najwięcej informacji na temat właściwości, a także danych do projektowania dotyczących zarówno samych paneli, jak i ich łączenia z konstrukcją wsporczą.

Aprobaty wydawane w Polsce ograniczają się niestety do samego wyrobu, w związku z tym nie zawierają kompletu informacji potrzebnych na etapie projektowania lekkiej obudowy. Z tego punktu widzenia dużo korzystniejsze byłyby aprobaty na systemy lekkiej obudowy, co nie jest jednak u nas praktykowane. Na dodatek, w trakcie przedłużania okresu ważności aprobat nagminne jest obniżanie wymaganych parametrów, w tym także wytrzymałościowych.

Stosowane w obudowie panele warstwowe powinny być wykonane zgodnie z obowiązującą aprobatą, na co producent powinien wydawać odpowiedni certyfikat zgodności. Zdarzają się niestety aprobaty, w których brakuje informacji dotyczącej konieczności sklejania styków poprzecznych i podłużnych rdzenia wykonywanego z płyt styropianu lub wełny mineralnej. Brak sklejenia tych styków, łatwy do stwierdzenia na placu budowy, stanowi często spotykaną wadę paneli warstwowych, mającą istotny wpływ na ich sztywność i nośność. Paneli z tego typu wadami nie powinno się stosować w obudowie, bez względu na to, czy jest to podane czy pominięte w aprobacie.

Tablice zamieszczane w aprobatach, mające na celu ułatwienie projektowania lekkiej obudowy z paneli warstwowych, są opracowane przy pewnych założeniach upraszczających. Dotyczą one zarówno schematu statycznego (panele ciągłe z jednakowym rozstawem podpór, podpory niepodatne), jak i sposobu obciążenia (zazwyczaj parcie, czasami ssanie, sporadycznie różnica temperatury). Warto o tym pamiętać, a nie stosować je bezkrytycznie we wszystkich sytuacjach projektowych. Wskazane byłoby podawanie w aprobatach, obok wspomnianych tablic obciążeń, wartości nośności obliczeniowych na zginanie poprawnie wykonanych paneli warstwowych.

Producenci paneli warstwowych w swoich katalogach powinni przypominać o zasadach obowiązujących przy zestawianiu obciążeń paneli warstwowych lekkiej obudowy. Najczęściej nie pamięta się o konieczności projektowania obudowy również na tzw. obciążenia krawędziowe wiatrem. Obciążenie natomiast temperaturą ma ścisły związek z kolorystyką zastosowanych paneli.

Niekiedy w przypadku dużych różnic temperatury, z jakimi mamy do czynienia w chłodniach, celowe jest zastosowanie np. paneli jednoprzęsłowych lub dodatkowej osłony zmniejszającej latem nagrzewanie okładziny zewnętrznej paneli (tropiku).

Warto pamiętać, że maksymalna długość paneli warstwowych wynosi 14 m, co jest podyktowane względami transportowymi. W przypadku więc połaci dachowych o długościach przekraczających 14 m, konieczne będzie wykonanie styków poprzecznych między panelami dachowymi. Styki takie, ze względu na szczelność, wymagają większego spadku dachu (co najmniej 12%).

W ostatnim okresie obserwuje się tendencję do wykorzystania paneli (płyt) warstwowych jako elementów stężających płatwie, rygle ścienne, a nawet słupy układów poprzecznych w płaszczyźnie ich mniejszej sztywności, przez analogię do obudowy z blachy trapezowej.

W przypadku paneli z niskoprofilowanymi okładzinami i standardowych połączeniach jest to w zasadzie nierealne. Potwierdziły to badania doświadczalne przedstawione w pracy "Badania połączeń na wkręty płyt warstwowych z płatwiami ceowymi z kształtowników giętych" [20]. Nie sprzyja temu także fakt, że wewnętrzna okładzina jest wykonana zwykle z blachy o gr. 0,4 mm, co ma niekorzystny wpływ na nośność na ścinanie połączenia panelu warstwowego z konstrukcją wsporczą.

Więcej możliwości w tym zakresie dają panele (płyty) warstwowe z wysokoprofilowanymi okładzinami. Wymagane są jednak przy tym niestandardowe (specjalne) połączenia z płatwiami lub ryglami ściennymi, a także okładziny z blachy stalowej o gr. co najmniej 0,6 mm.

Podobnie jak w przypadku paneli, obowiązują pewne indywidualne zasady obliczania obciążeń przypadających na połączenia paneli warstwowych z konstrukcją wsporczą. Powinno się o tym przypominać w aprobatach lub katalogach producentów paneli i łączników.

Na etapie projektowania nie pamięta się najczęściej o konieczności obliczania obudowy na tzw. obciążenia krawędziowe wiatrem. Duży wpływ na wytężenie wkrętów ma obciążenie temperaturą.

Należy zwrócić uwagę na wartości nośności obliczeniowych wkrętów podawane w aprobatach lub katalogach producentów. Często są one wyznaczane bez uwzględnienia specyfiki połączeń paneli warstwowych. Połączenia te mają wybitnie nieliniowe ścieżki równowagi statycznej. Dotyczy to w szczególności obciążeń działających wzdłuż trzpienia wkrętów oraz mechanizmu zniszczenia połączenia przez przeciągnięcie łba przez okładzinę. Z tego względu nośności obliczeniowe połączeń powinny być wyznaczane nie z warunków zniszczenia, lecz – użytkowania. Rozumie się przez to ograniczenie przemieszczeń sprężystych i trwałych w połączeniu, a także jego szczelność.

Warto zapamiętać, że zazwyczaj w środkowych strefach lekkiej obudowy z paneli warstwowych na szerokości panelu stosowane są przelotowo po dwa wkręty na każdej podporze, a w strefach przykrawędziowych - po trzy wkręty. Nie jest zalecane stosowanie więcej niż trzech wkrętów na szerokości panelu ze względu na niekorzystny wpływ deformacji okładziny ściskanej (powodowanej łbami wkrętów) na nośność na zginanie panelu warstwowego nad podporami pośrednimi.

Inaczej przedstawia się to w przypadku połączeń krytych. Tu na szerokości panelu warstwowego jest jedno połączenie, które ze względu na konieczność przeniesienia większych sił powinno być zaprojektowane indywidualnie.

Literatura

1. Aprobata Techniczna ITB AT-15-3054/2003, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2003.
2. Aprobata Techniczna ITB AT-15-4418/2003, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2003.
3. Aprobata Techniczna ITB AT-15-6450/2006, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2006.
4. PN-B-03230:1984, "Lekkie ściany osłonowe i przekrycia dachowe z płyt warstwowych i żebrowych. Obliczenia statyczne i projektowanie".
5. T. Hop, "Konstrukcje warstwowe", Arkady, Warszawa 1980.
6. B. Gosowski, "Zginanie i skręcanie cienkościennych elementów konstrukcji metalowych", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2015, s. 256.
7. A.H. Zemanian, "Teoria dystrybucji i analiza transformat. Wprowadzenie do funkcji uogólnionych i ich zastosowania", PWN, Warszawa 1969.
8. B. Gosowski, M. Gosowski, "Distributional solutions of bending problems for continuous sandwich panels with thin facings", "Archives of Civil and Mechanical Engineering", 12, 1/2012, s. 13-22.
9. B. Gosowski, M. Gosowski, "Exact solution of bending problem for continuous sandwich panels with profiled facings", "Journal of Constructional Steel Research", 101/2014, s. 53-60.
10. J.M. Davies (red.), "Lightweight sandwich construction", Blackwell Science, Oxford 2001.
11. PN-EN 14509:2010, "Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje".
12. B. Gosowski, E. Kubica, "Badania laboratoryjne konstrukcji metalowych", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012, s. 294.
13. PN-B-03207:2002, "Konstrukcje stalowe. Konstrukcje z kształtowników i blach profilowanych na zimno. Projektowanie i wykonanie".
14. PN-EN 1993-1-3:2008(/AC:2009), "Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1–3: Reguły ogólne – Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno".
15. Aprobata Techniczna ITB AT-15-4477/2006, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2006.
16. Aprobata Techniczna ITB AT-15-4937/2006, Warszawa 2006.
17. Aprobata Techniczna ITB AT-15-5425/2007, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2007.
18. Aprobata Techniczna ITB AT-15-6435/2006, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2006.
19. PN-B-02011:1977, "Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem".
20. B. Gosowski, O. Behr, "Badania połączeń na wkręty płyt warstwowych z płatwiami ceowymi z kształtowników giętych", Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 256, "Budownictwo i Inżynieria Środowiska", z. 50/2008, s. 73–82.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!