Treść ekspercka w archiwum: W artykule zachowano historyczne przykłady i roszczenia dotyczące spawanych stalowych dźwigarów, mostów i kratownic, ale nie stanowi projektu, obliczeń, specyfikacji połączeń, planu spawania, kwalifikacji procedur, oceny zmęczenia ani instrukcji naprawy. Materiał, spawalność, wytrzymałość, grubość, przygotowanie złącza, materiał wypełniający, podgrzewanie wstępne, kolejność, naprężenia szczątkowe, tolerancje, korozję, ogień, zmęczenie i kontrolę należy określić zgodnie z konkretnym projektem i obowiązującymi normami. Połączenia łożyskowe są projektowane, wykonywane i kontrolowane przez odpowiednio wykwalifikowane osoby.
Savo Kusić koncentruje się dziś na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych, oknach na zamówienie, drzwiach i zapytaniach ofertowych. Artykuł ten pozostaje archiwum historycznym i nie stanowi oferty projektowania, spawania, testowania lub wzmacniania konstrukcji stalowych.
Wsporniki całkowicie spawane
Sekcje podpór
Przegląd przedstawiono na ryc. 1 i 2. Śl. 1a przedstawia podporę wzmocnioną przyspawanymi listwami pasowymi. Sekcje o dowolnej nośności można składać z szerokiej stali i blach (rys. 1b do e). Należy unikać otwartych łączeń pomiędzy szwami narożnymi poprzez zaostrzenie blachy pionowej (rys. 1c). Przekrój wspornika można dostosować do wymaganego momentu oporu za pomocą dodatkowych listew pasowych. Sekcje na ryc. 2d do f mają tę zaletę, że szew na powierzchni czołowej znajduje się w obszarze o mniejszej grubości żebra. Tutaj szwy można szczególnie łatwo sprawdzić za pomocą promieni rentgenowskich.
Image 1 — przekroje podpór spawanych.
Image 2 — przekroje podpór wykonane ze specjalnych profili.
Kontrola spoiny: badania radiograficzne wykorzystują promieniowanie jonizujące i są przeprowadzane wyłącznie w kontrolowanych warunkach przez upoważnionych ekspertów. Wybór sposobu kontroli, zakres akceptacji i kryteria jakościowe określa projekt i norma; badanie fotografii lub powierzchni zewnętrznej nie jest dowodem wewnętrznej jakości spoiny.
Kontynuacja arkusza pionowego
Rozwój odbył się w całkowicie odpowiedni sposób. Wykonano przedłużenia podwiązkami. Dobudowa krzyżowa nie zyskała większego znaczenia w budownictwie mostowym, ale mimo to sprawdziła się w budownictwie budowlanym. Ponieważ pionowe przedłużenia interfejsu były nieekonomiczne ze względu na małe dopuszczalne naprężenia, znaleziono przedłużenia o zwiększonej długości szwu.
Bity uniwersalne
Rys. 3 przedstawia kontynuację głównego dźwigara mostu autostradowego ze wzmocnionym żebrem. Śl. 4 stanowi kontynuację jednego mostu autostradowego. W najlepszym wypadku przedłużenie to nie różni się wyglądem i sposobem działania od podpory nierozciągniętej, jedynie wytrzymałość zmęczeniowa jest nieco niższa. Rozwiązanie uzupełniające zależy od tego, czy jest to rozbudowa warsztatowa, czy rozbudowa montażowa. Ponieważ w warsztacie dostępne są lepsze narzędzia, spawanie na miejscu jest w miarę możliwości ograniczone. Śl. 5 pokazuje podział jednej belki o długości 63m. Podpory dostarczono na budowę w odcinkach o długości 38m i 25m, gdzie zespawano jedynie przedłużenia oznaczone literą „B”. Przedłużenia montażowe są wykonane jako przedłużenia w kształcie litery U, aby uniknąć spawania nad głową.
Image 3 — kontynuacja dźwigara mostu na autostradzie w pobliżu Hattenheim.
Image 4 — szczegół historyczny kontynuacji dźwigara mostu.
Zdjęcie 5 — wykaz części warsztatowych i montażowych.
Ciągłe dźwigary pełne są spawane w trakcie montażu przez otwory bez rusztowania, takie jak np. rusztowanie. w pobliżu mostu drogowego z otworami 42m. Części podpory zostały zamontowane za pomocą dźwigu pływającego i po zamontowaniu wszystkich elementów zostały zespawane. Jednocześnie podpory główne mocowano za pomocą śrub za pomocą podwiązek z otworami (rys. 6). Przez otwory w podwiązkach można było zgrzać większość szwu pionowej blachy, zanim trzeba było zdjąć podwiązki. Śl. 6 zawiera dalsze informacje na temat przygotowania szwów U dla profili specjalnych w pasie górnym i dolnym.
Image 6 — tymczasowe podwiązki z otworami do spawania.
Montaż i prace na budowie: historyczne przykłady z dźwigiem pływającym, tymczasowymi odciągami, pracami włazowymi i spawaniem na budowie nie stanowią planu montażu. Wymagane są obliczenia warunków tymczasowych, plan podnoszenia i zabezpieczania, kontrola geometrii, ochrona przed upadkiem, ogniem i dymem oraz identyfikowalna kontrola każdego złącza przed usunięciem tymczasowych podpór.
Usztywnienia
Należy dobrze usztywnić solidne zespawane podpory przed wysunięciem się pionowej blachy i wyboczeniem bocznym pasów, ponadto ugięcie podczas spawania powinno być utrzymywane na niskim poziomie. Naprężenia skurczowe na usztywnieniach pionowych badano metodą O. Wykres-a. W trakcie badanej sekwencji prac (w pierwszej kolejności zespawano usztywnienia, następnie szwy główne) wystąpiły znaczne naprężenia skurczowe w usztywnieniach oraz w pobliskich pasach pionowej blachy. Jeżeli usztywnienia znajdują się już na pasach przed wyciągnięciem głównych szwów, zapobiega to kurczeniu się listew pasa. W blaszkach pasa w kierunku wzdłużnym pojawiły się faliste zagięcia2mm, w kierunku poprzecznym ok0,25mm(figa.7). Dlatego też w listwach pasa musiały występować znaczne naprężenia zginające w obu kierunkach. Nośność była ograniczona występowaniem dużych odkształceń, a nie wytrzymałością na zrywanie pasa dolnego. Zgodnie z wynikami próby zmęczeniowej, w mostach wymagane jest zamontowanie pomiędzy usztywnieniami a pasem dobrze pasujących płyt, które mocowane są do usztywnień spoiną doczołową. Usztywnienia i połączenia wycina się w taki sposób, aby szew główny pozostał wolny (ryc.8). W budownictwie w większości przypadków nie ma wątpliwości, że usztywnienia spawane są bezpośrednio do dźwigarów. Lepiej unikać przecinania szwów i ich nadmiernego układania.
Zdjęcie7— deformacja pasów podczas spawania.
Zdjęcie8— usztywnienie dobrze dopasowanymi płytkami.
Skurcz, odkształcenia i zmęczenie: historycznych wyników badań nie można przenieść na inny szczegół bez obliczeń. Usztywnienia, zakończenia spoin, przejścia szwów, tolerancje i kolejność prac wpływają na naprężenia szczątkowe, wyboczenie i wytrzymałość zmęczeniową; niedopuszczalne pęknięcia i odkształcenia nie zostaną usunięte przez dodatkowe spawanie bez zatwierdzonej procedury naprawy.
Wsporniki pełne i ramy
Podpory łukowe i smukłe łuki
Mocowania łukowe oferują coś wyjątkowego w porównaniu z prawdziwymi pełnymi mocowaniami. Jednak połączenia dwuściennych łuków wspornikowych z jednościennymi belkami usztywniającymi, wykonane na dwóch największych spawanych mostach autostradowych, należą do najciekawszych konstrukcji, jakie zostały zespawane. Na moście autostradowym na rzece Lech koło Duisburga w węźle końcowym zastosowano masywny kawałek kutej stali, aby ułatwić prace spawalnicze. Ten (rys. 9) przejmuje siły z łuku i przenosi je na belkę usztywniającą. Wyposażony jest w mocny wylot 50 mm, który przechodzi przez pojedynczą szczelinę do górnego pasa belki usztywniającej i jest przyspawany do płyty pionowej, wzmocnionej do grubości 50 mm.
Obraz 9 — węzeł końcowy mostu łukowego.
Konstrukcje ramowe
W narożach ramy najlepiej widać zalety techniki spawania, która pozwala na wykonanie skomplikowanych kształtów bez większych trudności. Jeden róg ramy z dużym obciążeniem pokazano na ryc. 10. Konstrukcja posiada spawane nadstawki warsztatowe. Przedłużenia montażowe mocuje się za pomocą wkrętów samogwintujących. Podczas spawania usztywnień pomiędzy ramionami łączonych podpór powstają duże naprężenia skurczowe, które czasami prowadzą do pęknięć. Naprężenia skurczowe są znacznie zmniejszone, gdy zamiast pełnych żeber (rys. 11a) spawane są tylko blachy skrzydeł (rys. 11b).
Image 10 — narożnik wspornika ramy.
Figura 11 — szczegółowe porównanie usztywnień połączenia spawanego.
Image 12 — belgijski węzeł mostu z dźwigarami ramowymi.
Połączenia podpór wzdłużnych sztywne na zginanie
W siatce nawierzchni mostów duże uproszczenie można osiągnąć poprzez zastosowanie połączeń spawanych. Wytrzymałość zmęczeniowa połączeń podpór podłużnych itp. pod obciążeniem zginającym, oświetlają badania O. Graf-a (rys. 13). Dlatego połączenie ze szwem doczołowym po stronie rozciąganej ma wyższą wytrzymałość zmęczeniową przy równomiernym naprężeniu zginającym σUb niż połączenie, w którym ramię rozciągane jest połączone szwami narożnymi.
Image 13 — historyczne warianty połączeń podpór podłużnych.
Podpory siatki
Spawane konstrukcje kratowe
Kształty i połączenia starszych krat pomostowych były kopiami konstrukcji nitowanych (rys. 14). Jest to niewskazane, przy wyborze przekrojów należy wziąć pod uwagę specjalne właściwości połączeń spawanych. Istotna jest także większa sztywność wszystkich połączeń w porównaniu do węzłów nitowanych. Połączenia prętów ukośnych w węzłach kraty są trudne do wykonania przy większych siłach, zwłaszcza na budowie. Ponieważ w grę wchodzą w pierwszej kolejności połączenia ze szwami narożnymi, wytrzymałość zmęczeniowa jest stosunkowo niska. Całkowicie spawane, tj. oraz w węzłach siatki spawanej, a więc tylko w niektórych specjalnych obszarach konstrukcji stalowych. Na przykład z podkładami dachowymi, z dźwigami o niezbyt dynamicznym obciążeniu itp.
Image 14 — węzeł spawany podpory kratowej.
Przy tworzeniu przekroju poprzecznego bierze się pod uwagę przede wszystkim stal płaską i blachę. W przypadku konstrukcji spawanych bez większych trudności wykonuje się kształtowniki zamknięte, które ze względu na sztywność skrętną mają przewagę nad prętami prasowanymi. Na szczególną uwagę zasługuje szczególny przypadek okrągłej rury. Spawane konstrukcje rurowe znalazły szerokie zastosowanie m.in. przy budowie dźwigów czy lekkich konstrukcji w budownictwie. W przypadku kontynuacji i łączenia profili zamkniętych należy faktycznie liczyć się z pewnymi trudnościami konstrukcyjnymi i dodatkowymi kosztami. Sekcje spawane są często zbierane na końcach, co ułatwia nitowanie połączenia (rys. 15). Specjalne środki wymagane w warsztacie i na budowie w przypadku spawanych konstrukcji kratowych utrudniają ich zastosowanie, chyba że chodzi o podpory o niewielkim lub przeważnie statycznym obciążeniu. W przypadku krat obciążonych dynamicznie oraz przy dużych siłach obowiązywała zasada, że spawane są tylko poszczególne elementy, natomiast ich wzajemne połączenie odbywa się za pomocą śrub. Przede wszystkim usunięto trudności instalacyjne; a kraty wykonane z elementów spawanych można montować według takich samych procedur jak kraty wykonane z prętów nitowanych.
Figura 15 — ukształtowanie końca pustego profilu do połączenia.
Blachy węzłowe, które jednocześnie przyjmują przekątne, są w zwykły sposób nitowane do żeber pasów lub zgrzewane z nimi doczołowo (rys. 16a). Wadą tego ostatniego są „początkowe szwy narożne”, które pogarszają wytrzymałość zmęczeniową dźwigara. Zdecydowany krok w stronę prawidłowego kształtowania mostów kratowych metodą spawania wykonano przy moście kolejowym na Renie koło Moguncji (Most Kaisera). Tam na 50 mm wzmocnione blachy węzłowe ze szwami doczołowymi wsuwane są w pionowe arkusze pasów o grubości 30 mm. Przejścia są stopniowe, kształtowanie widać na ryc. 16b. Przedłużenia prętów pasa znajdują się obok węzłów.
Rysunek 16 — blachy węzłowe sprzęgła wiatrowego i mostu kolejowego na Renie w pobliżu Moguncji (most Kaiser, 1954).
Wzmocnienie przez spawanie
Zbrojenie konstrukcji stalowych to jedna z najtrudniejszych prac, zwłaszcza gdy trzeba ją wykonać na konstrukcji obciążonej. W przypadku połączeń nitowych wstawianie wzmocnień, wiercenie i łączenie z istniejącymi częściami jest czasochłonne i kosztowne. Ponieważ spawanie jest możliwe bez długotrwałych przygotowań wstępnych i bez niszczenia istniejących środków łączących, blisko było podjęcia próby spawania zbrojenia przekrojów i połączeń krat. Szczegółowo zbadano teoretycznie i doświadczalnie wspólne działanie nitów i spoin w przyjmowaniu sił w prętach. Niemniej jednak w praktyce pojawiły się pęknięcia i pęknięcia zmęczeniowe, częściowo dopiero po długotrwałym użytkowaniu. Przyczyną tych trudności były skutki nacięć spawalniczych i nagłych zmian przekroju, a część pojawiających się pęknięć była spowodowana dużymi naprężeniami wynikającymi ze skurczu.
Wzmocnienie istniejącej konstrukcji: spawanie stali obciążonej lub postarzanej może spowodować pęknięcia, kruche pękanie, lokalną utratę stabilności i nową ścieżkę sił. Przed rozpoczęciem pracy należy określić materiał, istniejące uszkodzenia i zmęczenie, rzeczywiste obciążenie, spawalność, kolejność odciążania i tymczasowe ubezpieczenie. Wzmocnienie odbywa się wyłącznie według zatwierdzonego projektu i procedury, przy nadzorze i kontroli.
Łączenie spawania, nitowania i skręcania
Zabronione było jednoczesne spawanie i nitowanie. Szczególną uwagę zwrócono na „konstrukcje w pełni spawane”, w których całkowicie zrezygnowano z nitów i śrub. Obecnie spawanie i nitowanie są ponownie stosowane równolegle na tym samym przedmiocie. W wielu przypadkach celowe jest spawanie tylko nadstawek warsztatowych, a wręcz przeciwnie, nitowanie prefabrykowanych. Należy unikać stosowania obu typów połączeń w tej samej kontynuacji, ponieważ nie można uzyskać wyraźnego rozkładu sił ze względu na skurcz związany ze spawaniem i przesuwaniem nitów/śrub.
Uwaga końcowa: nie należy zakładać wspólnego działania spoin, nitów i śrub bez modelu obliczeniowego, określonej kolejności wykonania, tolerancji i kontroli poślizgu. Dla każdego detalu nośnego musi być znana droga siły, kategoria zmęczenia, dostępność spawania i kontroli, dopuszczalne wady oraz plan konserwacji przez cały okres użytkowania konstrukcji.