Płatwie – czyli zetowniki czy dwuteowniki?

Na to pytanie można odpowiedzieć krótko – oczywiście zetowniki gięte na zimno, ale jeżeli czytasz ten artykuł to prawdopodobnie poszukujesz bardziej wyczerpującej odpowiedzi. Powszechnie panuje pogląd, że najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem dla płatwi są zetowniki i jest on w gruncie rzeczy słuszny. Trudno jest jednak znaleźć merytoryczne analizy porównujące ciężar płatwi wykonanych z dwuteowników gorącowalcowanych i zetowników zimnogiętych.

Rozważmy zatem kilka wariantów doboru płatwi dla reprezentatywnej hali o rozpiętości 15 m, długości 30 m i nachyleniu dachu 1:10. Przyjmijmy, że obiekt zlokalizowany jest w Gdańsku tj. w 3 strefie śniegowej i 2 wiatrowej. Rozstaw płatwi wynosi 1,50 m, a długość przęsła 6 m. Szczegółowe zestawienie obciążeń przedstawiamy w tabeli 1. Przyjęte obciążenia działające na płatew, dla miarodajnych kombinacji stanu granicznego nośności, wynoszą qd=2,72 kN/m (obciążenie dociskające) i qd=1,61 kN/m (obciążenie unoszące), a w kombinacji stanu granicznego użytkowania qk=1,86 kN/m.

Analizę porównawczą rozpoczniemy od schematu belki jednoprzęsłowej (rys. 1). Zakładamy, że górna półka płatwi stężona jest blachą trapezową (TP35/0,75). Zetowniki wykonane są ze stali S350GD+Z, a dwuteowniki ze stali S355. Decydującym kryterium projektowym w tym przypadku jest stan graniczny użytkowania (SGU) czyli ugięcie, które zgodnie z Eurokodem 1993-1-1 nie powinno przekraczać udop=L/200=3 cm. Z uwagi na to kryterium, wymagany przekrój poprzeczy profili to IPE140 dla dwuteownika i Z225/60/21/2 dla zetownika. Wtedy, wykorzystanie nośności przekroju (SGN) wynosi zaledwie 41% dla dwuteownika IPE140 oraz 83% dla kształtownika Z225/60/66/21/2, co świadczy o niskiej efektywności przyjętego dwuteownika. Odpowiednie wykorzystanie nośności i sztywności profilu zetownika uzyskuje się poprzez jego względnie wysoki środnik (Rys.1), który jest odpowiedzialny za dużą sztywność płatwi przy stosunkowo niskim zużyciu materiału (54% mniejszy ciężar w porównaniu do IPE).

Bardziej powszechnym rozwiązaniem konstrukcyjnym dla płatwi jest schemat belki ciągłej (rys. 2), który jest zdecydowanie korzystniejszy z punktu widzenia stanu granicznego użytkowania. Ciągłość płatwi realizuje się poprzez łączenie zetowników na zakład, dzięki czemu uzyskuje się podwojenie przekroju nad podporami, czyli w miejscach występowania największych sił wewnętrznych. Taka forma łączenia płatwi nie jest możliwa dla dwuteowników walcowanych. Decydujące kryteria projektowe dla analizowanej belki ciągłej to wciąż SGU dla dwuteownika (80%), natomiast SGN dla zetownika (84%). Uciąglenie zetowników poprzez zakład o długości 20% rozpiętości przęsła powoduje oczywiście zwiększenie jego ciężaru, jednak po uwzględnieniu tego faktu zetowniki są nadal znacznie lżejsze od dwuteowników (o 36%). Ponadto, jeżeli zdecydujemy się na zastosowanie dodatkowego  stężenia przeciwskrętnego w połowie rozpiętości przęsła, wówczas możemy osiągnąć oszczędność masy równą aż 52%. Zetowniki wykorzystują w takie sytuacji prawie maksymalną nośność (96%).

Podsumowując, zetowniki zimnogięte są lepszym rozwiązaniem od dwuteowników walcowanych, gdyż charakteryzuje je znacznie wyższa sztywność na zginanie. W przypadku belek uciąglonych ich atutem jest zdwojony przekrój w miejscu występowania największych naprężeń (nad podporami). W analizowanych przykładach zamiana płatwi na zetowniki spowodowała zmniejszenie zużycia stali o ok. 50%.

Tab. 1. Zestawienie obciążeń działających na połać dachu hali

Nr

Przypadek obciążenia

qk [kN/m2]

γF

qd [kN/m2]

1

Stałe (bez CW)

0.135

1.35

0.182

2

Eksploatacyjne

0.05

1.50

0.075

3

Śnieg

0.96

1.50

1.44

4

Wiatr – parcie (J)

0.19

1.50

0.28

5

Wiatr – ssanie (H)

-0.81

1.50

-1.21

 

Rys. 1. Płatew jednoprzęsłowa

 

 

 

 

Rys. 2. Płatew uciąglona              

Dr inż. Mateusz Sondej