Płyty warstwowe a klasa konstrukcyjna

Klasy konstrukcyjne są zdefiniowane następująco:

• klasa konstrukcyjna I: konstrukcje, które projektuje się uwzględniając udział poszycia w nośności i stateczności całego układu,
• klasa konstrukcyjna II: konstrukcje, które projektuje się uwzględniając wpływ poszycia na nośność i stateczność pojedynczych elementów,
• klasa konstrukcyjna III: konstrukcje, które projektuje się przy założeniu, że poszycie wyłącznie przenosi obciążenia na układ konstrukcyjny.

Płyty warstwowe są elementami, które w większości przypadków stosuje się do klasy konstrukcyjnej III. Oznacza to, że płyty są traktowane jako elementy samonośne, które przekazują obciążenia na konstrukcję wsporczą (płatwie, rygle ścienne, słupy).

Dobrze znana norma PN-EN 14509 [3] dotyczy płyt warstwowych stosowanych do klasy konstrukcyjnej III, choć warto zauważyć, że wiele zapisów tej normy będzie aktualnych również dla pozostałych klas konstrukcyjnych. Od pewnego czasu procedowane jest wprowadzenie nowej normy, PN-EN 14509-2. Wstępna wersja tej normy prEN 14509-2 [4] była omówiona i przedyskutowana w artykule [5].

Norma prEN 14509-2 [4] przedstawia podstawowe zasady wykorzystania płyt warstwowych do stabilizacji elementów konstrukcyjnych, a więc obejmuje swym zakresem II klasę konstrukcyjną. Jest to wyraźnie określone we wstępie do normy [4]. Warto przypomnieć, że norma ta opisuje głównie procedury badawcze służące do określenia wytrzymałości zamocowania płyty na ścinanie i rozciąganie oraz do wyznaczenia sztywności poszycia (wykonanego z płyt warstwowych) zapewniającego stabilizację podpieranego elementu (np. płatwi). Niezbędne jest wyznaczenie sztywności poszycia na ścinanie udzielającej się elementowi stabilizowanemu oraz sztywności obrotowej połączenia elementu stabilizowanego z poszyciem.

Podczas gdy płyta warstwowa traktowana jako element stabilizujący pojedyncze elementy konstrukcyjne budzi pewne wątpliwości, pojawia się pomysł zastosowania płyt jako elementów, które uwzględnia się do nośności i stateczności całego budynku. Świadczy o tym krótka uwaga zamieszczona we wstępie do normy [4], wskazująca, że w przyszłości pojawi się norma EN 14509-3 dotycząca takiego właśnie zastosowania płyt. Nie jest to wcale zupełna nowość.

Od kilkudziesięciu lat trwają różne próby zastosowania płyt do budowy niedużych obiektów, w których jedynym elementem konstrukcyjnym są same płyty. Idea potraktowania obudowy jako elementu wpływającego na nośność i stateczność całego budynku jest jeszcze starsza. Podstawowe zasady analizy takich układów opracowywał Eric Bryan już w 1958 roku. W późniejszym okresie dołączył do niego Michael Davies. Niedawno w Wielkiej Brytanii podjęto próbę utworzenia centrum innowacji w dziedzinie interakcji konstrukcji i obudowy.

Aby zrozumieć istotę współpracy obudowy z konstrukcją najlepiej przyjrzeć się RYS. 1-2. W przypadku RYS. 1 na budynek działają siły poziome, które mogą być wywołane np. działaniem wiatru. Zakłada się, że ściany szczytowe zostaną wykonstruowane tak, żeby były sztywne w swojej płaszczyźnie. Pokrycie dachu dobrze połączone z główną konstrukcją nośną tworzy sztywną tarczę ograniczającą przemieszczenia poziome słupów i przenoszącą obciążenie na sztywne ściany szczytowe. Pokrycie dachu nie wpływa natomiast na przemieszczenia pionowe głównych ram konstrukcyjnych.

Jeszcze ciekawszy i nieco mniej oczywisty przypadek przedstawiono na RYS. 2. W przypadku dachu dwuspadowego ewentualne siły pionowe (pochodzące np. od śniegu) chcą rozepchnąć słupy hali na zewnątrz. Przy prawidłowym połączeniu pokrycia dachu z konstrukcją ramy, część obciążenia pionowego jest przenoszona przez sztywne tarcze połaci dachowych. Sztywne tarcze przekazują dalej obciążenie na sztywne ściany szczytowe.

W obu przedstawionych przypadkach pokrycie dachu wraz z elementami klasycznej konstrukcji można potraktować jako kratownicę, w której słupkami i pasami są elementy klasycznej konstrukcji (np. stalowej), a pokrycie dachu pełni rolę zakratowania.

Prawidłowa interakcja pomiędzy obudową budynku i jego konstrukcją jest możliwa tylko w przypadku zapewnienia odpowiedniej sztywności poszycia. W przypadku płyt warstwowych uwzględnia się zarówno podatność samej płyty, jak i podatność połączenia wykonanego pomiędzy płytami oraz zamocowania płyty do konstrukcji. Wyznaczenie odpowiednich podatności umożliwia określenie sił powstających w elementach konstrukcyjnych, obudowie i łącznikach. Szczegółowe wzory zostały przedstawione m.in. w "The stressed skin design of steel buildings" [6].

Wiele osób dość sceptycznie odnosi się do pomysłu wykorzystania płyt warstwowych do stabilizacji konstrukcji dużych obiektów budowlanych. Jest to zrozumiałe ze względu na dużą dysproporcję w sztywności obudowy i tradycyjnej konstrukcji żelbetowej lub stalowej. W tym miejscu warto jednak zauważyć, że płyta warstwowa (ale również blacha trapezowa, kaseta wzdłużna itp.) nie wie o tym, czy jest traktowana jako element stabilizujący konstrukcję czy też nie.

Jeśli więc główna konstrukcja hali ma stosunkowo niedużą sztywność i jest obudowana elementami o określonej sztywności, to poszycie dachu i ścian przejmie część obciążeń działających na budynek, niezależnie od jakichkolwiek założeń projektowych. Warto o tym pamiętać przy kolejnym projekcie.

Literatura

1. PN-EN 1993-1-3, "Eurokod 3 - Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-3: Reguły ogólne. Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno".
2. EN-EN 1990, "Eurokod - Podstawy projektowania konstrukcji".
3. PN-EN 14509:2013-12, "Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje".
4. prEN 14509-2:2016, "Double skin metal faced insulating panels. Factory made products. Specifications - Part 2: Structural applications - fixings and potential uses of stabilization of individual structural elements".
5. Z. Pozorski, Sz. Wojciechowski, "Norma EN 14509-2 - nowy rozdział w rozwoju płyt warstwowych", "IZOLACJE" 3/2017, s. 22-24.
6. E.R. Bryan, "The stressed skin design of steel buildings", Constrado Monographs, 1973.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!