Arhivska strokovna vsebina: Članek ohranja zgodovinske primere in trditve o varjenih jeklenih nosilcih, mostovih in rešetkah, vendar ni načrt, izračun, specifikacija spoja, načrt varjenja, kvalifikacija postopka, ocena utrujenosti ali priročnik za popravilo. Material, varljivost, žilavost, debelina, priprava spojev, polnilni material, predgrevanje, zaporedje, preostale napetosti, tolerance, korozija, požar, utrujenost in nadzor je treba določiti v skladu s posebnim projektom in veljavnimi standardi. Nosilne spoje načrtujejo, izvajajo in nadzorujejo ustrezno usposobljene osebe.
Savo Kusić se danes osredotoča na lesena okna, les-alu okna, okna po meri, vrata in prošnje za ponudbe. Ta članek ostaja kot zgodovinski arhiv in ne predstavlja ponudbe za načrtovanje, varjenje, testiranje ali ojačitev jeklenih konstrukcij.
Popolnoma varjeni nosilci
Odseki podpor
Pregled je podan na sl. 1 in 2. Sl. 1a prikazuje oporo, ojačano z varjenimi letvicami jermena. Sekcije poljubne nosilnosti lahko sestavite iz širokega jekla in pločevine (slika 1b do e). Odprtemu spoju med vogalnimi šivi se je treba izogniti z brušenjem navpične pločevine (slika 1c). Prerez nosilca je možno prilagoditi zahtevanemu upornemu momentu z dodatnimi jermenskimi letvicami. Odseki na sl. 2d do f imajo to prednost, da je šiv na sprednji strani v območju manjše debeline rebra. Tukaj je mogoče šive posebej enostavno pregledati z rentgenskimi žarki.
Slika 1 — deli varjenih nosilcev.
Slika 2 — deli nosilcev iz posebnih profilov.
Kontrola zvara: radiografsko testiranje uporablja ionizirajoče sevanje in ga izvajajo le pooblaščeni strokovnjaki v nadzorovanih pogojih. Izbira metode nadzora, obseg prevzema in merila kakovosti so določeni s projektom in standardom; pregled fotografije ali zunanje površine ni dokaz notranje kakovosti zvara.
Nadaljevanje navpičnega lista
Razvoj je potekal na povsem primeren način. Izvedeni so bili podaljški s podvezicami. Križni podaljšek v mostogradnji ni dobil velikega pomena, a se je vseeno izkazal v gradbeništvu. Ker so bili navpični podaljški na vmesnik neekonomični zaradi majhnih dovoljenih napetosti, so bili najdeni podaljški s povečano dolžino šiva.
Univerzalni nastavki
Sl. 3 prikazuje nadaljevanje glavnega nosilca avtocestnega mostu z ojačanim rebrom. Sl. 4 je nadaljevanje enega avtocestnega mostu. V najboljšem primeru se ta podaljšek po videzu in načinu delovanja ne razlikuje od nepodaljšanega nosilca, le utrujenostna trdnost je nekoliko nižja. Rešitev razširitve je odvisna od tega, ali gre za razširitev delavnice ali razširitev montaže. Ker so v delavnici na voljo boljša orodja, je varjenje na mestu po možnosti omejeno. Sl. 5 prikazuje razdelitev enega žarka dolžine 63m. Nosilci so bili dostavljeni na gradbišče v odsekih dolžin 38m in 25m, pri čemer so bili privarjeni samo podaljški, označeni z “B”. Montažni podaljški so izdelani kot U-podaljški, da se prepreči zvarjenje nad glavo.
Slika 3 — nadaljevanje mostnega nosilca na avtocesti pri Hattenheimu.
Slika 4 — zgodovinski detajl nadaljevanja mostnega nosilca.
Slika 5 — razpored delavnice in montažnih delov.
Neprekinjeni polni nosilci so varjeni med napredovanjem montaže skozi odprtine brez odra, kot je npr. blizu cestnega mostu z odprtinami 42m. Deli nosilca so bili nameščeni s plavajočim žerjavom in po namestitvi vseh elementov varjeni. Hkrati so bili glavni nosilci pritrjeni z vijaki s podvezicami z odprtinami (slika 6). Skozi luknje v podvezicah je bilo mogoče zvariti večino šiva navpične pločevine, preden je bilo treba podvezice odstraniti. Sl. 6 vsebuje nadaljnje informacije o pripravi U-šivov za posebne profile v zgornjem in spodnjem pasu.
Image 6 — začasne podvezice z luknjami za varjenje.
Montaža in delo na gradbišču: zgodovinski primeri s plavajočim žerjavom, začasnimi pritrditvami, delom na loputah in varjenjem na gradbišču niso načrt montaže. Zahtevajo se izračun začasnih pogojev, načrt dviganja in pritrjevanja, nadzor geometrije, zaščita pred padci, požarna in dimna zaščita ter sledljiva kontrola vsakega spoja pred odstranitvijo začasnih podpor.
Ojačitve
Trdne varjene nosilce je treba dobro utrditi proti štrlenju navpične pločevine in stranskemu upogibu pasov, poleg tega pa je treba upogibanje med varjenjem ohraniti na nizki ravni. Napetosti krčenja na navpičnih ojačitvah je raziskoval O. Graf-a. Med pregledanim zaporedjem del (najprej so bili varjeni ojačevalci, nato glavni šivi) so se v ojačitvah in bližnjih trakovih navpične pločevine pojavile znatne napetosti pri krčenju. Če so ojačitve že na pasovih, preden so glavni šivi izvlečeni, je krčenje letvic pasu preprečeno. V lamelah jermena so se pojavili valoviti zavoji v vzdolžni smeri2mm, v prečni smeri cca0,25mm(sl.7). Zato so morale biti v letvicah jermena znatne upogibne napetosti v obe smeri. Nosilnost je bila omejena s pojavom velikih deformacij, ne pa s pretržno trdnostjo spodnjega pasu. Glede na rezultate preskusa utrujenosti je za mostove potrebno med ojačila in pas vgraditi dobro prilegajoče se plošče, ki so na ojačitve pritrjene s sočelnim zvarom. Ojačitve in povezave so odrezane tako, da glavni šiv ostane prost (sl.8). V gradbeništvu v večini primerov ni dvoma, da so ojačitve privarjene neposredno na nosilce. Bolje se je izogibati rezanju šivov in njihovemu prevelikemu kopičenju.
Slika7— deformacija jermenov med varjenjem.
Slika8— ojačitev z dobro prilegajočimi ploščicami.
Krčenje, deformacije in utrujenost: zgodovinskih rezultatov preskusov ni mogoče prenesti na drugo podrobnost brez izračuna. Ojačitve, zaključki zvarov, križišča šivov, tolerance in zaporedje dela vplivajo na preostale napetosti, upogibanje in trdnost ob utrujenosti; nesprejemljive razpoke in deformacije se ne rešijo z dodatnim varjenjem brez odobrenega postopka popravila.
Polni oklepaji in okvirji
Nosilci lokov in vitki loki
Arch nosilci ponujajo nekaj posebnega v primerjavi s pravimi polnimi nosilci. Med najzanimivejše zvarjene konstrukcije pa sodijo povezave dvostenskih konzolnih lokov z enostenskimi ojačitvenimi nosilci, kot so bile izvedene na dveh največjih varjenih avtocestnih mostovih. Na avtocestnem mostu čez Lech pri Duisburgu je bil na končnem vozlišču uporabljen ogromen strojno obdelan kos kovanega jekla, ki je olajšal varjenje. Ta (sl. 9) prevzame sile iz loka in jih prenese na ojačitveni nosilec. Opremljen je z močnim izhodom 50 mm, ki gre skozi eno režo do zgornjega pasu ojačitvenega nosilca in je privarjen na navpično ploščo, ojačano do debeline 50 mm.
Slika 9 — končno vozlišče obokanega mostu.
okvirne konstrukcije
Na vogalih okvirja se najbolje vidijo prednosti tehnike varjenja, ki omogoča brez posebnih težav izdelavo zapletenih oblik. En vogal okvirja s težkim bremenom je prikazan na sl. 10. Konstrukcija ima varjene delavniške podaljške. Montažni podaljški so pritrjeni s samoreznimi vijaki. Pri varjenju ojačitev med kraki spojenih nosilcev nastanejo visoke napetosti pri krčenju, ki včasih povzročijo razpoke. Napetosti pri krčenju so znatno zmanjšane, ko so namesto polnih reber (sl. 11a) privarjeni samo krilni listi (sl. 11b).
Slika 10 — vogal podpore okvirja.
Slika 11 — podrobna primerjava ojačitve varjene povezave.
Slika 12 — Belgijsko mostno vozlišče z okvirnimi nosilci.
Povezave vzdolžnih nosilcev, togih na upogibanje
V mreži vozišča mostov je mogoče doseči veliko poenostavitev z uporabo varjenih povezav. Utrujalna trdnost povezav vzdolžnih nosilcev ipd. pod upogibno obremenitvijo je osvetljena s preskusi O. Graf-a (sl. 13). Zato ima spoj s soležnim šivom na napeti strani večjo utrujenostno trdnost pri enakomerni upogibni napetosti σUb kot spoj, kjer je natezni krak povezan z vogalnimi šivi.
Slika 13 — zgodovinske različice vzdolžnih podpornih povezav.
Mreža podpira
Varjene nosilne konstrukcije
Oblike in povezave starejših rešetk so bile kopije kovičenih konstrukcij (sl. 14). To je nesmotrno, pri izbiri prerezov je treba upoštevati posebne lastnosti zvarjenih zvez. Pomembna je tudi večja togost vseh povezav v primerjavi s kovičenimi vozli. Povezave diagonalnih palic v vozliščih rešetke je težko izvesti z večjimi silami, predvsem na gradbišču. Ker so tu v prvi vrsti vprašljive povezave z vogalnimi šivi, je utrujenostna trdnost razmeroma nizka. Popolnoma varjen, tj. in v vozliščih varjene mreže, torej le na nekaterih posebnih področjih jeklenih konstrukcij. Na primer s strešnimi vezmi, z žerjavi, ki niso zelo dinamično obremenjeni itd.
Slika 14 — varjeno vozlišče rešetkaste podpore.
Na prvem mestu za oblikovanje preseka pridejo v poštev ploščata jekla in pločevina. Pri varjenih konstrukcijah se brez posebnih težav izdelujejo votli profili, ki imajo zaradi svoje torzijske togosti prednost pred prešanimi palicami. Posebej velja omeniti poseben primer okrogle cevi. Varjene cevaste konstrukcije so našle široko uporabo, npr. pri gradnji žerjavov ali lahkih konstrukcij v gradbeništvu. Pri nadaljevanju in povezovanju votlih profilov je treba namreč upoštevati določene konstrukcijske težave in dodatne stroške. Varjeni deli so pogosto zbrani na koncih, da je povezavo lažje zakovičiti (slika 15). Posebni ukrepi, ki so potrebni v delavnici in na gradbišču za varjene rešetkaste konstrukcije, otežujejo uporabo, razen če gre za podpore z majhno ali pretežno statično obremenitvijo. Pri dinamično obremenjenih rešetkah in pri tistih z velikimi silami je veljalo pravilo, da se varijo le posamezni elementi, njihova medsebojna povezava pa je izvedena z vijaki. Najprej so bile odpravljene težave pri namestitvi; in rešetke iz varjenih elementov je mogoče montirati po enakih postopkih kot tiste iz kovičenih palic.
Slika 15 — oblikovanje konca votlega dela za povezavo.
Nodalne pločevine, ki hkrati sprejmejo diagonale, so na običajen način zakovičene na rebra jermenov ali z njimi sočelno zvarjene (slika 16a). Slednje ima pomanjkljivost “začetnih kotnih šivov”, ki škodijo utrujenostni trdnosti nosilca. Odločilni korak k pravilnemu oblikovanju nosilnih mostov z varjenjem je bil narejen pri železniškem mostu čez Ren pri Mainzu (Kaiserjev most). Tam so na 50 mm ojačane vozličaste plošče s čelnimi šivi vstavljene v navpične plošče debelih pasov 30 mm. Prehodi so postopni, oblikovanje je razvidno iz sl. 16b. Podaljški jermenskih palic se nahajajo poleg vozlišč.
Slika 16 — vozlišča vetrne sklopke in železniškega mostu čez Ren pri Mainzu (Kaiserjev most, 1954).
Ojačitev z varjenjem
Armiranje jeklenih konstrukcij je eno najtežjih del, še posebej, če ga je treba izvajati na obremenjeni konstrukciji. Pri kovičenih povezavah je vstavljanje ojačitev, vrtanje in povezovanje na obstoječe dele zamudno in drago. Ker je varjenje možno brez dolgotrajnih predpriprav kot tudi brez prekinitve obstoječega vezivnega sredstva, je bil blizu poskus z varjenjem armature prerezov in povezav rešetk. Teoretično in eksperimentalno je bilo podrobno raziskano skupno delovanje zakovice in zvara pri sprejemanju sil v palicah. Kljub temu so se v praksi pojavile razpoke in utrujenostni zlomi, deloma šele po daljši uporabi. Vzroki za te težave so bili učinki zarez pri varjenju in nenadne spremembe preseka, nekatere razpoke, ki so se pojavile, pa so povzročile visoke napetosti zaradi krčenja.
Okrepitev obstoječe strukture: varjenje obremenjenega ali postaranega jekla lahko povzroči razpoke, krhke zlome, lokalno izgubo stabilnosti in novo pot sile. Pred delom je treba ugotoviti material, obstoječe poškodbe in utrujenost, dejansko obremenitev, varljivost, zaporedje razbremenitve in začasno zavarovanje. Armiranje izvajamo le po odobrenem projektu in postopku, z nadzorom in kontrolo.
Kombinacija varjenja, kovičenja in vijačenja
Prepovedano je bilo istočasno varjenje in kovičenje. Posebna pozornost je bila namenjena “popolnoma varjenim konstrukcijam”, pri katerih so se popolnoma izognili zakovicam in vijakom. Danes se varjenje in kovičenje spet uporabljata vzporedno na istem predmetu. Velikokrat je smotrno zvariti samo delavniške podaljške, montažne pa, nasprotno, zakovičiti. Izogibati se je treba uporabi obeh vrst povezav v istem nastavku, ker ni mogoče doseči jasne porazdelitve sil zaradi krčenja zaradi varjenja in drsenja zakovic/sornikov.
Končna opomba: brez izračunanega modela, definiranega zaporedja izvedbe, toleranc in kontrole zdrsa ne smemo predvidevati skupnega delovanja zvarov, kovic in vijakov. Za vsak nosilni detajl je treba poznati pot sile, kategorijo utrujenosti, dostopnost do varjenja in pregleda, dopustne napake in načrt vzdrževanja skozi celotno življenjsko dobo konstrukcije.