Ogólna charakterystyka konstrukcji stalowych.
Konstrukcje stalowe są to na ogół połączone ze sobą płaskie lub przestrzenne elementy nośne obiektu budowlanego, wykonane ze stali, których głównym zadaniem jest przenoszenie wszystkich obciążeń oraz wpływów zewnętrznych i eksploatacyjnych działających na obiekt, a także zapewnieniu mu bezpieczeństwa i nie zawodności w określonym czasie użytkowania.
Elementy konstrukcji stalowych są to części wchodzące w skład nośnej konstrukcji budowlanej, z których każda stanowi odrębną i jednolita całość, spełniającą konkretna funkcje statyczną i wytrzymałościowa w całej konstrukcji. W k.s. występuje przede wszystkim elementy prętowe, powierzchniowe oraz cięgna. Do prętów prostych zalicz się: belki, słupy, elementy kratownic i ram a także płatwie i ściągi. Najpopularniejszymi prętami zakrzywionymi są łuki. Cięgna natomiast stanowią odrębną grupę elementów konstrukcyjnych. Są to elementy liniowe, ale wiotkie i o bardzo dużej długości. Wykonuje się je z lin drutów i splotów. Elementy powierzchniowe charakteryzują się tym że ich dwa wymiary są znacznie większe od grubości.
Zespołem elementów nazywa się na ogół kilka elementów prętowych połączonych w wytwórni bądź na placu budowy w celu ułatwienia montażu lub umożliwienia transportu. Powszechnie stosowanymi zespołami elementów są tzw. piramidki struktur prętowych, z których składa się przestrzenne kratownice przekryc dachowych.
Układem konstrukcyjnym nazywa się elementy połączone ze sobą w sposób zapewniający stateczność oraz umożliwiający ich wzajemna współprace w przenoszeniu obciążeń i oddziaływań. Układy konstrukcyjne można tworzyć dzięki połączeniom (spawane, śrubowe), które umożliwiają wykonanie nie tylko pojedynczych elementów konstrukcyjnych, ale także węzłów, kratownic i ram, obudowy ścian, dachów. W zależności od miejsca wykonania i przeznaczenia rozróżnia się połączenia warsztatowe (głównie spawane) i połączenia montażowe ( śrubowe).
Rys historyczny
Jedną z pierwszych konstrukcji inżynierskich na świecie zbudowaną całkowicie z metalu jest łukowy most żeliwny o rozpiętości 30,5 m wykonany w Koalbrookdale w Walli w 1979 roku, natomiast w Polsce na Dolnym Śląsku w okolicach Strzegomia był wybudowany w 1996 roku pierwszy w Europie most żeliwny o łukowych przęsłach długości 15 m. Rozwój hutnictwa i zastosowanie w połowie XIX wieku walcowanych belek dwuteowych wyparły żeliwo z konstrukcji budowlanych. Użycie stali umożliwiło budowę mostów i przekryć dachowych o dużych rozpiętościach.
Z pośród sławnych budowli stalowych XIX wieku warto wymienić:
Pałac Kryształowy (1851 r. w Londynie)
Most przez Wisłę w Warszawie zbudowany w latach 1858-1864
Wieżę Eiffa w Paryżu o wysokości 300,5 m - rok 1889
Podstawowe cechy konstrukcji stalowych
Wyróżniamy dwa czynniki umożliwiające jednakowe traktowanie wszystkich odmian konstrukcji stalowych:
Podstawowym materiałem są wyroby hutnicze produkowane wg. ujednoliconych norm (blachy, rury itp.)
Wszystkie konstrukcje i ich elementy podlegają jednakowym procesom technologicznym przygotowania a następnie łącznie drobnych części w elementy, zespoły i całe konstrukcje.
Do zalet konstrukcji stalowych można zaliczyć:
Wytrzymałość, trwałość i niezawodność w czasie użytkowania
Możliwość całkowitego uprzemysłowienia produkcji
Dużą szybkość wykonania i montażu
Możliwość montażu i demontażu w każdych warunkach atmosferycznych
Łatwość napraw, wzmocnień i przebudowy
Możliwość odzyskania materiału po rozebraniu konstrukcji
Wady konstrukcji stalowych wynikają głównie z niekorzystnych cech stali. Zalicza się do nich:
Dużą odkształcalność w podwyższonej lub wysokiej temperaturze
Małą odporność na działanie korozji
Zastosowanie konstrukcji stalowych w budownictwie
K.s stosuje się prawie we wszystkich rodzajach i dziedzinach budownictwa: w budownictwie przemysłowym, komunikacyjnym, mieszkaniowym, rolniczym, użyteczności publicznej, a także w konstrukcjach inżynierskich. Ważniejsze rodzaje konstrukcji stalowych to:
Hale produkcyjne i magazynowe, sportowo-widowiskowe
Szkielety budynków wielokondygnacyjnych
Pawilony handlowo-usługowe
Mosty i kładki
Zbiorniki silosy
Kominy przemysłowe
Maszty i wieże radiowe oraz TV
Wieże wydobywcze i przeładunkowe
Zamknięcia wody
K.s są stosowane ponad to do budowy obiektów rozbieralnych i przenośnych.
Ochrona konstrukcji przed korozją i ogniem
Przyczyną korozji są reakcje chemiczne lub elektrochemiczne zachodzące między metalami a działającymi na nie substancjami agresywnymi.
Zapobieganie korozji polega nie tylko na stosowaniu odpowiednich środków ochrony lecz również na racjonalnym doborze właściwych materiałów konstrukcyjnych i połączeń oraz na poprawnym ukształtowaniu konstrukcji, dzięki czemu powinno być możliwe łatwe wykonanie powłok ochronnych. Do nowoczesnych sposobów walki z korozją atmosferyczną zalicza się stosowanie stali trudnordzewiejącej co umożliwia użytkowanie konstrukcji bez żadnych powłok antykorozyjnych. Podobne wyniki uzyskuje się dzięki zastosowaniu konstrukcji aluminiowych.
Zapobieganie korozji polega na ogół na pokrywaniu powierzchni stali ochronnymi powłokami malarskimi lub metalizacyjnymi (cynkowe i aluminiowe), po uprzednim oczyszczeniu i przygotowaniu powierzchni.
Również ważna jest ochrona przed ogniem, ponieważ właściwości mechaniczne metali zmieniają się wraz ze wzrostem temperatury, co prowadzi do nadmiernych odkształceń i zagrożenia bezpieczeństwa. Ochrona konstrukcji metalowych przed ogniem polega na stosowaniu powierzchniowych izolacji ogniochronnych w połączeniu z instalacjami automatycznych spryskiwaczy wykrywaczy pożaru, ekranów i klap dymnych.
Jako powierzchniowe izolacje ogniochronne stosuje się:
Powłoki z farb pęczniejących pod wpływem wzrostu temperatury
Izolacje natryskowe z włókien mineralnych
Otynkowanie lub obetonowanie (z użyciem siatek tynkarskich)
Obudowie płytami z materiałów niepalnych
Obmurowanie cegłą itp.
Sufity podwieszane.
Budynki wielokondygnacyjne
Budynki wielokondygnacyjne maja więcej niż dwie kondygnacje nadziemne. Rozróżnia się budynki:
Niskie - do 12m (4 kond.)
Średnio wysokie - 12-25 m (9 kond)
Wysokie - 25-55 m
Wysokościowe - powyżej 55 m
Wielokondygnacyjne budynki o konstrukcji szkieletowej ze stali mają różne rozwiązania statyczno-konstrukcyjne; można wyróżnić układy:
Przegubowy z tężnikami (tarczami) pionowymi w postaci ścian
Ram płaskich o węzłach sztywnych
Ram płaskich z tężnikami w płaszczyźnie ramy
Przegubowy z płaskimi tężnikami kratowymi
Przegubowy z trzonem żelbetowym bądź stalowym
Powłokowym (powierzchniowym)
Istotą każdego układu konstrukcyjnego jest zapewnienie nośności i stateczności przy wszystkich możliwych obciążeniach występujących w czasie budowy i eksploatacji. Ze względu na obciążenia poziome od wiatru i od ewentualnych oddziaływań sejsmicznych bądź para sejsmicznych konieczne jest na ogół stosowanie układów (systemów) stężających w postaci płaskich lub przestrzennych tężników kratowych, ścian i trzonów żelbetowych oraz sztywnych poziomych tarcz stropowych przejmujących poziome obciążenia za ścian zewnętrznych i rozdzielających je na układy stężeń pionowych. Układy powierzchniowe stosowane w najwyższych budynkach świata mają jedno- lub dwupowłokowe o innym rozwiązaniu konstrukcyjnym.
W budynkach wielokondygnacyjnych o konstrukcji stalowej można stosować stropy z belkami stalowymi lub płyty stalowe.
W stropach np. z płytami prefabrykowanymi konieczne jest sztywne połączenie żeber stropu z podciągami albo zastosowanie tężników poziomych. W celu osłonięcia konstrukcji stropu oraz przewodów instalacyjnych stosuje się często lekkie sufity podwieszone. Zewnętrzne ściany nośne są konstruowane z płyt warstwowych lub innych elementów lekkiej obudowy, spełniają one najczęściej funkcje przegrody osłonowej i są opierane na odpowiednich elementach szkieletu a wiec obciążają szkielety.
Wewnętrzne ściany działowe projektuje się jako lekkie, zapewniające izolacyjność akustyczną i odporność ogniową. Tężniki pionowe w szkieletach przegubowych służą do zapewnienie sztywności i stateczności całej konstrukcji na działanie wiatru.