Stalowe słupy powłokowe - ebook

Przedmowa

Tematem książki są zagadnienia kształtowania i obliczania stalowych słupów o konstrukcji powłokowej. Cechą znamienną słupów powłokowych jest istotny wpływ stateczności lokalnej na ich nośność, gdyż w przeważającej większości przekroje poprzeczne tych słupów, zgodnie z normą PN-EN 1993-1-1 Eurokod 3 (Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków) klasyfikowane są jako przekroje klasy 4. Dominującymi przekrojami poprzecznymi słupów powłokowych są przekroje rurowe wielokątne, ale spotyka się również formy kołowe czy nawet owalne. Z uwagi na stosowane kształty przekrojów poprzecznych oraz znaczne stosunki średnic opisujących przekroje wieloboczne do grubości ich ścianek, lokalna utrata stateczności ma formę zbliżoną do występującej w powłokach walcowych. Uzasadnia to pewną odrębność w nazewnictwie dla przedmiotowych konstrukcji słupowych. Przyjęta nomenklatura nawiązuje do publikacji J. Murzewskiego i J.S. Siepaka Stalowe belki powłokowe, wydanej przez Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej w 1978 roku.

Słupy powłokowe znajdują obecnie szerokie zastosowania głównie w konstrukcjach wsporczych w energetyce, przede wszystkim w liniach napowietrznych wysokich i średnich napięć, ale występują również w konstrukcjach wsporczych oświetleniowych czy trakcji tramwajowej i trolejbusowej. Bywają także stosowane w konstrukcjach wsporczych reklam i wysokich pylonów, a nawet turbin wiatrowych.

Rozpowszechnienie słupów powłokowych możliwe było dzięki szerszemu wdrożeniu technologii kształtowania na zimno i podłużnego spawania blach stalowych oraz upowszechnieniu specyficznej technologii łączenia segmentów słupów wielokątnych za pomocą zaciskania wzdłużnego.

Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie podstaw obliczania i kształtowania konstrukcji słupów powłokowych w kontekście wymogów normowych oraz doświadczeń własnych autorów, niejednokrotnie pionierskich w tym zakresie na rynku polskim. W książce położono główny nacisk na aplikacyjne aspekty zagadnień, tylko z podstawowym zarysem teorii i przeglądem wybranych badań.

Książka jest ilustrowana przykładami konstrukcji zrealizowanych w kraju i za granicą. Przeznaczona jest dla inżynierów projektantów tego typu konstrukcji oraz wykonawców. Może być również wykorzystana przez studentów wyższych uczelni technicznych.

Autorzy składają podziękowania dr. inż. Łukaszowi Skotnemu za przygotowanie przykładu obliczeniowego z zakresu numerycznej analizy powłok, zamieszczonego w rozdziale 9.

Autorzy1 Wiadomości ogólne

1.1. Klasyfikacja słupów stalowych

Słupami nazywa się zwykle smukłe, prętowe konstrukcje inżynierskie, zabudowane w konstrukcji lub wolnostojące, których oś usytuowana jest najczęściej pionowo. Słupy przenoszą zarówno obciążenia pionowe, wywołujące ich ściskanie osiowe, jak i obciążenia poziome wywołujące ich ścinanie i zginanie, a czasem również skręcanie.

Trzony słupów projektuje się o stałym przekroju poprzecznym na długości (pryzmatyczne) lub o zmiennym przekroju poprzecznym na długości, jako skokowo zbieżne albo monotonicznie zbieżne. W przypadku słupów wolnostojących tzw. wspornikowych, stosowanych w energetyce, oświetleniu, trakcji tramwajowej i trolejbusowej (rzadziej kolejowej) oraz pylonach reklamowych, zbieżność dostosowywana jest do przebiegu sił wewnętrznych, tj. słup kształtowany jest wytrzymałościowo. W efekcie stosuje się słupy o przekrojach poprzecznych o największej sztywności i nośności u podstawy, a najmniejszej w głowicy. Trzony słupów o stałym przekroju są powszechnie stosowane w budownictwie kubaturowym.

Rozróżnia się słupy o przekroju pełnościennym oraz złożonym. Słupy pełnościenne projektuje się o przekroju poprzecznym otwartym (linia środkowa zarysu przekroju nie jest krzywą zamkniętą) lub zamkniętym (linia środkowa zarysu przekroju jest krzywą zamkniętą). Wybrane przekroje poprzeczne słupów pełnościennych pokazano na rysunku 1.1.

Słupy pełnościenne o przekroju otwartym

Mogą to być przekroje złożone z pojedynczego kształtownika walcowanego lub łączone z kilku kształtowników walcowanych czy nawet blach. Wydzielenie tej grupy przekrojów poprzecznych jest istotne z uwagi na mechaniczne zachowanie się konstrukcji o przekrojach tzw. otwartych. Znamienna jest dla tego typu ustrojów istotna podatność na wpływ nieswobodnego skręcania zgodnie z teorią prętów cienkościennych Własowa. W związku z tym tego typu przekroje podatne są również na globalną utratę stateczności w postaci wyboczenia skrętnego (ogólnie giętno-skrętnego w przypadku przekrojów bez osi symetrii) oraz zwichrzenia, tj. utratę stateczności przy zginaniu. Należy jednak pamiętać, iż techniczna teoria wyboczenia i zwichrzenia jest w istocie uproszczonym ujęciem problemu utraty nośności z uwagi na faktyczne zachowanie się konstrukcji w aspekcie teorii drugiego rzędu z uwzględnieniem imperfekcji geometrycznych i materiałowych.

Rys. 1.1. Rurowe przekroje poprzeczne słupów pełnościennych: a) walcowane na gorąco lub kształtowane na zimno, b) kształtowane na zimno

Słupy pełnościenne o przekroju zamkniętym

Mogą to być przekroje rurowe kołowe, kwadratowe lub prostokątne (rys. 1.1a) wykonywane jako gorącowalcowane lub kształtowane na zimno ze szwem podłużnym albo też przekroje zamknięte lub otwarto-zamknięte formowane jako spawane z kształtowników lub blach. Oddzielną grupę stanowią przekroje rurowe wielokątne, z reguły foremne, kształtowane na zimno (rys. 1b). Przekroje wielokątne najczęściej kształtowane są jako sześciokątne, ośmiokątne, dwunastokątne, szesnastokątne oraz dwudziestoczterokątne. Wybór liczby boków, jakkolwiek teoretycznie dowolny, uzależniony jest zarówno od względów technologicznych i produkcyjnych, jak również statycznych. Przekroje poprzeczne o liczbie boków powyżej 24 zachowują się niemal jak przekroje kołowe. Zdarzają się również przypadki kształtowania na zimno zgodnie z wymaganiami przekrojów faktycznie kołowych, choć w przypadku technologii gięcia na prasach jest to nieefektywne z uwagi na wymaganą bardzo dużą liczbę zagięć kształtujących okrąg. Możliwe jest jednak uzyskanie takich przekrojów poprzez walcowanie.

W przypadku przekrojów poprzecznych zamkniętych, które charakteryzują się dużą sztywnością skrętną, aspekty wyboczenia giętno-skrętnego, skrętnego oraz zwichrzenia w zakresie technicznie ważnych przypadków mogą być pominięte (z wyjątkiem smukłych przekrojów rurowych prostokątnych lub ogólnie tak ukształtowanych, że momenty bezwładności przekroju względem osi głównych istotnie się różnią).

Słupy złożone

Słupy złożone projektuje się jako wielogałęziowe połączone skratowaniem lub przewiązkami (rys. 1.2a) albo jako formy całkowicie kratowe (rys. 1.2b).

Rys. 1.2. Słupy złożone: a) wielogałęziowe – przekroje poprzeczne, b) kratowe – widok ogólny

Cechą charakterystyczną słupów wielogałęziowych jest występowanie sztywnych gałęzi, najczęściej projektowanych z kształtowników walcowanych, połączonych elementami drugorzędnymi (jakkolwiek ze statycznego punktu widzenia nie mniej ważnymi), tj. przewiązkami z blach lub prętami skratowania, najczęściej kątownikami. Z reguły występują dwie gałęzie, ale bywały również przypadki stosowania większej ich liczby. Słupy tego typu obliczane są względem osi przechodzących przez gałęzie (tzw. materiałowych) oraz przez płaszczyznę przewiązek (tzw. niemateriałowych dla słupów dwugałęziowych), gdzie należy uwzględnić przy określaniu smukłości dodatkowo podatność przewiązek lub skratowania. W przypadku słupów czterogałęziowych zbudowanych z rur kołowych lub kwadratowych oraz w starszych rozwiązaniach z kątowników (rys. 1.2a) stosuje się głównie przewiązki, a obliczenia wykonywane są względem obu osi tzw. niemateriałowych. Czasami zamiast przewiązek w słupach czterogałęziowych również stosowano wykratowanie, ale wówczas słupy tego typu stanowią formę przejściową do postaci całkowicie kratowych (rys. 1.2b). Obecnie stosowanie słupów wielogałęziowych zostało mocno ograniczone. Wzrost nakładów na robociznę i transport oraz relatywny spadek cen samej stali spowodował powszechne zastępowanie rozwiązań wielogałęziowych przekrojami zamkniętymi. Sumaryczne koszty dostawy tych ostatnich mimo wyższej masy własnej są jednak często niższe, ze względu na mniejsze nakłady na spawanie i bardziej kompaktowy transport. Decydują tu również względy łatwiejszej ochrony antykorozyjnej oraz większa łatwość spełnienia wyższych wymogów jakościowych poprzez uniknięcie deformacji spawalniczych.

Cechą charakterystyczną typowych słupów kratowych jest (z reguły) zastosowanie kształtowników o zmiennych skokowo przekrojach używanych na krawężniki (gałęzie), zmiennej geometrii skratowania oraz zmiennych gabarytach samego trzonu. Słupy kratowe stosowane są powszechnie jako konstrukcje wsporcze energetycznych linii napowietrznych , wieże oświetleniowe, reklamowe i w sieci telefonii komórkowej. Z uwagi na swoje walory techniczne słupy kratowe są i będą jeszcze stosowane, szczególnie gdy montowane są poza obszarami silnie zabudowanymi. Zaletą ich jest duża nośność i sztywność przy niskim zużyciu stali. Korzystna ze względów statycznych forma charakteryzuje się jednak zajęciem nie tylko znacznie większego obszaru do ich posadowienia, ale również większej objętości brutto w przestrzeni (np. wyrażającej się szerszym pasem zajęcia terenu dla energetycznych linii przesyłowych). Słupy kratowe pozostaną na razie również niezastąpione jako podpory wysokich estakad podsuwnicowych i wysokich hal z suwnicami natorowymi.

Odrębną grupą, nieomawianą w ogóle w niniejszej książce, są maszty kratowe, charakteryzujące się przegubowym oparciem na fundamencie oraz współdziałaniem z układem odciągów linowych. Wyczerpujące omówienie tego typu konstrukcji można znaleźć w monografii . Warto odnotować, iż w praktyce niektóre typy konstrukcji wieżowych (np. tzw. maszty oświetleniowe), tj. wspornikowych, sztywno zamocowanych przy posadowieniu, również nazywane są właśnie masztami. Zdaniem autora formalnie nie jest to poprawne, jakkolwiek dość powszechne w praktyce.

1.2. Charakterystyka słupów powłokowych

Spośród słupów pełnościennych o przekroju zamkniętym można wyróżnić grupę słupów będących głównym przedmiotem niniejszego opracowania, nazywanych tutaj słupami powłokowymi. Nazwę tę wprowadzono dla podkreślenia cech szczególnych tych elementów, podobnie jak w publikacjach .

Generalnie w słupie stalowym powłokowym można wyróżnić trzy zasadnicze elementy oraz wyposażenie dodatkowe. Przykładowy schemat budowy słupa powłokowego oparty na geometrii typowego słupa wsporczego energetycznej linii napowietrznej przedstawiono na rysunku 1.3.

Główne elementy składowe to:

– podstawa (1), tj. dolna część konstrukcji słupa, pozwalająca na mocowanie do fundamentu lub innej konstrukcji podporowej,

– trzon słupa (2), tj. zasadniczy środkowy odcinek słupa, który może składać się z jednej sekcji lub z wielu sekcji łączonych ze sobą,

– głowica słupa (3), tj. górna część konstrukcji słupa, pozwalająca na mocowanie wyższej części konstrukcji, poprzeczników, rygli (w przypadku słupów w ustrojach ramowych, tzw. bramkach), galerii oświetleniowych (w przypadku podpór oświetleniowych) lub stanowiąca tylko zwieńczenie słupa.

Rys. 1.3. Przykładowy schemat budowy typowego słupa powłokowego (tu energetycznego): 1 – podstawa z zakotwieniem, 2 – wielokątny trzon, 3 – głowica, 4 – gniazdo mocowania na trzonie, 5 – poprzecznik

Elementy uzupełniające to:

– gniazda mocowania do trzonu (4) np. poprzeczników, galerii itp.

– poprzeczniki (5), ogólnie elementy wyposażenia funkcjonalnego zależne od funkcji słupa, tj. poprzeczniki w słupach energetycznych, galerie, podesty obsługowe w słupach oświetleniowych i pylonach reklamowych.

Znamienną cechą pełnościennych słupów powłokowych jest wysoce efektywna i ekonomiczna konstrukcja, charakteryzująca się bardzo małymi grubościami blach użytych na płaszcze trzonów. Cienkościenność płaszczy (duży stosunek średnicy trzonu do grubości płaszcza) okupiona jest oczywiście większym nakładem pracy projektantów. Smukłe ścianki słupa narażone są na utratę stateczności lokalnej, co należy uwzględnić w projektowaniu słupów. Ogromnego znaczenia nabierają w słupach powłokowych również zagadnienia obliczania i konstrukcyjnego kształtowania węzłów, połączeń i gniazd, a nawet dobór właściwych technik montażu.

Rys. 1.4. Schematy wspornikowych sylwetek słupów pełnościennych:

a) skokowo-zmienne, b) monotonicznie zbieżne, c) skokowo zbieżne

W szczególności słupy powłokowe najczęściej wykorzystywane są jako konstrukcje wspornikowe, kształtowane wytrzymałościowo. Z uwagi na znaczne z reguły gabaryty elementów uzasadnione jest stosowanie zmiennych przekrojów. Na rysunku 1.4 pokazano ogólne sylwetki słupów pełnościennych o zmiennej sztywności. W przypadku słupów trakcyjnych (konstrukcji wsporczych trakcji tramwajowych, trolejbusowych czy kolejowych) najczęściej stosuje się rozwiązanie przedstawione na rysunku 1.4a. Słup wykonywany jest wtedy z sekcji z rur, o odcinkowo stałych przekrojach poprzecznych. Z reguły wykorzystywane są standardowe przekroje rurowe okrągłe, łączone na wpust za pomocą pierścieni, klinów czy spoin otworowych lub spoin czołowych układanych na końcach specjalnie kształtowanych zagięć krawędzi rur. W wyjątkowych przypadkach można stosować styki doczołowe skręcane na blachy kołnierzowe. Grubości ścianek rur w tych słupach z reguły są znaczne i słupy tego typu mogą być obliczane jako ustroje prętowe bez uwzględniania efektów niestateczności lokalnej. Na rysunku 1.4b przedstawiono słup jednotrzonowy o monotonicznie zmiennej sztywności. Płaszcz z blachy o stałej grubości ma zbieżną średnicę. Z reguły przekroje poprzeczne kształtowane są jako wielokątne. Słupy tego typu stosowane są także jako konstrukcje wsporcze trakcji tramwajowej czy trolejbusowej, ale szersze zastosowanie znalazły np. w Niemczech jako podpory sieci elektroenergetycznej niskiego i średniego napięcia. Dość powszechnym rozwiązaniem jest w tym wypadku zakotwienie tych słupów bezpośrednio w podłożu gruntowym, stosuje się przy tym płyty oporowe i dodatkowo specjalne opaski stalowe pełniące funkcje związane z ochroną antykorozyjną słupów. Słupy pełniące rolę konstrukcji wsporczych sieci elektroenergetycznych średnich i w szczególności wysokich napięć, a także wysokie pylony oświetleniowe i reklamowe, kształtowane są najczęściej jako ustroje wielosegmentowe, zbieżne, o skokowej zmianie grubości sekcji (rys. 1.4c). Najbardziej rozpowszechnione są wielokątne przekroje poprzeczne, ale bywają również stosowane przekroje kołowe.

Bibliografia

Gwóźdź M.: Niektóre problemy nośności i remontów stalowych galerii powłokowych, Inżynieria i Budownictwo 8 (2002), 423–427.

Kozłowski T.: Stalowe maszty i wieże radiowe i telewizyjne, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1965.

Labocha S.: Stalowe słupy pełnościenne w elektroenergetycznych liniach napowietrznych. Przegląd rozwiązań. Cz.1, Energia Elektryczna 4 (2016), 21–23. Wydawnictwo PTPiREE.

Labocha S.: Stalowe słupy pełnościenne w elektroenergetycznych liniach napowietrznych. Przegląd rozwiązań. Cz.2, Energia Elektryczna 5 (2016), 18–19. Wydawnictwo PTPiREE.

Mendera Z., Szojda L., Wandzik G.: Stalowe konstrukcje wsporcze napowietrznych linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.

Murzewski J., Siepak J.: Stalowe belki powłokowe. Projektowanie z konstrukcji metalowych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1978.