Analýza poškodenia skrutkových spojov oceľových konštrukcií

• Foto

Úvod
Správny návrh, realizácia, prevádzka a údržba sú zárukou spoľahlivosti konštrukcie alebo zariadenia počas celej jeho životnosti. O konkrétnych prípadoch porúch pri výrobných procesoch, o ich príčinách a následkoch , resp. o ich predchádzaní sa i odborná verejnosť dozvedá len veľmi málo. U nás vzniká zvýšený záujem v spoločnosti o príčinách porúch a poškodení až pri havarijných stavoch, kedy dochádza k všeobecnému ohrozeniu.

Poškodenie skrutkových spojov
Ako príklad z posledného obdobia môžu poslúžiť havárie kovových oceľových konštrukcií striech. Jednou z možných príčin je zlyhanie staticky alebo dynamicky namáhaných skrutkových spojov. Pri rozbore zisťovania príčin ich vzniku možno vychádzať z obecných príčin vzniku porúch pre náš prípad - pád strechy KCOV (SjF-STU Bratislava, 2015, obr. 1) .

Pád strechy KCOV - príčiny poruchy

• Prírodné vplyvy a katastrofy (napadlo 250 mm snehu).
• Nedostatočne známe alebo náhodné vplyvy súvisiace s objektom (v dôsledku oteplenia sneh zostal na streche).
• Chybný projekt (nevystužená konštrukcia, poddimenzovanie kotviacich skrutiek).
• Nevhodný postup montáže (nedodržanie predpísaných vzdialeností kotviacich skrutiek).
• Nedostatočná kontrola pri preberaní stavby.
• Zmeny materiálových vlastností, rozmerov alebo vlastností objektu s časom (korózia, nedostatočný prierez skrutky namáhanej na strih).
• Ľudský faktor (ignorácia, nedostatočné znalosti, nedbalosť).
• Zostáva otázka: Nedostatočná údržba? - nie (Je povinné odhadzovanie snehu zo strechy, ktorá je bežne neprístupná?)

Prvotná príčina poruchy bola vyvolaná ľudským faktorom (chybný návrh konštrukcie strechy). Pri upevnení kotviacieho profilového plechu do betónového základu boli použité univerzálne hmoždinky Clasicfix a Skrutky do dreva so zapustenou hlavou Pozidriv DIN 7995–4,5 x 80–A2 - obr. 2.

Najčastejšie príčiny zlyhania skrutkových spojov pri návrhu:

• Chybný projekt - zásadné chyby v návrhu konštrukcie.
• Chybný výpočet napätí a uťahovacích momentov.
• Podcenenie alebo nedostatočná znalosť namáhania skrutkových spojov.

V stavebnom i v strojnom inžinierstve sa postupne prechádza k pravdepodobnostným metódam navrhovania, ktoré využívajú metódy medzných stavov s využitím štatistického rozboru vlastností materiálu a zaťaženia. Podrobný výpočet skrutiek je v norme STN EN 1993-1-8.

Norma poskytuje všeobecné pravidlá navrhovania konštrukcií na bežné používanie pri návrhu konštrukcií ako celku. Najčastejšie príčiny zlyhania skrutkových spojov pri ich vyhotovení:

• Použité spojovacie prvky nemali požadované pevnostné charakteristiky.
• Skrutkový spoj nebol dotiahnutý na predpísanú hodnotu.
• Na utiahnutie bol použitý nepresný nástroj.
• Nesprávna sekvencia uťahovania skrutiek.

Príčiny poruchy - pád prvkov konštrukcie strechy

• Nedostatočne známe alebo náhodné vplyvy súvisiace s objektom: O konštrukciu haly bol uchytený dopravník o dĺžke cez 200 metrov. Nevhodné riešenie uchytenia dopravníka umožnilo sa celku správať ako mechanizmus s nadmerným stupňom voľnosti - obr. 7.
• Chybný konštrukčný návrh: (nastavovacia skrutka ISO 4766 - M6 × 10 nedokázala preniesť potrebný uťahovací moment na požadované predpätie v skrutkovom spoj (10 × menší) – obr. 6, obr. 8.
• Nedostatočný management údržby zariadenia: Prevádzkovateľ nečistil bubon náhonu pásového dopravníka pravidelne, na ktorom sa naakumulovali hrudy špiny, čím sa teoreticky zmenil priemer bubna (nesymetrický). Rotáciou nesymetrického bubna došlo k cyklickému napínaniu a popúšťaniu dopravníkového pásu. Horizontálne sily z tohto kmitania slabo dotiahnuté skrutkové spoje nedokázali preniesť, čo viedlo k únavovým lomom.
• Ľudsky faktor: Hala bola postavená firmou, ktorá získala zákazku bez regulárneho výberového konania. Firma halu nedokončila podľa výkresovej dokumentácie – nenamontovala zavetrenie do prútov, na ktorých dopravník visel. Niekto nedokončenú halu prebral a uviedol do prevádzky. Konečným dôsledkom bola havária kvôli únavovým lomom po necelých šiestich rokoch v prevádzke. Keďže technický personál, ktorý bol vo firme zamestnaný v čase výstavby haly ešte stále riadil technické záležitosti firmy v dobe havárie, vyšetrovanie sa viedlo do stratena....

Najčastejšie príčiny zlyhania skrutkových spojov a ich riešenie:

• Výber nevhodného typu závitového spoja pre daný typ oceľovej konštrukcie. Riešenie: Nezanedbávať detailný rozbor zaťaženia spoja v štádiu konštrukčného návrhu.
• Samovoľné uvoľnenie skrutkových spojov otrasmi. Riešenie: Použiť tvarové poistenie.
• Strata predpätia zovretých časti vplyvom plastickej deformácie, alebo tepelným predĺžením. Riešenie: Použiť vysokopevné skrutky a tvrdé kalené podložky.
• Elektrochemická alebo chemická korózia. Riešenie: Vhodná voľba materiálov, povrchová ochrana.
• Vznik prídavných ohybových napätí v skrutke. Riešenie: Zaistiť kolmosť dosadacích plôch k osi skrutky.
• Lomy spojovacích skrutiek namáhaných premenným zaťažením. Riešenie : Použiť vhodné technologické a konštrukčné úpravy pre zvýšení únosnosti skrutky.

Konštrukčné úpravy predpätých závrtných skrutiek
Závrtný koniec je najslabším miestom závrtnej skrutky, lebo všetky špičky napätí sústreďuje v mieste výbehu závitu. Konštrukčné úpravy závrtných skrutiek na obr. 9 zabezpečia rovnomernejšie rozloženie silového toku v závite a koncentrácie napätia. Vo všeobecnosti treba použiť skrutky s veľkou deformačnou konštantou (skrutky s predĺžením, resp. so zoslabením drieku).

Záver
Uvedené prípady poškodenia skrutkových spojov oceľových konštrukcií majú slúžiť ako prevencia bez určenia miery zavinenia a zodpovednosti . Vo svete sú krajiny (Kanada), ktoré centrálne zverejňujú výsledky vyšetrovania havárií, ich príčin, následkov a ich predchádzanie v rezorte železničnej, leteckej, námornej a cestnej dopravy. Bolo by ideálne, ak by boli i u nás takto súhrnne uvádzané konkrétne prípady porúch i pri výrobných procesoch, lebo stále platí, že iba múdry človek sa rád poučí z cudzích chýb. 

Príspevok vznikol za finančnej podpory Grantovej agentúry MŠ SR a SAV pri riešení grantového projektu VEGA 1/0420/16 – Stanovenie a výskum vplyvu parametrov v procese zhutňovania odpadovej biomasy na výslednú kvalitu výliskov.

Damage analysis of couplings in steel structures
The bolted joints could be considered to be one of the most important factors contributing to statical and dynamical stability of the structural steelwork. The real failure cases do confirm the failure of bolted joint to be the most common reason for the structure failure, whether the root cause is the design respectively construction/ operation issues.

Autoři

• Antala Jozef
• Červeňan Andrej
• Breza Jozef