Budowa hali. Posadowienie pod budowę hali stalowej, murowanej, drewnianej

Budowa hali o przeznaczeniu magazynowym lub produkcyjnym jest zagadnieniem bardzo złożonym, mimo że obiekty te charakteryzują się zazwyczaj prostą konstrukcją i „czystym” schematem statycznym. Co należy wziąć pod uwagę planując budowę hali?

Spis treści

1. Co należy uwzględnić w projekcie budowy hali?
2. Sposób posadowienia
3. Technologia
4. Fundamenty
5. Budowa hali o konstrukcji stalowej
6. Budowa hali murowanej
7. Budowa hali drewnianej
8. Budowa hali produkcyjnej a magazynowej

Co należy uwzględnić w projekcie budowy hali?

Podczas projektowania hal przemysłowych trzeba uwzględnić wiele czynników związanych bezpośrednio z terenem, na którym ma być zbudowana hala, ale także z konstrukcją części nadziemnej, m.in.:

• warunki gruntowo-wodne,
• warunki górnicze, parasejsmiczne lub sejsmiczne,
• schemat statyczny hali,
• materiał, z jakiego wznoszony będzie obiekt,
• wymogi dotyczące dopuszczalnych osiadań równo- i nierównomiernych,
• zapewnienie właściwej podatności układu fundament-podłoże gruntowe,
• wzajemna interakcja fundamentów projektowanych z już istniejącymi (w przypadku rozbudowy lub dobudowy do obiektu),
• wpływ konstrukcji posadzki i podbudowy oraz obciążeń posadzki na fundamenty.

Hale przemysłowe to obiekty jedno- lub wielonawowe, przy czym dąży się do uzyskania możliwie dużych rozpiętości naw. Strukturę nośną hal stanowią ramy, których rozstaw jest mniejszy niż naw i zwykle wynosi 6 m, a często i więcej. W takim przypadku rozstaw słupów w poprzek hali jest znaczny, natomiast wzdłuż jej długości parokrotnie mniejszy. Tak więc racjonalnie uzasadnione jest posadowienie słupów hali na stopach fundamentowych lub na ławach podłużnych. Ławy przebiegające poprzecznie w stosunku do hali nie znajdują uzasadnienia.

W zależności od warunków gruntowo-wodnych i wielkości obciążenia budowanej hali posadawiamy ją bezpośrednio lub pośrednio. W obu przypadkach fundamenty zazwyczaj projektowane są jako stopy lub ławy, które przy posadowieniu pośrednim pełnią rolę oczepów. Jeśli nośność podłoża gruntowego jest niewystarczająca lub gdy charakteryzuje się ono zbyt dużą podatnością albo też może generować nierównomierne osiadanie, istnieje możliwość jego wzmocnienia, które można uzyskać, m.in. poprzez:

• lokalną wymianę gruntu słabonośnego na „mocniejszy” o projektowanych i kontrolowanych parametrach (podbudowa z kruszywa frakcjonowanego o ustalonym zagęszczeniu i sztywności lub z gruntów stabilizowanych o określonej wytrzymałości na ściskanie, którą charakteryzuje wartość parametru Rc),
• wykonanie kolumn żwirowych bądź kamiennych metodą wymiany dynamicznej,
• zagęszczanie impulsowe lub ciężkie ubijanie,
• zastosowanie kolumn betonowych przemieszczeniowych, które dogęszczą podłoże rodzime,
• użycie kolumn DSM (z ang. Deep Soil Mixing) wykonywanych bezpośrednio w gruncie poprzez jego mieszanie na sucho lub mokro z czynnikiem wiążącym,
• zbrojenie podłoża gruntowego geosyntetykami – georusztami i geosiatkami, stosowanie geotekstyliów oraz geokomórek do budowy geomateracy,
• wykonanie drenów pionowych przyspieszających konsolidację podłoża gruntowego.

Sposób posadowienia

Alternatywą dla wzmacniania podłoża jest zaprojektowanie posadowienia pośredniego na palach, mikropalach, kolumnach betonowych i cementowo-gruntowych, baretach, układach ścian szczelinowych lub z zastosowaniem grodzic stalowych. Cechą charakterystyczną wymienionych konstrukcji (w odróżnieniu od omawianych powyżej sposobów podnoszenia wytrzymałości podłoża) jest brak wzmocnienia podłoża w bezpośrednim sąsiedztwie wykonanych w gruncie elementów. Wiercenie i zabetonowanie pali, mikropali czy baret nie powoduje wzrostu parametrów mechanicznych gruntu (w modelu Coulomba-Mohra: kąta tarcia wewnętrznego gruntu i spójności), a więc nie wzmacniają one podłoża. Służą do przenoszenia obciążeń z konstrukcji (bez występowania nadmiernych osiadań) na głębiej zalegające podłoża gruntowe. Z uwagi na rodzaj zadania elementy te dzieli się na: normalne (pracujące zarówno pobocznicą, jak i podstawą), stojące (przekazujące obciążenie tylko przez podstawę) oraz zawieszone (przenoszące obciążenie na grunt tylko przez pobocznicę).

Z uwagi na technologię wykonywania pali i mikropali wyróżniamy:

• pale wiercone: – w rurze osłonowej, – wykonane świdrem ciągłym CFA (ang. Continuous Flight Auger) znane w Polsce także jako FSC (Formowane Świdrem Ciągłym); powstają przy pomocy świdra ciągłego osadzonego na rurowym rdzeniu,
• pale przemieszczeniowe wiercone: FDP, SDP i inne,
• pale wkręcane typu: De Vaal (betonowe i żelbetowe), Chance heli cal Pier (stalowe),
• pale wbijane: stalowe, żelbetowe prefabrykowane, dawniej również drewniane,
• pale/kolumny iniekcyjne wykonane w technologii iniekcji strumieniowej (z ang. jet grouting),
• mikropale samowiercące np. Titan, DSI i inne.

Technologia

Wybierając sposób posadowienia i technologię jego wykonania, musimy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

• miąższość i głębokość zalegania gruntów słabonośnych lub silnie niejednorodnych,
• stan i rodzaj gruntu oraz jego skład granulometryczny,
• możliwość występowania niezinwentaryzowanych przeszkód podziemnych,
• poziom zwierciadła wody gruntowej oraz jej agresywność w stosunku do betonu i żelbetu,
• dopuszczalność wykonania wykopów o ścianach niepodpartych i nieumocnionych,
• możliwość odwodnienia wykopów,
• wpływ drgań generowanych podczas prowadzenia robót na obiekty i istniejącą infrastrukturę (ograniczenie stosowania metod dynamicznych i technologii pali przemieszczeniowych),
• szanse „podejścia” do rozbudowywanego obiektu (wzajemna lokalizacja fundamentów istniejących i projektowanych),
• wrażliwość nadbudowy na nierównomierne osiadanie. 

Fundamenty

Dla hal przemysłowych najczęściej spotykanym sposobem posadowienia jest zastosowanie stóp fundamentowych umieszczonych bezpośrednio na rodzimym bądź wzmocnionym podłożu. W przypadku niekorzystnych warunków gruntowych i wodnych zwykle wykonuje się posadowienie pośrednie na palach zwieńczonych oczepem żelbetowym o konstrukcji zbliżonej do stopy fundamentowej. Te ostatnie, podobnie jak i oczepy palowe, mogą być ze sobą połączone układem obwodowych belek podwalinowych (prefabrykowanych lub monolitycznych), a w przypadku występowania ciągłych deformacji terenu w obszarze eksploatacji górniczej także ściągami poprzecznymi i przekątniowymi.

W obiektach halowych z murowanymi ścianami zewnętrznymi, pełniącymi rolę oddzielenia pożarowego, projektuje się ławy stanowiące podparcie dla masywnych ścian. Pozwala to ograniczyć dociążanie stóp fundamentowych lub oczepów znacznymi siłami pionowymi wynikającymi z ciężaru ścian, a tym samym wpływa na minimalizację zbrojenia wzdłużnego belek podwalinowych. Przy budowie hal przemysłowych fundamenty płytowe spotyka się sporadycznie. Zazwyczaj wykonywane są w bardzo małych budynkach, gdzie, z uwagi na rachunek ekonomiczny, podczas jednego etapu betonowania wylewa się jednocześnie fundamenty i warstwę posadzkową, oraz w magazynach z automatycznymi systemami wysokiego składowania.

W tego typu obiektach kryterium decydującym o metodzie zrealizowania posadowienia i posadzki jest minimalizacja nierównomiernych osiadań oraz odkształceń w czasie eksploatacji. Rygorystyczne warunki dopuszczalnych przemieszczeń wymuszają posadawianie tych obiektów na stosunkowo grubych płytach fundamentowych, zazwyczaj na dodatkowo wzmocnionym (usztywnionym) podłożu gruntowym. W przypadku projektowania tego typu płyt należy zwrócić szczególną uwagę na zagrożenie możliwością występowania wysadzin w gruntach spoistych oraz drobnych niespoistych. W takich warunkach należy zachować minimalną głębokość posadowienia z uwagi na przemarzanie podłoża lub stosować warstwy mrozochronne, np. z gruntu stabilizowanego cementem.

Posadowienie na ruszcie fundamentowym wykonywane jest bardzo rzadko. Projektuje się je jedynie dla niedużych obiektów o niewielkich obciążeniach, gdy w podłożu występują grunty o niejednorodnej sztywności. Przewidziany wówczas ruszt o znacznej sztywności na zginanie będzie wyrównywał osiadanie obiektu oraz łagodził jego wpływ na nadbudowę obiektu. Dla hal ze słupami żelbetowymi podstawowym układem statycznym jest rama jedno- lub wielonawowa ze słupami utwierdzonymi w fundamencie oraz przegubowo podpartym ryglem w postaci belki wolno podpartej lub ciągłej (w przypadku hal wielonawowych). Taki układ statyczny pozwala na pr ojektowanie zarówno słupów monolitycznych, jak i pr efabrykowanych, a także stoposłupów w przypadku posadowienia bezpośredniego na podłożu rodzimym lub wzmocnionym. Słup w układzie wspornika powoduje obciążenie fundamentu siłą pionową i znacznym momentem zginającym. Działanie siły osiowej na dużym mimośrodzie powoduje konieczność wydłużania fundamentu w kierunku działania momentu zginającego tak, aby wypadkowa siła pionowa pozostała w rdzeniu przekroju (zasadniczo dla hal z suwnicami bądź znacznymi obciążeniami poziomymi) lub aby zasięg szczeliny pod fundamentem nie przekraczał wartości dopuszczalnej. Stosowanie stoposłupów prefabrykowanych jest wykluczone w przypadku posadowienia pośredniego na palach lub kolumnach z uwagi na brak możliwości zakotwienia zbrojenia podłużnego pali w oczepie. W przypadku użycia słupów żelbetowych pr efabrykowanych są dwie możliwości połączenia słupa – na wytyki i rury typu robusta lub za pomocą zestawów śrubowych do podstaw słupów, np. Peikko HPKM, PCC Pfeifer.

Budowa hali o konstrukcji stalowej

W przypadku projektowania hal o konstrukcji stalowej mamy większe możliwości kształtowania układu statycznego. Oprócz schematów statycznych, jak dla prefabrykowanych hal żelbetowych, istnieje sposobność projektowania ram jedno- i wielonawowych o ryglach sztywno zespolonych ze słupami, a także wykorzystywania przegubów w połączeniach słupów z fundamentami, co, z uwagi na brak momentu zginającego, znacznie ogranicza ich wielkość. Występują jednak pewne zakresy swobody kształtowania schematu statycznego hali. Dla obiektów z suwnicami, ze względu na ograniczenia przemieszczeń naroży ram, najkorzystniej jest stosować ramy przesztywnione (wielokrotnie statycznie niewyznaczalne) o słupach zamocowanych w fundamentach oraz ryglach sztywno połączonych ze słupami. Dla hal narażonych na występowanie nierównomiernego osiadania lub zlokalizowanych na terenach objętych wpływami eksploatacji górniczej w postaci deformacji ciągłych zaleca się stosowanie układów statycznie wyznaczalnych. W konsekwencji otrzymuje się układ ramy przesztywnionej bardzo wrażliwej na nierównomierne osiadania dające mimośrodowe obciążenie fundamentu oraz ramę statycznie wyznaczalną z siłą pionową działającą na bardzo dużym mimośrodzie na fundament.

W przypadku hal o konstrukcji stalowej rozwój narzędzi służących do obliczeń statycznych i wymiarowania przekrojów umożliwił uwzględnienie w projektowaniu bardzo zaawansowanych stanów pracy konstrukcji m.in.: powstawania przegubów plastycznych, sztywności połączeń doczołowych ram, a także efektów drugiego rzędu. Bardzo często jednak tak szczegółowa analiza konstrukcji nadziemnej nie idzie w parze z uwzględnieniem interakcji budowla-podłoże gruntowe, co może prowadzić do obarczenia obliczeń bardzo istotnym błędem. Podatność podpory (stopy czy oczepu palowego) ma bowiem nie mniejsze znaczenie dla statyki konstrukcji niż struktura nadziemna.

Istotne jest więc wdrożenie do praktyki projektowej tworzenia modeli obliczeniowych konstrukcji hal z uwzględnieniem pracy fundamentów, tak jak przy obiektach użyteczności publicznej, np. stadionach czy halach widowiskowo-sportowych oraz budowlach inżynierskich wysokich typu wieżowego.

Budowa hali murowanej

Hale murowane budowane są obecnie rzadko, właściwie jedynie w przypadku obiektów małych lub o wymaganej wysokiej odporności ogniowej ścian zewnętrznych. Tego typu konstrukcja składa się zazwyczaj z opartych na ławach fundamentowych murowanych ścian nośnych, w których najczęściej ukryte są rdzenie żelbetowe posadowione na poszerzeniach ław, mające przejąć obciążenia poziome działające na obiekt np. od parcia czy ssania wiatru. Dach zazwyczaj projektuje się jako konstrukcję stalową przegubowo opartą na wieńcach spinających ściany wraz z ukr ytymi w nich rdzeniami żelbetowymi. Z uwagi na wykonywanie ścian z materiału kruchego, np. z pustaków ceramicznych, obiekty te są wrażliwe na nierównomierne osiadanie i nawet przy niewielkich ruchach powstają znaczne zarysowania ścian.

Budowa hali drewnianej

Hale o konstrukcji drewnianej budowane są bardzo rzadko. Inwestorzy i projektanci decydują się na ten rodzaj materiału zazwyczaj w dwóch przypadkach:

• gdy przemawiają za tym względy architektoniczne
• lub gdy środowisko jest wyjątkowo agresywne w stosunku do stali, np. na basenach, w pomieszczeniach dla zwierząt, magazynach soli.

Hale drewniane projektowane są jako ramowe układy kratowe (słupy i dźwigary dwugałęziowe – analogia do tradycyjnych kratowych hal stalowych) lub konstrukcje typu łukowego podpartego przegubowo na fundamentach, często także z dodatkowym przegubem w zworniku (łuki trójprzegubowe). Fundamenty pod ramy kratowe są takie same, jak przy halach stalowych, zaś przy łukach bardziej skomplikowane z uwagi na specyfikę ich obciążenia. W tym przypadku działa głównie siła pozioma, wynikająca z rozporu łuku, a odpowiadająca jej siła pionowa jest zazwyczaj znacznie mniejsza i nie odgrywa znaczącej roli przy wymiarowaniu fundamentów. Dodatkowe zagadnienie stanowi oszacowanie sztywności poziomej fundamentu, którego podatność w znacznej mierze decyduje o wartościach sił wewnętrznych w samym łuku oraz o odkształceniach. Przy analizie tak nietypowego zadania pomocne jest przestrzenne modelowanie podłoża gruntowego wraz z fundamentem w celu oceny podatności ich układu, którą stosuje się następnie jako sztywność podpór w analizie konstrukcji łuku. Przeznaczenie hali jest także istotne przy projektowaniu posadowienia obiektu.

Budowa hali produkcyjnej a magazynowej

Zasadniczą cechą różniącą budowę hali produkcyjnej i magazynowej jest sposób obciążenia posadzki (a co za tym idzie fundamentu, warstwami jej podbudowy oraz obciążenia zmiennego), a także jego wpływ na stan naprężenia w podłożu gruntowym. W halach produkcyjnych zazwyczaj maszyny główne ustawione są w środkowych częściach naw, niezależnie od fundamentów, w odległościach, w których nie występuje lub zachodzi w niewielkim stopniu nakładanie się stref wpływu obciążenia na podłoże gruntowe. Powierzchnie pomiędzy maszynami głównymi a ścianami podłużnymi hali stanowią zazwyczaj drogi transportowe lub mało obciążone pola odkładcze dla części maszyn i pr oduktów. W halach magazynowych pola składowe najczęściej zlokalizowane są przy ścianach, czyli bezpośrednio nad fundamentami hali. Podczas ich projektowania należy w takim przypadku uwzględniać to dodatkowe obciążenie pionowe oraz wynikające z niego działanie kolejnego momentu zginającego, występującego na skutek braku symetrii obciążenia fundamentu. W praktyce projektowej spotyka się posadzki o obciążeniach rzędu 100 kN/m², co przy dużych stopach fundamentowych hali stalowej z lekką obudową dachu i ścian może stanowić zasadnicze ich obciążenie.

Artykuł ukazał się w publikacji „Hale Przemysłowe”Zobacz e-wydanie