1_KOBIELAK.pdf

Sylwester

KOBIELAK *

PRZEKRYCIA STALOWE DUśYCH ROZPIĘTOŚCI

1. Wstęp

Projektowanie ustrojów konstrukcyjnych duŜych rozpiętości, to jest takich które

przekrywają duŜe wolne od podpór przestrzenie, zwane w niniejszej pracy przekryciami

duŜej rozpiętości, poddane są niezwykłym wezwaniom. Przekrycia te najczęściej znajdują

zastosowanie w obiektach sportowych (stadiony, hale sportowe, baseny pływackie oraz tory

łyŜwiarskie i kolarskie), obiektach uŜyteczności publicznej (pawilony targowe, hale

kongresowe/zjazdowe oraz sale audytoryjne i teatralne) i w obiektach przemysłowych

(hangarach, terminalach lotniczych, stacjach kolejowych i metra oraz magazynach),

[128],[129]. Zagadnienie projektowania przekryć duŜej rozpiętości spotyka się z rosnącymi

Ŝądaniami adresowanymi do projektantów, konstruktorów i wykonawców tych konstrukcji.

W szczególności inŜynierom stawiane są wezwania odnośnie do moŜliwości przekrywania

coraz większych rozpiętości, a równocześnie aby projektowane konstrukcje były lŜejsze

m.in. poprzez zastosowanie materiałów o mniejszej wadze, przy zachowaniu stateczności

[172] i uczynienia ich zdolnymi do przejęcia działań wpływów środowiskowych takich

obciąŜenie wiatrem i śniegiem [180]. ObciąŜenie wiatrem jest krytyczne w szczególności w

projektowaniu konstrukcji przekryć stadionów, którego rozkłady parcia zmieniają się bardzo

zarówno w czasie jak w przestrzeni. Tematyka konstrukcji duŜych rozpiętości stanowi

przedmiot licznych konferencji naukowych: m.in. ubiegłym roku. odbyły się trzy

* Prof. dr hab. inŜ., Instytut Budownictwa, Wydział InŜynierii Kształtowania Środowiska i

Geodezji, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

konferencje: Structural Engineers World Congress SEWC’2011 w Villa Erba we Włoszech

oraz Structures Congress w Las Vegas 2011 oraz w Londynie (20-23 sierpnia 2011) 35

Sympozjum IABSE_IASS pt. „Taller, Longer, Lighter”.

Udział obciąŜenia cięŜarem własnym jest dominujący w projektowaniu konstrukcji

przekryć duŜych rozpiętości i z tego względu parametr ten istotnie wpływa na kształtowanie

konstrukcyjne i architektoniczne obiektu. Obiekt budowlany powinien spełniać m.in.

kryteria efektywności , ekonomiczności i estetyki. Jako efektywną traktuje się konstrukcję

poprawną – zaprojektowaną zgodnie z aktualnym stanem wiedzy i obowiązującymi

zasadami, oryginalną, często innowacyjną. Obiekt zaprojektowany ekonomicznie to taki,

który spełnia wymagania funkcjonalno-konstrukcyjne przy minimalnych kosztach

angaŜowanych na jego wykonanie, a następnie eksploatację. Ocena estetyki obiektu

budowlanego jest problemem skomplikowanym, gdyŜ na odbiór walorów estetycznych

obiektu wpływa wiele czynników takich jak sposób wkomponowania obiektu w tkankę

miejską bądź krajobraz, a takŜe skala obiektu i jego proporcje. Uzyskanie rozwiązania

spełniającego wszystkie kryteria jest trudne [220].

W ubiegłych kilku dziesięcioleciach w całym świecie zaprojektowano i zbudowano

wiele interesujących rozwiązań przekryć duŜych rozpiętości.. W niniejszym opracowaniu

dokonano przeglądu tych przekryć podając zwięzłą ich charakterystykę w odniesieniu do

następujących rodzajów obiektów: 1. trybun stadionów, 2. hal widowiskowo-sportowych 3.

hal wystawowych/zgromadzeń i uŜyteczności publicznej, 4. terminali lotniczych, 5.

hangarów lotniczych oraz 6. stacji kolejowych i metra.

2. Przekrycia trybun stadionów

2.1. Rodzaje konstrukcji nośnych przekryć trybun stadionów

Stadiony obecnie projektowane mają zapewniać bezprecedensowe standardy

bezpieczeństwa oraz wygodę i efektywność uŜytkowania [42]. Ponadto zamierzeniem

projektantów jest by konstrukcja stadionów znacznie lepiej się prezentowała od ich

poprzedniczek z 20 wieku. Pomimo duŜej liczby wybudowanych dotąd stadionów, ich

przekrycia moŜna podzielić na następujące osiem układów konstrukcyjnych [30]: a)

słupowo-belkowy, b) wspornikowy, c) z głównym elementem w postaci ramy lub łuku, d)

powłokowy, e) pierścieniowo-linowy, f) masztowo-cięgnowy, g) przestrzenno-ramowy oraz

h) z rozsuwanym w całości lub w części przekryciem.. MoŜe być równieŜ tak, Ŝe jeden

rodzaj przekrycia składa się z więcej elementów niŜ występujących w tylko jednym

układzie.

|c)

Rys. 2.1. Trzy najczęściej stosowane układy konstrukcyjne przekryć trybun widowni [71]:

a) słupowo-belkowy, b) wspornikowy, c) w kształcie bramki, ramowy lub łukowy

Układ słupowo-belkowy jest najprostszym i prawdopodobnie najstarszym rozwiązaniem

konstrukcji przekrycia trybun. Składa się ono z belki lub kratownicy ustawionej w kierunku

prostopadłym do linii boiska podpartej dwoma słupami; jeden z nich umieszczony jest na

tylnej zewnętrznej krawędzi trybun, drugi zaś na krawędzi przy boisku, albo w pośredniej

części (szerokości) trybun. Do przekrycia trybun na ogół stosuje się kilka tego rodzaju

równolegle rozmieszczonych układów, na których opierają się płatwie ułoŜone w kierunku

prostopadłym do nich.

Układ wspornikowy (rys. 2.1b) jest standardowym rozwiązaniem z uwagi na niezakłóconą

widoczność. Teoretycznie nie ma granicy odnośnie do wymiaru wspornika, jakkolwiek

zazwyczaj stosowany wysięg to 38 m ÷ 48m [199]. Układy wspornikowe w zaleŜności od

warunków między konstrukcją Ŝelbetową trybun i przekryciem moŜna podzielić na dwa

rodzaje [52]: a) z konstrukcją przekrycia oddzieloną od trybun (rys. 2.2a) o długości

wysięgu 30 m oraz b) z przekryciem opartym na konstrukcji trybun (rys. 2.2b) w dwóch

punktach w odległości nie mniejszej niŜ 0,2 ÷ 0,3 L dzięki czemu moŜna stosować wysięg

rzędu od 30 m do 50 m. Siły przeciwnych znaków spowodowane przez parcie wiatru od

dołu wymagają uwagi. Ponadto odciągi zewnętrzne znajdujące się na tyle przekrycia,

zazwyczaj traktowane jako rozciągane, przy podnoszeniu w górę przekrycia pod działaniem

wiatru będą powodować ściskanie odciągów.

a) b)

Rys. 2. 2. Rodzaje konstrukcji wspornikowych [52]:

a) z przekrycie oddzielonym od trybun, b) z przekryciem wspartym na konstrukcji trybun

Układ ramowy w kształcie bramki (goal post, rys. 2.3a) lub łukowy (rys. 2.3a i b)

usytuowany jest wzdłuŜ trybun. Układ ramowy składa się ze słupów umieszczonych na

końcach przekrycia trybun z opartym na nich jednoprzęsłowym pojedynczym dźwigarem.

Tą samą funkcję co rama jako element nośny główny pełni łuk. Zarówno rama jak i łuk

mogą się znajdować na brzegu trybun (od strony boiska) lub w pośrodku nich. Elementy te

mogą podpierać elementy drugorzędne (na ogół prostopadle zorientowane) od dołu,

wzajemnie się przenikać albo główne elementy nośne mogą być wyniesione ponad

płaszczyznę pokrycia i wówczas elementy drugorzędne są podwieszone do tych pierwszych.

Układ bramkowy pracuje najlepiej jeŜeli dźwigar nośny nie jest dłuŜszy niŜ odległość

między punktami naroŜnymi boiska, wiąŜe się to z tym, Ŝe nie moŜe być lub w

ograniczonym zakresie trybun dla widzów w częściach naroŜnikowych stadionu.

Rozwiązanie tego problemu moŜna uzyskać poprzez zastosowanie w kaŜdym z naroŜy

stadionu masztów z wysięgnikami podwieszonych linami, które przejmują oddziaływania

dźwigarów podłuŜnych i poprzecznych. Dźwigary łukowe nie sprawiają wymienionego

problemu, z uwagi moŜliwość przekrycia nimi znacznie większych wymiarów widowni).

Wysokość głównego dźwigara nośnego zaleŜy od jego rozpiętości i na ogół przyjmuje się

ekonomiczną wysokość jako równą 1/12 rozpiętości. W przekroju dźwigary ram mogą być

elementami płaskimi, trójkątnymi albo czworokątnymi, łuki zaś są na ogół o przekroju

trójkątnym lub czworobocznym.

Rys. 2.3. Elementy nośne przekryć ramowych i łukowych: a) układ ramowy,

b) rzut poziomy przekrycia stadionu w Hong Kongu dwoma łukami o przekroju

kwadratowym z pasami z rur ø 406 mm, t= 20 mm o boku 3,5 m , rozpiętości 240 m

i wysokości w koronie 55 m, pokrytego półprzezroczystą tkaniną na trójkątnych

kratownicach z pasami z rur ø273 mm o wys. 3,5 m i szer. 2,5 m wg projektu Hellmuth,

Obata & Kassabaum, Inc., Sports Facilities Group (architektura) i Ove Arup & Partners

(konstrukcja) oraz c) przekrój poprzeczny trybun i przekrycia [14]

Układ powłokowy. Przekrycie powłokowe to konstrukcje zakrzywione pracujące

przestrzennie zdolne przenieść obciąŜenia w więcej niŜ dwóch kierunkach na podpory, a

nośność ich uzyskuje przede wszystkim przez właściwy kształt geometryczny. Na rys. 2.4

przedstawiono cztery przykłady przekryć o konstrukcji powłokowej. Dwa z nich są

„czystymi” przekryciami powłokowymi a mianowicie przekrycie stadionu AAMI Park w

Melbourne (rys. 2.4 a) i Centrum Sportu w Shenzhen (rys. 2.4c).

Przekrycie stadionu AAMI Park (rys. 2.4a) jest powłoką jednowarstwową,

odwzorowującą kopułę geodetyczną Buckminstera Fullera [28]. Praca jej łączy działanie

łuku i wspornika. Przekrycie stadionu w Melbourne składa się z elementów o kształcie

trójkątnym wykonanych ze sztywno połączonych rur ø 273 mm. KaŜda powłoka jest

ograniczona na krawędziach i od czoła rurami ø 508 mm, z tyłu zaś rurami ø 457 mm.

Konstrukcja przekrycia podpiera równieŜ cztery wieŜe oświetleniowe umieszczone w

naroŜnikach stadionu [28].

Przekrycie w Shenzhen o długości całkowitej 520 m i szerokości od 130 m do 240 m

obejmuje stadion, arenę i basen pływacki. Powłoka ta wykonana jest przekrojów

skrzynkowych 700 × 300 mm. W obszarze otwartego placu ze olbrzymimi słupami

gałęziowymi, przekrój stalowych skrzynek zmniejszono do 400 × 300 mm.

Z kolei przekrycia stadionów w Manaus (rys.2.4b) i Pekinie (rys.2.4d) łączą elementy

przekrycia o konstrukcji wspornikowej i powłokowej. Konstrukcja przekrycia stadionu w

Manaus składa się z dwóch podstawowych elementów składowych o przekroju

skrzynkowym: wspornikowych diagonalnie rozmieszczonych dźwigarów o przekroju

zbieŜnym i podpierających ram X w elewacji bocznej. Główny układ konstrukcyjny

stadionu w Pekinie tworzą 24 słupy i 48 dźwigarów, przy czym kaŜdy dźwigar łączy dwa

słupy i jest poprowadzony stycznie do centralnego otworu przekrycia.

Rys. 2.4. Powłokowe przekrycia stadionów: a) stadionu AAMI Park w Melbourne 20

powłokami geodetycznymi [15],[255] b) Areny da Amazonia w Manaus, Brazylia [292],

c) Centrum Sportu (Bay Sports Center) w Shenzhen, Chiny [208] d) Stadionu Narodowy

Bird Nest w Pekinie o wymiarach 333 m × 298 m [120]

Układ pierścieniowo-linowy, którego konstrukcja ma zazwyczaj postać poziomego koła

bądź owalu. W większości pierścieniowo-linowych konstrukcji przekryć stosowane są dwa

podstawowe rodzaje układów pierścieni i lin (szprych) górnych i dolnych ułoŜonych w

kierunku radialnym: pierwszy składający się z dwóch ściskanych pierścieni zewnętrznych i

jednego rozciąganego pierścienia wewnętrznego (rys. 2.5a), drugi zaś składa się ściskanego

pierścienia i dwóch rozciąganych pierścieni wewnętrznych połączonych ściskanymi

słupkami (rys. 2.5b) [79]. Liny górne i dolne połączone linowymi wieszakami nazywają się

kratownicami linowymi. Słupy podpierające stalowe pierścienie zewnętrzne mogą być

proste jak np. w konstrukcji przekrycia stadionu w Stuttgarcie (zob. tab. 3 poz. 1) lub

załamane jak w przypadku Stadionu Olimpijskiego w Kijowie (rys. 2.5d). Dolny i górny

pierścień Stadionu Śląskiego połączone są prętami (słupami) stalowymi, cała zaś

konstrukcja przekrycia spoczywa na 40 Ŝelbetowych słupach, przy czym punkt styku

słupów Ŝelbetowych i stalowych jest punktem załamania [275].

Trybuny stadionu w Doha (Katar) przekryto konstrukcją składającą się z dwóch

półpierścieni zewnętrznego ściskanego (górny + dolny) opartego słupach i wewnętrznego

rozciąganego zamocowanych w dwóch centralnie naprzeciwlegle połoŜonych blokach

fundamentowych (rys. 2.5e).

Pierścienie zewnętrzne mogą tworzyć kratownicę płaską usytuowaną w pionie (np. stadion

w Leverkusen rys. 2.5f) lub pochyloną ( np. stadion w Foshan, zob. tab.1, lp.15). Pierścienie

zewnętrzne mogą teŜ tworzyć kratownicę przestrzenną o przekroju trójkątnym jak w

przypadku Stadionu Olimpijskiego w Rzymie ( rys. 2.5j) lub Stadionu Olimpijskiego

Wembley 2012 (zob, tab. 3). Górny i dolny pierścień zewnętrzny mocujące odpowiednio

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: