10 PAŁKOWSKI, WPPK 2012, TOM 3
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Szymon
PAŁKOWSKI
*
PROJEKTOWANIE STALOWYCH KONSTRUKCJI
CIĘGNOWYCH
1. Charakterystyka konstrukcji ciĘgnowych
Konstrukcje cięgnowe, nazywane teŜ często konstrukcjami wiszącymi, naleŜą do bardzo
ekonomicznych i nowoczesnych konstrukcji inŜynierskich. Na okoliczność tę wpływa wiele
specyficznych zalet tych ustrojów, jak np.:
-
duŜa swoboda architekta w kształtowaniu bryły obiektu,
-
moŜliwość uzyskiwania duŜych rozpiętości i powierzchni,
mały cięŜar własny konstrukcji, wynikający z wysokiej wytrzymałości materiału oraz
faktu, Ŝe w przekrojach poprzecznych cięgien (lin) występują tylko napręŜenia rozciągające,
-
stosunkowo tani i prosty montaŜ konstrukcji nie wymagający na ogół skompliko-
wanych rusztowań.
W związku z tymi pozytywnymi cechami konstrukcje cięgnowe są bezkonkurencyjne w
rozwiązaniach o duŜych i bardzo duŜych rozpiętościach i znajdują przede wszystkim
zastosowanie w takich obiektach budowlanych, jak np.:
-
-
hale widowiskowo-sportowe i pawilony wystawowe,
-
mosty wiszące i podwieszone,
-
maszty i kominy z odciągami,
-
wyciągi narciarskie i kolejki linowe,
-
napowietrzne linie energetyczne.
*
Prof. dr hab. inŜ., Politechnika Koszalińska
579
Do konstrukcji cięgnowych o rekordowo duŜej rozpiętości lub powierzchni naleŜą:
-
most wiszący
Akashi Kaikyo
w Japonii o rozpiętości głównego przęsła 1991 m,
-
most podwieszony
Sutong Bridge
w Chinach o rozpiętości głównego przęsła 1088 m,
przekrycie obiektów olimpijskich w Monachium o powierzchni 69 000 m
2
,
-
-
zadaszenie stadionu w USA o średnicy 366 m na 100 tys. widzów,
dach wiszący centrum kulturalnego w Hong Kongu o powierzchni 10 000 m
2
.
Oprócz wielu wymienionych zalet konstrukcje cięgnowe mają takŜe pewne wady.
Podstawową trudnością jaka występuje przy projektowaniu tych konstrukcji jest
przeniesienie sił z cięgien na fundamenty. Prawie zawsze trzeba się tu liczyć z
niekorzystnym obciąŜeniem (wyrywaniem) fundamentów i bloków kotwiących. Ponadto
pewne problemy stwarza samo wykonawstwo; dotyczy to zagadnień związanych z
zakotwieniem cięgien, ustaleniem właściwej (projektowanej) geometrii ustroju i
zrealizowaniem wstępnego spręŜenia ustroju. Pewnego rodzaju niedogodnością są teŜ
większe trudności związane z obliczaniem konstrukcji wiszących w stosunku np. do
konstrukcji prętowych. Trudności te wynikają ze specyficznych właściwości ustrojów
cięgnowych (duŜe nieliniowe przemieszczenia, geometryczna zmienność ustrojów bez
wstępnego napięcia) róŜniących je w sposób zasadniczy od typowych konstrukcji
prętowych.
-
2. Rodzaje konstrukcji ciĘgnowych
Do konstrukcji cięgnowych mających częste zastosowania praktyczne naleŜą:
-
ustroje złoŜone z pojedynczych cięgien,
- płaskie dźwigary cięgnowe,
-
powierzchniowe siatki cięgnowe.
Ustroje, których elementem nośnym jest pojedyncze cięgno są najprostszymi
konstrukcjami wiszącymi (rys. 1a). Składają się one z szeregu cięgien ułoŜonych równolegle
lub radialnie i zakotwionych w konstrukcji wsporczej. W celu zabezpieczenia przekrycia
przed ujemnym wpływem ssania wiatru, pokrycie musi tu mieć odpowiednio duŜy cięŜar, co
znacznie zmniejsza walory ekonomiczne tego typu konstrukcji wiszących.
W celu wyeliminowania duŜych zmian geometrycznych pojedynczego cięgna nośnego
wprowadza się dość często dodatkowe cięgno napinające, otrzymując w ten sposób
wstępnie napięty
płaski dźwigar cięgnowy
, nazywany teŜ
dźwigarem
(kratownicą)
Jawertha
(rys. 1b). Dzięki wspomnianemu napięciu dźwigary te, w porównaniu z pojedynczymi
linami, charakteryzują się duŜo korzystniejszymi właściwościami. Wpływ wstępnego
napięcia znacznie ogranicza tu przemieszczenia wywołane nierównomiernym obciąŜeniem
oraz poprawia dynamiczne właściwości ustroju wskutek wzrostu dekrementu tłumienia
drgań. Tego typu dźwigary cięgnowe są teŜ mało podatne na rezonans wywoływany
porywami wiatru.
Dźwigary cięgnowe Jawertha znajdują głównie zastosowanie przy projektowaniu
lekkich przejść przez przeszkody wodne (kładki dla pieszych, rurociągi podwieszone); są
one teŜ uŜywane do przekryć hal widowiskowo-sportowych, dworców, hangarów,
magazynów oraz do przekryć obiektów przemysłowych bez podwieszonego transportu
wewnętrznego. We wszystkich tego rodzaju obiektach istnieje moŜliwość zastosowania
lekkich pokryć dachowych.
Do interesujących konstrukcji wiszących, słuŜących głównie do przekryć hal
widowiskowo-sportowych, naleŜą
powierzchniowe siatki cięgnowe
(rys. 1c). Składają się
one z dwu rodzin cięgien: nośnych i napinających, leŜących na powierzchni o ujemnej
580
krzywiźnie Gaussa. Obydwa rodzaje cięgien są zazwyczaj kotwione w dźwigarze
brzegowym, który
-
oprócz oparcia na fundamencie
-
przytrzymywany jest często na
obwodzie słupami lub odciągami.
a)
b)
c)
Rys. 1. Rodzaje konstrukcji cięgnowych: a) złoŜone z cięgien nośnych,
b) złoŜone z cięgien nośnych i napinających, c) powierzchniowe siatki cięgnowe
Do szczególnego rodzaju konstrukcji cięgnowych naleŜą
mosty wiszące
(rys. 2a). Mosty
te odznaczają się wyjątkowo estetyczną formą architektoniczną i naleŜą do najbardziej
interesujących konstrukcji inŜynierskich. Ustrój nośny mostu wiszącego stanowią na ogół
dwa kable wsparte na wysokich pylonach. Do kabli za pomocą wieszaków (pionowych lub
– rzadziej – ukośnych) jest podwieszony stalowy bądź Ŝelbetowy pomost.
Mosty podwieszone
(rys. 2b), nazywane niekiedy
wantowymi
, stanowią formę
przejściową od mostów tradycyjnych do mostów wiszących. Ustrój nośny mostu
podwieszonego stanowią ukośne liny (rozmieszczone na ogół w kształcie wachlarza)
zamocowane do wysokich pylonów, których kształty mogą być bardzo zróŜnicowane [2,
13]. Mosty podwieszone mają wiele cennych zalet, do których np. naleŜą:
-
prosty układ statyczny, w którym belka mostu jest podtrzymywana przez, praktycznie
biorąc, prostoliniowe odcinki lin,
-
stosunkowo małe siły występujące w linach, znacznie mniejsze niŜ siły w kablach
mostów wiszących o porównywalnych rozpiętościach,
581
-
łatwy sposób niwelacji osi belki mostu; moŜliwość nadania belce mostu odwrotnej
strzałki ugięcia redukującej wartości momentów zginających od cięŜaru własnego
mostu,
-
stosunkowo prosty sposób naprawy mostu i wymiany olinowania.
a)
l
1
l
2
l
b)
l
l
2
l
1
Rys. 2. Mosty o konstrukcji cięgnowej: a) most wiszący, b) most podwieszony
Wiele ciekawych informacji na temat projektowania i budowy mostów wiszących i
podwieszonych przedstawiono w podręcznikach [2, 6, 13].
3. Materiały stosowane na ciĘgna
Cięgna mogą być wykonywane z pojedynczych drutów o średnicy od 2,5 do 8 mm oraz z lin
o róŜnej konstrukcji. Średnica drutów w linach wynosi od 0,2 do 5 mm.
Konstrukcja (budowa) liny moŜe być bardzo zróŜnicowana. Najbardziej typowym
przykładem liny jest tzw.
lina splotkowa
(
dwuzwita
) złoŜona z sześciu (rzadziej z ośmiu)
splotów (pojedynczych lin jednozwitych) (rys. 3a). Wewnątrz tak utworzonej liny znajduje
się rdzeń metalowy albo rdzeń włókienny, wykonany z włókien naturalnych (konopie,
manilia, juta, bawełna) lub z włókien sztucznych (polipropylen, polietylen, poliamid).
Zgodnie z PN-EN- 12385-2 przyjmuje się następujące oznaczenia rdzenia liny:
WC
-
rdzeń stalowy,
WSC
-
rdzeń stalowy wykonany jako splotka z drutów,
FC
-
rdzeń włókienny,
NFC
-
rdzeń wykonany z włókien naturalnych,
SFC
-
rdzeń wykonany z włókien sztucznych,
SPC
-
rdzeń składający się ze stałego polimeru mającego okrągły przekrój.
582
Na przykład oznaczenie 30 6×19SFC określa linę splotkową średnicy 30 mm z rdzeniem
z włókien sztucznych, złoŜoną z sześciu splotek zawierających po 19 drutów.
a)
b)
c)
d)
Rys. 3. Rodzaje lin stalowych [13]: a) lina splotkowa (wielozwita),
b) lina spiralna otwarta, c) lina spiralna zamknięta, d) kabel złoŜony z drutów lub lin
Liny splotkowe
(ogólnie:
wielozwite
) charakteryzują się duŜą wiotkością, co jest
korzystne np. w przypadku nawijania lin na krąŜki urządzeń dźwigowych, oraz duŜą
wydłuŜalnością, która ogranicza zastosowania tych lin w budowlanych konstrukcjach
cięgnowych.
W typowych konstrukcjach cięgnowych najczęstsze zastosowanie praktyczne znajdują
tzw.
liny jednozwite
(
spiralne
). Najprostsze liny spiralne składają się z samych drutów
okrągłych (rys. 3b). Liczba drutów w linie moŜe wynosić: 1+6, 1+6+12, 1+6+12+18 itd. (w
kaŜdej następnej warstwie liczba drutów jest równa liczbie drutów warstwy poprzedniej +
6). Oznaczenie tych lin ma postać: 1×7, 1×19, 1×37 ... 1×547. Liny wykonane z samych
drutów okrągłych noszą nazwę
lin spiralnych otwartych.
W celu lepszej ochrony liny przed
korozją, a takŜe w celu zwiększenia gładkości liny (jest to istotne np. w kolejkach
linowych), przekrój liny jest często zamykany zewnętrznymi warstwami wykonanymi z
drutów profilowanych, na ogół zetowych (rys. 3c). Tak utworzone liny noszą nazwę
lin
spiralnych zamkniętych
; charakteryzują się one duŜym przekrojem metalicznym, tj. małymi
przestrzeniami pustymi wewnątrz liny, oraz stosunkowo duŜym współczynnikiem
spręŜystości
E
. Liny spiralne zamknięte są produkowane juŜ od 1886 roku, a ich sposób
wytwarzania ulega ciągłej modernizacji.
Poglądowy sposób układu warstw w linach spiralnych przedstawiono na rys. 4. MoŜna
zauwaŜyć, Ŝe poszczególne warstwy w linach są współzwite lub przeciwzwite, a druty mają
styki punktowe lub liniowe. W celu zwiększenia metalicznego przekroju liny stosowane są
niekiedy druty wypełniające o mniejszych średnicach (
liny typu
Filler
). Przykład liny
spiralnej zamkniętej o duŜej średnicy i duŜej liczbie warstw zamkniętych przedstawiono na
rys. 5.
583
[ Pobierz całość w formacie PDF ]