Od czego zależy wytrzymałość hali stalowej?

Hale stalowe są inwestycjami, które są zwykle obliczone na dość długi okres użytkowania, nierzadko liczony w dziesiątkach lat. Osiągnięcie takiego wyniku wymaga jednak stosowania odpowiednich rozwiązań, które nie tylko mają znaczenie dla na odporności obiektu na pojawiające się obciążenia, ale także ochronią go przed wpływem różnych czynników zewnętrznych, które mogłyby prowadzić do powstania uszkodzeń.

Dlaczego warto korzystać z hal stalowych?

Wzniesienie hali stalowej jest jedną z technologii, które są najchętniej wykorzystywane przez inwestorów poszukujących opłacalnego, a zarazem funkcjonalnego obiektu, który może być ukończony w możliwie krótkim czasie. Z hal stalowych korzysta się przy budowie magazynów, hal produkcyjnych, obiektów handlowych, wystawowych i komercyjnych. Są chętnie używane także w działalności rolniczej, zarówno jako powierzchnia magazynowa, jak i w charakterze pomieszczeń do przechowywania maszyn, urządzeń, ale również hodowli zwierząt. Hale są popularne przy budowie pomieszczeń warsztatowych, serwisowych i hangarów dla samolotów, śmigłowców lub pomieszczeń do produkcji i remontów jednostek pływających. Tak szerokie zainteresowanie tego typu obiektami wynika z ich stosunkowo niewielkich kosztów budowy i utrzymania, a także z wielkich możliwości adaptacyjnych, jakie oferują – podkreśla przedstawiciel firmy PROFIX, specjalizującej się w projektowaniu i budowie hal stalowych.

Trudno wskazać największe zalety hal stalowych, ponieważ zależą one od przyjętej perspektywy i priorytetów inwestora. Z pewnością wśród najbardziej istotnych znajduje się dość krótki czas, jaki musi upłynąć od przygotowania projektu do realizacji inwestycji. Wynika to zarówno ze specyfiki konstrukcji, jak i samej technologii. Większość wykorzystywanych elementów jest prefabrykowana poza placem budowy i musi być jedynie zmontowana na miejscu. Znaczna część konstrukcji jest dostępna „z katalogu” – tak będzie np. z wykorzystywaną do budowy ścian i dachów płytą warstwową. Znaczenie ma także brak konieczności prowadzenia „mokrych” prac, tj. związanych z używaniem zapraw i betonu. Będą one niezbędne w niewielkim zakresie podczas przygotowywania stóp fundamentowych oraz posadzek, ewentualnych stanowisk dla maszyn, czy niezbędnych instalacji. Nie ma jednak konieczności budowy złożonych ław i ścian bądź płyt fundamentowych.

Dla wielu inwestorów zachęcające okazują się dość niskie wymagania, jeśli chodzi o nośność gruntu, wynikające z niewielkiego ciężaru samej budowli. Z uwagi na sposób posadowienia ewentualne wzmacnianie podłoża jest również prostsze i mniej kosztowne niż przy innych technologiach. Korzystna jest też swoboda rozbudowy tego rodzaju obiektów, a także łatwość, z jaką można je adaptować do określonych potrzeb. W budynkach o tak znacznej kubaturze łatwo rozmieścić wszystkie niezbędne instalacje – systemy wentylacyjne, klimatyzacyjne, odpylające czy zapewniające właściwą wilgotność. Nie ma również problemów z doświetlaniem powierzchni czy to za pomocą odpowiednio rozmieszczonych świetlików lub pasm świetlnych, czy też z użyciem odpowiednio dobranych lamp.

Przy wielu zastosowaniach np. w działalności logistycznej, ale także w przypadku hal widowiskowych czy sportowych liczy się możliwość uzyskiwania znacznej wysokości obiektu przy dużej rozpiętości dachu oraz braku słupów podtrzymujących jego strukturę nośną we wnętrzu. Równie interesującą opcją jest łatwa rozbudowa obiektu, a także jego wysoka wytrzymałość. Chodzi tu zarówno o znakomite przenoszenie obciążeń statycznych oraz dynamicznych przez konstrukcję stalową, zapewniające kompromis między sztywnością a elastycznością, jak i możliwość zapewnienia dobrej izolacji termicznej ograniczającej koszty ogrzewania oraz pozwalającej na łatwą budowę wewnątrz np. chłodni, a także zagwarantowanie dobrej odporności pożarowej i świetnego znoszenia warunków atmosferycznych.

Konstrukcja hal stalowych

Hale stalowe mają dość prostą konstrukcję, która polega na wykorzystaniu słupów stalowych, przenoszących obciążenia bezpośrednio na stopy fundamentowe, na których są oparte. Między słupami są instalowane odpowiednie stężenia ułatwiające nadanie obiektowi odpowiedniej stabilności, a na ich głowicach opierają się stalowe rygle, które przenoszą ciężar dachu. W przypadku hal stalowych słupy są także wspornikami dla wielu konstrukcji i instalacji. Mogą podtrzymywać np. torowiska suwnic montowanych we wnętrzu hali. Konstrukcja dachu składa się nie tylko z rygli, ale także z ułożonych na nich płatwiach, które utrzymują właściwą sztywność i podtrzymują pokrycie dachowe oraz montowane na nim instalacje.

W zależności od potrzeb hale stalowe mogą mieć rozmaite rozmiary i rozwiązania konstrukcyjne. W przypadku mniejszych obiektów najczęściej wybiera się proste hale jednonawowe tam, gdzie zapotrzebowanie na miejsce jest większe, a słupy nośne nie stanowią przeszkody w użytkowaniu obiektu, wybiera się konstrukcje wielonawowe. W razie, gdyby potrzebna była przestrzeń bez konstrukcji wsporczych wybierane są hale jednonawowe o bardziej zaawansowanej budowie, np. z przekryciem dachowym w postaci przestrzennych kratownic mogących przy mniejszym ciężarze własnym przenosić większe obciążenia zginające.

Najprostsze i najmniejsze hale powstają jako układy płaskie. W takich sytuacjach całość konstrukcji jest wykonana z elementów pełnościennych, np. dwuteowników, które tworzą ramę obiektu. W zależności od wymiarów całości mogą to być profile walcowane, ale również tzw. blachownice, czyli elementy spawane z grubej blachy stalowej. W przypadku większej kubatury używane są raczej konstrukcje przestrzenne w postaci kratownic. Są one wykonywane z profili stalowych np. rur czy profili otwartych, które są łączone w jedną strukturę dużej wytrzymałości. Najczęściej z kratownic są wykonywane dźwigary podtrzymujące pokrycie dachowe, jednak w bardzo wysokich i rozległych halach mogą one służyć także do budowy słupów. Choć rozwiązanie to gwarantuje dużą wytrzymałość konstrukcji, to nie jest stosowane przy niewielkich obiektach nie tylko z uwagi na koszt, ale także z powodu znacznej ilości miejsca, jakie zajmują.

Wytrzymałość obiektu na obciążenia związane z oddziaływaniami statecznymi i dynamicznymi generowanymi przez sam obiekt oraz jego najbliższe otoczenie zależy od poprawności przygotowanego projektu, a także przyjętych rozwiązań konstrukcyjnych. Na to, jak długo obiekt będzie można eksploatować, wpływa także poziom zastosowanych zabezpieczeń oraz rodzaj wybranych materiałów.

Rozwiązania wpływające na komfort użytkowania hal stalowych oraz przewidywanych czas ich eksploatacji

Jednym z najważniejszych parametrów hali stalowej jest jej zdolność do utrzymywania ciepła. Ze względu na dużą kubaturę ogrzewanie hali stalowej jest dość kosztowne, wiele zależy więc od materiału, z jakiego wykonane są ściany. Najprostszym i najtańszym, jeżeli uwzględniać tylko koszt zakupu, wypełnieniem ścian jest klasyczna blacha trapezowa. Jej arkusze są montowane do rygli poprzecznych i słupów tworząc powierzchnię zabezpieczającą przed wiatrem i opadami atmosferycznymi. Użycie blachy trapezowej wynika z jej większej od występującej w przypadku uzycia blach płaskich sztywności i wytrzymałości na zginanie, zarówno poprzeczne, jak i wzdłużne. Arkusze są najczęściej zabezpieczone przed korozją warstwą cynku, a nierzadko też pokrywane tworzywem sztucznym lub lakierowane. Największym mankamentem tego rozwiązania jest jednak brak izolacji cieplnej, który sprawia, że obiektu nie można efektywnie ogrzać ani ochłodzić. Takie rozwiązanie może być więc stosowane tylko wówczas, gdy w grę wchodzi jedynie zabezpieczenie przed opadami i skraplającą się wodą.

W obiektach, w których potrzebna będzie izolacja termiczna, montowane są ściany z płyt warstwowych. Są one również wykonane z blachy trapezowej, jednak między dwoma jej arkuszami znajduje się ocieplenie ze styropianu, wełny mineralnej lub pianki poliuretanowej, co gwarantuje połączenie ochrony przed zjawiskami atmosferycznymi ze znacznym ograniczeniem przenikania ciepła. W płytach stosowane są różne rozwiązania, które pozwalają na wyeliminowanie ryzyka tworzenia się mostków cieplnych w postaci łączenia na pióro i wypust, czy też podniesienie estetyki budynku, za sprawą ukrywania wkrętów mocujących panele do konstrukcji nośnej.

Ze względu na naturalną tendencję stali do rdzewienia konstrukcje hal muszą być dobrze zabezpieczone przed ewentualną korozją, ponieważ osłabiłaby ona wytrzymałość elementów, a z czasem doprowadziłaby do katastrofy budowlanej. Jest to o tyle istotne, że w przypadku hal stalowych problemem nie jest tylko woda opadowa przenikająca z zewnątrz, ale również kondensująca na poszczególnych składowych konstrukcji czy obecna z uwagi na przeprowadzane w obiekcie procesy technologiczne lub biegnące instalacje.

Zabezpieczenie antykorozyjne hal stalowych przebiega zwykle kilkutorowo. Z jednej strony podczas projektowania wybierane są takie rozwiązania, które nie sprzyjają gromadzeniu się wody na elementach konstrukcji, z drugiej używane są inhibitory korozji ograniczające skłonność materiału do pokrywania się rdzą. Powszechnie stosowaną metodą jest korzystanie z powłok ograniczających korozję. Do najczęściej stosowanych należą cynkowanie i alucynkowanie elementów, nanoszenie warstw tworzyw sztucznych, a także stosowanie farb i lakierów odcinających dostęp wilgoci i uniemożliwiających utlenianie. Zastosowany rodzaj ochrony musi odpowiadać wymaganiom projektu i oczekiwaniom inwestora. Możliwe jest zdecydowanie się na środki dające ochronę na okres od 2 do powyżej 15 lat. Najczęściej wybierany jest wariant pośredni oznaczający trwałość od 5 do 15 lat.

Ze względu na to, że stal w wysokich temperaturach staje się plastyczna i traci swoje właściwości, pozwalające na przenoszenie obciążeń, niezbędne będzie zabezpieczenie jej struktury przed zagrożeniami pożarowymi. W tym celu możliwe jest zamontowanie czynnych systemów ochrony przeciwpożarowej np. systemu sygnalizacji pożarowej czy instalacji pożarowej, które pozwolą na wykrycie ognia i rozpoczęcie akcji gaśniczej. Równie istotne będą jednak systemy zabezpieczeń biernych.

W przypadku ochrony konstrukcji stalowej najważniejsze będą specjalne powłoki natryskowe oraz farby pęczniejące, a w wybranych przypadkach także różnego typu okładziny. W przypadku powłok natryskowych na stal nanoszona jest mieszanka materiałów niepalnych wraz z odpowiednim spoiwem gwarantującym dobre przyleganie do konstrukcji. Mogą to być np. mieszanina gipsu, włókien skalnych lub szklanych. Elementem uzupełniającym będzie zwykle nakładanie na poszczególne powierzchnie ogniochronnej farby pęczniejącej, która zwiększając swoją objętość, tworzy barierę termoizolacyjną. Niektóre elementy hali stalowej mogą też być obudowane płytami ogniochronnymi. Są one na ogół wykonywane z podobnych materiałów jak te używane w powłokach natryskowych – wełny mineralnej, gipsu, a także silikatu i cementu.