Elementy hali stalowej – charakterystyka

Hale stalowe są jednymi z najbardziej popularnych obiektów budownictwa przemysłowego. Z tego też powodu elementy konstrukcyjne hali stalowej są bardzo dobrze poznane i opisane w wielu źródłach literaturowych, co pozwala na optymalne wykorzystanie ich nośności.

Elementy hali stalowej można podzielić, dość umownie, na dwie grupy pod względem roli jaką pełnią w konstrukcji:

• konstrukcja pierwszorzędowa (słupy i rygle główne),
• konstrukcja drugorzędowa (płatwie, stężenia, słupy ściany szczytowej, konstrukcja ryglowa).

Elementy konstrukcyjne hali stalowej

Konstrukcja nośna hali stalowej to w większości przypadków ramowy, płaski układ konstrukcyjny. Hala powstaje poprzez kilkukrotne powielenie wspomnianej ramy względem jej osi podłużnej. Każda rama składa się ze słupów głównych, które podpierają główne dźwigary dachowe. Hale mogą być jedno lub wielokondygnacyjne, jednonawowe lub składać się z kilku naw co oczywiście wpływa na ilość słupów i rygli.

Słupy

Słupy są przegubowo połączone z fundamentem, a dokładniej mówiąc oparte przegubowo na stopach fundamentowych przy użyciu kotew stalowych. Sztywność ramy zapewniona jest przez zaprojektowanie sztywnego jej naroża (miejsce połączenia między ryglem a słupem). Powoduje to, iż układ ramowy jest stateczny (stabilny) w swojej płaszczyźnie. Przystępując do doboru profili słupów stalowych mamy do wyboru kilka rodzajów rozwiązań. Elementy te można wykonać z profili gorącowalcowanych (IPE, HEB, HEA) lub spawanych blachownic. Oba rozwiązania mają swoje wady i zalety. Atutem pierwszego podejścia jest fakt, iż elementy te zakupuje się jako gotowe produkty, ale wykorzystanie stali jest mniej efektywne. Stosując blachownice (o stałym lub zmiennym przekroju) trzeba liczyć się z kosztami wynikającymi z czasu i pracochłonności ich wykonania. Natomiast w zamian otrzymuje się element niemal optymalny pod kątem efektywności wykorzystania stali. Słupy konstrukcji głównej racjonalnie jest projektować ze stali S355.

Rygle

Podstawowym i zarazem oczywistym zadaniem dźwigarów dachowych jest podtrzymywanie warstw dachowych oraz przenoszenie obciążeń od wiatru, śniegu oraz obciążeń technologicznych. Możemy je podzielić na dwa typy. Pierwszy rodzaj to rygle pełnościenne, czyli belkowe elementy hali wykonane z profili walcowanych na gorąco (IPE, HEB, HEA) albo z elementów spawanych tzw. blachownica. Stosuje się stal S355. Jej koszt jest około 10-15% wyższy niż stali S235, natomiast zyski na nośności mogą sięgać 30-40%. Blachownice mogą być projektowane jako belki o stałej wysokości przekroju lub też o zmiennej wysokości (tzw. belki o zbieżnym środniku). O wyborze między belką walcowaną a blachownicą decyduje jej rozpiętość oraz przyjęte obciążenia.

Dla typowej stalowej hali o rozstawie słupów rzędu 12-16 m odpowiednim rozwiązaniem będzie rygiel z profilu walcowanego na gorąca. Natomiast jeżeli dach jest silnie obciążony, a dodatkowo jego rozpiętość przekracza wartość 16-18 m, wtedy projektant powinien rozważyć zastosowanie przekroju spawanego. Ustrój ten, za sprawą dowolnie kształtowanej geometrii (wysokość belki, grubość i szerokość pasów), może przenosić bardzo duże siły wewnętrzne występujące w ramie. Oczywiście trzeba zdawać sobie sprawę, iż blachownicowe belki stalowe muszą zostać indywidualnie wykonane w wytwórni, co powoduje, iż ich produkcja jest dłuższa i bardziej kosztowna. Stosując profile gorącowalcowane uproszczenie polega na tym, iż wymagają one jedynie docięcia długości oraz owiercenia.

Dźwigary kratownicowe

Drugim typem ustroju nośnego są dźwigary kratownicowe. Elementy te znajdą zastosowanie w halach o rozstawie słupów przekraczającym 20-24 m. Jest to umowna rozpiętość, powyżej której stosowanie kratownicy jest rozwiązaniem lżejszym niż belki pełnościennej. Istotna, z punktu widzenia kubatury oraz samej funkcjonalności hali, jest wysokość kratownicy. Zwykle przyjmuje się ją w przedziale 1/10-1/12 rozpiętości. Zatem dla hali o rozstawie słupów np. 24 m, należy przewidzieć, iż kratownica „zabierze” około 2 m z przestrzeni pod dachem. Jednocześnie tak znacząca wysokość podnosi sztywność konstrukcji oraz zmniejsza ugięcia dachu.

Płatwie dachowe

Płatwie dachowe to kolejny istotny element hali stalowej. Stanowią one podbudowę dla elementów pokrycia dachu (blacha trapezowa, płyty warstwowe). Płatwie mogą być położone na dźwigarach dachowych albo być rozpięte między nimi. Mogą być projektowane jako belki ciągłe, wieloprzęsłowe jak i wolnopodparte. jeżeli rozstaw ram jest mniejszy niż 8 m, wtedy płatew można wykonać z profili gorącowalcowanych IPE lub HEA. jeżeli płatew ma mieć rozpiętość 8-15 m, to wtedy elementy te wykonuje się jako kratownice. Ich kształtowanie jest bardzo zróżnicowane.

Można stosować profile z rur kwadratowych, z rur okrągłych, dwuteowniki (zwykle HEA). Ustrój kratownicowy, przy znacznych rozpiętościach, będzie zawsze lżejszym rozwiązaniem, niż belka walcowana lub spawana. w tej chwili projektuje się elementy hali stalowej w taki sposób, aby zużycie materiału na m² było jak najbardziej ekonomiczne. Zastosowanie płatwi z blach giętych na zimno (zetowniki, ceowniki, sigma) pozwala znacząco zredukować masę konstrukcji. Natomiast jest to rozwiązanie droższe oraz wymagające wykonania większej ilości obliczeń na etapie doboru profilu. Pewnym uproszczeniem i udogodnieniem są kalkulatory lub tablice doboru odpowiedniego przekroju oferowane przez producentów. Stosowana jest stal o granicy plastyczności 355MPa (S355) lub S350 w przypadku profili zimnogiętych.