Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 1
Konstrukcje metalowe
Wybrane pozycje literatury przedmiotu
[1] Biegus A.: "Stalowe budynki halowe'. Arkady, Warszawa 2003.
[2] Biegus A.: "Połączenia śrubowe". PWN, Warszawa-Wrocław 1997.
[3] Bogucki W.: "Budownictwo stalowe". Arkady, Warszawa 1965.
[4] Bogucki W., Żyburtowicz M.: "Tablice do projektowania konstrukcji metalowych". Arkady
Warszawa 1996.
[5] Boretti Z. i inni: "Przykłady obliczeń konstrukcji stalowych". Arkady, Warszawa 1993.
[6] Bródka J., Broniewicz M.: "Konstrukcje stalowe z rur". Arkady, Warszawa 2001.
[7] Bródka J., Garncarek R., Miłaczewski K.: "Blachy fałdowe w budownictwie stalowym".
Arkady, Warszawa 1999.
[8] Bródka J., Ledzion-Trojanowska Z..: "Przykłady obliczania konstrukcji stalowych Tom 1".
Politechnika A
ódzka, A
ódz
1992.
[9] Gosowski B., Kubica E.: 'Badania laboratoryjne z konstrukcji metalowych". Politechnika
Wrocławska, Wrocław 2001.
[10] Jankowiak W.: "Konstrukcje metalowe". PWN Warszawa-Poznań, 1983.
[11] A
ubiński M., Filipowicz M., Żółtowski W.: "Konstrukcje metalowe. cześć 1". Arkady,
Warszawa 2000. "Część 2" Arkady, Warszawa 2004.
[12] Muttermilch J., Kociołek A.: "Wytrzymałość i stateczność prętów cienkościennych
o przekroju otwartym". Politechnika Warszawska, Warszawa 1972.
[13] Niewiadomski J. i inni: "Obliczanie konstrukcji stalowych wg PN-90/B-03200". PWN,
Warszawa 1999.
[14] Pałkowski Sz.: "Konstrukcje stalowe. Wybrane zagadnienia obliczania i projektowania".
PWN, Warszawa 2001.
[15] Żmuda J.: "Podstawy projektowania konstrukcji metalowych". Wydawnictwo TiT Opole 1992.
Wybrane normy
[16] PN-90/B-03200 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
[17] PN-98/B-03215 Konstrucje stalowe. Połączenia z fundamentami. Obliczenia statyczne
i projektowanie.
[18] PN-B-06200 2002 Konstrukcje stalowe budowlane. Wymagania i badania techniczne przy
odbiorze.
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 2
Stal jako materiał budowlany
Konstrukcja metalowa (w budownictwie) - obiekt budowlany, w którym głównymi ustrojami
nośnymi przekazującymi obciążenia na fundament lub konstrukcję wsporczą są proste wyroby
lub ich zespoły ze stali lub aluminium.
Rodzaje konstrukcji metalowych stosowane w budownictwie:
" Konstrukcje prętowe: konstrukcją nośną jest szkielet prętowy uformowany jako ustrój
kratownicowy, ramowy lub łukowy; występują:
- w budynkach przemysłowych parterowych (halach) jako jedno lub wielonawowe ramy
pełnościenne, kratowe lub mieszane,
- w budynkach użyteczności publicznej, magazynach, halach wystawowych i dworcowych,
hangarach, salach kinowych jako układy kratownicowe ram o dużych rozpiętościach,
- w budynkach wysokich jako ramy wielokondygnacyjne i wielotraktowe,
- mosty drogowe i kolejowe, kładki dla pieszych jako ustroje belkowe, kratownicowe lub łukowe
- estakady, maszty i wieże, słupy elektryczne jako ustroje kratownicowe.
Rys.1 Przekrój poprzeczny wielonawowej hali z ryglami kratowymi [3]
Rys. 2 Przekrój poprzeczny wielonawowej hali o konstrukcji ramowej [11]
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 3
Rys. 3 Dz
wigar kratowy jako belkowy ustrój nośny hali o dużej rozpiętości [3]
Rys. 4 Schemat konstrukcji nośnej w postaci łuku ze ściągiem [3]
Rys. 5 Konstrukcja nośna hangaru lotniskowego [3]
Rys. 6 Przykład przekrycia cięgnowego [11]
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 4
Rys. 7 Schemat kopuły Schwedlera
Rys. 8 Wybrane schematy szkieletów budynków wysokich [11]
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 5
Rys. 9 Schematy konstrukcyjne mostów [Structural Engineering Handbook, CRC Press 1999]
a-kratowy, b- podwieszony, c-Å‚ukowy, d-wiszÄ…cy
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 6
Rys.10 Maszt kratowy [11]
Rys.11 SÅ‚upy linii energetycznych [11]
Rys. 12 Wieża kratowa [3]
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 7
" Konstrukcje prętowo-cięgnowe: w których znajdują zastosowanie cięgna w postaci drutów,
lin i łańcuchów; występują głównie w przekryciach o dużych rozpiętościach i mostach.
" Konstrukcje powierzchniowe: zasadniczą konstrukcją nośną są ustroje złożone z płyt i powłok;
występują w zbiornikach na ciecze i gazy, kominach, silosach, zasobnikach i rurociągach
d)
Rys. 13 Wybrane zbiorniki na płyny [3,11]
Rys. 14 Rodzaje konstrukcji kominów stalowych [11]
Wszystkie przedstawione na rysunkach rozwiÄ…zania stanowiÄ… tylko wybrane formy i rozwiÄ…zania
konstrukcyjne ustrojów stosowanych w budynkach i budowlach metalowych.
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 8
Przykład konstrukcyjny - Wieża Eiffla
Wieżę zbudowano w 1889 roku na potrzeby Wystawy Światowej. Autorem ostatecznego projektu
i wykonawcą wieży był Gustaw Eiffel, inżynier i przedsiębiorca francuski.
99.5
123.4
Rys. 15 Widok ogólny wieży
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
316.3
284.2
58.8
53.6
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________ 9
Masa konstrukcji wieży przekracza 8000t, a masa całkowita wieży 10000t. Potężna żelazna wieża
jest mimo wszystko konstrukcją "stosunkowo" lekką, Kształt wieży dostosowany jest do rozkładu
sił wewnętrznych, pochodzących głównie od obciążeń pionowych ciężarem własnym i obciążeń
poziomych wywołanych parciem wiatru. Profil tego kształtu zbliżony jest do paraboli. Wieża wspiera
się na czterech pochyłych pylonach kratowych o całkowitym sumarycznym przekroju porzecznym
ok 0,5m2 każdy.
Analiza konstrukcyjna wieży
Przybliżony zastępczy model wieży pokazano na rysunku 2.
Szacunkowe zestawienie obciążeń wieży
" Obciążenia pionowe
- ciężar segmentu nr 1 G1 = 46000kN
- ciężar segmentu nr 2 G2 = 23000kN
- ciężar segmentu nr 3 G3 = 9800kN
- ciężar segmentu nr 4 G4 = 4900kN
Ciężar całkowity konstrukcji G = 46000 + 23000 + 9800 + 4900 = 83700kN (ok. 8500t)
Obciążenia użytkowe pomostów (3 kN/m2)
- pomost na poziomie +53.6m (szer. 32.1m) P1 = 3Å"32.12 = 3100kN
- pomost na poziomie +112.4m (szer. 63.9m) P2 = 3Å"63.92 = 12250kN
Razem obciążenia użytkowe P = P1 + P2 = 3100 + 12250 = 15350kN
Wypadkowe sumaryczne obciążenie pionowe Q = G + P = 83700 + 15350 = 99050kN
" Obciążenie poziome
Obciążeniem poziomym jest działanie wiatru. Wieża Eiffla została zaprojektowana dla
obciążeń wiatrem występujących na obszarze Francji. Dla porównania można jednak
przeprowadzić symulację obciążenia wg normy polskiej przy założeniach dających
wielkość wypadkowego parcia o zbliżonej wartości. Obciążenie charakterystyczne
wiatrem można przyjąć jak dla dla przestrzennego ustroju kratowego o przekroju
kwadratowym wg wzoru (PN-77/B-02011):
W = qkÅ"CeÅ"CxÅ"FÅ"²
w którym
Ciśnienie prędkości wiatru qk = 350Pa
Współczynnik dziaÅ‚ania porywów wiatru ² = 1.8
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________10
9.6
19.2
32.1
14.8
29.0
63.9
74.9
95.7
116.4
Rys. 16 Model obliczeniowy wieży
Współczynniki ekspozycji Ce (zależne od wysokości środka segmentu ponad powierzchnią
przyjęte dla terenu typu A)
z1 = 26.8m Ce1 = 0.9 + 0.015Å"26.8 Ce1 = 1.302
z2 = 83m Ce2 = 1.23 + 0.0067Å"83 Ce2 = 1.786
z3 = 144m Ce3 = 1.5 + 0.004Å"144 Ce3 = 2.076
z4 = 229.9m Ce4 = 1.5 + 0.004Å"229.9 Ce4 = 2.42
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
4
w
108.5
Segment 4
3
w
63.4
284.2
229.9
2
w
58.8
144.0
83.0
1
w
53.6
35.9
Segment 1
Segment 2
Segment 3
26.8
2
6
.
1
°
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________11
Współczynnik aerodynamiczny Cx (zależny od kształtu konstrukcji założono współczynnik
wypeÅ‚nienia Õ tj. stosunek powierzchni przekroju rzutu elementów do powierzchni obrysu
zewnętrznego)
dla Õ = 0.6 Cx = 3.7 - 2.33Å"Õ - 0.4 Cx = 1.902 lecz Cx e" 1.8
Powierzchnia rzutów elementów konstrukcyjnych F na płaszczyznę prostopadłą do
kierunku działania wiatru może być obliczona na podstawie powierzchni obrysu (rys 2)
oraz założonego współczynnika wypełnienia. Powierzchnie obrysu Si segmentów oraz
odpowiadające im powierzchnie rzutu elementów Fi :
S1 = 1560Å"m2 F1 = ÕÅ"S1 F1 = 936 m2
S2 = 1625Å"m2 F2 = ÕÅ"S2 F2 = 975 m2
S3 = 2000Å"m2 F3 = ÕÅ"S3 F3 = 1200 m2
S4 = 2750Å"m2 F4 = ÕÅ"S4 F4 = 1650 m2
Wypadkowe siły przypadające na poszczególne segmenty
W1 = qkÅ"Ce1Å"CxÅ"F1Å"² W1 = 1460.286kN
W2 = qkÅ"Ce2Å"CxÅ"F2Å"² W2 = 2086.707kN
W3 = qkÅ"Ce3Å"CxÅ"F3Å"² W3 = 2985.105kN
W4 = qkÅ"Ce4Å"CxÅ"F4Å"² W4 = 4783.861kN
Razem obciążenie poziome
W = W1 + W2 + W3 + W4 W = 11315.959 kN
Wypadkowy moment zginający u podstawy wieży
M = W1Å"z1 + W2Å"z2 + W3Å"z3 + W4Å"z4 M = 1741997.218 kNÅ"m
Obliczenia reakcji podpór i wytężenia konstrukcji
Reakcje podpór oblicza się dla modelu płaskiego konstrukcji. Wartości sił RHg, RVg,
RHw, RVw, Ng oraz Nw odnoszą się do pary słupów. Schemat działania sił przedstawiono
na rysunku 17.
Reakcje w podporach wywołane obciążeniami pionowymi
- pionowe RVg = 0.5Å"Q RVg = 49525 kN
- poziome RHg = 0.5Å"QÅ"tan(26.1Å"°) RHg = 24262.047 kN
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
 Konstrukcje metalowe
______________________________________________________________________________________________12
M
a) Q b)
W
Ng Ng Ng Nw Nw
RHg RVg RHg RHw RHw
RVw
RVg RVg RVw RVw
RHg
RHw
Rys. 17 Reakcje podpór oraz siły w słupach podporowych
a) obciążenia pionowe b) obciążenie wiatrem
Siła osiowa w słupach podporowych
Ng = RVgÅ"cos(26.1Å"°) + RHgÅ"sin(26.1Å"°) Ng = 55148.641 kN
Reakcje w podporach wywołane działaniem wiatru
- poziome RHw = 0.5Å"W RHw = 5657.98 kN
M
- pionowe RVw = RVw = 18202.688 kN
95.7m
Siła osiowa w słupach podporowych (ściskanie lub rozciąganie)
Nw = RVwÅ"cos(26.1Å"°) + RHwÅ"sin(26.1Å"°) Nw = 18835.682 kN
Wypadkowe siły osiowe w słupach
- strona nawietrzna Nc = Ng - Nw Nc = 36312.958 kN
- strona zawietrzna Nc = Ng + Nw Nc = 73984.323 kN
Maksymalne średnie naprężenia w dwóch słupach o przekroju A = 0.5m2
Nc
à = à = 73.984 MPa
2A
Naprężenie dopuszczalne dla zastosowanego materiaÅ‚u Ãdop = 300MPa
Ãdop
Szacunkowy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcji ł = ł = 4.055
Ã
Należy zwrócić uwagę, iż obecnie stosujemy metodę stanów granicznych i używane są
oddzielnie współczynniki obciążeń i oddzielnie materiałowe. Podany wyżej współczynnik
bezpieczeństwa można z dużym przybliżeniem porównać z iloczynem obecnych
współczynników łf , łm (obciążeń i materiałowy) oraz współczynnika niestateczności
Õ
globalnej (wyboczenie).
______________________________________________________________________________________________
2005-02-27 Politechnika Częstochowska Katedra Mechaniki Technicznej Dr inż.S.Labocha
2
°
6
1
.
.
1
6
°
2


Wyszukiwarka