Przedmiotem artykułu jest analiza konstrukcji dwóch zniszczonych obiektów szklarniowych o typowej, modułowej konstrukcji nośnej. Omawiane szklarnie zostały zaprojektowane i wybudowane w czasie, gdy w Polsce nie było przeznaczonej dla tego typu obiektów normy branżowej, która regulowałaby zagadnienia takie, jak redukcja obciążeń śniegiem. Mimo to, obiekty szklarniowe były projektowane przy założeniu, że panująca wewnątrz temperatura, przy jednoczesnym wysokim współczynniku przenikania ciepła obudowy szklanej, skutkuje topieniem śniegu na dachu, a tym samym możliwe jest przyjęcie zredukowanej wartości tego obciążenia.

 

 

Opis konstrukcji szklarni

 

Kompleks szklarni ogrodowych składał się z obiektów o zbliżonej konstrukcji, oraz różnej geometrii. Wysokości układów wykazywały znaczące różnice, czego jednym z powodów był rozwój ogrodnictwa, który poprzez zwiększenie wysokości użytecznej poprawiał warunki panujące wewnątrz szklarni.

 

Omawiane obiekty posiadały instalacje wspomagające, umożliwiające prawidłowe prowadzenie uprawy roślin, takie jak: 

  • instalację elektryczną, oświetleniową i zasilającą w zakresie obsługi urządzeń technicznych szklarni,
  • instalację wentylacji mechanicznej i nawiewu CO2,
  • zestawy kurtyn termoizolacyjnych, wykonane z folii anty-kondensacyjnych oraz folii odpornych na działanie UV,
  • instalację kontroli klimatu, wilgotności, temperatury i doświetlenia,
  • instalację grzewczą w postaci zestawu rur w trzech poziomach: przyziemie, strefa środkowa i strefa poddachowa.

 

Na terenie gospodarstwa zawaleniu uległy obiekty o powierzchni ~ 2,5 ha, wraz z całkowitym zniszczeniem instalacji i wyposażenia. 

 

Pierwszym rozpatrywanym obiektem, zniszczonym całkowicie, była tzw. szklarnia „białoruska” (rys. 1.) wybudowana w latach 1993-1994 r. Głównym ustrojem nośnym była konstrukcja prętowa, wykonana z otwartych kształtowników zimnogiętych ze stali St3S (odpowiednik S235). Wymiary obiektu w rzucie wynosiły 147,2 m (23x6,4 m) na 75 m (25x3,0 m). Rozpiętość powtarzalnego układu konstrukcyjnego w kolejnych traktach wynosiła 6,4 m, rozstaw układów 3,0 m, a wysokość w kalenicy ~4,85 m. Układ ramowy składał się z dwuspadowych, trójkątnych kratownic, sztywno opartych na słupach, które połączono przegubowo z fundamentami. Stateczność konstrukcji dla kierunku prostopadłego do układów poprzecznych zapewniały trzy pasma stężeń, wykonane ze specjalnie wyprofilowanych elementów „Z” (boczne) i układu stężającego „X” z prętów Ø10 (środkowy). Pokrycie dachu stanowiły tafle wykonane ze szkła typu float o grubości 4 mm, montowane na szprosach ze stopu aluminium PA38. Zastosowano przeszklenia o szerokości tafli 0,75 m. Spadek połaci dachu wynosił ok. 26,5o. W linii okapowej kolejnych traktów szklarni umieszczono rynny odprowadzające wodę opadową i powstającą na skutek topnienia śniegu w okresie zimowym. Rynny posiadały spadek 1 cm na każde 3 m długości, od osi środkowej obiektu na boki, z rurami spustowymi na końcach (w układach przedskrajnych obiektu). Do szklarni z dwóch stron przylegały obiekty o wysokości około 1 m wyższe. Sprzyjało to tworzeniu się tzw. worków śniegowych – okresowo zwiększonego obciążenia śniegiem, działającego lokalnie na strefę dachu przylegającego do wyższego obiektu. Konstrukcja nie posiadała wzmocnień w strefach narażonych na zwiększone obciążenie. Zniszczoną szklarnię przedstawiono na rys. 2a i 2b.

 

 

2016 10 44 1

Rys. 1. Układ ramowy szklarni „białoruskiej”

 

 

 

2016 10 44 2

2016 10 44 3

Rys. 2. Zniszczona szklarnia „białoruska”

 

(...)

 

Drugim obiektem, zniszczonym częściowo, była szklarnia tzw. „belgijska” (rys. 3), wybudowana w 2001 r. Wymiary w rzucie wynosiły 90 m (20x4,5 m) na 160 m (20x8,0 m). Główny układ nośny szklarni stanowiły układy ram płaskich składające się z kratownic o pasach równoległych o rozpiętości 8 m, rozstawionych co 4,5 m i wysokości w kalenicy ~5 m. Kratownice zostały wykonane z kształtowników zamkniętych o przekrojach prostokątnych (pasy) i prętów okrągłych pełnych (skratowanie).

 

 

2016 10 45 1

Rys. 3. Układ ramowy szklarni „belgijskiej”

 

 

Słupy również wykonano z kształtowników zamkniętych, połączonych przegubowo z fundamentem. Kształtowniki głównego ustroju nośnego wykonano ze stali St3S (odpowiednik S235). Na kratownicach umieszczono rynny stanowiące jednocześnie podparcie rygli/szprosów tworzących dwuspadowe pasma dachu o szerokości 2x4,0 m. Rynny posiadały spadek 1 cm na każde 4,5 m długości. Szprosy, w których zamocowano przeszklenia, wykonano z profilu wyciskanego (stop aluminiowy PA38). Pokrycie dachu stanowiły tafle ze szkła typu float o łącznej grubości 8 mm, oraz szerokości tafli 1,1 m. Połacie dachu nachylone były pod kątem 23o. Stateczność konstrukcji w kierunku prostopadłym do układów nośnych zapewniały układy stężeń pionowych i dachowych. Układy stężeń pionowych usytuowano w trzech polach: (kolejnych) siedem, dziesięć i trzynaście. Stężenia pionowe wykonano jako prętowo-cięgnowe typu „X” z cięgnem Ø10 i poziomymi prętami z rur prostokątnych mocowanych u góry i dołu. Stężenia połaciowe dachu (cięgnowe) wykonano w tych samych polach. Budynek szklarni znajdował się w bezpośrednim sąsiedztwie innych tego typu obiektów - z trzech stron szklarnia przylegała do budynków o większych wysokościach. Konstrukcja szklarni nie posiadała wzmocnień w miejscach narażonych na działanie zwiększonego obciążenia śniegiem. Fragmenty zniszczonej szklarni „belgijskiej” przedstawiono na rys. 4a i 4b.

 

 

2016 10 45 2

2016 10 45 3

Rys. 4. Zniszczona szklarnia „belgijska”

 

 

Rozpatrywane obiekty były wyposażone w szereg instalacji, które wykorzystywano w procesach technologicznych. Na podstawie informacji zawartych w dokumentacji projektowej, w obu przypadkach obciążenie technologiczne wynosiło 16 kg/m2. Obciążenie roślinami dla tego typu produkcji założono do obliczeń w wysokości 20 kg/m2. Istotnym zagadnieniem było oddziaływanie śniegu. W przypadku rozpatrywanych szklarni, przyjęte projektowe obciążenie śniegiem, to odpowiednio 20 kg/m2 dla szklarni „białoruskiej” i 25 kg/m2 dla szklarni „belgijskiej”. Zgodnie z obowiązującą wówczas normą PN-80/B-02010 [2] w strefie obciążenia śniegiem właściwej dla lokalizacji szklarni, charakterystyczna wartość obciążenia śniegiem to 56 kg/m2, a z uwzględnieniem tzw. „worków śnieżnych”, przy różnicach wysokości między budynkami w opisywanym przypadku należałoby uwzględnić ponad trzykrotne zwiększenie ciężaru śniegu.

 

 

Modelowanie konstrukcji szklarni

 

W przypadku obydwu konstrukcji zdecydowano się na obliczenia statyczne w programie RM-Win 3d. Ze względu na charakter konstrukcji, obiekty początkowo zamodelowano w całości. Konstrukcja szklarni „białoruskiej” (Rys. 5) składała się z około 14 tys. prętów, a szklarni „belgijskiej” (Rys. 6) natomiast z 16 tys. prętów. Ze względu na problemy związane z dużymi rozmiarami modelu, przyjęto ograniczenie wielkości do poziomu umożliwiającego wykonanie wszystkich obliczeń. Jednocześnie ograniczono zmiany charakteru pracy konstrukcji, która wpływałaby znacząco na wyniki obliczeń. Analizie poddano fragmenty obiektu obejmujące obszary uwzględniające zwiększone obciążenia śniegiem w pobliżu wyższych budynków. Uwzględniono nierównomierny rozkład obciążenia śniegiem wynikające z kształtu dachów rozpatrywanych szklarni – dachy wielospadowe. W obu modelach uwzględniono wszystkie występujące w danym fragmencie stężenia. Po charakterze zniszczeń szklarni „belgijskiej” (rys. 4b) możemy zauważyć, jak ważne są prawidłowo zaprojektowane stężenia, które zapobiegły dalszemu zawaleniu konstrukcji.

 

 

2016 10 46 3

Rys. 5. Model całej konstrukcji szklarni „białoruskiej” z zaznaczonym fragmentem, poddanym szczegółowej analizie.

 

2016 10 46 4

 

Rys. 6. Model całej konstrukcji szklarni „belgijskiej” z zaznaczonym fragmentem, poddanym szczegółowej analizie.

 

 

Analiza statyczna konstrukcji rozpatrywała trzy rodzaje kombinacji obciążeń. Kombinacja 1 zawierała zredukowaną wartość ciężaru śniegiem (wartość założona w projekcie, równomiernie rozłożona na całej powierzchni dachu), ciężar instalacji, oraz obciążenie pochodzące od roślin. Kombinacja 2 uwzględniała sytuację, w jakiej znalazły się szklarnie w dniu katastrofy. Wartość obciążenia śniegiem przyjęto zredukowaną, zgodnie z założeniami zawartymi w dokumentacji z proporcjonalnym zwiększeniem obciążenia śniegiem w obszarach „worków śnieżnych” i jednoczesnym występowaniem obciążenia instalacjami. Uwzględniając okres przerwy technologicznej i stąd wynikający brak uprawy roślin, pominięto ten rodzaj obciążenia. Kombinacja 3 obejmowała zgodnie z PN-80/B-02010 [2] obciążenie śniegiem, oraz obciążenie technologiczne. Przypadek ten wychodził naprzeciw wnioskom wynikającym z analizy dokumentacji fotograficznej, z których wynikało, że na dachu znajdowały się znaczne ilości śniegu, wykraczające poza przyjęte w projektach ograniczenia.

 

 

Wyniki

 

Z analizy wyników obliczeń przeprowadzonych dla przyjętych fragmentów konstrukcji szklarni wynika, że w przypadku wszystkich uwzględnionych w analizie kombinacji obciążeń dochodziło do przekroczenia nośności obliczeniowej konstrukcji. Największe wykorzystanie nośności, w przypadku szklarni „białoruskiej”, stwierdzono w płatwiach i słupach. Przekraczało ono nawet 550% nośności obliczeniowej w przypadku kombinacji uwzględniającej normowe obciążenie śniegiem i instalacjami oraz 150% dla pozostałych kombinacji (tab. 3.1). W przypadku szklarni „belgijskiej”, w większym stopniu narażonej na zwiększone obciążenia śniegiem w miejscach przylegania do ścian wyższych budynków, największe wykorzystanie nośności obliczeniowej stwierdzono w pasach górnych kratownic i przekraczało ono 900% dla kombinacji obejmującej pełne normowe obciążenie śniegiem i instalacjami oraz 330% w przypadku kombinacji obejmującej zredukowane obciążenie śniegiem i instalacjami (tab. 3.2). Charakter zniszczeń obiektów odpowiadał wynikom z obliczeń statycznych.

 

 

Tablica 3.1. Procentowa ilość elementów konstrukcji szklarni „białoruskiej” z przekroczeniami nośności obliczeniowej

2016 10 46 1

Tablica 3.2. Procentowa ilość elementów konstrukcji szklarni „belgijskiej” z przekroczeniami nośności obliczeniowej

2016 10 46 2

 

 

 

Wnioski

 

Z analizy wyników przeprowadzonych obliczeń statycznych wynika, że w obu przypadkach bezpośrednią przyczyną zawalenia szklarni było obciążenie śniegiem. Największe wytężenie elementów konstrukcji stalowej szklarni stwierdzono w obszarach zwiększonego obciążenia, przylegających do wyższych budynków (tzw. „worki śnieżne”). Przeciążenie konstrukcji w obszarach zwiększonego ciężaru śniegu było dodatkowo potęgowane niewielkimi spadkami rynien odprowadzających wodę powstającą w wyniku ogrzewania połaci i roztapiania jedynie warstwy znajdującej się bezpośrednio na taflach szkła. Zjawisko to sprzyjało tworzeniu się zastoisk wodnych oraz powodowało zwiększenie ciężaru zalegającego.

 

Z przeprowadzonych analiz wynika, że w przypadku tego typu obiektów kluczowe jest utrzymanie odpowiedniej temperatury wewnątrz szklarni. Zbyt niska temperatura nie zapewnia odpowiedniej intensywności topnienia śniegu, a dodatkowo może prowadzić do topnienia jedynie cienkiej warstwy znajdującej się bezpośrednio na poszyciu szklanym. Skutkuje to powolnym spływaniem powstałej w ten sposób wody, nasiąkaniem śniegu znajdującego się w niższych obszarach dachu i lokalnym znacznym zwiększaniem obciążenia mokrym śniegiem w tych strefach.

 

 

dr inż. Maciej Cwyl
Politechnika Warszawska

inż. Katarzyna Kosieradzka
Politechnika Warszawska

inż. Piotr Leszczewicz
Politechnika Warszawska

mgr inż. Artur Kalata
Politechnika Warszawska

inż. Piotr Drewniak
Politechnika Warszawska

 

 

Bibliografia
[1] PN-90/B-03200: Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
[2] PN-80/B-02010: Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie śniegiem.
[3] PN-77/B-02011: Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem.
[4] PN-EN 13031-1:2003: Szklarnie: Obliczanie i konstrukcja – Część 1: Szklarnie dla produkcji handlowej.

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 10/2016
 

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.