Wpływ procesu sprężania technologicznego na stateczność dźwigarów

Przekroje poprzeczne dźwigarów blachownicowych bądź skrzynkowych wykonuje się jako spawane konstrukcje z wysokimi środnikami o małej grubości. Belki dźwigarów wzmacniane są licznymi żebrami poprzecznymi i wzdłużnymi. W wyniku sprężania środnik dźwigara obciążony jest siłą ściskającą o kierunku równoległym do osi wzdłużnej dźwigara. Ten układ obciążenia powoduje ściskanie i zginanie dźwigara. W takich warunkach może nastąpić lokalna utrata stateczności środnika dźwigara. Wyboczeniu może ulec część środnika zawarta między najbardziej rozstawionymi żebrami poprzecznymi ograniczona od dołu pasem dolnym, a od góry pasem górnym lub żebrem wzdłużnym. Taka część środnika obciążona jest w swej płaszczyźnie ściskaniem i tarczowym zginaniem [9], [67]. W literaturze przedmiotu zakłada się, że płyta taka pracuje samodzielnie jako tarcza podparta przegubowo wzdłuż wszystkich krawędzi. Najnowsze badania starają się uwzględnić współdziałanie ścianek otaczających badana tarczę. Bardzo istotne jest dokładne ustalenie wartości i rozkładu naprężeń na pionowych brzegach tarczy. Metody obliczeniowe stanu naprężenia muszą podawać wyniki odpowiadające wynikom znanych badań doświadczalnych. Badania doświadczalne, szczególnie pomiary tensometryczne naprężeń wzdłuż wysokości środnika oraz pomiary geodezyjne ugięć dźwigara, dają wyniki najbliższe rzeczywiście istniejącemu stanowi naprężenia i odkształcenia. Naprężenia wzdłuż wysokości środnika w stanie dokrytycznym są naprężeniami normalnymi zmiennymi liniowo według zależności:

σ_{1 ⎟} ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − H y α 1 (2.80) gdzie:

σ - naprężenie na wysokości y (rys. 2.17), σ1 - naprężenie w dolnych włóknach środnika, α - współczynnik rozkładu naprężeń,

H - wysokość środnika,

e - największa odległość między żebrami poprzecznymi.

Na rysunku 2.31 przedstawiono tarczę z obciążeniem brzegów pionowych, oraz podano stosowne wymiary tarczy.

Rys 2.31. Obciążenie tarczy środnika [3].

W stanie dokrytycznym rozkład naprężeń w zależności od wartości współczynnika α, może zmieniać się w sposób następujący dla przypadku:

- równomierne ściskanie α = 0,

- ściskanie tarczy od wartości zerowej (rozkład trójkątny) α = 1,

- czyste zginanie tarczowe α = 2,

- zginanie z przewagą rozciągania α>2.

Przykładowe rozkłady naprężeń podano na rysunku 2.23. Współczynnik rozkładu naprężeń oblicza się ze wzoru:

1 2 1 σ σ α = − (2.81) Naprężenie krytyczne określane przez wartość naprężeń σ₁ podane jest następującym wzorem: 2 2 2 ) 1 ( 12 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = H g k E kr ν π σ (2.82) gdzie: E – moduł Younga, υ – liczba Poissone’a, g – grubość środnika

k – współczynnik zależny od rodzaju obciążenia i stosunku długości boków λ=e/H

Stateczność środnika można uznać za zachowaną jeżeli spełniona jest nierówność: o

sn

z =m ⋅σ₁ ≤ R

gdzie: z

σ - naprężenia zastępcze, R - wytrzymałość obliczeniowa wg [16]. ₀

sn

m - współczynnik odczytywany z tablicy 12 [16] dla smukłości względnej

σ2= σ1 σ2=0 σ2= -σ1

σ1 σ1 σ1

α=0 α=1 α=2

Rys. 2.32. Przykładowe rozkłady naprężeń na brzegu tarczy [3].

Według przeprowadzonych wcześniejszych badań eksperymentalnych stateczności blach dźwigarów skrzynkowych sprężanych technologicznie poddane procesowi sprężania technologicznego dźwigary skrzynkowe posiadały imperfekcje wstępne powstałe bądź przy montażu konstrukcji, bądź w czasie jej eksploatacji na skutek obciążeń zewnętrznych [17], [20]. Rezultaty badań wykazały, że w wyniku sprężania technologicznego imperfekcje blach środnikowych uległy powiększeniu. Zatem sprężanie technologiczne konstrukcji posiadających imperfekcje wstępne może doprowadzić do lokalnej utraty stateczności środników blach. W przypadku dźwigarów skrzynkowych ze względu na ich konstrukcję, jak i gęstość żeber poprzecznych i wzdłużnych, problem utraty stateczności nie był tak bardzo istotny jak w przypadku smukłych przekrojów dźwigarów blachowicowych. Zatem podstawą możliwości aplikacji metody sprężania technologicznego na skalę przemysłową jest przede wszystkim określenie wpływu sprężania technologicznego na stateczność blach środników dźwigarów blachownicowych.

2.6. Podsumowanie literatury przedmiotu

Wieloletnia eksploatacja konstrukcji nośnych maszyn i urządzeń, których głównymi elementami nośnymi są dźwigary blachownicowe lub skrzynkowe, pociąga za

sobą ryzyko powstawania w konstrukcji trwałych ugięć. Przyczyny ich powstawania są złożone. Mają na nie wpływ nie tylko przeciążenia konstrukcji ponad udźwig nominalny ale również propagujące w czasie pęknięcia lamelarne. Proces przyrostu trwałych ugięć pociąga za sobą kolejne stadium, jakim jest pęknięcie, a w rezultacie katastroficzne złamanie konstrukcji. Wskazane staje się zatem opracowanie skutecznej metody, pozwalającej na regenerację wytrzymałościową, wykorzystującą zjawisko kontrolowanego skurczu spawalniczego spoin pachwinowych dodatkowych blach nakładkowych. Metoda sprężania technologicznego została zastosowana na skalę techniczną w procesach regeneracji dźwigarów skrzynkowych. Na podstawie przeprowadzonych uprzednio badań eksperymentalnych dźwigarów skrzynkowych sprężanych technologicznie, stwierdzono, że metoda ta pozwala nie tylko na wyrównanie trwałych ugięć, ale przede wszystkim pozytywnie wpływa na skutki wytrzymałościowe konstrukcji. W wyniku sprężania uzyskano efekt przegięcia dźwigarów wypukłością ku górze. Wygięcie to spowodowały naprężenia skurczowe w strefach aktywnych powstałych w miejscach ułożenia spoin. Wprowadzenie do konstrukcji naprężeń rozciągających do strefy ściskanej od obciążenia zewnętrznego i ściskających do strefy rozciąganej, w istotny sposób wpływa na wytrzymałość konstrukcji. Badania eksperymentalne dźwigarów skrzynkowych sprężanych technologicznie, wykazały, że wprowadzenie do konstrukcji dodatkowych sił i momentów sprężających może spowodować utratę stateczności dźwigarów, ponadto wpływa na pojawienie się w konstrukcji dodatkowych imperfekcji. Imperfekcje zaś mają znaczący wpływ na postać utraty stateczności konstrukcji. Problem utraty stateczności jest szczególnie istotny w przypadku dźwigarów blachownicowych, charakteryzujących się smukłymi przekrojami. Przeprowadzone dla dźwigarów skrzynkowych badania eksperymentalne pozwoliły określić przybliżony model matematyczny dotyczący obliczania sił i momentów sprężających oparty na teorii N. O. Okerbłoma. Istotne znaczenie miało określenie wartości współczynnika korekcyjnego, umożliwiającego dokładne określenie powierzchni strefy aktywnej wpływu ciepła. Literatura przedmiotu dotycząca określenia wartości odkształceń i naprężeń powstałych w wyniku sprężania technologicznego, podaje duże uproszczenia. Parametry niezbędne do analizy odkształceń konstrukcji sprężanych zależą od wielu czynników zewnętrznych, a więc: prędkości spawania, napięcia łuku, natężenia prądu spawania, kąta pochylenia elektrody. Zatem ich precyzyjne określenie jest trudne, wymaga dużego doświadczenia i dużej precyzji spawania. Uproszczenia przyjęte w literaturze dotyczą konstrukcji w sensie ogólnym. W rzeczywistości każda konstrukcja ma inny kształt, zatem dokładne sprecyzowanie

parametrów przyjętych w modelu obliczeniowym wymaga badań eksperymentalnych, które dają jedyną możliwość skorygowania przyjętych założeń upraszczających. Takie badania zostały już przeprowadzone w odniesieniu do dźwigarów skrzynkowych, gdzie wielkość współczynnika korekcyjnego określono w=0,45. Możliwość uzyskania dokładnych wyników obliczeń dla dźwigarów blachownicowych wymaga przeprowadzenia badań eksperymentalnych, umożliwiających określenie rzeczywistej wartości powierzchni strefy aktywnej wpływu ciepła.

Osobnym problemem jest określenie wpływu sprężania technologicznego na stateczność dźwigarów blachownicowych. Analiza literatury dotyczącej stateczności konstrukcji podaje duże uproszczenia mające pokrycie w odniesieniu do płyt idealnie płaskich. W przypadku cienkościennych konstrukcji o smukłych przekrojach, niemożliwe jest uzyskanie idealnie płaskiej powierzchni. Proces wykonania dźwigara blachownicowego wiąże się nierozerwalnie z powstaniem w konstrukcji imperfekcji wstępnych, które powstają w blachach w trakcie walcowania, jak również w trakcie ich produkcji. Charakter jak i wielkość powstałych imperfekcji ma duży wpływ na charakter utraty stateczności konstrukcji. Metoda sprężania technologicznego wiąże się z pojawieniem się w konstrukcji dodatkowych sił i momentów sprężających, które z całą pewnością mają wpływ zarówno na charakter jak i wielkość imperfekcji. Zatem problem wpływu sprężania technologicznego na stateczność konstrukcji cienkościennych, w tym dźwigarów blachownicowych, pozostaje nadal otwarty. Rozwiązaniem jego mogą być jedynie badania eksperymentalne.

3. WYTRZYMAŁOŚCIOWE