Lano v stavebných konštrukciách – terminológia lán
Návrh lana ako súčasti nosnej konštrukcie závisí predovšetkým od ekonomickej voľby vhodného typu a konštrukcie lana, pričom sa berie do úvahy aj spôsob jeho namáhania. Po výbere vhodného typu je potrebné určiť priemer lana tak, aby sa dosiahla maximálna hospodárnosť pri súčasnom splnení požiadaviek medzných stavov. Ekonomický návrh je ovplyvnený cenou lán, ktorá môže byť viackrát vyššia ako cena bežného valcovaného materiálu. Kľúčovým dokumentom pri návrhu lanových prvkov je norma EN 1993-1-11, ktorá definuje skupiny ťahaných prvkov a stanovuje pravidlá pre technické požiadavky na prefabrikované ťahané prvky, z hľadiska ich bezpečnosti, funkčnosti a trvanlivosti.
Zdroj: EXON Předpínání ocelových konstrukcí v O2 Aréna
Nosné systémy namáhané osovými silami
a)
b)
Obr. 1 – Symetrické a asymetrické zaťaženie oblúka a lana (tvar – parabolická krivka)
Pri sústavách namáhaných len osovou silou treba poukázať na nasledujúce nevýhody:
Zvolený tvar oblúka alebo lana je optimálny len pre konkrétny typ zaťaženia a jeho správnosť je overiteľná prostredníctvom deformácií. Vybrané oblúky sú vhodné pre vlastnú tiaž, prípadne pre rovnomerný sneh, avšak každopádne nie pre dopravu, zemetrasenie a pod. Oblúk je následne vystavený ohybovému namáhaniu a lano sa výrazne zdeformuje do nežiadúceho tvaru (Obr. 1).
Pri oblúku sa ľahkosť vo voľnom rozpätí prejaví pri uložení potrebou vhodného ložiska alebo použitia ťahadla, zatiaľ čo pri lanách je nevyhnutná kvalitná lanová koncovka. Tvar konštrukcie môže byť celkom elegantný, dá sa ale ťažko zladiť s využitím, pretože sa spravidla prestrešujú pravouhlé pôdorysy, alebo je nutné zniesť priame horizontálne účinky.
Častejšie sa používajú pre ťahom namáhané konštrukcie kinematické systémy, ktoré majú väčšie pretvorenia a v dôsledku vysokopevnostných materiálov aj väčšie pomerné pozdĺžne predĺženia. Použitím predpätia sa dajú čiastočne zvýšiť tuhosť konštrukcie a ohraničiť deformácie. Konštrukcia však zostáva kinematická a predpätie je nevyhnutne potrebné pre použiteľnosť systému. Predpínacie sily môžeme kotviť do tlačených prstencov alebo kotevných blokov.
Možnosť roznosu veľkých síl prvkami malých prierezov (vysokopevnostný materiál namáhaný ťahom) vytvára z predpätých konštrukcií ľahké a filigránské tvary. Čím väčšie sily sú sústredené v malých prierezoch, tým väčšie problémy vznikajú pri presmerovaní prvku a jeho kotvení. Kinematické nosné systémy majú oproti pevným systémom a s ich bežne používaným materiálom nižšiu hmotnosť. Vystuženie týchto systémov pomocou vlastnej tiaže je efektívne len vtedy, ak plní aj ďalšie funkcie. Inak sa opäť dostávame k „mŕtvej“ vlastnej tiaži, ktorej sa snažíme vyhnúť. Najmä v rovinnom prípade, ak sa vzdáme ohybovo pevných stavebných prvkov, sa rýchlo dostaneme do problémov. V takýchto situáciách sú vhodným riešením predpäté dvojpásové rovinné sústavy (Obr. 2).
a)
b)
c)
Obr. 2 Typické dvojpásové predpäté lanové sústavy: a) dvojpásová vláknová sústava s ťahadlami, b) dvojpásová vláknová sústava s predpätými medzipásovými diagonálami, c) dvojpásová vláknová sústava s rozperkami
Základná terminológia a výroba oceľových lán
Lano je ohybovo mäkký prvok pozostávajúci z drôtov alebo prameňov. Podľa spôsobu výroby (konštrukcie) lán rozlišujeme vinuté, skladané a špeciálne laná (Obr. 3).
Obr. 3 Skladba vinutého a skladaného lana
Výroba oceľových lán je jedným z najnáročnejších procesov v oblasti výroby stavebných prvkov resp. stavebných materiálov. Požiadavkou pri výrobe oceľových lán sú kvalitné vstupné materiály, špecializované strojné vybavenie a kvalifikácia výrobného personálu. Výrobno-technologický proces výroby lán rozdeľujeme na dané fázy:
Patentovanie
Valcované tyče z vysokopevnostnej nelegovanej uhlíkovej ocele sa zušľachťujú patentovaním, čo je izotermický proces, pri ktorom sa tyče zahrejú na teplotu 700–900 °C. Následne sa ochladzujú v olovenom kúpeli na teplotu 500–600 °C. Tepelné spracovanie patentovaním je špeciálny spôsob kalenia, kde oceľ nadobúda jemnú štruktúru s vysokou húževnatosťou.
Ťahanie
Následným krokom je ťahanie za studena. Oceľové drôty sú ťahané cez niekoľko zmenšujúcich sa otvorov kužeľovitého tvaru (prieťažníc) až po dosiahnutie požadovaného priemeru.
Stabilizovanie
V prípade, ak je potrebné zlepšiť vlastnosti ťahaných drôtov pred zvinutím do prameňov lán, nechávame drôty prejsť stabilizačnou termo-mechanickou linkou. Stabilizácia prebieha pri teplotách cca 400 °C a napätí vyvolávajúcom pomerné predĺženie na úrovni 1 %. Stabilizáciou získame drôty s nízkou relaxáciou.
Popúšťanie
Proces je podobný stabilizácii, avšak drôty nie sú mechanicky zaťažované.
Zlaňovanie
Zlaňovací proces (splietanie drôtov do lanového prameňa) určuje výška a smer vinutia vrstiev prameňov, ktoré ovplyvňujú ďalšie vlastnosti lán.
Umŕtvovanie
Umŕtvovaním znižujeme vnútorné pnutie vinutých lán. Pnutia vznikajú pri ťahaní samotných drôtov a splietaní drôtov do prameňov a prameňov do lán.
Výber ťahového prvku (lana) pre nosnú konštrukciu
Návrh lana ako prvku nosnej konštrukcie je podmienený predovšetkým ekonomickým výberom vhodného typu a konštrukcie lana s ohľadom na spôsob namáhania lana v konštrukcii. Najdôležitejším základom pri návrhu lanových prvkov je norma EN 1993-1-11, ktorá obsahuje kategórie ťahaných prvkov a stanovuje pravidlá pre určenie technických požiadaviek na prefabrikované ťahané prvky z hľadiska ich bezpečnosti, použiteľnosti a trvanlivosti. Rozdelenie do skupín ťahaných prvkov je v tabuľke 1.
| Skupina | Hlavný ťahaný prvok | Dielec |
|---|---|---|
| A | Výrobky skupiny A majú všeobecne kruhový prierez pripojený závitom ku koncovke. | |
| tyč (prút) / rod (bar) | ťahaný systém z tyčí (prútov), predpínací prút / tension rod (bar) system, prestressing bar | |
Tuhé tyčové prvky sa používajú prevažne ako:
| ||
| B | Výrobky skupiny B sú zložené z drôtov, ktoré sú zakotvené do koncoviek alebo iných zakončení a vyrábajú sa prevažne s priemerom od 5 do 160 mm. | |
| kruhový drôt / circular wire | špirálové pramenné lano / spiral strand rope | |
Špirálové pramenné laná sa prevažne používajú ako:
| ||
| kruhové a Z-drôty / circular and Z-wires | plne uzavreté špirálové lano / fully locked coil rope (LCR – locked coil rope) | |
Plne uzavreté špirálové laná sa vyrábajú s priemerom od 20 do 180 mm a používajú sa najmä ako:
| ||
| kruhový drôt a drôtový prameň / circular wire and stranded wire | pramenné lano / strand rope | |
Konštrukčné pramenné laná sa používajú ako:
| ||
| C | Výrobky skupiny C potrebujú samostatné alebo spoločné ukotvenie a zodpovedajúcu protikoróznu ochranu. | |
| kruhový drôt / circular wire | prameň s rovnobežnými drôtmi / parallel wire strand (PWS) | |
| kruhový drôt / circular wire | zväzok rovnobežných drôtov / bundle of parallel wires | |
| sedemdrôtový (predpínací) prameň / seven wire (prestressing) strand | zväzok rovnobežných prameňov / bundle of parallel strands (PSC – Paralel Strand Cable) | |
Skupina výrobkov C sa používa:
| ||
Na presnosť výroby lanových prvkov sa kladú vysoké požiadavky, preto je nesmierne dôležité vyhotoviť laná v dĺžke vyhovujúcej výpočtom. Pri stanovení dĺžky lana (rezaní lana na dĺžku) je nutné zohľadniť teplotu prostredia, typ použitej koncovky lana, rozmiestnenie svoriek pre pripojenie sekundárnych lán, dotvarovanie a relaxáciu.
Laná sa vyrábajú z drôtov kruhového prierezu a drôtov tvarovaných (konštrukciou lana nazývame usporiadanie prameňov v lane). Prierezy obvykle tvarovaných drôtov sú na obr. 4.
Obr. 4 Tvary drôtov: okrúhly, uzavretý (Z), polouzavretý (H), lichobežníkový (T), trojuholníkový (V), obdĺžnikový (R), oválny (Q)
a)
b)
Obr. 5 Zmysel a spôsob vinutia lana a) pravé lano, rovnosmerné,
b) ľavé lano, protismerné
Prameň je prvok lana zložený z drôtov určitého tvaru a rozmerov, uložených skrutkovito okolo stredu v jednej alebo viacerých vrstvách v rovnakom alebo opačnom smere. Drôty sú vinuté do skrutkovice tak, aby sa navzájom dotýkali a tvorili vždy ten istý pravidelný prierez. Vinutie lana je charakterizované zmyslom, spôsobom, výškou a dĺžkou (obr. 5). Výška vinutia sa vyjadruje násobkom menovitého priemeru lana (prameňa), napr. 1:10.
Pevnosť drôtov určených pre lanové prvky je definovaná v súbore noriem STN EN 10264. V prípade kruhových oceľových drôtov sú definované pevnostné triedy 1180MPa, 1370MPa, 1570MPa, 1770MPa, 1960MPa, 2160MPa. V prípade tvarovaných drôtov 1270MPa, 1370MPa, 1470MPa, 1570MPa, 1670MPa, 1770MPa.
Viacpramenné lano pozostáva z niekoľkých prameňov, ktoré sú navinuté valcovo v jednej alebo niekoľkých vrstvách okolo duše alebo stredu. Rozlišujeme:
- jednovrstvové viacpramenné laná pozostávajúce z jednej vrstvy vinutých drôtov
- lano odolné voči krúteniu pri zaťažení má znížený krútiaci moment
- súbežne vinuté lano pozostávajúce z najmenej dvoch vrstiev vinutých prameňov
- lano zo zhutnených prameňov
- zhutnené lano
- káblové lano, niekoľko pramenných lán vinutých okolo duše (pramenného lana)
- prepletené lano, okrúhle pramene zapletené v pároch
- elektro-mechanické lano
- ploché lano
Tab. 2 – Usporiadanie drôtov v lanových prameňoch – názov a označenie
Tab. 3 – Usporiadanie typických jednopramenných lán
Obr. 6 Plne uzavreté špirálové lano ø 70,3 mm s dvoma a dvoma vrstvami klinových a Z-drôtov, ktoré sa ako zväzok lán použili pri výstavbe mosta SNP v Bratislave
Výhody uzavretých lán s jadrom z vrstiev z drôtov kruhového prierezu, na ktoré sú vinuté vrstvy z klinových a Z-drôtov sú:
- vysoký stupeň využitia prierezovej plochy,
- dobré deformačné vlastnosti,
- uzavretie vnútra lana pred účinkami korózie.
Vrstva klinových alebo Z-drôtov svojím pôsobením priaznivo ovplyvňuje modul pružnosti uzavretých lán.
Zväzok lán charakterizujú laná skladané z vinutých prameňov a lán (lanové káble), ktoré sa používajú na prenos veľkých ťahových síl. Zloženie prameňov do zväzku je pre dosiahnutie väčšej únosnosti výhodnejšie ako ich ďalšie vinutie. Typické prierezy zväzku lán z vinutých prameňov sú v tab. 4.
Pri strešných a mostných konštrukciách ide preklenutie o veľkých rozpätí, tu využijeme výhody uzavretých špirálových lán a z nich vytvorené zväzky lán. Nosné laná sú väčšinou uzavreté, ale je možné využiť aj špirálové jednopramenné laná, najmä ako nosné a vetrové závesy vo visutých konštrukciách. Pre prípady, kde sa koncentruje namáhanie z priečneho otlačenia (sedlá pylónov), sú vhodnejšie laná uzavretej konštrukcie.
Laná môžu byť dodané na stavbu navinuté na bubny. Dodacie dĺžky sú závislé od druhu a priemeru lana a od možnosti dopravy. Uzavreté laná sa pri priemeroch ø 40, 50 a 60 mm bežne vyrábajú v dĺžkach 850, 600, a 450 m. Pre menej náročné konštrukcie možno použiť laná bežného sortimentu. Plne uzavreté laná môžu byť použité aj pre visuté konštrukcie s rozponom do 850 m. Doteraz najdlhšie plne uzavreté lano dosahuje dĺžku 1250 m a má priemer 180 mm.
Lano z paralelných drôtov je určené pre konštrukcie s veľkým rozpätím (visuté strešné sústavy, visuté mosty), zostavenie lana prebieha v mieste stavby. Priemer drôtu pri lanách visutých konštrukcií s paralelnou konštrukciou lana je obvykle 5 mm. Dĺžky daných lán sú obmedzené materiálovo-technologickým stupňom vývoja.
Tab. 4 – Prierezy zväzku lán s prevažným použitím a výhodami
Lano z paralelných prameňov (PPWS – pre-fabricated parallel wire strand) sa vyrába priamo vo výrobni a je dovážané na miesto určenia. PPWS laná sú opatrené ochranným obalom (vrstvami) a najčastejšie sa používajú pri výstavbe zavesených konštrukcií. PPWS pozostávajú z predpínacích drôtov priemeru 5 až 7 mm a ako závesy sú umiestnené v polyetylénovej rúrke vyplnenej protikoróznou hmotou.
Zväzok rovnobežných drôtov – paralelne laná s vysokou pevnosťou boli vyvinuté v Nemecku (F. Leonhardtom). Ďalšie zdokonalenie lanových systémov prebehlo v USA a Japonsku. Výsledkom vývoja boli Ultra Dlhé Káble (Ultra-Long Lay Cable), obdoba PWS. Podstata vylepšenia pozostáva so skrútenia drôtov o 3 až 4° umožňuje zväzku zjednodušenie navíjania a prameň je pod vplyvom osovej sily samo zhutnený bez ovplyvnenia mechanických vlastností výrobku. Názov týchto prameňov rovnobežných drôtov poznáme v Európe ako „HiAm-SPWC“ v Japonsku „New PWS“. Prvky obsahujú obal z tvrdeného polyetylénu HDPE, ktorý je nanášaný priamo na zväzok drôtov. Zväzok je zostavený z drôtov priemeru 7 mm, vytvorené lano môže tvoriť až 421 drôtov s dĺžkami až 460 m (záves mosta Tatara).
Zväzok rovnobežných prameňov (PSC – Parallel Strand Cable) pozostáva zo siedmych drôtových prameňov používaných pri predpínaní betónových konštrukcií. Vinutie drôtov okolo jadra je relatívne dlhé, čo zachováva tuhosť takmer na úrovni zväzku rovnobežných drôtov, pričom sila pri pretrhnutí prameňa môže byť dokonca vyššia. Prameň je vyrábaný z 4,5 až 7mm drôtov najčastejšie s priemerom 12,5 mm a 15,5 mm. Pramene usporiadané paralelne vytvárajú lano s obsahom 7 až 127 prameňov. Systémy lán skladajúcich sa zo sedemdrôtových prameňov sú veľmi rozšírené (výrobcovia: Freyssinet, Dywidag, VSL, Stronghold, SEEE, ASP a iný).
a)
b)
c)
Obr. 7 a) PPWS lano – paralelne drôty sú chránené zálievkovou hmotou; b) SPWC lano – HDPE obal so zväzkom paralelných drôtov; c) SPWC lano – HDPE obal so zväzkom paralelných drôtov
Obr. 8 Výroba pramenného lana priemeru 210 mm
Tab. 5 – Normy zaoberajúce sa návrhom, materiálovými charakteristikami a špecifikáciou ťahaných prvkov
Záver
Príspevok sa zaoberá širokou témou lán, lanových prvkov a lanových konštrukcií. Jeho hlavným cieľom je poskytnúť informácie o tejto problematike a slúžiť ako vzdelávací materiál v danej oblasti.
Poďakovanie
Tento článok vznikol vďaka podpore vedeckej grantovej agentúry Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky a Slovenskej akadémie vied VEGA 1/0397/22.
Literatúra a použité zdroje
- AGÓCS Z., FERIENČÍK P., MELCHER J., Vybrané state z kovových konštrukcií Predpäté kovové a vláknové konštrukcie 1. časť, vydavateľstvo SVŠT v Bratislave, Apríl 1981
- PETERSEN CH., Stahlbau Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten, Fried. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Brainschweig 1988, ISBN 3-528-08837-0
- CHEN W.F., LUI E.M., Handbook of Structural engineering second edition, Taylor & Francis Group, USA, 2004, ISBN 0-8493-1569-7
- ĎUREJOVÁ J., Analýza účinnosti predpätých nosných sústav, Písomná práca k dizertačnej skúške, 2017
The design of a rope as part of a supporting structure depends primarily on the economic choice of the appropriate type and design of the rope, taking into account the method of its stressing. After selecting the appropriate type, it is necessary to determine the diameter of the rope so as to achieve maximum economy while meeting the requirements of the limit states. The economic design is influenced by the price of the ropes, which can be several times higher than the price of ordinary rolled material. The key document in the design of rope elements is the standard EN 1993-1-11, which defines groups of tensile elements and sets rules for technical requirements for prefabricated tensile elements, in terms of their safety, functionality and durability.
