O NIEZAWODNOŚCI KONSTRUKCJI I POTRZEBIE ZMIANY ZAPISÓW NORMOWYCH

 W nowoczesnych halach stalowych stosuje się pełnościenne ramy spawane zamiast tradycyjnych układów kratownicowych, co wynika z potrzeby uproszczenia wykonawstwa oraz ograniczenia do minimum nieużytkowej kubatury obiektu. Zastosowanie sztywnych naroży ram oraz wysokowytrzymałej stali pozwala na uzyskanie bardzo małych wysokości h dwuteowych przekrojów rygli ram, zawierających się w granicach h = 1/30 ÷ 1/40 rozpiętości ramy. Obniżenie zużycia stali na konstrukcje ram nośnych wynika z właściwego doboru wysokości dwuteowych przekrojów oraz stosowania środników z blachy o grubości 4–6 mm, a w niektórych przypadkach środników z blachy falistej. Dla zmniejszenia nakładów na robociznę rezygnuje się także z żeber usztywniających środniki poza strefami podpór i naroży oraz stosuje się jednostronne spoiny podłużne pomiędzy pasami a środnikiem w słupach i ryglach ram (zmniejszenie pracochłonności wytwarzania elementów). Powyższe zabiegi optymalizacyjne są dobrze potwierdzone badaniami i analizami numerycznymi.

  Kolejnym sposobem obniżania kosztów wytwarzania konstrukcji stalowych jest projektowanie styków w ramach jako węzłów półsztywnych. Pozwala to uniknąć sprężania śrub oraz prowadzenia dziennika sprężania. Na takie połączenie zużywa się mniej stali, stosując mniejsze grubości blach doczołowych czy też rezygnując z żeber usztywniających. W tym przypadku obniżenie kosztów bezpośrednich powoduje wzrost nakładu pracy projektowej oraz utrudnia wykonanie połączenia o zadanej podatności w każdym węźle. Wynika to przede wszystkim z różnych odchyłek, imperfekcji w każdym węźle, sposobu i kolejności dokręcania śrub. Optymalizacja ram hal powoduje wykorzystanie nośności granicznej ramy, w tym jej styków, prawie w 100%, powodując w konsekwencji mały zapas nośności. Połączenia podatne wykazują nieliniową charakterystykę M-φ, o sztywności malejącej ze wzrostem obciążenia momentem M w styku doczołowym. Część styków podatnych może wykazywać małą sztywność stycznej w chwili osiągania obciążenia granicznego układów ramowych, tym samym zbliżając się do połączenia przegubowego. Analiza obciążeń cyklicznych zmęczeniowych jest utrudniona, gdyż sztywność węzła zależy od sumarycznego obciążenia w danej chwili. Uniemożliwia to wykonanie wiarygodnych obliczeń charakterystyk dynamicznych konstrukcji. Korzyści stosowania połączeń podatnych są niewielkie i niechętnie stosowane przez renomowane firmy specjalizujące się w konstrukcjach stalowych.

Niestety często na realizowanych obiektach zamienia się styki doczołowe sprężane na styki niesprężane bez przeprowadzania obliczeń z węzłami podatnymi. Koszty połączenia zdecydowanie maleją, ale wzrastają przemieszczenia konstrukcji. Powoduje to rozszczelnienie obudowy, ale nie obniża nośności granicznej konstrukcji. Projektanci w celu obniżenia kosztów realizacji obiektu stosują wymiarowanie styków nie na nośność łączonych elementów, tylko na siły wewnętrzne wynikające ze statyki. Z punktu widzenia niezawodności takie wymiarowanie obniża niezawodność konstrukcji.

Natomiast gdy dochodzą elementy krytyczne w postaci węzłów o nośności słabszej niż łączony element, układ niezawodnościowy staje się układem szeregowym (gdzie elementami sprawczymi są głównie połączenia). Przy układach szeregowych prawdopodobieństwo powstania awarii jest większe niż przy układach równoległych.

Stosowanie węzłów podatnych i węzłów słabszych od łączonych elementów jest zgodne z normami PN-EN, ale obniża niezawodność całej konstrukcji. Inżynierowie z podstawową wiedzą o niezawodności konstrukcji mają tę świadomość i nie chcą oszczędzać na połączeniach. Jednak walka o klienta oraz obniżenie kosztów realizacji obiektów powodują wykorzystanie tych zapisów normowych przez projektantów. Ciekawy jestem, ile czasu musi upłynąć, aby te notacje były usunięte z norm? Szczególnie ryzykowny jest zapis pozwalający wykonywać połączenia na występujące siły wewnętrzne.

Pozdrawiam serdecznie czytelników „Buildera”.

 dr inż. Jan Gierczak- projektant, rzeczoznawca, dr inż. Jan Gierczak
Katedra Konstrukcji Metalowych, Wydział Budownictwa
Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej,
Członek Rady Programowej miesięcznika „Builder”