Temat specjalny dotyczący działań cieplnych, połączeń rozszerzalnościowych oraz szczegółowania elementów zapewniających odprowadzanie ruchów w halach stalowych

— Długie budynki nie dotyczą jedynie „dodawania kolejnego połączenia rozszerzalnościowego”, lecz ustanawiania kontrolowanej ścieżki odkształcenia

Streszczenie: Artykuł dotyczy problemów rozszerzania się i kurczenia się długich hal stalowych pod wpływem sezonowych zmian temperatury, promieniowania słonecznego oraz temperatury zablokowania konstrukcji w trakcie budowy. Omawia rozmieszczenie punktów stałychnych i stref zwalniania, różnicę między swobodnym ruchem termicznym a dodatkowymi siłami powstającymi wskutek ograniczenia ruchu, połączenia rozdzielające konstrukcyjne oraz szczegółowe rozwiązania obudowy i instalacji technicznych (MEP) na styku tych połączeń, a także akceptację w terenie pozostałej zdolności do przemieszczania się połączeń ślizgowych. Zamiast stosować uproszczoną zasadę „połączenie rozdzielające należy zaprojektować po przekroczeniu określonej długości”, artykuł opiera się na logice „pole temperaturowe – ograniczenie ruchu – ścieżka odkształcenia” i proponuje metodę projektowania dostosowaną do konkretnego obiektu, którą można obliczyć, zrealizować i zweryfikować.

1. Oddziaływanie temperaturowe to przede wszystkim „problem warunków brzegowych”, a nie „problem ograniczenia długości”

Działanie termiczne w projektowaniu stalowych hali magazynowych jest często omawiane dopiero po działaniach wiatru, śniegu i trzęsień ziemi, a czasem upraszcza się je do stwierdzenia, że «należy zaprojektować dylatację, gdy budynek staje się wystarczająco długi». Takie podejście łatwo przekształca problem odpowiedzi konstrukcyjnej w czysto architektoniczny problem detali. W przypadku hal magazynowych, centrów logistycznych, budynków produkcyjnych oraz ciągłych wieloprzęsłowych konstrukcji portalowych o dużych wymiarach podłużnych prawdziwe pytania brzmią nie «co ile metrów potrzebna jest jedna dylatacja», lecz raczej: gdzie konstrukcja ma się przemieszczać pod wpływem nagrzewania się lub ochładzania się; w których miejscach przemieszczenie może być zwolnione; które elementy ograniczają to przemieszczenie; oraz czy obudowa, fundamenty, wyposażenie i rurociągi mogą pozostawać zgodne z główną konstrukcją.

Stal rozszerza się pod wpływem ciepła i kurczy się po ochłodzeniu. Informacje techniczne opublikowane przez Europejskie Centrum Badawcze Komisji Europejskiej (JRC) na podstawie normy EN 1991-1-5 podają współczynnik liniowego rozszerzania cieplnego dla stali konstrukcyjnej wynoszący około 12 × 10⁻⁶/°C. Przyjmując swobodną deformację termiczną jako szacunek, stalowa konstrukcja o długości 100 m, której temperatura zmieni się o 40°C, ulegnie teoretycznemu swobodnemu przemieszczeniu o około 48 mm. Ta wartość nie oznacza, że należy zaprojektować szczelinę o szerokości 48 mm, ponieważ rzeczywiste budynki są wpływane przez sztywność podstaw słupów, układy wiaty, zakotwienie blach dachowych, niestandardowe temperatury poszczególnych elementów, temperaturę początkową przy budowie oraz inne czynniki. Jednakże wyraźnie pokazuje ona, że uczynienie każdego połączenia „całkowicie nieruchomym” nie eliminuje deformacji termicznej — przekształca jedynie przemieszczenie w dodatkowe siły wewnętrzne, odkształcenia lokalne lub uszkodzenie systemu obudowy.

Inżynierowie często zadają pytanie: powyżej jakiej długości stalowy magazyn wymaga połączenia rozszerzalnego? Gdy warunki konkretnego projektu są pominięte, nie istnieje jedna uniwersalna odpowiedź stosowalna we wszystkich krajach, klimatach i układach konstrukcyjnych. Długość budynku to tylko jeden z czynników. W projektowaniu należy także uwzględnić lokalne granice temperatury, promieniowanie słoneczne, czy wnętrze jest ogrzewane, układ główny konstrukcji nośnej, konfigurację podstaw słupów, położenie wzmocnień podłużnych, materiały dachu i ścian, ciągłość urządzeń i instalacji oraz zakotwienie fundamentów.

2. Najpierw określ „gdzie konstrukcja ma się przemieszczać”, a dopiero potem omawiaj połączenia rozszerzalne

EN 1991-1-5 traktuje oddziaływania termiczne jako niezależną kategorię oddziaływań na konstrukcje i rozróżnia składową jednolitej temperatury, gradienty temperatury oraz różnice temperatur między różnymi elementami konstrukcyjnymi. W budynkach typu hala magazynowa najczęściej występujące efekty to jednolity wzrost lub spadek temperatury wpływający na całą konstrukcję oraz różnice temperatur między dachem, ścianami zewnętrznymi i elementami wewnętrznymi wywołane promieniowaniem słonecznym. W przypadku ciemnego metalowego pokrycia dachowego temperatura elementów jest również uzależniona od promieniowania słonecznego oraz współczynnika pochłaniania powierzchni; zatem „lokalna maksymalna temperatura powietrza” nie może być mechanicznie utożsamiana z „maksymalną temperaturą elementu stalowego.”

Długie hale zwykle zawierają kilka podłużnych stref stabilności. Kluczową zasadą projektowania jest unikanie wielu silnych utwierdzeń działających przeciwko sobie. Jeśli system podłużnego wzmocnienia tworzy silne utwierdzenia stałe na obu końcach budynku, podczas gdy elementy pośrednie pozostają ciągle połączone, konstrukcja dąży do wydłużenia pod wpływem nagrzewania, lecz nie ma jednoznacznie określonego kierunku uwolnienia. Wówczas siły termiczne gromadzą się w słupach, wzmocnieniach, podstawach słupów oraz połączeniach. Bardziej przejrzystym podejściem jest wprowadzenie koncepcji „strefy ustalonej – strefy uwolnienia”: strefa ustalona zapewnia podłużne odniesienie pozycji i przenosi siły poziome, podczas gdy strefa uwolnienia umożliwia stopniowe przyswajanie ruchów wywołanych zmianami temperatury. „Uwolnienie” nie oznacza luźnego połączenia. Oznacza to stworzenie przewidywalnej ścieżki ruchu poprzez odpowiednie ułożenie wzmocnień, szczegóły ślizgowe, otwory wydłużone, połączenia odkształcalne lub segmentowe układy konstrukcyjne.

3. Swobodny ruch termiczny to jedynie pierwszy krok; dodatkowe efekty wywołane ograniczeniem ruchu stanowią główny problem projektowy

Swobodny ruch termiczny można wstępnie oszacować za pomocą wzoru ΔL = αLΔT. To równanie jest przydatne do określenia rzędu wielkości przemieszczenia, ale nie powinno zastępować analizy konstrukcyjnej. Rzeczywista odpowiedź termiczna konstrukcji stalowej zależy od sztywności ograniczeń: tam, gdzie element może się swobodnie rozszerzać, dominującym efektem są przemieszczenia; tam, gdzie jest silnie ograniczony, odkształcenie termiczne przekształca się w siłę osiową; natomiast rzeczywiste budynki zwykle znajdują się w stanie pośrednim między tymi dwoma skrajnymi przypadkami. Norma ASCE/SEI 7-22 uwzględnia oddziaływania temperaturowe, kurczenie się oraz podobne efekty w ramach projektowego podejścia do sił i efektów samonaprężeniowych, a jej postanowienia dotyczące użytkowalności wymagają, aby zmiany wymiarów spowodowane wahaniem temperatury oraz podobnymi czynnikami nie zakłócały funkcjonowania konstrukcji.

Projekt działania termicznego powinien zatem uwzględniać co najmniej trzy poziomy jednocześnie. Po pierwsze, konstrukcję główną: linie słupów w kierunku podłużnym, podpory podłużne, elementy łączące, poziome podpory dachowe oraz stopy słupów razem określają warunki globalnego zakotwienia; w modelu analitycznym podpory i przeguby muszą odpowiadać rzeczywistym rozwiązaniom szczegółowym. Po drugie, połączenia: jeśli zamierzony jest ruch, należy jednoznacznie określić kierunek ślizgania, geometrię otworów, wymiary blach lub podkładek, zachowanie śrub oraz początkową pozycję montażu; ruchu nie można osiągnąć za pomocą nieformalnej instrukcji typu „nie dokręcaj śrub zbyt mocno”. Po trzecie, elementy niestrukturalne: panele ścianowe i dachowe, drzwi i okna, rynny, świetliki oraz podpory rurociągów muszą być zsynchronizowane z ruchem konstrukcji głównej. Spełnienie obliczeń konstrukcyjnych nie oznacza automatycznie, że szczegóły obudowy są bezpieczne.

4. Trudność projektowania połączeń rozszerzalnych nie polega na „zostawieniu szczeliny”, lecz na zapewnieniu funkcjonalności po obu stronach połączenia

W przypadku wieloprzęsłowych hali o konstrukcji ramowej, w których zaprojektowano połączenie rozszerzalne, konstrukcje po obu stronach tego połączenia powinny zwykle stanowić względnie niezależne jednostki konstrukcyjne. Nie wystarczy jedynie przetnąć blachy dachowe, pozostawiając główne ramy stalowe sztywno ciągłe. Z drugiej strony, nawet jeśli analiza konstrukcyjna wykazuje, że główną konstrukcję można zbudować bez połączenia rozszerzalnego, należy nadal uwzględnić rozszerzalność termiczną i kurczenie się systemu obudowy. Blachy dachowe, blachy ścianowe, okapy, rynny oraz świetliki są zazwyczaj cieńsze i bardziej wrażliwe niż główna konstrukcja stalowa. To, że główna konstrukcja „przechodzi obliczenia”, nie oznacza, że system obudowy nie ulegnie najpierw pęknięciom, wyboczeniom, efektowi falowania (oil-canning) lub powtarzającemu się obciążeniu otworów mocujących.

Dojrzały szczegół połączenia rozszerzalnego musi jednoczesnie spełniać wymagania dotyczące zachowania się konstrukcji, izolacji wodnej, izolacji termicznej, ochrony przeciwpożarowej oraz użytkowania budynku. Rozszerzalne połączenia dachowe powinny, o ile to możliwe, znajdować się w miejscach oddalonych od punktów najniższych, w których może gromadzić się woda. Gdy uniknięcie takiego rozmieszczenia jest niemożliwe, system izolacji wodnej należy zaprojektować tak, aby pozostawał ciągły i umożliwiał ruch, zamiast polegać na pojedynczej warstwie uszczelnienia, która miałaby pochłonąć całe przemieszczenie. Dachy metalowe mogą przystosowywać się do ruchu za pomocą niezależnych pokryw błyskawicznych, wystarczająco wysokich krawędzi podniesionych, przesuwających się nachodzeń oraz osobnych mocowań po obu stronach połączenia. Szczegóły ścian muszą podobnie zapewniać uszczelnienie przed warunkami atmosferycznymi oraz ciągłość wizualną: blachy ścienne po każdej stronie połączenia powinny być niezależnie zakończone, a pokrywa błyskawiczna pomiędzy nimi musi zapewniać wystarczającą długość nachodzenia.

Rynny, parapety, świetliki oraz systemy MEP przechodzące przez połączenie również wymagają starannego sprawdzenia. Jeśli inżynier konstrukcyjny oddziela główną konstrukcję w linii siatki, ale ciągły rynien, samowiertne śruby, główna instalacja przeciwpożarowa lub kanał kablowy sztywno ponownie łączą obie strony, to montaż na budowie skutecznie odtworzył ukryty punkt stały.

Tabela 1. Typowe problemy typu „Obiekt – Niepoprawne założenie – Poprawny parametr sterujący” w projektowaniu pod wpływem działań termicznych

5. Nie traktować «otworów wydłużonych» jako uniwersalnego rozwiązania dla połączeń kompensacyjnych

Jedną z najczęściej stosowanych czynności optymalizacji miejsc połączeń jest zastąpienie standardowych okrągłych otworów otworami wydłużonymi w przypadku stwierdzenia ograniczonego ruchu wzdłużnego. To podejście jest uzasadnione jedynie wtedy, gdy jasno określono logikę przenoszenia sił przez połączenie, kierunek poślizgu oraz warunki docisku. Po pierwsze, oś długa otworu wydłużonego musi być zgodna z kierunkiem przewidywanego ruchu. Po drugie, dopuszczalność poślizgu połączenia pod wpływem obciążenia wiatrem, siły hamowania lub innych poziomych oddziaływań musi być zgodna z ogólnym systemem konstrukcyjnym. Jeśli połączenie przenosi kluczowe siły poziome, samodzielne powiększenie otworu może zmienić zaprojektowaną ścieżkę przekazywania obciążeń. Po trzecie, nakładki lub podkładki muszą skutecznie zakrywać otwór wydłużony i zapobiegać lokalnemu przebiciu po montażu.

W przypadku połączeń śrubowych wysokiej wytrzymałości należy również rozróżnić połączenia krytyczne pod względem poślizgu, połączenia typu nośnego oraz połączenia ślizgowe zaprojektowane specjalnie w celu umożliwienia przemieszczenia. Jeśli dokumenty projektowe wymagają, aby połączenie nie ulegało poślizgowi pod obciążeniami użytkowymi, a jednocześnie zakładały jego zdolność do kompensacji przemieszczeń termicznych poprzez przesuw w otworze, to oba warunki eksploatacyjne oraz odpowiadające im mechanizmy muszą zostać wyraźnie zdefiniowane. Istota profesjonalnego projektowania nie polega na stosowaniu konkretnego typu połączenia, lecz na tym, że każde połączenie pełni wyłącznie przewidzianą dla niego funkcję: połączenia stałe zapewniają pozycjonowanie i przenoszenie sił, natomiast połączenia ślizgowe zapewniają zdolność do przemieszczania się w określonym kierunku.

6. Spoiny termiczne muszą być zsynchronizowane z fundamentami, płytami stropowymi oraz systemami urządzeń

W staliowej konstrukcji nadziemnej może zostać zaprojektowana szczelina rozdzielająca, jednak decyzja, czy fundamenty i płyty stropowe powinny być również podzielone w tym samym miejscu, musi zostać podjęta z uwzględnieniem systemu konstrukcyjnego oraz funkcji budynku. Jeśli fundamenty po obu stronach są skutecznie połączone w bardzo sztywny, ciągły układ, podczas gdy konstrukcja nadziemna ma się przemieszczać względem siebie, na podstawach słupów mogą pojawić się niepotrzebne ograniczenia ruchu. Z drugiej strony, jeśli fundamenty są niezależne, ale konstrukcja nadziemna jest sztywno połączona za pomocą elementów ciągłych, skuteczność szczeliny rozdzielającej ulega podobnie zmniejszeniu.

Przemysłowe magazyny wymagają szczególnej uwagi przy projektowaniu systemów wyposażenia. Przewody przeciwpożarowe, tory kablowe, linie sprężonego powietrza, przewody pary, linie transportowe oraz systemy regałów magazynowych mogą przechodzić przez połączenia konstrukcyjne. Jeśli przemieszczenia zaprojektowane dla konstrukcji nie zostaną przekazane specjalistom ds. instalacji MEP i wyposażenia, sztywne przewody mogą pęknąć, podpory ulec odkształceniu lub szyny urządzeń przesunąć się z pozycji podczas eksploatacji. Usługi przechodzące przez połączenie powinny korzystać z połączeń elastycznych, podpór ślizgowych, kompensatorów rozszerzalności lub niezależnych podpór. Ich zdolność do przemieszczania się powinna obejmować wymagane przemieszczenia zaprojektowane dla konstrukcji oraz uwzględniać допuszczalne tolerancje montażowe.

7. Początkowa temperatura wykonawcza określa położenie „pozycji neutralnej”

Działanie termiczne obejmuje jeszcze jedną zmienną, którą często pomija się: temperaturę, w której struktura jest ostatecznie „zablokowana”. Początkowa temperatura przyjęta w analizie nie musi być równa średniej rocznej temperaturze powietrza. Zależy ona od rzeczywistej temperatury panującej w momencie montażu elementów konstrukcyjnych, ostatecznego dokręcenia połączeń oraz zamknięcia systemu dachowego. Projekt może zakładać, że konstrukcja znajduje się w pozycji neutralnej w pobliżu umiarkowanej temperatury, jednak jeśli wszystkie stałe połączenia zostaną ostatecznie zablokowane po długotrwałym nagrzewaniu słonecznym w środku lata, to późniejsze ruchy skurczowe podczas ochładzania mogą silnie przesunąć się na jedną stronę.

W przypadku połączeń ślizgowych o dużym zapotrzebowaniu na przemieszczenie, długich blach dachowych, ciągłych rynien i dużych otworów drzwiowych dokumenty projektowe powinny uwzględniać określenie, czy należy zarejestrować temperaturę zamocowania, początkową pozycję połączenia oraz zapas na przemieszczenie. Rzeczywiście wykonawcze rysunki połączeń powinny określać kierunek przesuwu, zaprojektowane przemieszczenie, położenie środkowe przy montażu, dopuszczalne tolerancje oraz wymagania dotyczące końcowego zabezpieczenia, aby montażysci wiedzieli, czy element należy umieścić centralnie w rowku, przesunąć w kierunku jednego z jego końców, czy też dostosować go na podstawie zmierzonej temperatury podczas montażu.

8. Akceptacja powinna potwierdzać „pozostałą zdolność do przemieszczania się”, a nie jedynie estetyczny wygląd połączenia

Akceptacja szczegółów połączeń umożliwiających ruch nie powinna ograniczać się do sprawdzania, czy śruby są prawidłowo ustawione lub czy pokrywy są proste. Co ważniejsze, kontrola musi potwierdzić, że po zakończeniu budowy nadal jest dostępna wymagana przez projekt zdolność do ruchu. Typowe błędy występujące na budowie to: śruba już dociskająca się do jednego końca wydłużonego otworu; powierzchnia ślizgowa zablokowana spoinami tack; śruby mocujące pokrywę przechodzące przez podłoża po obu stronach połączenia; uszczelniacz całkowicie wypełniający i blokujący szczelinę; ciągła rynna łącząca dwie jednostki konstrukcyjne; podpory instalacji MEP sztywno przechodzące przez połączenie; oraz blachy okapowe ścian montowane bez wystarczającego nachodzenia umożliwiającego ślizg. Takie rozwiązania mogą wyglądać bardzo estetycznie, ale już utraciły swoje zaprojektowane funkcje związane z ruchem.

Rekordy akceptacji powinny zatem obejmować, co najmniej, rzeczywistą szerokość łącznika rozszerzalnego, początkową pozycję połączeń ślizgowych, pozostałą drogę przesuwu w otworach wydłużonych, szczegółowe rozwiązania obudowy na przekroju łącznika, metodę kompensacji instalacji rurowej oraz temperaturę zablokowania na budowie. Dla magazynów przeznaczonych do długotrwałej eksploatacji można również ustalić proste punkty odniesienia pomiarowe po obu stronach łącznika, aby możliwa była ponowna kontrola ruchów sezonowych i odkształceń nietypowych.

9. Ekspertyza techniczna dotyczy „zarządzania” odkształceniem termicznym, a nie prób jego eliminacji

Odkształcenie termiczne jest podstawową reakcją fizyczną materiału. To, co projekt może rzeczywiście kontrolować, to warunki utwierdzenia, ścieżka przenoszenia obciążeń oraz dopuszczalny ruch. Dla stalowych magazynów najbardziej niebezpieczną sytuacją jest często nie sam przemieszczenie, lecz raczej to, że „miejsce, które powinno się przesuwać, zostało zablokowane, podczas gdy miejsce, które powinno pozostać nieruchome, uległo przesunięciu.”

Profesjonalny projekt uwzględniający działanie temperatury powinien opierać się na jasnej logice: najpierw określa się graniczne temperatury projektowe oraz oczekiwany zakres temperatur elementów konstrukcyjnych, następnie szacuje się rząd wielkości swobodnej odkształcalności termicznej; dalej identyfikuje się punkty stałe oraz źródła utwierdzenia w konstrukcji głównej i ustala się wyraźny kierunek ich uwalniania; następnie określa się, czy wymagane są dylatacje konstrukcyjne oraz jak obudowa, fundamenty i systemy wyposażenia będą je przekraczać; na końcu przetwarza się projektowe przemieszczenia na parametry połączeń, które można zrozumieć podczas budowy i zmierzyć podczas odbioru. Dotyczy to projektów magazynów zagranicznych oraz budynków przemysłowych obsługiwanych przez Shenyang Zhongwei Heavy Industry Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością zajmująca się konstrukcjami stalowymi, klimat, temperatura podczas budowy, systemy obudowy oraz warunki sprzętu różnią się znacznie od kraju do kraju. Działanie temperaturowe nie powinno więc być redukowane do stałej tabeli długości budynku; należy traktować je jako projektowe dane wejściowe wymagające inżynierskiego osądu. Rzeczywiście niezawodne rozwiązanie nie stara się uczynić konstrukcji całkowicie „nieruchomą”; zapewnia ono, że każdy milimetr przemieszczenia ma wyraźnie określone miejsce docelowe.

#hala magazynowa ze stalową konstrukcją nośną #działanie temperaturowe #styka ekspansyjna #rozszerzenie i kurczenie cieplne #połączenie ślizgowe #otwór wydłużony #temperatura zamocowania w trakcie budowy

Wybrane normy odniesienia i źródła techniczne

1. EN 1991-1-5:2003, Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-5: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania temperaturowe. Stosowana do klasyfikacji oddziaływań temperaturowych, składowych temperatury oraz ramy analitycznej dla efektów temperaturowych w konstrukcjach; konkretne projekty powinny być spójne z odpowiednim Załącznikiem Krajowym oraz lokalnie przyjętą edycją normy.

2. ASCE/SEI 7-22, Minimalne obciążenia projektowe oraz powiązane kryteria dla budynków i innych konstrukcji. Do podstawowych wymagań i kombinacji obciążeń należą siły i efekty wynikające z odkształceń własnych; przepisy dotyczące użytkowalności zawarte w dodatku C wymagają, aby zmiany wymiarów spowodowane temperaturą i podobnymi czynnikami nie zakłócały funkcji konstrukcyjnej.

3. ANSI/AISC 360-22, Specyfikacja dotycząca stalowych konstrukcji budowlanych. Stosowana do projektowania elementów konstrukcji stalowych, połączeń oraz użytkowalności w ramach struktury działania określonej w normie ASCE 7; aktualna strona standardów AISC wskazuje normę 360-22 jako obecną edycję.

4. ANSI/AISC 303-22, Kodeks praktyki standardowej dla stalowych konstrukcji budowlanych i mostowych. Stosowany do wymagań dotyczących praktyki inżynierskiej związanych z dokumentacją projektową konstrukcji, wytwarzaniem i montażem, dopuszczalnymi odchyłkami oraz koordynacją zawodową.

5. AISC Design Guide 3, „Serviceability Design Considerations for Steel Buildings”, wydanie 2, 2003 r. Tematy związanie z użytkowalnością obejmują m.in. rozszerzalność i kurcz; dokument ten może być wykorzystany jako uzupełniające wsparcie techniczne w zakresie odkształceń termicznych oraz szczegółowego projektowania połączeń umożliwiających swobodne przemieszczenia; należy uwzględnić datę jego wydania oraz dostosować podane w nim zalecenia do obowiązujących aktualnie norm.

6. Komisja Europejska, JRC, „Handbook 3: Action Effects for Buildings”, rozdział IV „Thermal Actions on Buildings”. Rozdział ten, oparty na normie EN 1991-1-5, wyjaśnia pola temperatury, jednorodne składowe temperatury oraz skutki zamocowania oraz podaje inżynierską wartość odniesienia współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej stali konstrukcyjnej wynoszącą około 12 × 10⁻⁶/°C.