téma přednášek:
KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB
Obsah přednášek: § Funkce a součásti halových a velkoobjemových objektů § Konstrukční systém halového objektu § vývoj § ohýbaný, tlačený a tažený konstrukční systém § uspořádání hlavního nosného systému § prostorová tuhost halového objektu § opěrné systémy halových soustav
§ Konstrukční systémy převážně tlačené § obloukové soustavy § betonové § ocelové § dřevěné obloukové soustavy § plošné tlačené konstrukce § klenby § skořepiny § prutové a lomenicové struktury § prutové § lomenicové § opěrné systémy tlačených soustav
§ Ohýbané konstrukční systémy § deskové soustavy § betonové bezvazníkové soustavy § Konstrukční systémy převážně tažené § příhradové – strukturální deskové konstrukce § soustavy visuté § vazníkové soustavy § vazníky § s betonovými § konstrukce lanové § ocelovými § membránové Použité prameny a doporučená § dřevěnými vazníky literatura: § soustavy pneumatické § rámové soustavy § nízkotlaké Doc.Ing.Petr Hájek, CSc. a kol. § betonové KONSTRUKCE POZEMNÍCH § vysokotlaké § ocelové STAVEB 10 Nosné konstrukce I § soustavy zavěšené § dřevěné rámové soustavy FSv ČVUT, 2002
1
FUNKCE A SOUČÁSTI HALOVÝCH A VELKOOBJEMOVÝCH OBJEKTŮ Účel a funkce halového objektu Objekty halového typu umožňují tvorbu volných vnitřních prostor s malým počtem nebo zcela bez vnitřních podpor. Užívají se zejména tehdy, nevyžaduje-li provozní uspořádání více výškových úrovní užitných prostor nad sebou.
Halový objekt může zahrnovat i vnitřní vestavěná podlaží s různými nároky na užitnou výšku prostor: § dvoupodlažní haly § velkoobjemové haly § kombinované monobloky Sleduje se tím hospodárnější návrh i lepší využití pozemku (poměr kubatury (m3) ku zastavěné ploše (m2) je celkově příznivější). 2
Halové objekty jsou využívány zejména pro účely: § § § §
kultury – kina, divadla, výstavní pavilony, shromažďovací sály, … sportu – víceúčelové a sportovní haly, zastřešení tribun stadionů, plavecké bazény, … výroby a skladování – výrobní haly, tržnice, … dopravy – nádražní haly, zastřešení nástupišť, automobilové a autobusové garáže, opravny, kryté doky, lokomotivní depa … 3
1
5 2
4
3
Součásti halového objektu OBALOVÁ FUNKCE Zabezpečuje požadovaný stav vnitřního prostředí. Sestává ze: 1. střešního pláště 2. obvodového pláště a 3. hydroizolačního sytému spodní stavby NOSNÁ FUNKCE Přenáší statické a dynamické účinky klimatických zatížení, vlastní tíhu obalových a nosných konstrukcí, užitná a provozní zatížení. Sestává z konstrukcí: 4. nesoucí střechu 5. podpůrných a ztužujících a 6. základů
6
4
Nosná konstrukce a její funkce
převládají půdorysné rozměry → podstatná jsou svislá zatížení, a to:
§ stálé – vlastní tíhou § nahodilé – sněhem pro lehké konstrukce zastřešení má rozhodující vliv i účinek větru. Důležitým parametrem návrhu je požadované volné rozpětí konstrukce L (rozpon)! Velikost ohybového momentu M je kvadraticky úměrná rozponu, u dovoleného průhybu vstupuje hodnota rozponu dokonce ve čtvrté mocnině. zatížení
Návrh konstrukcí obalových (pláště, střechy) a dělících (příčky, vnitřní stěny) je limitován: § řídkou osnovou opor (prvků nosné konstrukce) danou většími výškovými i půdorysnými parametry hal § větší deformací nosné konstrukce (např. průhybem)
průhyb
rozpon L
nosník
průběh momentu M
tuhý rám
Vnitřní prostředí halových staveb je navrhováno z hledisek: § tepelně technických – orientace oken zajišťující tepelnou stabilitu interiéru § stavební prostorové akustiky a § denního osvětlení – boční omezené, doplňuje se střešními světlíky
5
KONSTRUKČNÍ SYSTÉM HALOVÉHO OBJEKTU Vývoj konstrukčních systémů halových objektů: Byl dán potřebou stavění stále větších a objemnějších prostor → hledáním konstrukcí se stále většími rozpony a materiálů pro ně vhodných: § do 18.století: kámen, dřevo, hlína a pálená cihla § poté litina, železo – příhradové konstrukce, beton – prostý, železový, předpjatý, spřažený § současné: monolitický i prefabrikovaný železobeton, skořepiny, lepené dřevo, kompozitní materiály, torkretování tenkostěnných konstrukcí, plasty, slitiny lehkých kovů …
Potřeby a možnosti společnosti zahrnovaly stavění: § zpočátku obydlí, sakrálních staveb, mostů a dopravních staveb § později kulturní a shromažďovací prostory § výstavní haly, nádražní dvorany, divadla, tržnice, tovární haly, krytá sportoviště se zavěšenými konstrukcemi apod. 6
Dřevo – konstrukce přenášející zatížení převážně ohybem (menší životnost oproti kameni)
Kámen, pálená cihla – přenos zatížení převážně tlakem (konstrukce kleneb (gotika) a kupolí (renesance), deskové prvky se odlehčují v tyčové prvky, žebra) Železo, litina, ocel – využití velmi dobrých tahových vlastností – táhla, armatura do železobetonu, visuté a zavěšené konstrukce, rozvoj velkorozponových příhradových konstrukcí mostů a zastřešení. Beton a železobeton – žebrové konstrukce (Monier 1867, Hennebique 1897), předpjaté a spřažené konstrukce (Freyssinet), tenkostěnné skořepiny (Nervi). Prefabrikace.
7
Ohýbaný, tlačený či tažený konstrukční systém Podstatou návrhu nosné konstrukce halového objektu je výběr vhodného schématu příčně zatížené – rozporné konstrukce, přenášející svislé zatížení do podpor.
konstrukce ohýbaná
konstrukce tlačená
Porovnání ohýbaných, tlačených a tažených konstrukcí výhody
tažená
OHÝBANÉ versus výrobně jednoduchý tvar opěrná konstrukce (stěny, sloupy) není namáhána vodorovnou silou vnitřní prostor lépe využitelný
TLAČENÉ A TAŽENÉ větší únosnost F větší rozpětí architektonicky zajímavý tvar
TLAČENÉ versus tvarová stálost konstrukce vnitřní prostor lépe využitelný opěrná konstrukce je namáhána tlakovými silami směřujícími k základové spáře tvar vhodný pro odvodnění střechy
TAŽENÉ kce bez ohybové tuhosti, není namáhána momenty tažený průřez není namáhán vzpěrným tlakem
8
Je využíváno tří základních konstrukčních schémat, tj. konstrukce: 1. ohýbané 2. tlačené 3. tažené moment
zatížení
M reakce
Ohýbaný nosník Je-li konstrukce podepřena ve vodorovném směru posuvně, nemůže vzniknout reakce B vodorovná, a proto celý moment M od vnějšího zatížení musí být přenesen dvojicí vnitřních sil – výslednicí normálových napětí F v tažené a tlačené části průřezu. Rameno vnitřních sil r v ohýbané konstrukci je dáno tvarem průřezu. Princip popsaného chování zůstává zachován bez ohledu na tvar střednice ohýbaného nosníku (vzepjatá, prověšená apod.).
B
rozpon L tlačená část
F–
normálové napětí
r pevné uložení
tažená část
M=r.F
F r
tlačená zóna tažená zóna
posuvné uložení výztuž
9
Konstrukce obloukové (tlačené) ↓ a visuté (tažené) ↓↓ Zamezíme-li vodorovnému posunu konstrukce, vznikne v podpoře vodorovná tahová nebo tlaková rozpěrová síla H2. Její velikost je závislá na nadvýšení či průvěsu f konstrukce. Ohybový moment M je přenášen dvojicí sil – osovou H1 a vodorovnou reakcí H2. Ramenem f těchto sil je vzepětí či průvěs konstrukce.
H1 f H2
Tvar střednice by měl odpovídat tvaru výslednicové čáry vnějšího zatížení. Odchyluje-li se – část zatížení přenáší účinek ohybové tuhosti průřezu.
M = H.f Tažená konstrukce nemá ohybovou tuhost. Je nucena se svým tvarem přizpůsobit výslednicové čáře zatížení a veškeré zatížení pak přenáší normálová síla.
pevné uložení
H2 f
H1
10
Varianty konstrukčního řešení ohýbaného prvku Schopnost konstrukce přenést ohybový moment je podmíněna možností vzniku dvojice sil v tažené a tlačené části průřezu a smykovým propojením obou částí. To lze provést:
plnou stěnou vysoká účinnost smykového spolupůsobení, jednoduchá výroba nosníku
příhradovou konstrukcí umožňující snížení tíhy konstrukce při zachování vysoké únosnosti
ohýbanými příčlemi Virendeelova konstruce
Smykové spolupůsobení umožňuje zapojení tlačené a tažené části do jednoho průřezu. Je-li nedostatečné – snižuje se tím celková únosnost a zvyšují deformace průřezu. 11
Materiálové a technologické varianty řešení … se volí podle charakteru namáhání nosných prvků (tlak, tah, ohyb, smyk), o nízké objemové hmotnosti a ceně.
dřevo vazba - lepené
beton předpjatý
zdivo
Tomu vyhovují: dřevo, lepené dřevo, železobeton, předpjatý beton, ocel a lehké slitiny; tažené visuté a pneumatické konstrukce využívají kromě oceli a dřeva také kompozity, plasty a textilie. Prostý beton a cihly se využívají pro tlačené podpěrné části (stěny, pilíře)
dřevo ocel
ocelové lano zdivo
beton
Soustava o jediném převažujícím materiálu umožňuje jednotnou technologii, údržbu a má stejnou životnost prvků. Kombinované soustavy poskytují efektivnější využívání vlastností rozdílných materiálů. 12
Uspořádání hlavního nosného systému
a1) 1
b1) v.p v.p .
1
malé rozpony a2)
dvoustupňová konstrukce - je kombinací malorozponových prvků plošného charakteru (1) a tyčových nosníků většího rozponu (2) ležících na vertikálních podporách (v.p.). Také nosníky mohou přenášet zatížení ohybem, tlakem či tahem. Specializace prvků zastřešení na dílčí nosné funkce umožňuje zvětšení rozponu oproti 1-stupňové konstrukci, která by na toto rozpětí byla příliš hmotná.
2 1 střední rozpony
2
v.p .
jednostupňová konstrukce – přenáší primární zatížení přímo do vertikálních podpor (stěn, rámů). Zahrnuje pouze jeden prvek: ohýbanou desku (a1) nebo tlačenou klenbu (b1) či visutou taženou membránu. Konstrukce je to jednoduchá, menší únosnosti a pro malé rozpony.
2
a3) 3 1 3
2 velké rozpony
v.p .
třístupňová konstrukce – přibírá další tyčový nosník (3) (ohýbaný, tlačený či tažený) což dále umožňuje zvětšovat vzdálenosti vertikálních podpor (v.p.) a tím rozpon halové stavby. Volba konstrukčního schématu a jeho rozměrových parametrů se optimalizuje v závislosti na zatížení, materiálu a konstrukčních variantách jednotlivých částí zastřešení. 13
Uspořádání nosného systému ortogonální (pravoúhlé) – osy hlavních a vedlejších (primárních a sekundárních) nosných prvků jsou vzájemně uspořádány kolmo (a) neortogonální (kosoúhlé) – každý jiný úhel (b,c)
Případem neortogonálního systému je r a di ál ní uspořádání (b) jehož hlavní nosné prvky (například příhradové, lanové) jsou paprskovitě uspořádány uvnitř půdorysu, kotveny na nosný prstenec po obvodě. Ve středu se buďto volně křižují nebo jsou sepnuty jiným prstencem a vzájemně se podpírají (viz.Sazka-aréna) případně jsou podepřeny bodovou či kruhovou podporou.
b)
90° a)
Soustava a xi ál ní (c) ↓
„vyplétané kolo“
c) věnec tlačený, problémy s odvodněním, křížením lan
lucerna 14
Orientace halových systémů – jedno a dvousměrné či vícesměrné půdorys protáhlého tvaru: obdélník, elipsa apod. – nosníky spíše v jednom směru (a), (b) půdorys sevřenějšího tvaru: čtverec, troj- a víceúhelník, kruh – nosníky ve více směrech (c), (d), (e) a) d) b)
c)
e)
15
Prostorová tuhost halového objektu Vedle svislých zatížení (pro návrh rozhodujících) je nutno zajistit i přenesení zatížení vodorovných. Jedná se především o účinky zatížení větrem, brzdnými silami jeřábů a seizmická zatížení. Ztužení halového objektu je soubor konstrukčních opatření sledujících zajištění celkové tuhosti objektu, tedy přenesení vodorovných zatížení do základů. Systémy s netuhou střešní tabulí (a) se navrhují pro konstrukce visutých, tažených zastřešení, kde zajištění tuhosti tvarově poddajné tabule je obtížně proveditelné. Vodorovné zatížení působící na obvodový plášť přenáší primárně zatížený prvek samostatně bez dalšího spolupůsobení s ostatní konstrukcí.
1)
2)
3)
Horizontální tuhosti svislé nosné konstrukce lze dosáhnout:
←
4)
1) vnitřním diagonálním ztužením 2) zakotvením vnějšími táhly 3) vytvořením rámového rohu 4) vetknutím stojin do základu
a)
16
U systémů s tuhou střešní tabulí (b,c) je vodorovné zatížení přenášeno střešní tabulí do ztužujících konstrukcí (ztužující stěny, svislá ztužidla). Tuhost vlastní střešní tabule lze zajistit: • spojením tuhých střešních desek • příhradovými ztužidly • opěrnou konstrukcí (obv.prstenec)
Příhradová ztužidla jsou tvořena prutovými nosníky smykově propojenými vloženými diagonálními prvky namáhanými na tlak či na tah. Umisťují se po obvodě střešní tabule, při větších rozponech i podél hřebene.
c)
b)
Při delších diagonálách a tlakovém namáhání hrozí ztráta jejich stability. Zachování tenkých diagonál umožňuje princip dvojnásobné příhradové konstrukce umožňující vybočení tlačené diagonály bez ztráty tuhosti celé soustavy. 17
Opěrné systémy halových soustav obecně přenášejí: • svislé (tlakové) reakce • vodorovné (tahové) reakce • ohybové momenty
směr zatížení
dle přenosu vodorovných a ohybových sil systémy: • otevřené (a),(b),(c) • spojité (d),(e) • uzavřené (f),(g),(h) – viz. další strana ) a)
směr zatížení
tah
b)
c)
tlak tah U otevřených systémů podepření ↑ je vodorovná reakce či ohybový moment zachycena přímo opěrnou konstrukcí (základem, opěrnou stěnou, sloupem, rámovou stojkou) Spojité systémy podepření je možné navrhnout tehdy, jsou-li na jedné podpoře dvě stejné konstrukce. ↓ → Vodorovné síly i ohybové momenty sousedních polí se vzájemně eliminují. momenty
zatížení
tah
e)
d) tlak
tah
tlak 18
V uzavřených opěrných systémech je reakce protilehlých částí konstrukce eliminována působením opěrné konstrukce (táhla, rozpěry, příčle, obvodové věnce). Základová konstrukce je výhodně namáhána pouze svislými reakcemi.
f)
prstencový věnec
věnec g)
h) svislá reakce táhlo
19
pokračování přednášky
KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB
OHÝBANÉ KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY Základním prvkem v ohýbaném konstrukčním systému je ohybově namáhaný prostě uložený (a) nebo vetknutý (b) prvek přenášející především svislá zatížení. zatížení
a) opěrná kce
nosník
b)
rámová příčel rám průběh momentu M rozpon L
tlak reakce
tah
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).
ohybový moment M
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 F zajistit stabilitu před vybočením. 1
Deskové soustavy Betonové bezvazníkové soustavy
1200
b)
900 50 70
a)
50
2400
600 ÷ 800
c)
600
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 12 – 24 m při šířkách prvků 1,2 – 3 m. 2400
1200 ÷ 3000
12 ÷ 24 m
d)
2
Příhradové deskové konstrukce 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 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
a) L = 30 ÷ 150 m
h = 1/15 ÷ 1/30 L
b)
L = 30 ÷ 150 m
3
Vazníkové soustavy Střešní konstrukce vazníkové soustavy sestává ze střešních vazníků (nosníkových prvků) ukládaných na sloupy, průvlaky nebo stěny. Podle tvaru se rozlišují : přímopasové pultové sedlové lomené a obloukové 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.
A – přímopasový
B – pultový C - sedlový
pas horní
D – lomený příčel
střešní panely
diagonála vaznice
styčník
pas dolní
E - obloukový vazník podpora BEZVAZNICOVÝ ← → VAZNICOVÝ
táhlo 4
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: f) plnou stěnou g) stěnou s otvory h) pruty příhradové soustavy i) Vierendeel-příčlemi f)
Plné vazníky jsou výrobně jednodušší, ale často brání prostupu technických instalací. Rozpony 12 – 24 m.
g)
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 18 – 36 m
h)
montážní styk těžiště
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).
i)
j) táhlo rozpon až 30 m 5
Soustavy s ocelovými vazníky a) b) c) d)
plnostěnné vazníky s prolamovanou stojinou – menší rozpony 6 ÷ 9 m, větší zatížení plnostěnné průřezy složené – větší rozpony 12 ÷ 15 m příhradové vazníky rovinné – velké rozpony 15 ÷ 24 (÷ 32) m girlandové sedlové vazníky tvořící t r o j k l o u b o v o u s o u s t a v u s ocelovým táhlem – na velké rozpony až 80 m. Jsou charakteristické parabolickým tvarem dolního pasu a taženými diagonálními prvky. ocelový nosník - rozřezaný, o ½ vlny posunutý a svařený
a)
Plnostěnné vazníky – z válcovaných nosníků nebo složených svařovaných průřezů (z plechů a širokých ocelí). Snadná výroba i údržba, těžké, menší rozpony Příhradové vazníky – z prutových prvků válcovaných, tenkostěnných profilů nebo z trubek. Lehčí, umožňují i větší rozpětí.
b) h = 1/15 L c)
h = 1/10 L
tažené diagonály
kloub d)
kloub
dolní parabolický pas
kloub táhlo 6
Spojování prutů ve styčnících (styčníkový plech) pomocí svarů. Montážní styky se šroubují.
Podpůrná 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. kotevní deska e)
světlík
vaznice
vazník vaznice
vazník
f)
Střešní plášť je navrhován s plnostěnnými vaznicemi prostě uloženými. Při větších roztečích bývají vaznice příhradové, spojité: vzpěrkové (e) nebo zavěšené (f). Při bezvaznicové skladbě se na vazníky přímo ukládají plošné dílce: profilované plechy , žebírkové železobetonové desky, kovoplastické a dřevěné kompletizované panely 7
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) a) h = 1/8 ÷ 1/12 L
b)
L = 6 ÷ 15 m
Výhodou lepených konstrukcí (c) je jejich větší odolnost, únosnost a požární bezpečnost.
c)
h1 = 1/16 L
h2 = 1/30 L h = 1/5 L
L = 10 ÷ 30 m d)
L = 21 ÷ 30 m e)
L = 12 ÷ 24 m
h = 1/5 ÷ 1/7 L
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. 8
Průřezy dřevěných vazníků se tvoří spojováním konstrukčních částí různými spojovacími prostředky: (f) svorníky, (g) hmoždíky, (h) hřebíky či vruty, (i) kovovými styčníkovými deskami s trny nebo (j) lepením.
i) styčníkové kovové desky s trny
f) svorníky
g) hmoždíky
h) hřebíky či vruty j) lepení
9
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)
průběh momentu M
rámová příčel
opěrná kce
rám
náběhy
b) spojitá rámová konstrukce
rozpon L
10
c) vetknutý rám – velká míra statické neurčitosti, citlivost konstrukce na účinky poklesu podpor, teplotních a objemových změn d) dvojkloubový rám – vložením kloubů do patek, menší citlivost na pokles základů (sedání stavby) e) trojkloubový rám – přidáním kloubu i do příčle f) konzolový rám – vložením kloubu do rámového rohu, stejně jako trojkloubový není citlivý na vynucené deformace e)
h = 1/12 ÷ 1/15 rozpětí L; b = 1/3 ÷ 2/3 h h = 1/10 ÷ 1/6 L
c)
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.
rozpětí L =12 ÷15 m hC = h – (100 ÷ 150); bC = b
d) kloub
f1 )
vzpěra
vetknutí
f2 )
11
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
c) skořepinové
b) prefabrikované
d) lomenicové L = 9 ÷ 36 m tloušťka 75 ÷ 125 mm, h = 1/40 ÷ 1/50 L
12
vaznice – viz. detail (h)
a) tuhý roh v monolitu
f)
h) vaznice
g)
24 m
e) šroubový styk v montované konstrukci
Tuhého spojení rámové příčle a stojky se v monolitické 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). 13
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 ) popř. příhradové trubkové nebo z válcovaných profilů. Tuhost v příčném směru je zajištěna vlastní tuhostí vazníků, v podélném směru se vkládají příhradová, rámová apod. 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 táhlo ztužidlo
ztužidlo
kloubové uložení cca 18 m 14
Provedení rámových rohů a) plnostěnného rámu,
b) příhradového rámu
šroubové spoje
svary
c) kotvení rámové stojky do základové konstrukce se provádí ocelovou kotevní deskou a kotevními šrouby (c).
15
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. 1
H = /25 L
1
a)
H = /23 L
b)
1
H = /25 L
R = 5 ÷ 10 m rozpon L = 15 ÷ 30 m
rozpon L = 12 ÷ 20 m
rozpon L = 15 ÷ 60 m
Střešní plášť v závislosti na vzdálenosti rámů v bezvaznicové nebo vaznicové skladbě jako u vazníkových soustav 16
c)
d)
lepený prvek
svorníky tlak tah e)
Pozornost nutno věnovat rámovému rohu a přenosu smykových sil. Příklady řešení rámového rohu: (b) příhradový sbíjený (c) plnostěnný lepený (d) smíšený Vnitřní a podporové klouby jsou řešeny jako kovové (d),(e).
1
H = /25 L
rozpon L = 15 ÷ 30 m
Rámový roh lze zjednodušit užitím ocelového táhla zachycujícího tahovou složku momentu v rámovém rohu (f). 17
dokončení přednášky
KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB
KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY PŘEVÁŽNĚ TLAČENÉ Je-li tvar obloukové či plošné konstrukce navržen ve tvaru tlakové čáry působícího zatížení (výslednicová čára nebo plocha), přenáší konstrukce zatížení tlakem. Vnější zatížení bývá ale proměnné - tvar konstrukce stálý = část přenášena ohybovým momentem. Konstrukci je třeba navrhnout dle převládajícího zatížení vlastní tíhou a sněhem - vzniká parabolický tvar tlačené konstrukce:
proměnné
deformace
nestálé
výslednice proměnná
ohybový moment
zavětrování
tlaková síla
1
Ke statickému působení tlačené konstrukce lze dospět tvarováním rámové konstrukce (a). 1) rozkročením stojek (b) a 2) zalamováním příčle (c) lze snižovat ohybová namáhání rámu až k nulové hodnotě při parabolickém tvaru rámu (d).
a)
b)
pouze tlak c)
d)
2
Opěrné systémy tlačených soustav Opěrný systém přenáší svislé a vodorovné reakce obloukové (tlačené) konstrukce a) oblouková konstrukce ukončená v úrovni terénu je opřena přímo o základovou konstrukci b) opěrná konstrukce oblouku uloženého vysoko nad terénem může být navržena jako ohýbaná, c) popřípadě může přenášet zatížení normálovými silami d) horizontálně tuhá konstrukce podpírá i ty obloukové vazby které nemají přímou opěrnou konstrukci e) v uzavřeném opěrném systému tlačené konstrukce je vodorovná síla zachycena táhlem
a)
b)
c)
d)
e)
3
Obloukové soustavy Tlačená oblouková konstrukce je dimenzována na vzpěrný tlak v kombinaci s ohybem. Vybočení v rovině oblouku brání tuhost průřezu konstrukce, z roviny oblouku tuhost střešní tabule i vlastní ohybová tuhost. Uložení: kloubový styk nebo vetknutí a) vetknutý oblouk – lepší statické využití průřezu oblouku b) dvoukloubový oblouk – menší namáhání konstrukce vlivem objemových změn a sedání podpor oblouku
a)
b)
d)
c) Střešní plášť obloukové konstrukce je specifický proměnlivostí sklonu střešní plochy. c) oblouková soustava – ortogonální uspořádání d) dtto – radiální uspořádání 4
e)
f) g)
e) trojkloubový oblouk – zcela eliminuje vliv objemových změn a pokles podpor. f) trojkloubový tlačený nosník
g) umístěním třetího kloubu mimo vrchol lze upravit směr podporových reakcí
5
Betonové obloukové soustavy Vyskytují se méně často, jsou navrhovány jako oblouk: a) vetknutý – montován jako trojkloubový, po dotvarování se klouby mění na tuhé styčníky b) dvojkloubový c) trojkloubový
a)
h = 1/28 ÷ 1/40 L
b) L = 15 ÷ 60 m
c) Průřez konstrukce tlačeného betonového oblouku bývá: d) plný e) Vierendeelův f) skříňový často je navrhován s proměnným průřezem
d)
e)
f) 6
Železobetonový oblouk je v konstrukcích zastřešení často uplatněn jako součást obloukových vazníků (g). Horní betonový pas je s dolním táhlem propojen vzpěrami. Jsou efektivnější než klasické, navrhují se pro rozpětí až 50 m.
g)
vzpěry
táhlo
až 50 m Uložení obloukové konstrukce na základ viz. obr. (h). tlak
tlak
tah svislá reakce
opačná reakce h)
7
Ocelové obloukové soustavy
a)
1/ 30 L
b)
L = 60 ÷ 90 m
1/ 5÷1/7 L
příhradové trubkové, rovinné nebo prostorové a) dvoukloubové odlišného zakřivení přírub b) trojkloubové se souběžnými přírubami Pro dopravu a montáž se části oblouků rozdělují montážními styky lze je sestavovat a stykovat na zemi
c) plnostěnné, svařované ze segmentů otevřených či uzavřených průřezů c) vetknuté d) dvojkloubové pro menší rozpětí haly lze válcované profily ohýbat za studena
d)
8
20% vzpěra
táhlo
12 ÷ 30 m
Tenkostěnné, otevřené, za studena tvarované ocelové profily v tříkloubovém tlačeném nosníku s táhlem užívá soustava HARD. Průřezy nosných prvků ve tvaru [
9
Obloukové soustavy na bázi dřeva Navrhují se jako dvojkloubové (a) nebo trojkloubové (b) nosníky z lepených průřezů obdélníkového , I, T popřípadě skříňové. Často s výškově proměnným průřezem. Rozpon L = 30 až 110 m.
1/45÷1/50 L
c) 1/ 5÷1/6 L
a)
b)
Dřevěný lepený průřez může být armován vlepením výztuže do drážek mezi lamely (c).
d) Pro styk oblouků ve vrcholovém kloubu (d) a pro uložení na základovou konstrukci (e) se používá ocelových stykovacích desek a příložek ↑ →
e)
10
Sedlového tvaru střechy na obloukové soustavě lze docílit použitím přímých vaznic podepřených vzpěrami uloženými na oblouku (f). Zjednoduší to konstrukci střešního pláště ale mění se charakter tvaru objektu ↓ . vaznice f)
obloukový nosník vzpěra
Střešní plášť používá vaznic nebo kompletizované dřevěné panely. Zavětrování v rovině střechy pomocí diagonál.
zavětrování
11
Plošné tlačené konstrukce (klenby a skořepiny) Klenby Tlačená konstrukce je namáhána vzpěrným tlakem a ohybem. Namáhání přenáší přepětím průřezu vlivem převládajícího svislého zatížení. Konstrukčním důsledkem je masivní konstrukce klenby a omezená schopnost přenášet bodová zatížení.
a)
Pro správný návrh je důležitá znalost tvaru výslednicové čáry od zatížení vlastní vahou konstrukce. Užívaný materiál: kámen, cihla. Základní tvary: a) valená klenba nad obdélníkovým půdorysem a b) klenba ve tvaru kupole nad kruhovým půdorysem
50 ÷ 150 mm b)
70 ÷ 600 mm ∅ = 5 ÷ 40 m L = 8 ÷ 50 m
12
Skořepiny Konstrukce skořepiny bývá velmi subtilní o malé konstrukční tloušťce a ohybová namáhání přenáší pouze v omezené míře. Stabilita tlačených částí je zajišťována využitím tvaru konstrukce o dvojí křivosti nebo spolupůsobením s výztužnými žebry a čely skořepin. c) krátká válcová skořepina připomíná valenou klenbu ale stabilita subtilní tlačené části je zajištěna okrajovým žebrem nebo čelem skořepiny d) dlouhá válcová skořepina působí staticky jako nosníková konstrukce (d´) e) rotační skořepina je podobné klenbě kupole, její stabilitu zajišťuje schopnost přenášet radiální tlaková a tahová namáhání f) příkladem skořepiny se zápornou křivostí střednicové plochy je tvar hyperbolického paraboloidu Skořepiny jsou navrhovány ze železobetonu a kompozitních materiálů, přímkové plochy z tyčových prvků.
L = 15 ÷ 120 m c)
e) h = 1/300 ÷ 1/450 L d) h = 1/50 ÷ 1/65 L d´ )
L = 25 ÷ 40 m
f) f 2f
L = 9 ÷ 30 m 13
Prutové a lomenicové struktury Prutové strukturální soustavy c) a) b)
d)
∅ = 15 ÷ 100 m
e)
Působení strukturálních soustav je do jisté míry obdobné působení plošných konstrukcí stejného tvaru. Principem plošné nebo prutové struktury je snaha o nahrazení statického působení plošné konstrukce prutovými prvky ze železobetonu, oceli, dřeva. Prutová struktura ve tvaru válcové klenby (a) působí jako válcová skořepina upnutá do tuhých čelních stěn. Stejně u dalších tvarů (b). Ocel – jednovrstvé nebo dvojvrstvé struktury v trojúhelníkových sítích. Žebrové konstrukce, příhradové lamely, Vierendelovy dílce (d). Prutové struktury betonové bývají jednovrstvé s ohybově tuhými žebry (c). Lamelové dřevěné klenby mají ohybovou tuhost, tvoří je diagonálně uspořádaná žebra z lamel spojovanými svorníky (e). 14
Lomenicové strukturální soustavy jsou vytvořeny z plošných trojúhelníkových elementů vytvářejících tuhou prostorovou soustavu. Vhodnou volbou tvaru lomenice lze docílit tvaru translační či rotační plochy (f,g). Strukturální lomenice vzniká ze: sítě trojúhelníkové (h) • sítě čtyřúhelníkové (i) • nahrazením prutů struktury plošnými elementy v rovině střednice prutu Elementy mohou být: • konvexní • konkávní • kombinovány střídavě v sousedních polích
h = 1/10 ÷ 1/20 h g) f)
L = 9 ÷ 30 m
•
i) h)
15
KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY PŘEVÁŽNĚ TAŽENÉ Mezi tažené konstrukční systémy náleží konstrukce: visuté (a), pneumatické (b) a zavěšené (c)
…. visuté a pneumatické konstrukce jsou charakteristické malou tvarovou stálostí vlivem nízké ohybové tuhosti
tah a)
tah
přetlak
b)
c) tah závěs konstrukce ohyb
podpora
tlak 16
Visuté soustavy Mezi tažené konstrukční systémy visuté náleží konstrukce: § vazníkové, § deskové (skořepiny jednoho a dvojího zakřivení) § lanové a § membránové
Vazníkové visuté konstrukce
PLNOSTĚNNÝ NOSNÍK
tah
tvar deformace RÁMOVÁ KONSTRUKCE S TAŽENOU PŘÍČLÍ
PŘÍHRADOVÝ NOSNÍK
TROJKLOUBOVÝ NOSNÍK PLNOSTĚNNÝ ↔ PŘÍHRADOVÝ
POLYGONOVÝ NOSNÍK
17
Lanové visuté konstrukce Lanové prvky bez ohybové tuhosti jsou uspořádány paralelně nebo radiálně, v jednovrstvém nebo dvouvrstvém uspořádání. Sestavují se z ocelových drátů, nekovových vláken apod., které jsou subtilní bez ohybové tuhosti, tvarem přizpůsobivé výslednicové čáře vnějšího zatížení. Přenos zatížení probíhá prostřednictvím normálové síly v profilu vlákna a vodorovnou složkou podporové reakce. Tato složka namáhá opěrný systém vysoko nad terénem což vyžaduje jeho efektivní konstrukční návrh.
L = 30 ÷ 180 m
stabilizační lano
18
paralelní lana S H
V
q(x)
V H
q(x) V
V S
H
H
Lanové systémy stabilizované hmotností střešního pláště …
q(x)
V
S
… stabilizované přepínacími lany
H
radiální lana
19
systémy ↑ ← otevřené
Varianty zachycení vodorovné reakce visutého zastřešení :
závěsná táhla
systémy uzavřené → 20
nosná lanová konstrukce střešní desky zavětrování
↑ příklad podporového systému visutého zastřešení
příklad spojitého podporového systému visutého zastřešení → 21
f 2f
nosná lana napínací lana
L = 30 ÷ 180 m
lucerna
Příklady uzavřených nosných systémů visutého lanového zastřešení:
22
Membránové visuté soustavy Membrána visuté střechy se navrhuje z plošně působící volně zavěšené nebo napjaté tkaniny, plechu, kompozitní textilie a podobně. Přebírá pouze síly ve střednicové ploše, to znamená že navozuje membránový stav napětí. Stabilizace tvaru tenké membrány vyžaduje ztužující žebra, tvarování s dvojí křivostí, příp. vhodné přitížení podvěsem. konstrukce tkaninový stan lanový, vyztužený tkaninový stan síť z předpjaté oceli s tkaninovým překrytím
rozpětí (m) 9 ÷ 18 18 ÷ 60
zakřivení (m) 25 ÷ 35 80 ÷ 100
25 ÷ 100
100 ÷ 300
hřebenové lano
membrána napjatá
membránová
23
Soustavy nesené přetlakem vzduchu Pneumatická konstrukce nesená přetlakem vnitřního vzduchu je tvořena tenkou membránou předepnutou vnitřním přetlakem. Nízkotlaké – přetlak vzduchu v celém vnitřním prostoru činí cca 100 ÷ 300 Pa. Při velkých rozponech se tvar stabilizuje kombinací s povrchovými ztužujícími lany. membrána z nerez oceli … L = 80 ÷ 300 m z tkaniny … L = 15 ÷ 45 m
24
Vysokotlaké – vysoký přetlak vzduchu, 0,1 ÷ 0,5 MPa je soustředěn v tzv. kostře (skeletu) objektu (žebrech, obloucích). Užívají se menší rozpony – 25 m. Náleží sem soustavy čočkové a polštářové. membrána nosné žebro
L = 6 ÷ 45 m nosná žebra nosná žebra
25
Zavěšené soustavy Základním principem konstrukce je zavěšení střešní nosníkové konstrukce pomocí táhel ukotvených ke tlačeným pilotám, obloukům, rámům apod. Jedná se o vícestupňový systém připomínající působení tzv. superkonstrukcí ve vícepodlažních budovách. Zavěšené konstrukce proto náleží k efektivním systémům pro zastřešení staveb velkých rozpětí.
tah
zavěšená deska
tlak
60 ÷150 m
centrální nosník
nárožní pylony
26
Táhla se nejčastěji navrhují z ocelových lan a kabelů a tvoří tak systém pružného podepření norníkové či obloukové konstrukce. Střešní plášť lze řešit způsobem obdobným jiným tuhým soustavám (vazníkovým, rámovým, apod.) Výhodnou konstrukční variantou jsou zavěšené soustavy spojité. Nevyžadují kotvení tahových složek v základech.
tribuny sportovních stadionů
zavěšený nosník zavěšená membrána
27
