Lightschool: Techniczne i praktyczne aspekty kratownic aluminiowych – część 2

Natomiast w kolejnej części naszej serii omówimy siły, jakie występują w ich konstrukcji. Dzięki tym wiadomościom uświadomimy sobie, co dzieje się w poszczególnych elementach naszej konstrukcji w momencie, gdy ją obciążamy, oraz co się dzieje, gdy ją przeciążamy.

SIŁY

W konstrukcji kratownic aluminiowych możemy zdefiniować dwa różne rodzaje występujących sił – siły zewnętrzne i wewnętrzne.

Siły zewnętrzne, jak sama nazwa wskazuje, oddziałują na kratownice z zewnątrz (rysunek 1). Przykładami takich sił są:
– obciążenie statyczne, np. oprawy oświetleniowe, głośniki, horyzonty itd.
– obciążenie dynamiczne, np. ruch kratownicy spowodowany pracą wciągników łańcuchowych i urządzeń ruchomych
– wpływ środowiska (siła wiatru, lód, śnieg).

Drugi rodzaj sił to siły wewnętrzne (rysunek 2). Powstają one wewnątrz pojedynczego odcinka kratownicy lub całej konstrukcji, w wyniku reakcji na siły zewnętrzne. Możemy je podzielić na siły osiowe (normalne), siły tnące, moment gnący i moment skręcający.

Wszystkie występujące siły muszą pozostawać w równowadze. Innymi słowy suma wszystkich sił zewnętrznych i wewnętrznych, w płaszczyźnie pionowej lub poziomej, musi wynosić zero. Gdy któryś z elementów nie jest w stanie wytrzymać sił wewnętrznych, wtedy najczęściej kratownica ulega zniszczeniu, co może doprowadzić do niebezpiecznych sytuacji.

W dalszej części omówimy każdą z tych sił na przykładach z codziennej praktyki, jednak na początek musimy dowiedzieć się, co to jest

MOMENT SIŁY

Moment siły jest iloczynem długości ramienia L do siły F, jaką do niego przykładamy (rysunek 3).

Dla przykładu, wyobraźmy sobie, że odkręcamy śrubę kluczem. Im dłuższy klucz, tym łatwiej jest nam ją odkręcić, choć nie używamy do tego większej siły, ale moment znacznie wzrasta. Tak samo jest z kratownicami. Wieszając taki sam ładunek na różnych długościach kratownicy, siły wewnątrz konstrukcji zmieniają się. Wróćmy jednak do sił.

Pierwszy rodzaj sił wewnętrznych to siły osiowe. Są one równoległe do przekroju kratownicy i działają wzdłuż osi całej kratownicy bądź poszczególnych jej elementów. Siły takie występują np. w wieżach lub krokwiach systemów dachowych (rysunek 4).

Maksymalna siła osiowa, jaką jest w stanie wytrzymać kratownica, zależy od głównych cięgien naszej kraty. Czasami trzeba po prostu wybrać kratownicę o większej średnicy cięgien głównych lub o grubszych ściankach.

Siły tnące (poprzeczne) są to siły działające prostopadle do osi kratownicy, wtedy gdy mocno ją obciążymy blisko punktu podwieszenia, bądź podwiesimy ciężki ładunek na krótkim odcinku (rysunek 5). Siła ta próbuje ściąć główne cięgno kratownicy. Przeciwdziałać tej sile można np. poprzez wybranie kratownicy z wyplotem o większej średnicy lub cięgnem głównym o grubszych ściankach.

Moment gnący występuje, gdy przyłożymy do kratownicy zewnętrzną siłę, która ją wygina (rysunek 6). Moment gnący występuje w kilku sytuacjach, np.:
– ciężar własny kratownicy spowodowany siłą ciężkości
– ciężar statyczny (oprawy oświetleniowe, głośniki, horyzonty itd.)
– wpływ środowiska (siła wiatru, lód, śnieg).

Moment gnący powoduje, że górne cięgno główne kratownicy jest ściskane, natomiast dolne cięgno jest rozciągane (w przypadku gdy siła działa pionowo w dół). Wyplot utrzymuje cięgna główne zawsze w stałej odległości od siebie. Maksymalny moment gnący, jaki kratownica może wytrzymać, można zwiększyć poprzez oddalenie od siebie tych sił. Musimy wybrać kratownicę taką, której cięgna główne rozmieszczone są w większej odległości (czyli po prostu większą kratownicę).

W samym cięgnie głównym kratownicy również występuje moment gnący (lokalny moment gnący). Wieszając ciężki ładunek pomiędzy węzłami mamy do czynienia z ugięciem cięgna (rysunek 7). Należy zawsze taki ładunek wieszać możliwie najbliżej węzła. Kolejnym przypadkiem, gdzie może wystąpić moment gnący w cięgnie głównym, są kratownice wykonane w bliżej nieokreślonym standardzie i miejscu. Aby utrzymać najwyższą wytrzymałość kratownicy, przedłużając dwa elementy wyplotu schodzące się w jeden węzeł, do wnętrza cięgna głównego, muszą one przeciąć się w jego osi. W innym przypadku mówimy o tak zwanym „zgubionym węźle”, i w tym miejscu powstaje moment gnący (rysunek 8).

Ostatni na naszej liście jest moment skręcający. Działa on obrotowo do osi kratownicy, ale nie jest usytuowany w tej samej płaszczyźnie. Moment obrotowy próbuje skręcać kratownicę (rysunek 9).

Przykłady:
– urządzenia zawieszone na wysięgniku,
– urządzenia zawieszone tylko po jednej stronie kratownicy
– obciążenie statyczne na centralnym odcinku ground support’u.

Oczywiście to, że nasza konstrukcja się ugina, nie jest niczym groźnym i jest normalną reakcją na działające wewnątrz kratownicy siły. Wszelkie odchylenia mieszczące się w normie są dozwolone. Producent kratownicy, myśląc o swoich klientach, musi wykazać się zrozumieniem praktycznych wymagań użytkowników. Wieszając np. kurtyny na kratownicy i mając od producenta informację, jak dany odcinek się ugnie pod danym obciążeniem, możemy zapobiec temu, że na środku kurtyna będzie zamiatała po scenie, a końce będą wisiały w górze.

Nie ma idealnie sztywnych materiałów, a to ile odkształci się dany materiał, wynika z jego współczynnika sprężystości. Musimy o tym pamiętać, projektując np. rozmieszczenie naszych wciągników, na których wieszamy odcinki kratownicy. Na rysunku 10 widzimy procentowy rozkład wagi w konkretnej liczbie punktów podparcia. Jest to rozkład dla kratownic aluminiowych.

Łatwiej będzie nam to zrozumieć na przykładzie. Wieszamy odcinek kratownicy razem z urządzeniami o łącznej wadze 1 tony na dwóch wciągnikach łańcuchowych o dopuszczalnej nośności 500 kg. W tej sytuacji wszystko jest jak najbardziej w porządku. Na każdy wciągnik przypada jego maksymalne obciążenie. Drugi odcinek kratownicy, o takiej samej wadze, wieszamy na trzech wciągnikach o nośności 500 kg. Niestety, w tym przypadku środkowy wciągnik jest przeciążony, ponieważ zgodnie z rozkładem przypada na niego 62% wagi kratownicy, czyli 620 kg.

Mateusz Oryl, Prolight
fot. Prolyte Group