KONSTRUKCJE STALOWE STR372

10. ZMĘCZENIE

Elementy i połączenia podlegające znacznej liczbie zmian naprężeń należy sprawdzić ze względu na zmęczenie (poza zwykłymi warunkami nośności i stateczności). Zasady takiego sprawdzenia podane są w PN-EN 1993-1-9 [55], Możliwe jest zastosowanie jednej z dwu wymienionych dalej metod.

■    Metoda naprężeń nominalnych (zwana inaczej klasyfikacyjną). Przy jej użyciu zakres zmienności naprężeń Aa (lub At) od zmieniających się obciążeń wyznacza się dla naprężeń nominalnych, tzn. przy obliczeniowym pominięciu występującego spiętrzenia naprężeń. Wartość tak wyznaczonego zakresu zmienności naprężeń porównuje się z wytrzymałością zmęczeniową, określoną dla danego typu karbu, występującego w miejscu wyznaczenia naprężeń. Taka wytrzymałość zmęczeniowa ujmuje w sobie wielkość spiętrzenia, rozrzut wyników badań zmęczeniowych, wpływ naprężeń własnych itp.

■    Metoda naprężeń geometrycznych. Wymaga wyznaczenia zakresu zmienności naprężeń geometrycznych, czyli największych naprężeń w materiale rodzimym, w sąsiedztwie początku spoiny, uwzględniających wpływ karbu konstrukcyjnego (całkowitej geometrii konstrukcji), lecz pomijających lokalny wpływ spiętrzenia spowodowany geometrią spoiny i jej nieciągłościami. Tak wyznaczony zakres zmienności naprężeń geometrycznych porównuje się z odpowiednią dla tej metody wytrzymałością zmęczeniową, inną niż w wypadku metody naprężeń nominalnych.

Metoda klasyfikacyjna daje satysfakcjonujące rezultaty przy minimalnym nakładzie pracy projektanta, chociaż w pewnych przypadkach uważana jest za konserwatywną. Związane jest to z tym, że olbrzymią różnorodność karbów występujących w konstrukcjach (i różniących się od siebie wielkością spiętrzenia naprężeń mimo ich geometrycznego podobieństwa) sprowadzono tylko do 14 typów naprężeń normalnych i do 2 typów naprężeń stycznych. Uproszczenie to spowodowało, że w wielu wypadkach obliczeniowa wytrzymałość na zmęczenie jest określana raczej dla ostrzejszego typu karbu niż dla tego, który realnie występuje w konstrukcji.

Metoda naprężeń geometrycznych jest bardziej nowoczesna i dokładniej opisuje żywotność elementów i połączeń, wymaga jednak wyznaczenia naprężeń geometrycznych, co wiąże się najczęściej z analizą konstrukcji za pomocą MES-u i zastosowaniem odpowiednich technik ekstrapolacji wyznaczonych naprężeń. Sposób wyznaczania naprężeń geometrycznych nie jest podany w treści normy [55].

W niniejszym rozdziale omówiono tylko zasady sprawdzania nośności na zmęczenie przy użyciu metody naprężeń nominalnych. Metoda ta była stosowana w PN-90/B-03200 [34],

Metoda naprężeń nominalnych pozwala sprawdzić nośność na zmęczenie tak elementów spawanych, jak i niespawanych. Zasady podane w normie [55] odnoszą się do konstrukcji eksploatowanych w normalnych warunkach atmosferycznych, zabezpieczonych przed korozją i o temperaturze eksploatacji nieprzekraczającej 150°C. Przyjmuje się, że zmęczenie powinno być sprawdzane, jeśli w czasie użytkowania konstrukcji liczba cykli zmian naprężeń jest większa niż N = 10⁴.

A. Analiza naprężeń w karbie

Zmęczenie wywoływane jest zmieniającymi się naprężeniami. Przebieg zmienności naprężeń w czasie nazywany jest widmem lub spektrum naprężeń. Najprostszym przykładem zmienności naprężeń jest widmo o stałej amplitudzie (tzw. widmo jednorodne) (rys. 10.1), charakteryzowane wartościami naprężeń maksymalnych a_max i minimalnych a_min w poszczególnych cyklach oraz

naprężeniami średnimi o_m=0,5(o_mx+a_min).