Hale stalowe – rodzaje konstrukcji
Hale stalowe od wielu lat stanowią jeden z najpopularniejszych i najefektywniejszych typów obiektów budowlanych wykorzystywanych w przemyśle, logistyce, handlu czy rolnictwie. Ich rosnąca popularność wynika przede wszystkim z połączenia stosunkowo niskich kosztów realizacji, krótkiego czasu montażu oraz dużej elastyczności projektowej. Konstrukcje stalowe pozwalają na tworzenie zarówno prostych, ekonomicznych hal magazynowych, jak i nowoczesnych, wielkopowierzchniowych obiektów produkcyjnych czy widowiskowych o imponujących rozpiętościach bez podpór wewnętrznych.
PODZIAŁ ZE WZGLĘDU NA UKŁAD KONSTRUKCYJNY
Jednym z najważniejszych kryteriów klasyfikacji hal stalowych jest ich układ konstrukcyjny. To właśnie sposób przenoszenia obciążeń, forma pokrycia oraz rodzaj zastosowanych elementów nośnych decydują o możliwościach użytkowych hali, jej rozpiętości, kosztach budowy, i estetyce. Poniżej przedstawiono najczęściej spotykane rozwiązania.
- Hale o konstrukcji ram portalowych
Najbardziej rozpowszechnionym rozwiązaniem są hale o konstrukcji ram portalowych, w których głównymi elementami nośnymi są ramy o ryglach sztywno połączonych ze słupami, które zazwyczaj opierają się przegubowo na fundamencie. Tego typu układ zapewnia stosunkowo prostą formę architektoniczną, dużą rozpiętość bez podpór wewnętrznych (najczęściej do ok. 30 metrów) oraz szybki montaż, co czyni go niezwykle popularnym w budownictwie magazynowym, logistycznym i produkcyjnym. W tego rodzaju konstrukcjach istnieje możliwość znacznego zwiększenia ich rozpiętości, poprzez montaż dodatkowego ściągu przenoszącego tylko rozciąganie. W efekcie dochodzi do redukcji poziomych rekcji podporowych oraz do pomniejszenia wartości momentu zginającego u góry słupa. Takie działanie pozwala na zastosowanie mniejszych przekrojów elementów nośnych, kosztem wysokości użytkowej obiektu.Rys. 2 (model 3D hali portalowej – RFEM6) - Hale z dźwigarami kratownicowymi
W przypadku obiektów wymagających większych rozpiętości lub nośności, często stosuje się konstrukcje kratownicowe. Dźwigary kratowe, zbudowane z prętów połączonych w układach trójkątnych (niezmiennych geometrycznie), charakteryzują się wysoką nośnością przy relatywnie niewielkim zużyciu stali. Rozwiązanie to umożliwia kształtowanie dachów o rozpiętościach przekraczających nawet 60 metrów, co sprawia, że kratownice znajdują zastosowanie w halach sportowych, widowiskowych czy targowych. W odniesieniu do ram portalowych, hale o dźwigarach kratownicowych charakteryzują się znacząco większą trudnością wykonania i montażu oraz mniejszą wysokością użytkową przy jednakowej wysokości w kalenicy.Rys.3 (model 3D kratownicy dachowej RFEM6) Rys.4 (model 3D kratownicy dachowej RFEM6, deformacja układu) Rys.5 (rozwiązanie węzła „pas górny – płatew dachowa”) - Hele z dźwigarami blachownicowymi
Alternatywą dla kratownic są dźwigary blachownicowe, wykonywane ze spawanych blach stalowych. Ich istotną zaletą jest możliwość kształtowania wysokości przekroju wzdłuż rozpiętości, co pozwala na optymalne wykorzystanie materiału poprzez dostosowanie wielkości przekroju do występujących naprężeń. Konstrukcje tego typu znajdują zastosowanie głównie w halach przemysłowych i magazynach wysokiego składowania, gdzie wymagana jest duża sztywność oraz odporność na znaczne obciążenia, w tym dynamiczne, pochodzące od suwnic. Blachownice o wyjątkowo smukłych przekrojach (klasy 4), niejednokrotnie wymagają projektowania wspomaganego badaniami doświadczalnymi, są to elementy konstrukcyjne, mające możliwość pracy w tzw. stanie nadkrytycznym (wyboczenie części przekroju z zachowaniem dalszej możliwości do przenoszenia obciążeń).Rys.4 (model powierzchniowy blachownicy, rozkład naprężeń wg teorii H-M-H, RFEM6) Rys.5 (model przestrzenny blachownicy wraz z trawersą do badań laboratoryjnych, Tekla Structures ) Rys.6 (stanowisko badawcze, Politechnika Krakowska, Katedra Konstrukcji Mostowych, Metalowych i Drewnianych L-3) - Hele z dźwigarami blachownicowymi
Kolejnym rozwiązaniem są układy cięgnowe, w których wykorzystuje się liny stalowe lub pręty pracujące na rozciąganie. Dzięki temu możliwe jest przekrywanie bardzo dużych rozpiętości przy minimalnym zużyciu materiału. Konstrukcje cięgnowe, choć wymagają precyzyjnego montażu i regularnej kontroli naciągów, charakteryzują się niezwykle lekką i efektowną formą architektoniczną. Stosowane są przede wszystkim w obiektach widowiskowych, sportowych oraz jako zadaszenia stadionów.Rys.7 (model dźwigara cięgnowego, RFEM6) - Hele ramowo-kratowe
Interesującą grupę stanowią także hale ramowo-kratowe, będące połączeniem sztywnego szkieletu ramowego z elementami kratownicowymi. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwym staje się pokrycie rozpiętości wynoszącej ponad 100 m.Rys.8 (rysunek poglądowy hali ramowo-kratowej) - Hele ramowo-kratowe
Wreszcie należy wspomnieć o halach łukowych, w których główne elementy nośne mają kształt wygiętego łuku (kołowego, parabolicznego lub o innym określonym kształcie). Takie ukształtowanie pozwala na korzystne przenoszenie obciążeń, a jednocześnie nadaje obiektowi charakterystyczną formę architektoniczną. Konstrukcje łukowe, wykonywane z kratownic lub profili pełnościennych, znajdują szerokie zastosowanie w hangarach lotniczych, halach sportowych czy innych obiektach wymagających znacznych rozpiętości bez podpór wewnętrznych. Znane są już od starożytności, a ich odpowiednie ukształtowanie może skutkować nawet całkowitą redukcją momentu zginającego.Rys.9 (przykładowe schematy statyczne konstrukcji łukowych)
Na zakończenie warto podkreślić, że opisane powyżej rozwiązania – ramy portalowe, kratownice, dźwigary blachownicowe, konstrukcje cięgnowe, ramowo-kratowe czy łukowe – należą do najczęściej stosowanych i najbardziej rozpoznawalnych układów w budownictwie halowym. Nie wyczerpują one jednak całej różnorodności dostępnych systemów. W praktyce spotyka się również konstrukcje wielonawowe, wieloprzęsłowe, a także rozwiązania mieszane, łączące różne typy pokryć i elementów nośnych. Dobór odpowiedniego układu zależy od przeznaczenia hali, wymaganej rozpiętości, warunków gruntowych oraz budżetu i wymagań inwestora, co sprawia, że każda realizacja nie może się obejść bez indywidualnego podejścia projektowego.
