Klasyfikacja systemów konstrukcyjnych z drewna klejonego

Poniżej przedstawiono próby klasyfikacji rozwiązań konstrukcyjnych z zastosowa-niem elementów z drewna klejonego dokonane przez kilku autorów. Ze względu na wspomnianą trudność w przypisaniu konkretnych obiektów do określonej grupy układów konstrukcyjnych, przedstawiono również własną klasyfikację w oderwaniu od istniejącej, natomiast w odniesieniu do technologii wytwarzania elementów konstrukcyjnych z drew-na klejonego.

I. Istniejąca klasyfikacja systemów konstrukcyjnych z drewna klejonego A. Ze względu na kształtowanie form (rodzaj brył), [143]:

1) Konstrukcje o prostych zależnościach geometrycznych: a. typowe: halowe,

b. nietypowe: brył przewieszonych i podpartych punktowo. 2) Konstrukcje trzonowe: wspornikowe i wieszarowe. 3) Konstrukcje form „swobodnych”:

109

b. konstrukcje form naśladujących, c. konstrukcje o formie rzeźbiarskiej. 4) Konstrukcje form zniekształconych. 5) Konstrukcje form wychylonych.

B. Ze względu na budowę konstrukcyjną elementów nośnych, [104]: Konstrukcje przekryć: 1) Konstrukcje belkowe. 2) Konstrukcje rusztowe. 3) Konstrukcje mieszane. 4) Konstrukcje specjalne: a. konstrukcje krążynowo-siatkowe, b. konstrukcje łupinowe: (1) łupiny cylindryczne, (2) łupiny konoidalne, (3) łupiny dwukrzywiznowe, c. tarczownice pryzmatyczne.

5) Konstrukcje trójkątne trójprzegubowe. 6) Konstrukcje łukowe.

7) Konstrukcje kratowe. 8) Konstrukcje ramowe. 9) Kopuły drewniane.

C. Ze względu na budowę konstrukcyjną elementów nośnych, [129]: Konstrukcje drewniane dużych rozpiętości:

1) Belki swobodnie podparte. 2) Ramy.

3) Łuki dwu- i trójprzegubowe. 4) Kratownice: proste i zakrzywione. 5) Ruszty.

6) Płaskie struktury. 7) Łupiny krótkie i długie. 8) Kopuły.

110

9) Konstrukcje dwukrzywiznowe w tym prostokreślne. 10) Jedno – i dwukrzywiznowe przekrycia wiszące.

D. Ze względu na budowę konstrukcyjną elementów nośnych, [178]: Systemy konstrukcyjne:

1) Systemy aktywne masą – systemy o najprostszej geometrii uchodzące za najbardziej uniwersalne, najłatwiej przyswajające części innych systemów:

a. układy belkowe, b. ruszty,

c. układy ramowe.

2) Pionowe systemy konstrukcyjne.

3) Systemy konstrukcyjne aktywne płaszczyznami – płaszczyzny jako zasadnicze części systemu nośnego budowli.

4) Systemy konstrukcyjne aktywne formą – geneza ich wywodzi się z konstrukcji lino-wych przenoszących „czyste” rozciąganie i podpieranych ściskanymi słupami. Pod-stawową cechą tych systemów jest fakt, że ich nośność wynika z formy albo, że ob-razują one formą i materią naturalną ścieżkę przebiegu sił. Mogą występować jako elementy innych struktur nośnych. Są uważane za odpowiednie dla konstruowania form architektury przyszłości.

a. siatki, b. membrany, c. kopuły kratowe,

d. konstrukcje namiotowe, żaglowe, łukowe.

5) Systemy konstrukcyjne aktywne wektorowo – pręty o proporcjonalnie małych prze-krojach poprzecznych tworzą stosunkowo duże konstrukcje. Pracują tylko na obcią-żenia osiowe. Rozciągane i ściskane pręty tworzą sztywne pola trójkątne będące ce-chą charakterystyczną systemów aktywnych wektorowo. Zewnętrzne obciążenia przenoszone są przez ułożone w różnych kierunkach pręty połączone sztywnymi wę-złami. W efekcie tworzy to strukturę. Do tej grupy należą takie konstrukcje jak: dźwigary, ramy, kratownice przestrzenne, konstrukcje wiszące i mosty. W węzłach najczęściej wykorzystuje się kąty 45 i 60 stopni. To ukształtowanie prętów pozwala na swobodę w kształtowaniu wolnej od podpór przestrzeni. Przyszłość tych struktur

111

to udoskonalanie węzłów i dalsza ich perfekcja w skali przekrojów elementarnych prętów.

6) Mobilne systemy konstrukcyjne.

E. Ze względu na pracę statyczną elementów nośnych, [352]. 1) Prętowe:

a. belki: proste i zakrzywione z drewna klejonego, o przekroju stałym lub zmiennym, wśród których, z uwagi na schemat statyczny – wyróżnia się: wolno podparte, jedno- lub obustronnie zamocowane, ciągłe przegubowe i inne,

b. układy belkowe, takie jak ruszty, c. konstrukcje trójkątne trójprzegubowe, d. kratownice płaskie i przestrzenne,

e. łuki trójprzegubowe lub dwuprzegubowe, f. ramy: płaskie i przestrzenne.

2) Powierzchniowe: a. powłoki pełne, b. powłoki siatkowe, c. kopuły żebrowe, d. kopuły powłokowe, e. przekrycia membranowe, f. przekrycia pneumatyczne, g. konstrukcje mobilne.

F. Klasyfikacja własna systemów konstrukcyjnych z drewna klejonego [1] Układy z belek prostych

1.1. Układy płaskie z belek prostych

1.2. Układy płaskie z belek prostych hybrydowych: drewniano- stalowych, kratownice 1.3. Proste układy przestrzenne z belek prostych: ruszty i struktury przestrzenne [2] Układy ramowe

[3] Układy z belek zakrzywionych

3.1. Układy płaskie z belek zakrzywionych

112

3.3. Układy zakrzywione kratownic przestrzennych 3.4. Kopuły

[4] Konstrukcje wiszące [5] Systemy siatkowe [6] Układy wspornikowe

W zakresie rozwiązań związanych z kształtowaniem planu wyróżniono następujące typy układów:

1) Układy proste geometrycznie o prostych rzutach: centryczne lub na planie podłużnym.

2) Układy proste geometrycznie o nieregularnych rzutach: centryczne lub na planie podłużnym.

3) Układy o prostych geometrycznie przekryciach i eksponowanych strukturach elewacji.

4) Układy o miękkich formach, prostych rzutach: centryczne lub na planie podłużnym. 5) Układy o unikatowych i niekonwencjonalnych rozwiązaniach bazujących na prostych

zależnościach geometrycznych.

6) Układy jednego dominującego, dynamicznego elementu przestrzennego podkreślającego dystrybucję sił.

7) Układy kilku „mocnych” geometrycznie, dopełniających się, dynamicznych elementów przestrzennych podkreślających ekspresję sił.

8) Układy pozornie swobodne oparte o proste geometryczne zależności kilku przenikających się płaszczyzn.

9) Układy z wyeksponowaną, unikatową strukturą konstrukcyjną, bazującą na rozwiązaniach inspirowanych budową organiczną tworów natury.

Najbardziej rozpowszechnione przy konstruowaniu konstrukcji z drewna klejonego, nawet przy pozornie skomplikowanej bryle, są układy statyczne zwane układami płaskimi (obciążone zasadniczo w swojej płaszczyźnie). Jest to podejście przybliżone, ponieważ konstrukcje rzeczywiste nigdy nie są płaskie. Zawsze istnieje przestrzenna współpraca pomiędzy zasadniczymi elementami nośnymi. Przybliżenie to jest jednak wystarczająco dokładne, kiedy w rzeczywistym układzie prętów układ statyczny wraz z obciążeniami spełnia „warunki płaskości”, które można określić następująco: [1] W jednej i tej samej

113

płaszczyźnie znajdują się: osie podłużne wszystkich prętów, jedna z osi głównych każde-go poprzecznekażde-go przekroju pręta, linia działania obciążeń, [2]. Węzły podporowe unie-możliwiają przemieszczenia (większe od dopuszczalnych) z tej płaszczyzny, np.: równo-ległe do siebie ramy, kratownice etc. lub pozornie równorówno-ległe – biegnące po łuku wymia-rowane są każda w swojej płaszczyźnie. Jako płaskie traktuje się również konstrukcje usztywniające prostopadłe do w/w głównych układów konstrukcyjnych, przenoszące również odpowiednie składowe obciążeń, zapewniające stateczność dźwigarów głów-nych. Niektóre elementy, jak np.: słupy, pracują w dwóch płaszczyznach, co nie koliduje z płaskim stanem układu. Układy płaskie są to układy statycznie wyznaczalne lub sta-tycznie niewyznaczalne, rozwiązywane w statyce klasycznej metodami znanymi np. me-todą sił, meme-todą przemieszczeń, metodami mieszanymi lub innymi (przybliżone metody, badania modelowe, metoda elementów skończonych, metody asymptotyczne, etc.) Sta-tycznie niewyznaczalne - to układy posiadające nadliczbowe węzły, przy czym ilość wę-złów w danym układzie nie może być mniejsza jak dla układu statycznie wyznaczalnego, bowiem taki układ nie będzie stateczny. Układy przestrzenne to układy, które nie dają się „rozłożyć” na układy spełniające podane wyżej warunki płaskiego stanu. Układy kon-strukcyjne przestrzenne, w których powierzchnia bezwładności wykształcona jest w po-staci powłok, płyt, tarczownic lub innych, można wymiarować jako dźwigary powierzch-niowe. Metoda modelowania statycznego do obliczeń konstrukcji została wynaleziona przez Prof. M. Tupolewa, przy zastosowaniu analizy układu tzw. struktury kryształu, tj., modelowanie układu dyskretnego za pomocą trójkątów lub figur piramidalnych. W anali-zie i obliczeniach konstrukcji przestrzennych wykorzystanie symetrii ma pierwszorzędne znaczenie dla znacznego uproszczenia obliczeń. Inną metodą obliczeń jest metoda ele-mentów skończonych. Metoda eleele-mentów skończonych w analizie statycznej i analizie stateczności konstrukcji przestrzennych polega na ułożeniu matematycznego zapisu wę-złów oraz sił w tzw. układach dyskretnych. Polega ona na generowaniu w tzw. zapisie macierzowym modelu ustroju wraz z węzłami i siłami oddziałującymi na ten ustrój. Me-todę tą stosuje się w obliczeniach komputerowych dotyczących statyki, stateczności i dynamicznej analizy obliczeń obciążeń krytycznych, etc., [21]. Za fundamentalną pracę w obszarze metody elementów skończonych oraz konstrukcji przekładkowych można uznać pracę prof. Zbigniewa Brzoska, [24]. Badania konstrukcji przestrzennych za pomo-cą ośrodków siatkowych [45] polegają na ułożeniu geometrii dyskretnego, przestrzennego zbioru punktów i, po analizie obliczeniowej wpływu obciążenia zewnętrznego na

naprę-114

żenia wewnątrz tego układu, przekształceniu rachunkowym przestrzeni ciągłej do ele-mentów nieciągłych.

Wszystkie skomplikowane struktury przestrzenne oblicza się aktualnie za pomocą programów komputerowych, które sprowadzają pracę do zapisania i obliczenia dużej ilo-ści układów równań, najczęściej liniowych, z odpowiednią dużą ilością niewiadomych. Przy obliczeniach za pomocą programów komputerowych prostszych konstrukcji, ukła-dów prostych lub przestrzennych należy uzyskane wyniki analizować krytycznie, bowiem w programowaniu trudno jest uwzględnić wszystkie wpływy redystrybucji sił wewnętrz-nych w konstrukcjach statycznie niewyznaczalwewnętrz-nych. Oznacza to, że elementy sztywniej-sze, z reguły, przenoszą większą część obciążenia niż im przypisano, lub generują „pozy-tywne efekty” zachowania się całego układu konstrukcyjnego przy obciążeniach dyna-micznych z zewnątrz (np. tzw. efekt aerodynamiczny odpowiedzi, tj. dostosowania się konstrukcji do obciążenia wiatrem). Stateczność konstrukcji to cecha konstrukcji dążącej do zachowania wstępnej formy równowagi w stanie zdeformowanym poza płaszczyzną działania obciążeń. Przy stale działających siłach stateczność nie jest zjawiskiem nieogra-niczonym. Kiedy ta cecha konstrukcji zostanie wyczerpana, układ konstrukcyjny traci stabilność i przy małym przyroście obciążenia może wystąpić awaria.

115