Budowa hali stalowej i elementy konstrukcji stalowych hali przemysłowej

Budowa hali stalowej – od czego zależy budowa hali stalowej przemysłowej?

Budowa hali stalowej jest uzależniona od przeznaczenia obiektu oraz związanych z tym wymagań technologicznych, które decydują o wymiarach i kształcie hali oraz o rozwiązaniach konstrukcyjnych. W przypadku przemysłowych hal stalowych najczęściej projektuje się tzw. płaskie układy poprzeczne powiązane ze sobą płatwiami, ryglami, stężeniami itp. (rys. 1). Osłonę przed warunkami atmosferycznymi stanowi pokrycie dachowe i obudowa ścian, obecnie wykonywane z lekkich materiałów o dobrych właściwościach termoizolacyjnych. Takie rozwiązania uważa się za ekonomiczne oraz łatwe i szybkie w budowie.

Ze względu na procesy produkcyjne i zasady magazynowania w halach przemysłowych konieczne jest zapewnienie transportu. Wykorzystuje się transport, który nie obciąża konstrukcji (np. wózkowy poruszający się po posadzce) oraz taki, który obciąża konstrukcję układów poprzecznych (np. suwnice poruszające się na belkach). Również ze względów technologicznych projektuje się różnego rodzaju pomosty, podesty, schody itp.

Wymiary hali stalowej

Wymiary hali przemysłowej są konsekwencją dwóch aspektów – wymiarów działki budowlanej oraz przestrzennego planu zagospodarowania terenu, z których wynikają ograniczenia dotyczące wymiarów zewnętrznych budynku. Dla inwestora istotna jest przestrzeń, w której będzie mógł prowadzić swoją działalność produkcyjną lub magazynową.

Dostępną przestrzeń wewnętrzną może ograniczać, np. konstrukcja obiektu oraz tzw. skrajnie pracy urządzeń i maszyn. Zakres pracy suwnicy ograniczają skrajnie, które wynikają m.in z pracy wózka suwnicy na długości pomostu, pracy suwnicy pomiędzy odbojnicami na długości hali czy wysokość podnoszonego ładunku w stosunku do poziomu pomostu. Ponadto w hali powinna być również zachowania minimalna odległość konstrukcji dachu oraz słupów od gabarytów zewnętrznych suwnicy. Przepisy techniczne i BHP precyzują wymagania związane, np. z minimalną szerokością pomostów roboczych. Takie aspekty należy wyjaśnić z inwestorem i technologiem na etapie założeń projektowych. Po nich przystępuje się do ustalenia ostatecznych wymiarów obiektu, projektowania konstrukcji, ustalania jej schematu, rozstawu układów poprzecznych, rozwiązań materiałowych itp. Przykład doboru wymiarów hali oraz uwzględniania skrajni i zakresu pracy haka suwnicy pokazano na rys. 2.

Schematy statyczne do budowy hali stalowej

Hale przemysłowe są najczęściej projektowane o prostych, płaskich schematach statycznych w postaci ram:

• o węzłach sztywnych (rys. 3a),
• o dźwigarach opartych przegubowo na słupach (rys. 3b),
• ze słupami przegubowo połączonymi z fundamentami (rys.3c),
• trójprzegubowych (rys. 3d).

Każde z powyższych rozwiązań ma swoje wady i zalety. Ramy ze słupami przegubowo połączonymi z fundamentami oraz trójprzegubowe wymagają mniejszych wymiarowo fundamentów w stosunku do pozostałych, natomiast charakteryzują się niższą sztywnością, co powoduje, że przemieszczenie głowicy słupa będzie większe. Sprawdzą się one przy budowie hal stalowych na terenach objętych górniczą eksploatacją podziemną (na terenach tzw. szkód górniczych), natomiast w obiektach z transportem suwnicowym ich zastosowanie będzie niekorzystne.

W przypadku ram o dźwigarach opartych przegubowo na słupach wymagane są większe przekroje rygli w celu spełnienia warunków nośności i sztywności. Dźwigary pełnościenne stosuje się do budowy hal stalowych o niewielkich rozpiętościach. Korzystniejsze jest zastosowanie wiązara kratowego, a schemat statyczny określa się wówczas jako słupowo-wiązarowy (rys. 4a) i jest on najczęściej stosowany w halach przemysłowych.

Rama o węzłach sztywnych (tzw. portalowa, rys. 4b) charakteryzuje się z kolei dużą sztywnością, ale często również zwiększonym zużyciem materiału. W celu osiągnięcia efektów ekonomicznych projektuje się ramy o zbieżnych słupach i czasami również ryglach (rys. 4c). Zbieżność przekrojów na długości uzyskuje się dzięki zastosowaniu w blachownicach trapezowego środnika płaskiego lub falistego.

W przypadku budowy hal stalowych w układach wielonawowych stosuje się podobne rozwiązania do opisanych wyżej. Ramy tworzące nawy najczęściej mają schematy statyczne, w których dźwigary są:

• belkami swobodnie podpartymi na słupach (rys. 5a),
• belkami ciągłymi sztywno połączonymi ze słupa zewnętrznymi oraz podpartymi na wewnętrznych słupach wahaczowych (rys. 5b),
• belkami ciągłymi, sztywno połączonymi ze wszystkim słupami (rys. 5c i rys. 5d).

 

W tym miejscu warto jeszcze zwrócić uwagę na zagadnienia związane ze sztywnością węzłów opisane w Eurokodzie PN-EN 1993-1-8 [6]. W przypadku połączenia słupów hal z fundamentem bardzo rzadko stosuje się łożyska, np. typu mostowego. Połączenie rygla ze słupem nie zawsze jest zaprojektowane o pełnej sztywności. W normie PN-EN 1993-1-8 [6] podano wymagania dotyczące określenia nośności i sztywności połączenia, zakwalifikowania go do odpowiedniej kategorii sztywności (tzn. nominalnie przegubowego, podatnego lub sztywnego) oraz uwzględniania sztywności w analizie statyczno-wytrzymałościowej konstrukcji stalowej hali przemysłowej. Sztywność połączeń wpływa na rozkład sił wewnętrznych w prętach ramy oraz na przemieszczenia jej węzłów.

Budowa hali stalowej a transport

Na budowę hali stalowej wpływa również transport wewnętrzny, zwłaszcza ten, który ściśle wiąże się z konstrukcją stalową hali i wymaga zastosowania belek jezdnych. Po belkach mogą poruszać się różnego typu urządzenia, takie jak: suwnice natorowe jedno- lub dwudźwigarowe (rys. 6) czy suwnice i wciągniki podwieszone (rys. 7).

Belki jezdne wciągników (rys. 7) oraz suwnic o niewielkim udźwigu mogą być mocowane do stalowej konstrukcji dachu, tzn. do pasa dolnego rygla pełnościennego lub do pasa dolnego kratownicy (rys. 8a). Koła wciągników oraz suwnic poruszają się wówczas po pasie dolnym belek jezdnych projektowanych z dwuteowników lub ewentualnie dwuteowników ze wzmocnionymi pasami.

Jednak typowym środkiem transportu w halach przemysłowych są suwnice natorowe poruszające się po szynach umieszczonych na belkach podsuwnicowych. Produkowane są jako jedno- lub dwudźwigarowe (rys. 6). Belki podsuwnicowe przeznaczone dla lekkich suwnic o małym udźwigu są ustawiane na wspornikach słupów hali (rys. 8b i rys. 9), a w przypadku suwnic ciężkich o dużym udźwigu projektuje się słupy dwustopniowe, w których część dolna słupa (tzw. podsuwnicowa) jest bardziej rozbudowana, najczęściej dwugałęziowa (rys. 8c). Schemat hali dwunawowej wykonany na podstawie inwentaryzacji obiektu istniejącego pokazano na rys. 9.

Oczywiście transport wewnątrz hali może być również realizowany środkami niewymagającymi powiązania bezpośrednio z konstrukcją stalową hali, np. wózkami, taśmociągami, suwnicami bramowymi.

 

Budowa hali stalowej – elementy konstrukcyjne hali stalowej

Konstrukcje stalowe hali przemysłowej jednonawowej z suwnicą i poszczególnymi elementami przedstawiają rys. 10 i rys. 11, natomiast rys. 12 – zdjęcie makiety takiej hali, a rys. 13 – zdjęcie szkieletu hali przeznaczonej do remontu i ponownego użytkowania. Głównymi elementami hal przemysłowych o konstrukcji stalowej są:

• układy poprzeczne składające się ze słupów (SGg, SGd) i dźwigarów (wiązarów dachowych WD),
• płatwie dachowe (PD),
• rygle (RS) i słupki (SP) obudowy zewnętrznej (tzw. ryglówka ścienna),
• belki podsuwnicowe toru jezdnego suwnic (BP) w przypadku hal wyposażonych w suwnice,
• stężenia (T1, T2, T3, T4g, T4d),
• belki wiatrowe (T5),
• podciągi (PK),
• podesty, pomosty, schody na podesty, drabinki, itp.,
• obudowa.

Słupy

Przy budowie hali stalowej należy dobrać konstrukcje słupów, które zależą od przyjętego schematu statycznego oraz potrzeb technologicznych obiektu. Jeżeli hala nie jest wyposażona w suwnicę to stosuje się wszystkie schematy statyczne przedstawione na rys. 3. Słupy mogą być wykonane m.in.:

• z profili walcowanych (dwuteowniki IPE, HEA, HEB),
• z profili spawanych, tzn. blachownic o płaskim lub falistym środniku, w tym również o zbieżnym środniku,
• jako kratowe lub rzadziej jako dwugałęziowe z przewiązkami.

 

W przypadku budowy hali stalowej, w której będą stosowane suwnice dominują schematy statyczne ram portalowych (rys. 3a) lub słupowo-wiązarowe (rys. 3b). Jak wspomniano belkę podsuwnicową można oprzeć na wsporniku przyspawanym do słupa pełnościennego wykonanego z dwuteownika walcowanego lub spawanego (rys. 8b, rys. 9), jednak częściej stosuje się suwnice o dużych udźwigach i wówczas konieczne staje się zaprojektowanie słupa o konstrukcji dwustopniowej. Górna część słupa (tzw. nadsuwnicowa, oznaczona na rys. 10 i rys. 11 jako SGg) jest wykonywana z pojedynczego profilu pełnościennego najczęściej dwuteowego (rys. 10, rys. 14a i rys. 14b) lub ewentualnie jako kratowa, np. w przypadku słupa wewnętrznego.

Dolna część słupa (tzw. podsuwnicowa, oznaczona na rys. 10 i rys. 11 jako SGd) natomiast jest projektowana jako dwugałęziowa. Gałęzie dolnej części słupa zewnętrznego tworzy zestaw złożony z ceownika (gałąź zewnętrzna) i dwuteownika (gałąź wewnętrzna) – rys. 10 i rys. 14a lub zestaw dwóch dwuteowników. Gałęzie słupa połączone są skratowaniem z kątowników, a ich rozstaw wynika m.in. z wymagań dotyczących szerokości pomostu i skrajni suwnicy (rys. 2). Przykład doboru geometrii słupa dwustopniowego pokazano na rys. 2, a na rys. 8, 10 i 12 przedstawiono zastosowanie takich słupów w projektowaniu konstrukcji stalowej hali przemysłowej.

Dźwigary dachowe

Dźwigary dachowe są elementem konstrukcji ram poprzecznych. W przypadku budowy hali stalowej przemysłowej funkcję dźwigarów dachowych najczęściej pełnią:

• rygle wykonane z profili walcowanych (dwuteowniki IPE, HEA itp.),
• blachownicowe rygle o płaskim lub falistym środniku (SIN),
• wiązary (na rys. 10 oznaczone jako WD, rys. 12).

 

Profile walcowane stosuje się dla rygli o stosunkowo niewielkich rozpiętościach, natomiast rozpiętość rygli blachownicowych może osiągnąć kilkadziesiąt metrów. Przykład zastosowania profil SIN na rygiel i płatew pokazano na rys. 15. Jak już wspomniano, w halach stalowych przemysłowych najczęściej rygle pełnościenne łączy się ze słupami w sposób doczołowy przy zastosowaniu śrub wysokiej wytrzymałości.

W większości przypadków wiązary typu płaskiego są stosowane w halach o rozpiętości do 36 m. Możliwości kształtowania geometrii wiązarów są bardzo duże. Najczęściej stosuje się modele typu belkowego. W przypadku połaci jednospadowej lub w wielopołaciowych w halach wielonawowych znalazły zastosowanie wiązary o pasach równoległych (rys. 16a), a w przypadku połaci dwuspadowej – wiązary dwutrapezowe (rys. 10, 12, i 16b). W dachach hal wielonawowych stosuje się również wiązary ciągłe (wieloprzęsłowe).

W starszych halach stalowych na pasy stosowano profile z połówek dwuteowników (tzw. wiązary jednościenne) lub z dwóch kątowników w układzie ceowym (tzw. wiązary dwuścienne). Skratowanie wykonane z dwóch kątowników łączyło się z pasami poprzez blachy węzłowe. Obecnie coraz częściej stosuje się wiązary, w których pasy są projektowane z dwuteowników, rur okrągłych lub prostokątnych, a skratowanie z rur okrągłych lub prostokątnych łączy się bezpośrednio z pasami bez blach węzłowych. W przypadku konieczności zaprojektowania dachu o dużym spadku można zastosować wiązary typu trójkątnego. Na wiązarach montowano również konstrukcje stalowych świetlików, co można zobaczyć na rys. 13.

Płatwie

Przekrycia hal przemysłowych projektuje się w większości jako płatwiowe, a rzadziej jako bezpłatwiowe. Zadaniem płatwi (na rys. 10 i rys. 11 oznaczone jako PD, rys. 12) jest przeniesienie obciążeń z pokrycia dachowego na dźwigary dachowe. Schemat płatwi może być w postaci belki:

• jednoprzęsłowej swobodnie podpartej,
• dwuprzęsłowej,
• ciągłej,
• gerberowskiej.

 

Stosując schemat belki dwuprzęsłowej lub ciągłej uzyskuje się mniejsze wartości momentów zginających oraz większą sztywność. W przypadku belki ciągłej styki montażowe projektuje się w okolicach zerowania się momentów zginających. Płatwie projektuje się stosując:

• profile typu dwuteowniki IPE, IPN, HEA, HEB lub ceowniki,
• profile gięte na zimno ceowe i zetowe,
• belki ażurowe,
• kratownice.

 

Profile gorącowalcowane najczęściej są wykorzystywane przy projektowaniu płatwi o rozpiętości między podporami do 9 m. Przy większych rozpiętościach stosuje się płatwie kratowe (rys. 13, 16 i 17). Pasy górne tych płatwi, a w przypadku lekkiego pokrycia również pasy dolne, łączy się elementami spinającymi w postaci prętów lub kratownic (rys. 16a i rys. 17). Na rys. 16b można dostrzec blachy węzłowe przygotowane do spięcia ze sobą płatwi w pary.

Innym rozwiązaniem, pozwalającym uniknąć stosowania płatwi kratowych lub pełnościennych o wysokim przekroju, jest zastosowanie wiązarów pośrednich (na rys. 11 oznaczonych jako WD) opartych na podciągach (na rys. 11 oznaczonych jako PK) mocowanych do słupów głównych, tak jak pokazano na rys. 11 i rys. 12.

Ryglówka ścian

Pod pojęciem ryglówki rozumie się układ słupków (na rys. 11 oznaczonych jako SP) i rygli poziomych (na rys. 12 oznaczonych jako RS) służących do mocowania obudowy ścian bocznych, okien, drzwi, bram itp. Ich układy oraz zastosowane przekroje poprzeczne zależą od wymagań technologicznych (np. lokalizacji bram, okien) oraz zastosowanych materiałów do obudowy ścian.

Belki podsuwnicowe

Belki podsuwnicowe suwnic natorowych (na rys. 10 i rys. 11 oznaczonych jako BP) projektuje się najczęściej jako swobodnie podparte, natomiast suwnic i wciągników podwieszonych do konstrukcji dachu – jako ciągłe. Belki podsuwnicowe z uwagi na ich konstrukcję można podzielić na:

• pełnościenne o przekroju dwuteowym typu HEA, HEB (rys. 18a),
• pełnościenne o przekroju dwuteowym typu IPE ze wzmocnionym pasie górnym przy pomocy dwóch kątowników (rys. 18b) lub nakładki z ceownika (rys. 18c),
• blachownicowe monosymetryczne (rys. 18d),
• blachownicowe ze stężeniem blaszanym lub kratowym (rys. 18e),
• kratowe płaskie ze stężeniem blaszanym lub kratowym (bardzo rzadko spotykane i tylko w starych halach).

 

Belki podsuwnicowe bez stężeń projektuje się przy ich rozpiętościach do 6 m dla lekkich suwnic, a przekroje belek głównych składające się z blach i kształtowników przy rozpiętościach do 9 m. W halach przemysłowych o dużej intensywności pracy suwnicy najczęściej projektuje się belki blachownicowe z tężnikiem. Na rys. 12, rys. 14a oraz rys. 19a i rys. 19c pokazano belki z tężnikiem kratowym, natomiast na rys. 19d – z tężnikiem blaszanym. W przypadku tężnika kratowego mocuje się na mim kraty pełniące rolę pomostu roboczego (rys. 19b).

Podciągi

Zadaniem podciągów jest podparcie innego elementu konstrukcyjnego i przeniesienie obciążeń na sąsiednie elementy. Stosuje się je w przypadku braku możliwości bezpośredniego podparcia elementu nośnego. Wykorzystuje się je m.in. w halach przemysłowych (rys. 11 oznaczone jako PK i rys. 12), gdzie główne układy poprzeczne rozstawia się, np. co 12 lub 18 m, a wiązary co 6 m. Wówczas podciąg podpiera wiązar pośredni (rys. 11 oznaczony jako WD) i przenosi obciążenia na sąsiednie układy poprzeczne. Konstruuje się je jako belki pełnościenne lub kratowe.

Belki wiatrowe (wiatrownice)

Zadaniem belek wiatrowych jest podparcie pośrednie słupków obudowy i przeniesienie obciążeń na inne elementy. Przeznaczone są do wysokich halach, najczęściej powyżej 10 m. Konstruuje je się w postaci kratownicy. Znalazły zastosowanie przede wszystkim w obiektach z belką podsuwnicową (rys. 11 oznaczone jako T5, rys. 12, rys. 20). Wiatrownica może się opierać na pasie górnym lub dolnym (rozwiązanie rzadziej stosowane) belki podsuwnicowej.

Stężenia

Układy stężeń stosuje się w celu zapewnienia stateczności i odpowiedniej sztywności hal jako całości oraz poszczególnych ich części. Dzięki nim w płaszczyznach zamykających przestrzeń obiektu uzyskuje się układ geometrycznie niezmienny. Zadaniem stężeń budynków jest:

• zapewnienie stateczności i sztywności hali jako całości,
• zapewnienie stateczności poszczególnym częściom hali lub jej elementom,
• podparcie elementów i przejęcie od nich sił oraz przekazanie ich na fundamenty lub inne elementy konstrukcji (np. podparcie słupków obudowy hali i przejęcie sił od wiatru),
  zapewnienie bezpiecznego i wygodnego montażu.

 

Stężenia hali stalowej można podzielić na:

• stężenia dachowe:
  – połaciowe: poprzeczne (oznaczone jako T1 na rys. 11 i rys. 21) lub podłużne (oznaczone jako T2 na rys. 11 i rys. 21),
  – w poziomie dolnych pasów dźwigarów dachowych,
  – pionowe skratowanie między dźwigarami (oznaczone jako T3 na rys. 11 i rys. 21),
• stężenia ścienne:
  – pionowe (oznaczone jako T4 i T6 na rys. 21 oraz T4g i T4d na rys. 11): w górnej części słupów (nad belką podsuwnicową – rys. 11) lub w dolnej części słupów (poniżej belki podsuwnicowej – rys. 11),
  – poziome: wiatrownice ścian szczytowych (oznaczone jako T5 na rys. 11 i rys. 21) lub wiatrownice ścian podłużnych (oznaczone jako T7 na rys. 21).

Zasady rozmieszczania stężeń można znaleźć w normie PN-90/B-03200 [7], która mimo iż została oficjalnie wycofana, zawiera wiele cennych wskazówek konstrukcyjnych. Stężenia połaciowe poprzeczne montuje się na całej szerokości w polach skrajnych lub przedskrajnych, w polach przydylatacyjnych oraz w polach, gdzie występują stężenia pionowe ścienne. Stężenia połaciowe podłużne natomiast wzdłuż ścian podłużnych oraz wewnętrznych rzędów słupów (w przypadku hal wielonawowych). Stężenia pionowe z kolei należy stosować w polach, gdzie występuje stężenie połaciowe poprzeczne, a czasem również na całej długości dachu (np. gdy występują suwnice o udźwigu Q>150 kN). Rozstaw tych stężeń, a także odległość najbliższego stężenia od linii podpór nie powinna być większa niż 15 m, jednak w przypadku występowania ściskania pasów dolnych wiązarów konieczne jest ich zagęszczenie.

Stężenia ścienne w halach z transportem podpartym można podzielić na:

• stężenia górne występujące nad torem jezdnym suwnic i zlokalizowane w płaszczyźnie osi górnych gałęzi słupów; należy je zakładać w polach, w których występują stężenia połaciowe poprzeczne oraz stężenia w dolnej części słupów,
• stężenia dolne występujące pod torem jezdnym suwnic i zlokalizowane co najmniej w płaszczyźnie osi gałęzi wewnętrznych słupów; należy je zakładać przynajmniej w jednym polu, a w przypadku hal długich – w dwóch lub więcej, przy czym unika się zakładania ich jednocześnie w dwóch skrajnych polach jednego segmentu.

 

Stężenia ścienne poziome (wiatrownice) są zakładane w przypadku występowania rusztów (szkieletu) obudowy ścian. Stanowią one podpory pośrednie dla słupów obudowy ścian szczytowych i ewentualne ścian podłużnych przy działaniu wiatru.

Obudowa hali stalowej

Obecnie przy budowie hali stalowej na pokrycie dachu oraz do obudowy ścian stosuje się dwa rozwiązania. Pierwsze bazuje na zastosowaniu lekkich płyt warstwowych składających się z dwóch metalowych niskoprofilowanych okładzin i rdzenia z wełny mineralnej, styropianu bądź pianki poliuretanowej. Zaś drugie składa się z blachy trapezowej (fałdowej) na której układa się warstwy izolacji termicznej i przeciwwodnej. Dobierając obudowę należy pamiętać, że pełni ono podwójną rolę. Musi zapewnić wymaganą przepisami izolacyjność termiczną przegrody, a także zapewnić nośność i sztywność przy przyjmowaniu obciążeń, np. śniegiem czy wiatrem. Należy mieć również na uwadze aspekt doświetlenia hali światłem słonecznym. W starszych obiektach konstruowano stalowy szkielet świetlika wznoszący się nad powierzchnię połaci dachu. Obecnie stosuje się świetliki typu lekkiego, które są niewiele wyniesione nad płaszczyznę dachu. (rys. 22). Okna w ścianach mocuje się do konstrukcji rygli poziomych.

Podsumowanie

W artykule omówiono podstawowe elementy konstrukcji stalowej hal przemysłowej, koncentrując się głównie na rozwiązaniach typowych i sprawdzonych przez wiele lat ich stosowania. Oczywiście nie wyczerpuje to informacji o wszystkich aspektach projektowania hal przemysłowych i o stosowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Więcej informacji można uzyskać w dostępnej literaturze.

Literatura
1. A. Biegus, „Projektowanie stężeń stalowych budynków halowych”, Politechnika Wrocławska, 2012.
2. M. Łubiński, W. Żółtowski, „Konstrukcje metalowe. Cz. 1 i Cz. 2” Warszawa 1986 i 1992.
3. B. Kowolik, „Konstrukcje stalowe hal wielkopowierzchniowych”, „Nowoczesne Hale” 2019, nr 2.
4. S. Swierczyna, „Materiały dydaktyczne dla studentów Wydziału Budownictwa Politechniki Śląskiej”.
5. Makieta wykonana przez studentów Politechniki Śląskiej.
6. PN-EN 1993-1-8:2006 „Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-8: Projektowanie węzłów”.
7. PN-90/B-03200 „Konstrukcje stalowe. Obliczenia i projektowanie”.