Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
AWARIE BUDOWLANE 2013
D
OMINIKA
T
OMSKA
,
dominika.tomska@pracowniaprojektowa.com.pl
M
ARCIN
S
KWAREK
,
marcin.skwarek@pracowniaprojektowa.com.pl
Pracownia Projektowa M.Skwarek, J.Hulimka Sp. J.
J
ACEK
H
ULIMKA
,
jacek.hulimka@polsl.pl
Politechnika Śląska w Gliwicach
BŁĄD PROJEKTOWY PRZYCZYNĄ
WZMOCNIENIA STALOWYCH BELEK PODSUWNICOWYCH
STRENGTHEN OF STEEL CRANE BEAM CAUSED BY DESIGNED MISTAKE
Streszczenie
W referacie przedstawiono problem błędnego zaprojektowania blachownicowych belek
podsuwnicowych. Projektant pominął w obliczeniach zjawisko zmęczenia oraz popełnił parę drobniej-
szych błędów, świadczących o nieznajomości zasad projektowania belek. W sytuacji wykonania wadli-
wie zaprojektowanych belek zaproponowano sposób ich wzmocnienia tak, aby spełniały wszystkie
wymagane warunki stanów granicznych. Wzmocnienia te zostały zrealizowane zgodnie z odrębnym
projektem, a hala jest obecnie użytkowana przy pełnym, nominalnym obciążeniu suwnic.
Abstract
The paper presents the problem of mistaken design of steel crane beams. Designer in his
calculations omitted a fatigue occurence and made a few less mistakes, which show ignorance of beams’
designing rules. In situation, when wrong designed beams are made and assembled, the way of strength-
hening them is proposed. Those strengthens were made according to separate design, and steel hall
is actually using with full, nominal cranes’ loads.
1. Wprowadzenie
Przedmiotowe belki podsuwnicowe zlokalizowane są w hali produkcyjno-magazynowej
wykonanej w stalowej konstrukcji szkieletowej z lekką obudową. Hala jest obiektem dwuna-
wowym, bez ścian wewnętrznych, z suwnicami w każdej nawie. Nawę AB tworzy 25 przęseł,
natomiast nawę BC 14 przęseł. Rozpiętość przęseł w nawie AB wynosi 32,0 m, w nawie BC
27,3 m, a ich długość w każdej z naw wynosi 12,0 m. W nawie AB użytkowane są cztery
suwnice w układzie 35 T, 2×6,3 T, 20 T, 2×6,3 T, a w nawie BC dwie suwnice w układzie
12 T, 2×6,3 T. Rzut hali wraz z układem suwnic przedstawiono poniżej (rys. 1).
W hali wbudowano jednoprzęsłowe belki podsuwnicowe, pierwotnie zaprojektowane jako
użebrowane blachownice o przekroju dwuteowym, o dwóch różnych wysokościach w posz-
czególnych nawach (1,445 m w nawie AB oraz 1,032 m w nawie BC). W dalszej części
referatu w sposób szczegółowy zostanie przedstawiona tylko belka podsuwnicowa znajdująca
się w nawie AB, której dokładne wymiary przedstawiono na rysunku 2. Analogicznie bowiem
postąpiono z belką w nawie BC.
Zaznaczyć tu należy, że projekt hali, a co za tym idzie także późniejsze obliczenia opisane
w niniejszym referacie, wykonywane były jeszcze zgodnie z Polskimi Normami.
600
Tomska D. i in.: Błąd projektowy przyczyną wzmocnienia stalowych belek podsuwnicowych
Rys. 1. Rysunek poglądowy (rzut) hali wraz z układem suwnic
2. Błędy projektowe
W czasie realizacji hali Inwestor zlecił autorom referatu wykonanie kontrolnych obliczeń
[1] belek podsuwnicowych – już sprefabrykowanych i w większości wbudowanych. W wyniku
przeprowadzonej analizy statyczno-wytrzymałościowej, której celem była weryfikacja przy-
jętej geometrii belek, ujawniono szereg błędów popełnionych na etapie projektowania, które
w istotny sposób mogły wpłynąć na bezpieczeństwo użytkowania konstrukcji.
Zgodnie z zaleceniami normy [2] przy wymiarowaniu torów jezdnych należy uwzględniać
następujące oddziaływania:
– obciążenia związane z eksploatacją dźwignic (ustalane zgodnie z normą [3]),
– inne obciążenia bezpośrednie (stałe i zmienne), zgodnie z normą [4],
– oddziaływania pośrednie (wewnętrzne) wynikające ze współpracy belki z konstrukcją
wsporczą,
– obciążenie technologiczne pomostów remontowych i chodników, przyjmowane odpo-
wiednio do wymagań szczegółowych, lecz nie mniejsze niż 1,5 kN/m
2
.
Ponadto, przy projektowaniu torów jezdnych dźwignic natorowych, jako obciążenie
wielokrotnie zmienne należy przyjmować obciążenia technologiczne wyłącznie w postaci sił
pionowych, pomijając oddziaływania poziome. Należy także pamiętać o poprawnym oszaco-
waniu obciążeń wyjątkowych (siła uderzenia w odbój), które wyznacza się wg załącznika 5
normy [2], lub przyjmuje się zgodnie z wytycznymi producenta. Schemat statyczny zaprojekto-
wanych belek podsuwnicowych wraz z układem suwnic przedstawia rysunek 3.
Autor oryginalnych obliczeń przyjął siły pionowe oraz poziome przypadające na belki
suwnic i tężnik hamowny pochodzące jedynie od dźwignic, pomijając w przypadku obliczeń
tężnika hamownego obciążenia pionowe od ciężaru własnego. Niedoszacowanie obciążeń spo-
wodowało błędne przyjęcie profilu, z jakiego zaprojektowano zewnętrzny pas kratowy tężnika
hamownego, w którym nie uwzględniono momentu zginającego działającego w kierunku pio-
nowym. W wyniku przeprowadzonych obliczeń sprawdzających wykazano, iż współczynnik
wykorzystania nośności zewnętrznego pasa kratowego tężnika hamownego wynosił 1,46.
Konstrukcje stalowe
601
Rys. 2. Przekrój poprzeczny oryginalnie zaprojektowanej belki podsuwnicowej
Rys. 3. Schemat statyczny belki oraz układ suwnic
Zgodnie z zaleceniami normy [2] zał. 5, pkt. 4.1, przy wymiarowaniu torów jezdnych
suwnic obowiązują ogólne i lokalne warunki nośności elementów i połączeń, warunki sztyw-
ności oraz warunki trwałości (sprawdzenie nośności belek ze względu na zmęczenie). Ponadto,
w przypadku belek suwnic natorowych należy sprawdzić nośność (stateczność) środnika belki
pod obciążeniem skupionym. Według pkt. 5.1 szczegółowe sprawdzenie nośności belek ze
względu na zmęczenie nie jest wymagane w następujących przypadkach:
– przy obciążeniu suwnicami grupy natężenia pracy nie wyższej niż A3, gdy w konstrukcji
belek nie występują karby kategorii zmęczeniowej niższej niż ∆
σ
c
= 57,0 MPa,
– przy obciążeniu suwnicami grupy natężenia pracy nie wyższej niż A4, gdy w konstrukcji
belek nie występują karby kategorii zmęczeniowej niższej niż ∆
σ
c
= 80,0 MPa.
W analizowanym projekcie stwierdzono brak obliczeń sprawdzających nośność środnika
belki pod obciążeniem skupionym zgodnie z pkt. 4.2.4 normy [2] oraz stateczność środnika
w złożonym stanie naprężenia zgodnie z pkt. 4.2.5. Autor obliczeń pominął także sprawdzenie
nośności połączenia pasa ze środnikiem blachownicy z uwagi na siłę rozwarstwiającą.
Wielkość spoin łączących środnik blachownicy z pasem dolnym i górnym została przyjęta
z warunków konstrukcyjnych, co, jak się później okazało, było niewystarczające ze względu
na nośność ogólną belki i nośność zmęczeniową.
Na podstawie danych technicznych suwnic zawartych w oryginalnym projekcie przyjęto
grupę natężenia pracy dźwignic jako A5. Dodatkowo stwierdzono, iż w konstrukcji belek
występują karby o kategorii zmęczeniowej niższej niż 57,0 MPa. Zgodnie z zaleceniami normy
602
Tomska D. i in.: Błąd projektowy przyczyną wzmocnienia stalowych belek podsuwnicowych
[2] jak i [5] należało zatem przeprowadzić szczegółową analizę zmęczeniową belek, pominiętą
w oryginalnym projekcie.
W wyniku obliczeń wykazano, że największe i najmniejsze naprężenia w rozciąganym
pasie dolnym belki wynoszą odpowiednio:
–
σ
max
= 254,5 MPa,
–
σ
min
= 5,15 MPa.
Do sprawdzenia nośności zmęczeniowej belki przyjęto klasę obciążenia belki K
4
oraz klasę
wykorzystania dźwignicy H
4
wg [3], co dało największą liczbę cykli obciążenia równą 2,5×10
5
(dla nominalnego dwudziestoletniego okresu eksploatacji). Dla tak przyjętych założeń wyzna-
czono równoważny zakres zmienności naprężeń wynoszący:
(1)
D
s
=
a
×
max
D
s
=
249
,
35
MPa
C
k
Zgodnie z normą [2], tablica Z3-1 ustalono kategorię zmęczeniową ∆
σc
= 36,0 MPa, jak
dla styków pasa ze środnikiem na obustronne spoiny pachwinowe normalnej jakości. Na pod-
stawie wzoru Z3-5 normy wyznaczono wytrzymałość zmęczeniową równą:
1
/
m
6
5
×
10
(2)
D
s
=
0
,
735
×
D
s
×
=
71
,
82
MPa
R
C
N
W efekcie warunek nośności zmęczeniowej dla częściowego współczynnika bezpieczeń-
stwa
γ
fat
= 1,0 miał następującą postać:
(3)
D
s
=
71
,
82
MPa
<
D
s
=
249
,
35
MPa
R
C
Na podstawie warunku (3) stwierdzono, iż nośność zmęczeniowa belki podsuwnicowej
z uwagi na zastosowane spoiny jest ponad trzykrotnie przekroczona. W efekcie zaistniała
konieczność przeprojektowania belek jezdnych tak, aby spełniały one warunek nośności ze
względu na wysokocyklowe zmęczenie materiału.
3. Wzmocnienie
W opisanej sytuacji najprostszym rozwiązaniem było zaprojektowanie i wykonanie nowych
belek. Jednak, z uwagi na fakt wykonania wszystkich planowanych do wbudowania belek, zde-
cydowano się na ich wzmocnienie. Po analizie możliwych rozwiązań uznano, że najwłaściwsze
będzie przesunięcie środka ciężkości oraz zwiększenie sztywności względem osi poziomej
przekroju poprzecznego tak, aby ograniczyć naprężenia i zakres ich zmienności w newralgi-
cznych miejscach przekroju, to jest w spoinach łączących środnik z pasami belki. Przekrój
poprzeczny wzmocnionej belki w nawie AB przedstawiono na rysunku 4. Analogicznie
wykonano wzmocnienie belek w nawie BC.
Zwiększenie sztywności względem osi x-x, czyli w konsekwencji zwiększenie wartości
momentu bezwładności I
x
przekroju poprzecznego belki uzyskano poprzez dospawanie od
dołu belki profili 1/2HEA500 (w belkach w nawie AB) oraz 1/2IPE500 (w belkach w nawie
BC) ze stali St3S. Wzmocnienie wykonano wzdłuż pojedynczego przęsła belki, wykonując
podcięcia na podporach, co obrazują rysunki 5 i 6.
Konstrukcje stalowe
603
Rys. 4. Przekrój poprzeczny wzmocnionej belki podsuwnicowej
Rys. 5. Widok wzmocnionych belek podsuwnicowych
Rys. 6. Widok podparcia wzmocnionych belek podsuwnicowych
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
Konferencja
Naukowo-Techniczna
AWARIE BUDOWLANE 2013
D
OMINIKA
T
OMSKA
,
dominika.tomska@pracowniaprojektowa.com.pl
M
ARCIN
S
KWAREK
,
marcin.skwarek@pracowniaprojektowa.com.pl
Pracownia Projektowa M.Skwarek, J.Hulimka Sp. J.
J
ACEK
H
ULIMKA
,
jacek.hulimka@polsl.pl
Politechnika Śląska w Gliwicach
BŁĄD PROJEKTOWY PRZYCZYNĄ
WZMOCNIENIA STALOWYCH BELEK PODSUWNICOWYCH
STRENGTHEN OF STEEL CRANE BEAM CAUSED BY DESIGNED MISTAKE
Streszczenie
W referacie przedstawiono problem błędnego zaprojektowania blachownicowych belek
podsuwnicowych. Projektant pominął w obliczeniach zjawisko zmęczenia oraz popełnił parę drobniej-
szych błędów, świadczących o nieznajomości zasad projektowania belek. W sytuacji wykonania wadli-
wie zaprojektowanych belek zaproponowano sposób ich wzmocnienia tak, aby spełniały wszystkie
wymagane warunki stanów granicznych. Wzmocnienia te zostały zrealizowane zgodnie z odrębnym
projektem, a hala jest obecnie użytkowana przy pełnym, nominalnym obciążeniu suwnic.
Abstract
The paper presents the problem of mistaken design of steel crane beams. Designer in his
calculations omitted a fatigue occurence and made a few less mistakes, which show ignorance of beams’
designing rules. In situation, when wrong designed beams are made and assembled, the way of strength-
hening them is proposed. Those strengthens were made according to separate design, and steel hall
is actually using with full, nominal cranes’ loads.
1. Wprowadzenie
Przedmiotowe belki podsuwnicowe zlokalizowane są w hali produkcyjno-magazynowej
wykonanej w stalowej konstrukcji szkieletowej z lekką obudową. Hala jest obiektem dwuna-
wowym, bez ścian wewnętrznych, z suwnicami w każdej nawie. Nawę AB tworzy 25 przęseł,
natomiast nawę BC 14 przęseł. Rozpiętość przęseł w nawie AB wynosi 32,0 m, w nawie BC
27,3 m, a ich długość w każdej z naw wynosi 12,0 m. W nawie AB użytkowane są cztery
suwnice w układzie 35 T, 2×6,3 T, 20 T, 2×6,3 T, a w nawie BC dwie suwnice w układzie
12 T, 2×6,3 T. Rzut hali wraz z układem suwnic przedstawiono poniżej (rys. 1).
W hali wbudowano jednoprzęsłowe belki podsuwnicowe, pierwotnie zaprojektowane jako
użebrowane blachownice o przekroju dwuteowym, o dwóch różnych wysokościach w posz-
czególnych nawach (1,445 m w nawie AB oraz 1,032 m w nawie BC). W dalszej części
referatu w sposób szczegółowy zostanie przedstawiona tylko belka podsuwnicowa znajdująca
się w nawie AB, której dokładne wymiary przedstawiono na rysunku 2. Analogicznie bowiem
postąpiono z belką w nawie BC.
Zaznaczyć tu należy, że projekt hali, a co za tym idzie także późniejsze obliczenia opisane
w niniejszym referacie, wykonywane były jeszcze zgodnie z Polskimi Normami.
600
Tomska D. i in.: Błąd projektowy przyczyną wzmocnienia stalowych belek podsuwnicowych
Rys. 1. Rysunek poglądowy (rzut) hali wraz z układem suwnic
2. Błędy projektowe
W czasie realizacji hali Inwestor zlecił autorom referatu wykonanie kontrolnych obliczeń
[1] belek podsuwnicowych – już sprefabrykowanych i w większości wbudowanych. W wyniku
przeprowadzonej analizy statyczno-wytrzymałościowej, której celem była weryfikacja przy-
jętej geometrii belek, ujawniono szereg błędów popełnionych na etapie projektowania, które
w istotny sposób mogły wpłynąć na bezpieczeństwo użytkowania konstrukcji.
Zgodnie z zaleceniami normy [2] przy wymiarowaniu torów jezdnych należy uwzględniać
następujące oddziaływania:
– obciążenia związane z eksploatacją dźwignic (ustalane zgodnie z normą [3]),
– inne obciążenia bezpośrednie (stałe i zmienne), zgodnie z normą [4],
– oddziaływania pośrednie (wewnętrzne) wynikające ze współpracy belki z konstrukcją
wsporczą,
– obciążenie technologiczne pomostów remontowych i chodników, przyjmowane odpo-
wiednio do wymagań szczegółowych, lecz nie mniejsze niż 1,5 kN/m
2
.
Ponadto, przy projektowaniu torów jezdnych dźwignic natorowych, jako obciążenie
wielokrotnie zmienne należy przyjmować obciążenia technologiczne wyłącznie w postaci sił
pionowych, pomijając oddziaływania poziome. Należy także pamiętać o poprawnym oszaco-
waniu obciążeń wyjątkowych (siła uderzenia w odbój), które wyznacza się wg załącznika 5
normy [2], lub przyjmuje się zgodnie z wytycznymi producenta. Schemat statyczny zaprojekto-
wanych belek podsuwnicowych wraz z układem suwnic przedstawia rysunek 3.
Autor oryginalnych obliczeń przyjął siły pionowe oraz poziome przypadające na belki
suwnic i tężnik hamowny pochodzące jedynie od dźwignic, pomijając w przypadku obliczeń
tężnika hamownego obciążenia pionowe od ciężaru własnego. Niedoszacowanie obciążeń spo-
wodowało błędne przyjęcie profilu, z jakiego zaprojektowano zewnętrzny pas kratowy tężnika
hamownego, w którym nie uwzględniono momentu zginającego działającego w kierunku pio-
nowym. W wyniku przeprowadzonych obliczeń sprawdzających wykazano, iż współczynnik
wykorzystania nośności zewnętrznego pasa kratowego tężnika hamownego wynosił 1,46.
Konstrukcje stalowe
601
Rys. 2. Przekrój poprzeczny oryginalnie zaprojektowanej belki podsuwnicowej
Rys. 3. Schemat statyczny belki oraz układ suwnic
Zgodnie z zaleceniami normy [2] zał. 5, pkt. 4.1, przy wymiarowaniu torów jezdnych
suwnic obowiązują ogólne i lokalne warunki nośności elementów i połączeń, warunki sztyw-
ności oraz warunki trwałości (sprawdzenie nośności belek ze względu na zmęczenie). Ponadto,
w przypadku belek suwnic natorowych należy sprawdzić nośność (stateczność) środnika belki
pod obciążeniem skupionym. Według pkt. 5.1 szczegółowe sprawdzenie nośności belek ze
względu na zmęczenie nie jest wymagane w następujących przypadkach:
– przy obciążeniu suwnicami grupy natężenia pracy nie wyższej niż A3, gdy w konstrukcji
belek nie występują karby kategorii zmęczeniowej niższej niż ∆
σ
c
= 57,0 MPa,
– przy obciążeniu suwnicami grupy natężenia pracy nie wyższej niż A4, gdy w konstrukcji
belek nie występują karby kategorii zmęczeniowej niższej niż ∆
σ
c
= 80,0 MPa.
W analizowanym projekcie stwierdzono brak obliczeń sprawdzających nośność środnika
belki pod obciążeniem skupionym zgodnie z pkt. 4.2.4 normy [2] oraz stateczność środnika
w złożonym stanie naprężenia zgodnie z pkt. 4.2.5. Autor obliczeń pominął także sprawdzenie
nośności połączenia pasa ze środnikiem blachownicy z uwagi na siłę rozwarstwiającą.
Wielkość spoin łączących środnik blachownicy z pasem dolnym i górnym została przyjęta
z warunków konstrukcyjnych, co, jak się później okazało, było niewystarczające ze względu
na nośność ogólną belki i nośność zmęczeniową.
Na podstawie danych technicznych suwnic zawartych w oryginalnym projekcie przyjęto
grupę natężenia pracy dźwignic jako A5. Dodatkowo stwierdzono, iż w konstrukcji belek
występują karby o kategorii zmęczeniowej niższej niż 57,0 MPa. Zgodnie z zaleceniami normy
602
Tomska D. i in.: Błąd projektowy przyczyną wzmocnienia stalowych belek podsuwnicowych
[2] jak i [5] należało zatem przeprowadzić szczegółową analizę zmęczeniową belek, pominiętą
w oryginalnym projekcie.
W wyniku obliczeń wykazano, że największe i najmniejsze naprężenia w rozciąganym
pasie dolnym belki wynoszą odpowiednio:
–
σ
max
= 254,5 MPa,
–
σ
min
= 5,15 MPa.
Do sprawdzenia nośności zmęczeniowej belki przyjęto klasę obciążenia belki K
4
oraz klasę
wykorzystania dźwignicy H
4
wg [3], co dało największą liczbę cykli obciążenia równą 2,5×10
5
(dla nominalnego dwudziestoletniego okresu eksploatacji). Dla tak przyjętych założeń wyzna-
czono równoważny zakres zmienności naprężeń wynoszący:
(1)
D
s
=
a
×
max
D
s
=
249
,
35
MPa
C
k
Zgodnie z normą [2], tablica Z3-1 ustalono kategorię zmęczeniową ∆
σc
= 36,0 MPa, jak
dla styków pasa ze środnikiem na obustronne spoiny pachwinowe normalnej jakości. Na pod-
stawie wzoru Z3-5 normy wyznaczono wytrzymałość zmęczeniową równą:
1
/
m
6
5
×
10
(2)
D
s
=
0
,
735
×
D
s
×
=
71
,
82
MPa
R
C
N
W efekcie warunek nośności zmęczeniowej dla częściowego współczynnika bezpieczeń-
stwa
γ
fat
= 1,0 miał następującą postać:
(3)
D
s
=
71
,
82
MPa
<
D
s
=
249
,
35
MPa
R
C
Na podstawie warunku (3) stwierdzono, iż nośność zmęczeniowa belki podsuwnicowej
z uwagi na zastosowane spoiny jest ponad trzykrotnie przekroczona. W efekcie zaistniała
konieczność przeprojektowania belek jezdnych tak, aby spełniały one warunek nośności ze
względu na wysokocyklowe zmęczenie materiału.
3. Wzmocnienie
W opisanej sytuacji najprostszym rozwiązaniem było zaprojektowanie i wykonanie nowych
belek. Jednak, z uwagi na fakt wykonania wszystkich planowanych do wbudowania belek, zde-
cydowano się na ich wzmocnienie. Po analizie możliwych rozwiązań uznano, że najwłaściwsze
będzie przesunięcie środka ciężkości oraz zwiększenie sztywności względem osi poziomej
przekroju poprzecznego tak, aby ograniczyć naprężenia i zakres ich zmienności w newralgi-
cznych miejscach przekroju, to jest w spoinach łączących środnik z pasami belki. Przekrój
poprzeczny wzmocnionej belki w nawie AB przedstawiono na rysunku 4. Analogicznie
wykonano wzmocnienie belek w nawie BC.
Zwiększenie sztywności względem osi x-x, czyli w konsekwencji zwiększenie wartości
momentu bezwładności I
x
przekroju poprzecznego belki uzyskano poprzez dospawanie od
dołu belki profili 1/2HEA500 (w belkach w nawie AB) oraz 1/2IPE500 (w belkach w nawie
BC) ze stali St3S. Wzmocnienie wykonano wzdłuż pojedynczego przęsła belki, wykonując
podcięcia na podporach, co obrazują rysunki 5 i 6.
Konstrukcje stalowe
603
Rys. 4. Przekrój poprzeczny wzmocnionej belki podsuwnicowej
Rys. 5. Widok wzmocnionych belek podsuwnicowych
Rys. 6. Widok podparcia wzmocnionych belek podsuwnicowych