16 października 2021



Warto zwrócić uwagę, że obliczenia wykonane przez dwóch różnych projektantów nie są jednoznaczne. Wynika to z następujących okoliczności.
Przy liczeniu według eurokodu PN-EN 1993-1-8 w Polsce zaleca się dodatkowo przyjmować w całości wytyczne ze starej normy PN – B /03200
W powyższym przykładzie różnica wyników wypływa przede wszystkim z faktu, że przy tak dobranych grubościach blach i grubości spoiny pachwinowej nośność spoin jest większa od nośności blach; o nośności całości decyduje zatem nośność blach rozciąganych. Ponadto, jeżeli wymiar spoiny przekracza 0,7 grubości, to do wytrzymałości bierze się maksymalny dopuszczalny wymiar spoiny. Norma polska i europejska  odmiennie niż normy japońskie i amerykańskie nakłada wymóg, by nośność spoiny czołowej określać w odniesieniu do słabszego z łączonych elementów. W rozważanym przypadku mamy do czynienia z blachami o różnej wytrzymałości, połączonymi prostopadle do siebie. Pojęcie „słabszy element” nie jest tu tak czytelne jak wówczas, gdy łączone elementy leżą w jednej płaszczyźnie – z punktu widzenia przyłożonego obciążenia mamy tu do czynienia z blachą rozciąganą i zginaną.

tab_4
Rys. 5 Wzory obliczeń związane z mechaniką pękania

W tabeli 3 przyjęto obliczenia po stronie bezpiecznej, czyli przyjęto mniejszą z dwu wytrzymałości oraz pole powierzchni równe polu blachy rozciąganej:
Należy też pamiętać o sprawdzeniu nośności blachy, która w tym przypadku wynosi
P ≤ 20 mm * 100 mm * 205 MPa = 410,0 kN
Obliczenia w tabelce biorą pod uwagę że w tym  przypadku tak dobranych spoin i blach, nośność spoin staje się większa od nośności blachy. W japońskich normach domyślnym wymiarem spoiny pachwinowej jest wartość „z” a w normach polskich wartość „a”. Można też do obliczeń wziąć jedną zamiast dwóch spoin pachwinowych. Stosowanie do obliczeń programów komputerowych wymaga precyzyjnego ustawienia warunków początkowych i znajomości ich wpływu na wyniki obliczeń.

6
Rys. 6 Dopuszczalne i niedopuszczalne obciążenia złączy/1/


Obliczenia mechaniki pękania
Każdy materiał ma mikropęknięcia, a ich wykrycie jest tylko sprawą zastosowanego powiększenia mikroskopu.
Normy mechaniki pękania są wynikiem badań nad pęknięciami kruchymi z okresu II wojny światowej. Wzory opierają się na tym, że pękanie następuje jeśli prowadzi to do zmniejszenia ilości energii. W tym przypadku pękanie następuje bez obciążenia zewnętrznego. Pękanie rozprzestrzenia się z prędkością równą prędkości dźwięku w materiale, a wyładowanie energii wywołuje falę akustyczną. Gdy prędkość pękania będzie równa prędkości dźwięku, podczas trzęsienia ziemi lub pracy w niskich temperaturach, konstrukcja ulegnie zniszczeniu. Walka z kruchym pękaniem związana jest z badaniem własności materiałów. Najprostszym badaniem jest badanie udarności w niskich temperaturach.
Pęknięcia kruche związane są z niską plastycznością stali, naprężeniami spawalniczymi, karbami i zawartością wodoru atomowego w spoinie.
W Europie Zachodniej jakość stali była tak dobra, że nie było problemów z mechaniką pękania. Dopiero gdy pojawiła się stal ze wschodniej Europy pojawiły się problemy, o których inżynierowie słyszeli od swoich dziadków.
W Polsce nie ma norm dotyczących mechaniki pękania. W przypadku gdy wadliwość spoin była większa od określonej przez normy, aby sprzedać konstrukcje zlecało się na politechnice obliczenia z norm angielskich.
Na rysunku 5 zebrano wzory wyprowadzone dla idealnego pęknięcia na wskroś. Wg norm wady uzyskane z badań nieniszczących można przeliczyć na wielkość obliczeniową. Do obliczeń, podczas próby rozciągania próbki z karbem i zainicjowanym na jego dnie pęknięciu, trzeba wyznaczyć parametr K1c, który pełni rolę podobną jak granica plastyczności.
Przy większym obciążeniu trzeba wyznaczyć rozwarcie szczeliny δ  w próbie COD.
Przy jeszcze większym obciążeniu następuje uplastycznienie dna pęknięcia i na pewien czas zostaje zatrzymane jego rozprzestrzenianie się. Oznacza to, że jeżeli co kilkaset cykli obciążenia przyłożymy kilka cykli dwa razy większego obciążenia to konstrukcja będzie pracować dłużej niż bez tych uderzeniowych cykli. Znali to nasi dziadowie, którzy uderzali młotem w konstrukcję aby zatrzymać pęknięcie.

Obliczenia zmęczeniowe
Jeżeli poradziliśmy sobie z odpornością na pękanie to pojawiają się pęknięcia zmęczeniowe.
Należy zwrócić szczególną uwagę na złącze, na które działają cykliczne obciążenia w kierunku pionowym, ponieważ powoduje to pojawienie się wielu czynników, powodujących obniżenie poziomu wytrzymałości złącza. Główne czynniki mające wpływ na specyfikę spawania, decydującą o poziomie wytrzymałości na zmęczenie to:

  • koncentracja naprężeń na brzegach nadlewu
  • koncentracja naprężeń powstała w trakcie spawania na nieciągłościach spoiny (elementach konstrukcyjnie niepołączonych)
  • istnienie naprężeń pozostających
  • istnienie wad spawalniczych


7
Rys. 7 Wpływ wadliwości spoin i obróbki mechanicznej lica i przetopu na krzywe zmęczeniowe /1/

Na rysunku 6 pokazano krzywe zmęczeniowe wg japońskiego podziału na klasy konstrukcji obciążonych zmęczeniowo. Przyspawanie krótkich elementów powoduje, że jest za mało ciepła aby zapobiegać wnikaniu do spoiny wodoru pochodzącego z zawilgocenia, oraz za mało ciepła aby spoina się nie zahartowała. Powoduje to mikropęknięcia i obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej. Wraz ze wzrostem wytrzymałości stali rosną problemy związane z karbami; dlatego w takich przypadkach należy zaokrąglać krawędzie wyrobów hutniczych i szlifować lub przetapiać metodą TIG brzegi lica spoiny. Przetopy należy usuwać i podpawać. Można pozostawić przetopy wykonane metodą MAG drutem proszkowym rutylowym szybko krzepnącym na podkładce ceramicznej lub przetopy wykonane metodą TIG (brak mikropęknięć). Na rysunku 7 podano wpływ wad spawalniczych i obróbki mechanicznej spoin (niewłaściwy kąt zbocza, promień krzywizny, krawędź nadlewu, nierówności, odkształcenia kątowe) na krzywe zmęczeniowe. Okazuje się, że obróbka brzegów spoin ma większy wpływ na zmęczenie niż wadliwość spoin. Jeżeli zwiększymy wytrzymałość materiału rodzimego to w przypadku spoin nie obrobionych wytrzymałość zmęczeniowa się nie zmieni, a w przypadku gładkiego materiału rodzimego oraz w przypadku spoin doczołowych obrobionych wytrzymałość zmęczeniowa wzrośnie /1/


dr inż. Tomasz Michałowski
Politechnika Krakowska
mgr inż. Tadeusz Zaczek
Biuro Projektów „ZD-projekt” HTS Spółka z o.o.
mgr inż. Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali w Krakowie
inż. Dawid Mołdrzyk
Edax Projekt Sp. z o.o. Złotów


Literatura
/1/ Japan Welding Society: „Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze „Yōsetsu gakkai-hen, Yōsetsu, setsugō gijutsu tokuron. Shinpan ”
wydawnictwo Sanpō, 2008.
/2/ Jastrzębski R.: Nadzór i kontrola prac spawalniczych 2002, Technolkonstrzębski Co Sp. z o. o. Kraków, materiały szkoleniowe, Kraków 2002
/3/ / R. Jastrzębski: „Wprowadzenie do projektowania spoin”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie nr kwiecień 2011, str. 6-15
/4/ / R. Jastrzębski, Ilona Pawlik: „Porównanie klas konstrukcji spawanych”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie nr wrzesień 2011, str. 30-33

Autorzy składają podziękowanie Franciszkowi Tuzowi za pomoc w przygotowaniu artykułu

artykuł pochodzi z wydania Październik 10 (49) 2011