Šíření únavových trhlin dle EN 1993-1-9

Nový návrh normy pro únavové posouzení připouští normově poprvé možnost vzniku únavových trhlin. Je možné použít metodiku, jak podle koncepce přípustného poškození, tak doposud jedinou používanou koncepci bezpečné životnosti. Článek upozorňuje na určitou nepřipravenost, zejména u mostů, při použití nově zavedené koncepce.

ÚVOD

Anglická verze EC3 Navrhování ocelových konstrukcí, část 1. 9: Únava [1], byla koncem roku 2002, včetně podkladů pro přípravu národních příloh k novým ČSN EN, rozeslána Institutem ocelových konstrukcí, spol. s r. o. k připomínkám. Návrh mimo nové úpravy ve formě oddělení únavové problematiky do samostatné části, přináší zásadní změnu v návrhových metodách. Prozatím se při návrhu únavových detailů vychází z bezporuchovosti tj. z nerozvíjení se únavových trhlin po celou návrhovou životnost. Nový návrh připouští dvě metodiky v následujícím pořadí:

• Přípustné poškození
• Bezpečná životnost

Důvody ke změně koncepce posuzování

Přestože komentář vedoucí ke změnám není k dispozici, lze odhadnout hlavní důvody. Je známo, že i přes snahu vyvarovat se šířeni únavových trhlin tyto procesy, na konstrukcích namáhaných proměnnými účinky zatížení, probíhaly. Např. na roštu mostovky Metra na Nuselském mostě na 2176 stejných detailech byly zaregistrovány trhliny až jich bylo1023, což je 47% ze všech těchto detailů, Rovněž náhodné zjištění už výrazných únavových trhlin na železničních mostech není neznámé. Faktem zůstává, že i přes výskyt únavových trhlin nejsou známy katastrofální následky na jednotlivých nebo celých mostních konstrukcích. Jestliže existuje redistribuce (přeskupení) napětí v důsledku oslabení některých částí, pak je potřeba tento proces neignorovat a čekat na samořešení, ale měl by být podchycen. Tato skutečnost podtrhuje význam prohlídek a ohodnocení závažnosti konstručních částí, na kterých mohou vzniknout únavové trhliny závažných rozměrů. Dále pak vyžaduje mít propracovány postupy jak se vyrovnat s rostoucími trhlinami. Návrhy i vlastní únavové procesy jsou poměrně náročné, protože v sobě zahrnují množství nahodilých charakteristik a potřebných vstupních údajů, což vnáší nejistoty, které je třeba na úrovni požadované spolehlivosti podchytit. Norma proto zahrnula už i ty případy, které byly doposud řešeny expertizami.

Podmínky použití dvou koncepcí návrhu

Normou stanovené podmínky jsou následující:

Koncepce přípustného poškození stanovuje přípustnou spolehlivost po celou dobu životnosti konstrukce, jestliže jsou prováděny stanovené prohlídky pro zjištění trhlin a je funkční udržovací režim pro opravy únavových poškození.

Podmínky uplatnění koncepce:

• v případech, kdy následkem únavového poškození může nastat přerozdělení účinků zatížení po jednom konstrukčním prvku nebo vzájemně mezi prvky konstrukce
• musí být použitý materiál podle EN 1993-1-10
• národní přílohy musí stanovit režim prohlídek

Požadované spolehlivosti lze dosáhnout těmito způsoby:

• výběrem nejvhodnějších detailů, materiálů a velikosti napětí, která v případě existence trhlin zabezpečí jejich pomalé šíření po dostatečně velký přípustný rozměr
• umožněním přenosu zatížení jinými způsoby
• použitím detailů, které umožní známými úpravami zastavení šíření trhlin
• použitím detailů přístupných pro provádění prohlídek zaměřených na únavové trhliny

Koncepce bezpečné životnosti je založená na volbě takové hladiny spolehlivosti po celou životnost, že nevyžaduje speciální systém prohlídek zaměřený na únavové poškození. Tato metoda může být použitá v případech, že trhliny jsou na takovém místě, které může způsobit rychlé únavové porušení konstrukčního prvku nebo celé konstrukce. Základní podmínkou je, že na konci návrhové únavové životnosti musí prvek, posuzovaný na únavu, vyhovovat meznímu stavu únosnosti s požadovaným indexem spolehlivosti ß.

Návrh normy [1] ponechává na národních přílohách výběr koncepcí návrhů, definování skupin následků a numerické hodnoty součinitele spolehlivosti ?Mf. Doporučuje pak ?Mf uvedené v tab. 1, které blíže neodůvodňuje.

Tab. 1

Návrhová koncepce	Následky poškození
	Mírné	Závažné
Přípustné poškození	1,00	1,15
Bezpečná životnost	1,15	1,35

Dopad změn na železniční mosty

Železniční mosty byly vždy mezi stavebními konstrukcemi v popředí při řešení problematiky únavy. Výrazné proměnné kolové síly jsou zdrojem proměnných účinků zejména na prvkové mostovky a nežádoucích únavových následků. Myšlenka nepřipustit šíření únavových následků byla oprávněná, chyběly potřebné znalosti, včetně možnosti je v minulosti i získat. Používalo se proto posouzení vycházející z Wöhlerovského pojetí (vztahu mezi ??-N). Potřebné materiálové charakteristiky bylo možné získat laboratorně na zkušebních vzorcích. Problémy, doposud uspokojivě nedořešené, zůstávají s náhodným výskytem proměnné odezvy zatížení a jejím vlivem na únavový proces a s reálnými detaily na únavové poškození. Dalším nedostatkem této metody je nemožnost oddělením studia stabilního šíření trhlin od ostatních studií. Stačí ale jen velmi malá iniciační trhlina (0,2-0,4mm) a celý únavový proces se
několikanásobně urychlí  oproti případům stejného detailu s bezvadně upraveným povrchem (vybroušením, v laboratorních podmínkách i vyleštěním). U nýtovaných mostů důvodem pro existenci iniciační trhliny byly neopracované okraje válcovaných pásnic a stěn a nýtové otvory. Svařování zněkolikanásobilo pravděpodobnost výskytu nedokonalosti a tím i iniciačních míst náchylných na únavové poškození.

Doposud převážně prováděné prohlídky mostů zahrnují sledování únavových trhlin do rámce celkových pravidelných prohlídek. I ve vysoce technicky vyspělých státech se odhaduje procento zjištění trhlin už změřitelných délek do 25% z celkového počtu, které jsou na mostech. Nová metodika proto nabádá ke zlepšení prohlídek zaměřených jen na únavové trhliny a to v koncepci přípustného poškození. Vyžaduje si to mimo technické i personální posílení i stanovení termínů provádění prohlídek. Termíny prohlídek jsou vázány na předpoklad existence iniciační trhliny a jejího zvětšování. Protože Wöhlerovský to neumožňuje, je třeba použít jiné metody (např. lomovou mechaniku). Současnou nepřipravenost těchto metod na normativní využití dokumentuje nový návrh, když konstatuje, že jiné posuzovací metody kromě modifikovaného Wöhlerovského postupu, v ní nejsou obsaženy.Z výzkumných prací a expertních posudků je zřejmé, že vhodná je metoda lineární elastické lomové mechaniky. Ta vyžaduje odlišné materiálové charakteristiky, znalosti velikosti iniciační trhliny, minimální měřitelné trhliny, maximální přípustné trhliny a další. Všechny tyto vstupy jsou zatíženy určitými nejistotami a tak bez pravděpodobnostních metod se nedá pracovat [2] [3] [4]. Bez předpracování do zjednodušené formy je tento postup zřejmě neprůchodný. Norma to však ponechává na národních přílohách.

Dobře míněná nově zavedená koncepce přípustného poškození je v současnosti pro všeobecné použití na tak důležitých stavbách jako jsou železniční mosty ještě nepoužitelná. Zůstává tedy koncepce bezpečné životnosti s propracovanou metodikou, ve které je zmenšení možnosti vzniku nahodilých únavových trhlin vhodné vylepšit zejména:

• snížením únavové pevnosti (zvětšením součinitelem ?Mf) přinutit k použití sice pracnější detail, ale s menší koncentrací napětí, nebo k zesílení tohoto místa a tím zmenšení rozkmitů napětí.
• zvýšením nároku na zhotovení a kontrolu míst špiček napětí (zpravidla se jedná o malou oblast) jako prevenci proti možné existenci i velmi malé iniciační trhliny.

Tato preventivní opatření proti vzniku únavových trhlin jsou daleko výhodnější, než náročnými prohlídkami sledovat jejich možný výskyt, ověřovat dopad existence trhliny na únosnost prvku i celé nosné konstrukce, provádět opatření zamezující další šíření apod.

Závěr

Návrh nové koncepce přípustného poškození únavovou trhlinou má své opodstatnění i teoreticky podchycuje nutná opatření. Pro praxi v současnosti chybí potřebná propracovatelnost postupů. Druhů koncepce bezpečné životnosti se jeví výhodnější i za cenu věnování větší pozornosti detailům náchylným na únavové poškození.

Literatura:
[1] Eurocodes: Design of steel structures, Part 1.9: Fatigue, August 2003
[2] Tomica, V. - Gocál, J.: Pravděpodobnostní přístup při sledování únavových trhlin.
OK ocelové konstrukce 2/2001, str. 19-20
[3] Tomica, V.: Degradační účinky provozního zatížení na železniční mosty. Nová
železniční technika. 1999 č. 4, str. 111-113
[4] Tomica, V.: Význam kvality provedení detailů, náchylných na únavová poškození.
Konstrukce 6/2003, str. 11-14

zpět na seznam