BUDOWNICTWO
STALOWE
KONSTRUKCJE CIĘGNOWE Charakterystyka prof. dr hab. inż. Szymon Pałkowski
84
sierpień 2014
Kierownik Katedry Konstrukcji Metalowych, Politechnika Koszalińska
Builder
Część 1
N
a okoliczność tę wpływa wiele specyficznych zalet tych ustrojów, jak np. duża swoboda architekta w kształtowaniu bryły obiektu, możliwość uzyskiwania dużych rozpiętości i powierzchni, mały ciężar własny konstrukcji, wynikający z wysokiej wytrzymałości materiału oraz faktu, że w przekrojach poprzecznych cięgien (lin) występują tylko naprężenia rozciągające. Ponadto stosunkowo tani i prosty montaż konstrukcji nie wymaga na ogół skomplikowanych rusztowań. W związku z tymi pozytywnymi cechami konstrukcje cięgnowe są bezkonkurencyjne w rozwiązaniach o dużych i bardzo dużych rozpiętościach. Znajdują zastosowanie przede wszystkim w takich obiektach budowlanych, jak np.: – hale widowiskowo-sportowe i pawilony wystawowe, – mosty wiszące i podwieszone, – maszty i kominy z odciągami, – wyciągi narciarskie i kolejki linowe, – napowietrzne linie energetyczne. Oprócz wielu wymienionych zalet konstrukcje cięgnowe mają także pewne wady. Podstawową trudnością, jaka występuje przy projektowaniu tych konstrukcji, jest przeniesienie sił z cięgien na fundamenty. Prawie zawsze trzeba się tu liczyć z niekorzystnym obciążeniem (wyrywaniem) fundamentów i bloków kotwiących. Ponadto pewne problemy stwarza samo wykonawstwo; dotyczy to zagadnień związanych z zakotwieniem cięgien, ustaleniem właściwej (projektowanej) geometrii ustroju i zrealizowaniem wstępnego sprężenia ustroju. Pewnego rodzaju niedogodnością są też większe trudności związane z obliczaniem konstrukcji wiszących w stosunku np. do konstrukcji prętowych. Trudności te wynikają ze specyficznych właściwości ustrojów cięgnowych (duże nieliniowe przemieszczenia, geometryczna zmienność ustrojów bez wstępnego napięcia), odróżniających je w sposób zasadniczy od typowych konstrukcji prętowych.
Rodzaje konstrukcji cięgnowych
Do konstrukcji cięgnowych mających częste zastosowanie praktyczne należą: • ustroje złożone z pojedynczych cięgien, • płaskie dźwigary cięgnowe, • powierzchniowe siatki cięgnowe. Ustroje, których elementem nośnym jest pojedyncze cięgno, są najprostszymi konstrukcjami wiszącymi (rys. 1a). Składają się one z sze-
Konstrukcje cięgnowe, nazywane też często konstrukcjami wiszącymi, należą do bardzo ekonomicznych i nowoczesnych konstrukcji inżynierskich. regu cięgien ułożonych równolegle lub radialnie i zakotwionych w konstrukcji wsporczej. Aby zabezpieczyć przekrycie przed ujemnym wpływem ssania wiatru, pokrycie musi tu mieć odpowiednio duży ciężar, co znacznie zmniejsza walory ekonomiczne tego typu konstrukcji wiszących. W celu wyeliminowania dużych zmian geometrycznych pojedynczego cięgna nośnego wprowadza się dość często dodatkowe cięgno napinające, otrzymując w ten sposób wstępnie napięty płaski dźwigar cięgnowy, nazywany też dźwigarem (kratownicą) Jawertha (rys. 1b). Dzięki wspomnianemu napięciu dźwigary te charakteryzują się dużo korzystniejszymi właściwościami w porównaniu z pojedynczymi linami. Wpływ wstępnego napięcia znacznie ogranicza tu przemieszczenia wywołane nierównomiernym obciążeniem oraz poprawia dynamiczne właściwości ustroju wskutek wzrostu dekrementu tłumienia drgań. Tego typu dźwigary cięgnowe są też mało podatne na rezonans wywoływany porywami wiatru.
Do interesujących konstrukcji wiszących, służących głównie do przekryć hal widowiskowo-sportowych, należą powierzchniowe siatki cięgnowe. Składają się one z dwu rodzin cięgien – nośnych i napinających – leżących na powierzchni o ujemnej krzywiźnie Gaussa. Dźwigary cięgnowe Jawertha znajdują zastosowanie głównie przy projektowaniu lekkich przejść przez przeszkody wodne (kładki dla pieszych, rurociągi podwieszone); są one też używane do przekryć hal widowiskowo-sportowych, dworców, hangarów, magazynów oraz do przekryć obiektów przemysłowych bez podwieszonego transportu wewnętrznego. We wszystkich tego rodzaju obiektach istnieje możliwość zastosowania lekkich pokryć dachowych. Do interesujących konstrukcji wiszących, służących głównie do przekryć hal widowiskowo-sportowych, należą powierzchniowe siatki cięgnowe (rys. 1c). Składają się one z dwu rodzin cięgien – nośnych i napinających – leżących na powierzchni o ujemnej krzywiźnie Gaussa. Obydwa rodzaje cięgien są zazwyczaj kotwione w dźwigarze brzegowym, który – oprócz oparcia na fundamencie – przytrzymywany jest często na obwodzie słupami lub odciągami.