Wpływ usztywnienia połączenia płatew–krokiew konstrukcji wsporczej paneli PV w świetle badań doświadczalnych w skali naturalnej

Streszczenie

Przedmiotem artykułu jest analiza porównawcza wyników badań doświadczalnych dwóch typowych konstrukcji wsporczych paneli fotowoltaicznych zbudowanych z  prefabrykowanych cienkościennych elementów stalowych o przekroju otwartym. Konstrukcje te były podobne zarówno pod względem gabarytu, jak i  zastosowanych materiałów. Poddano je obciążeniom o takiej samej wartości i  sposobie przyłożenia. Jedyną różnicą pomiędzy zbadanymi modelami był sposób wykonania połączeń płatwi z  krokwią. W  jednej konstrukcji zastosowano popularne połączenie quasiprzegubowe, czyli przez skręcenie pojedynczą śrubą przylegających do  siebie półek łączonych kształtowników. W  drugiej konstrukcji dodano krótkie kątowniki łączące środniki krokwi i  płatwi, zapewniające podparcie widełkowe zgodne z  wymaganiami normy [1]. Przykładane obciążenie imitujące wpływ obciążeń klimatycznych realizowano etapami, a  pracę konstrukcji dokumentowano poprzez rejestrację przemieszczeń w  15 charakterystycznych punktach pomiarowych. Porównanie uzyskanych wyników wykazało znaczną przewagę konstrukcji z dodatkowymi elementami usztywniającymi złącza płatew–krokiew: zaobserwowano zmniejszenie nawet o  ponad 80% wartości przemieszczeń elementów oraz ogólny wzrost lokalnej i  globalnej nośności konstrukcji. Usztywnienie węzłów i  zmniejszenie ich podatności pozwoliło na  uzyskanie współpracy tarczy tworzonej przez panele fotowoltaiczne, symulowane w badaniu przez zastępcze drewniane elementy płytowe. Powstała przepona tarczowa aktywnie przeciwdziała zwichrzeniu płatwi, powoduje globalne wyrównanie sił wewnętrznych, zmniejszenie podatności całego układu na zwichrzenie i utratę stateczności, a w efekcie przekłada się na znacząco większą nośność konstrukcji.

Abstract

This article presents a comparative analysis of experimental results for two typical photovoltaic panel support structures constructed from prefabricated, thin-walled, open-section steel elements. These structures were very similar in dimension and materials. They were also subjected to identical loads, both in terms of magnitude and application method. The only difference between the models tested was the method of constructing the purlin-rafter connections. The first structure uses a common quasi-articulated connection, i.e. the adjacent shelves of the connected sections are screwed together with a single screw. The second one featured an additional short angle connecting the rafter and purlin webs, providing fork-shaped support in accordance with the requirements of the [1]. The applied load, simulating the effect of climate loads, was applied in stages, and the structure’s performance was documented by recording displacements at 15 characteristic measurement points. Comparison of the results revealed a significant advantage for the structure with additional stiffening elements at the purlin-rafter joints: a  reduction of element displacements by over 80% and a  general increase in the local and global load-bearing capacity of the entire structure. Stiffening the joints and reducing their flexibility allowed for the co-operation of  the shield created by the photovoltaic panels, simulated in the study by substitute wooden panel elements. The resulting shield diaphragm actively counteracts purlin buckling, causes global equalization of internal forces, reduces the entire system’s susceptibility to warping and stability loss, and ultimately translates into a significantly greater load-bearing capacity of the structure.