23 października 2017


W opinii większości projektantów spoina doczołowa pracuje zmęczeniowo, a spoina pachwinowa – statycznie. Najpierw pękają spoiny rozciągane, a później ściskane, najtaniej jest wykonać spoiny pachwinowe, ważne jest zmęczenie, a pękanie kruche nie ma znaczenia. Gdy stosujemy stale St3S, nie wszystkie te twierdzenia są zawsze prawdziwe, ale dla stali o wysokiej wytrzymałości takie podejście mija się z prawdą całkowicie. W oparciu o wiedzę teoretyczną i swoje 30-letnie doświadczenie zawodowe oraz normy i doświadczenia zagraniczne chciałbym w niniejszej publikacji obalić te mity i zachęcić polskich projektantów do pogłębiania wiedzy technicznej.

Ryszard Jastrzębski

Projektowanie spoin w konstrukcjach wysokościowców w Japonii /2/
W Japonii istnieje dziewięćdziesiąt wymagań dotyczących dopuszczalnych naprężeń w materiale rodzimym, w śrubach i nitach, występujących w konstrukcji stalowych budynków. Podobnie, istnieją dziewięćdziesiąt dwa wymagania dotyczące dopuszczalnego działania naprężeń na złącza spawane. W japońskim świecie architektonicznym zasady obowiązujące przy projektowaniu są określone przez dwie normy: „Zasady projektowania konstrukcji stalowych” i „Zasady obliczeń betonu wzmocnionego stalą”. Ostatnio, aby zapobiec obniżaniu się poziomu wytrzymałości oraz plastyczności spoin, pojawiła się tendencja do regulowania ilości wprowadzonego ciepła i górnej granicy temperatury międzyściegowej. Celem tego jest podniesienie stopnia odporności na trzęsienia ziemi.
Dla mostów można wyliczyć (przy pomocy wartości granicy plastyczności) dopuszczalne naprężenie jako standardową wytrzymałość. W budownictwie natomiast wybiera się wartość niższą z granicy plastyczności i 0,7 wartości wytrzymałości na rozciąganie.
W związku z tym, np. stal SM490Y jest materiałem o takiej samej wytrzymałości na rozciąganie, co stal SM490, ale granica jej plastyczności jest na poziomie stali SM530. Z tego powodu właśnie, w przypadku mostów jest traktowana jako stal na tym samym poziomie, ale w budownictwie należy do klasy stali SM490 (czyli o klasę niżej).
W japońskim budownictwie standardowa wartość naprężeń ft jest 0,7 razy mniejsza od standardowej granicy plastyczności i wytrzymałości materiałów. Dopuszczalne naprężenie ft pojawiające się pod wpływem długotrwałego obciążenia, które z kolei powstało pod wpływem naprężeń rozciągających w materiałach stalowych, można wyliczyć ze wzoru:
ft (=σa) F / 1.5 (1)
diagram1_sWytrzymałość względną w takich materiałach określoną poprzez stosunek granicy plastyczności do dopuszczalnych naprężeń nazywamy współczynnikiem bezpieczeństwa.
W budownictwie, dla długiego okresu użytkowania współczynnik bezpieczeństwa wynosi 1,5, a dla krótkiego 1,0. W przypadku mostów współczynnik bezpieczeństwa wynosi 1,7.
W zastosowaniu do mostów drogowych, podobnie jak w budownictwie, stosunek dopuszczalnych naprężeń rozciągających ft i ścinających fs wynosi √3.
Na rysunku 1 pokazano schemat projektowania wysokościowców w Japonii. Jak wynika z rysunku, w przypadku trzęsień ziemi i obciążeń wiatrem na dużych wysokościach oprócz liczenia naprężeń, ważna jest także plastyczność blachy i przewidywanie miejsc odkształceń spoin.

Projektowanie spoin w UE i USA
W Ameryce stosuje się ustalone przez Amerykańskie Stowarzyszenie Spawalnicze (AWS) wspólną normę dla projektowania i konstruowania różnego rodzaju konstrukcji AWS D 1.1 – 2000 „Zsynchronizowana norma spawalnicza – stal”. W normach dotyczących konstrukcji spawanych przedstawione są ich przekroje. Różni się to od japońskiego sposobu projektowania tym, że w różnych rodzajach budowli bierze się pod uwagę główne normy i projektuje cechy charakterystyczne budowli.
W Europie, wzorem USA, wprowadzono normy zharmonizowane. Normy te są pomocne przy odbiorze konstrukcji, lecz nie pozwalają na uniknięcie błędów w konstruowaniu. Konieczne są więc analizy praktyczne.
W 2006 roku w Polsce do obliczania konstrukcji obciążonych statycznie wprowadzono normy europejskie zharmonizowane PN-EN 1993-1-1 (reguły ogólne), PN-EN 1993-1-3 (konstrukcje kształtowników i profili), PN-EN 1993-1-8 (projektowanie węzłów). Do obciążeń dynamicznych wprowadzono normy: PN-EN 1993-1-9 (zmęczenie), PN-EN 1993-1-10 (udarność i ciągliwość międzywarstwowa).

Wpływ kierunku rozciągania i dynamiki na wytrzymałość spoin
Jak widać na rysunku 2a, największe naprężenia wewnętrzne pochodzące od spawania są w przetopie, a najmniejsze w licu. Wynika to z tego, że miejsce układania lica jest odkształcone przez poprzednie ściegi, co prowadzi do mniejszych odkształceń. Jeżeli do tego dodamy naprężenia wynikające z działania karbu, to się okaże, że największe naprężenia są na powierzchni przetopu, mniejsze – na powierzchni lica, a najmniejsze – w środku spoiny. Stąd wniosek, że największe prawdopodobieństwo pękania jest na powierzchni od strony przetopu, mniejsze od strony lica, a najmniejsze w środku spoiny. Biorąc po uwagę mechanikę pękania okazuje się, że najbardziej niebezpieczne są wady na powierzchni, a wady wewnątrz spoiny są mniej niebezpieczne. Stąd, najważniejszą metodą badań nieniszczących są badania wizualne, którym poddaje się 100% spoin, a dopiero później – badania penetracyjne i magnetyczne (nie dotyczy to stali kwasoodpornej i metali niemagnetycznych).
Na rysunku 2b możemy zobaczyć, dlaczego belka suwnicy pęka po stronie ściskanej, a przęsło mostu i inne belki po stronie rozciąganej. W przypadku belki podsuwnicowej i belki suwnicy źródłem drgań jest koło, jeżdżące po szynach. Są to drgania punktowe, których wartość maleje ze wzrostem odległości. Stąd, największe obciążenia dynamiczne są u góry, po stronie ściskanej i tam konstrukcja pęka. Efekt ten niwelują podkładki pod szyny z prasowanej i obudowanej metalową blachą gumy.
rys2_sW przypadku mostu, pomiędzy kołem a przęsłem jest beton, który rozprasza drgania, powodując, że przęsło jest obciążone drganiami liniowymi, które są takie same u góry jak i u dołu. Stąd, drgania te nie wpływają na miejsce pękania, a przęsło pęka po stronie rozciąganej.
Na rysunku 3a pokazano odkształcenie względne spoiny pachwinowej przy różnych sposobach obciążenia. Przy rozciąganiu od strony lica o 1 mm odkształcenie względne 10% jest małe i spoina nie pęka. Przy rozciąganiu o 1 mm od strony przetopu (głębokość wtopienia 3 mm) odkształcenie względne 33% jest duże i spoina pęka, bo najmniejsze dopuszczalne wydłużenie stopiwa wynosi 20%. diagram2_sStąd wniosek, że spoiny pachwinowe muszą być tak obciążone, aby lico było rozciągane. Jeżeli obciążenia dynamiczne będą takie, że przetop nigdy nie będzie rozciągany, to spoina pachwinowa równie dobrze będzie przenosiła obciążenia dynamiczne. Ilustruje to rysunek 3b. W belce suwnicy położenie obciążenia jest zdeterminowane środkowym położeniem szyny. Szyna tak naciska na górną półkę przekroju skrzynkowego, że lico jest rozciągane, a przetop ściskany. To wyjaśnia, dlaczego dynamicznie obciążona belka suwnicy może być pospawana spoinami pachwinowymi.
Inaczej jest w przypadku przęsła mostu o konstrukcji skrzynkowej. W przypadku płyty ortotropowej mostu koło pojazdu może znaleźć się na zewnątrz przęsła, rozciągać przetop i ściskać lico spoiny pachwinowej. Aby więc zabezpieczyć spoinę przed pękaniem, należy fazować ściankę i wykonać spoinę pachwinowo-doczołową z pełnym przetopem. Podobnie jest w przypadku dwuteowej belki podsuwnicowej starego budynku hali. W przypadku rozsunięcia ścian hali przesuwa się położenie szyn. Wtedy, jak pokazano na rysunku 3d, lico spoiny pachwinowej jest ściskane, a przetop jest rozciągany. Aby zmienić ten stan obciążenia, brzeg półki należy podeprzeć o środnik. Tak naprawiano np. układy jezdne suwnic walcowni Huty Sędzimira. Podobna sytuacja może wystąpić w przypadku wywrotnicy wagonowej (konstrukcja nośna obrotnicy ma kształt koła o przekroju dwuteowym), gdzie podczas wywracania wagonu, półka jest odrywana od środnika. Taką spoinę można wzmocnić żebrami, ale od strony półki żebro należy fazować i przyspawać spoiną doczołową. diagram3_sInaczej spoina pachwinowa, wzmocniona od strony półki, pęknie przy pierwszej próbie wywracania wagonu.
Czasami wykonawcy spierają się z projektantami o to, co jest bardziej ekonomiczne: spoina doczołowa czy pachwinowa. Spór wynika z błędnie zakorzenionych poglądów, że spoina pachwinowa nie wymaga fazowania oraz badań nieniszczących. W dobie szeroko dostępnych elektronarzędzi do fazowania wykonawcy wolą spoiny doczołowe. Problem wyjaśnili Amerykanie /1/. Na rysunku 4 pokazano spoinę pachwinową i doczołową o tej samej nośności. W przypadku spoiny pachwinowej wymiarujemy wysokość trójkąta przekroju spoiny. W przypadku spoiny doczołowej nie wolno dodawać wymiaru spoiny doczołowej do wymiaru spoiny pachwinowej, bo spoina pęka pod kątem 45°, czyli wzdłuż boku spoiny doczołowej (rys. 4b). Spoina pachwinowa składa się tu z dwóch trójkątów, z których każdy jest równy wymiarowo bokom trójkąta spoiny doczołowej.
Stąd wniosek, że na spoinę pachwinową trzeba zużyć dwa razy więcej stopiwa niż na spoinę doczołową o tej samej wytrzymałości. Ilość nakładu pracy, wprowadzonego ciepła i odkształcenie spoin pachwinowych jest większe niż spoin doczołowych.