03_Hotala_E_i_inni_Awaryjne_zagrozenie_stalowej_konstrukcji_dachu_hali_widowiskowo-sportowej_w_Sopocie.pdf

XXIV

awariebudowlane

Dr hab. inŜ. E UGENIUSZ H OTAŁA , prof. PWr, eugeniusz.hotala@pwr.wroc.pl

Prof. dr hab. inŜ. K AZIMIERZ R YKALUK , kazimierz.rykaluk@pwr.wroc.pl

Dr inŜ. R AJMUND I GNATOWICZ , rajmund.ignatowicz@pwr.wroc.pl

Politechnika Wrocławska

AWARYJNE ZAGRO ś ENIE STALOWEJ KONSTRUKCJI DACHU

HALI WIDOWISKOWO-SPORTOWEJ W SOPOCIE

FAILURE HAZARD OF STEEL ROOF STRUCTURE OVER THE SHOW-SPORTS HALL IN SOPOT

Streszczenie W końcowym etapie montaŜu stalowego, kratowego rusztu dachowego nad centralną częścią hali

widowiskowo-sportowej stwierdzono róŜnorodne pęknięcia w około 65% węzłach. Powstałe zagroŜenie awa-

ryjne konstrukcji nośnej rusztu pojawiło się juŜ podczas obciąŜenia cięŜarem własnym. UniemoŜliwiło to

kontynuowanie dalszych prac montaŜowych. Obszerne analizy róŜnych czynników konstrukcyjnych, wykonaw-

czych, transportowych i montaŜowych oraz badania metalograficzne i defektoskopowe pozwoliły ustalić podsta-

wowe przyczyny powstałego zagroŜenia awaryjnego. Stwierdzono, Ŝe wadliwe rozwiązania konstrukcyjne

węzłów kratownic i niewłaściwy podział konstrukcji na elementy wysyłkowe oraz niekorzystne oddziaływania

transportowe i montaŜowe były głównymi przyczynami powaŜnych uszkodzeń konstrukcji dachowej i koniecz-

ności jej wzmocnienia.

Abstract At the final stage of assemblage of a steel truss grid over central part of the show-sport hall, the hete-

rogeneous cracks have been observed at about 65% of nodes. Arised failure hazard of the grid structure appeared

already under the dead load, and after this the assembling works were stopped. An extensive analysis of different

factors like: construction, execution, transport and assemblage, supported by metallographic and ultrasonic tests,

allowed to recognize the basic causes of the failure hazard. It was found that defective construction of the truss

nodes, unproper division of the structure to field elements and the negative effect of the both transport and

assemblage leaded mainly to serious damage of the roof structure and showed the necessity of its strengthening.

1. Wprowadzenie

70600 mm. Rozstaw kratownic w jednym kierunku

wynosi 6060 mm, a kierunku prostopadłym wynosi 6460 mm. Wysokość osiowa kratownic

jest zmienna i wynosi 5600 – 5800 mm. Ogólny schemat konstrukcji rusztu dachowego tuŜ

przed zamontowaniem ostatniej kratownicy w środkowej osi podłuŜnej nr 9 i elementów

uzupełniających kratownice poprzeczne pokazano na rys. 1. We wszystkich kratownicach

(oprócz stref podporowych) zastosowano wykratowanie typu N, ze ściskanymi słupkami

i rozciąganymi krzyŜulcami. Wszystkie pręty kratownic wykonane były z dwutewników

spawanych lub walcowanych. Dwuteowe krzyŜulce i słupki były łączone do pasów dolnych

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Na granicy miast Gdańska i Sopotu wznoszona jest hala widowiskowo-sportowa, której

centralna część ma stalową konstrukcję nośną dachu w postaci rusztu kratownicowego. Ten

ruszt o rzucie prostokąta podparty jest na czterech naroŜnych podporach Ŝelbetowych,

a rozstaw osiowy podpór wynosi 66600

Konstrukcje stalowe

i górnych za pośrednictwem blach węzłowych i spawanych połączeń „widełkowych” (rys. 2),

przy czym dla krzyŜulców kratownic poprzecznych w wytwórni były przyspawane tylko

blachy zakładkowe z otworami na śruby (rys. 2b).

Rys. 1. Schemat rusztu dachowego centralnej części hali w końcowej fazie montaŜu

Po zakończeniu montaŜu kratownic rusztu dachowego zauwaŜono przypadkowo kilka

pęknięć blach węzłowych w strefach połączeń spawanych krzyŜulców (rys. 2). Były to miej-

sca, gdzie podczas transportu i montaŜu zostały lokalnie uszkodzone grube powłoki

antykorozyjne i ogniochronne. W takie sytuacji wykonano badania magnetyczno-proszkowe

spoin i blach, na początku w 172 węzłach. Stwierdzono pęknięcia o długości 10–150 mm

w spoinach i blachach węzłowych w rejonach połączeń krzyŜulców rozciąganych w ok. 65%

badanych węzłów. Wtedy uznano, Ŝe konstrukcja dachu zagroŜona jest runięciem, a dalsze

kontynuowanie prac bez naprawy i wzmocnienia konstrukcji jest niemoŜliwe.

2. Rodzaj i zakres uszkodze ń stalowej konstrukcji dachowej hali

Po wykryciu pierwszych pęknięć blach węzłowych w rejonie spawanych połączeń „wideł-

kowych” krzyŜulców kratownic (rys. 3) wykonano I etap badań magnetyczno-proszkowych,

który dotyczył 172 węzłów. Stwierdzono pęknięcia blach i spoin w miejscach oznaczonych na

828

Hotała E. i inni: Awaryjne zagro Ŝ enie stalowej konstrukcji dachu hali widowiskowo-sportowej ...

rys. 2 jako: P1, P2, P3. Ogólne wyniki tych badań, wykonanych na zlecenie Wykonawcy

obiektu, przedstawiono w tablicy 1.

Analiza wyników wskazuje na to, Ŝe we wszystkich uszkodzonych węzłach występowały

pęknięcia blach w miejscach P3 (rys. 2), a więc w strefach koncentracji spoin połączeń wideł-

kowych krzyŜulców i blach węzłowych z pasami dolnymi lub górnymi kratownic rusztu.

Rys. 2. Miejsca pęknięć blach węzłowych w kratownicach rusztu dachowego hali: a) kratownice w osiach 2 – 16,

b) kratownice w osiach B – P (wg rys. 1)

Tablica. 1. Ogólne zestawienie wyników badań pęknięć blach węzłowych w kratownicach dachowych

Liczba pęknięć blach i spoin

w miejscach pokazanych na rys. 2

Liczba węzłów

z pęknięciami

blach i spoin

Liczba pęknięć

o długości większej

niŜ 30 mm

172

110

Rys. 3. Pęknięcia blach węzłowych w strefie P1 (wg rys. 2) przy pasie dolnym (a) i górnym (b) kratownicy

Skuteczność wszelkich napraw lub wzmocnień powaŜnie uszkodzonej i zagroŜonej awa-

ryjnie konstrukcji uzaleŜniona jest od obiektywnego ustalenia przyczyn wystąpienia

uszkodzeń. W badanym przypadku Wykonawca obiektu rozpoczął poszukiwania przyczyn

pęknięć blach w technologii wykonywania spoin i ich zbyt bliskiej odległości w rejonach P1

829

Liczba

zbadanych

węzłów

Konstrukcje stalowe

i P3 (rys. 2). Zastosowana stal S355J2 na blachy węzłowe o grubości 16 – 18 mm oraz

dwuteowe krzyŜulce walcowane była stalą o równowaŜniku węgla C E = 0,39 – 0,41, a więc

bliskim granicy C E dla stali trudnospawalnych. Wytwórnia konstrukcji stalowych, zgodnie z

wewnętrzną instrukcją, nie stosowała wstępnego podgrzewania elementów analizowanych

kratownic ze stali S355J2.

Badania twardości Vickersa w SWC złączy spawanych, przeprowadzone niezaleŜnie

w Politechnice Wrocławskiej, w Politechnice Gdańskiej i w Instytucie Spawalnictwa w Gliwi-

cach wykazały, Ŝe największa twardość wyniosła 310 HV10 i nie przekroczyła wartości

dopuszczalnej 350 HV10. Nie moŜna zatem jednoznacznie stwierdzić, Ŝe powstałe pęknięcia

mają charakter pęknięć zimnych. Tak wiec autorzy niniejszej pracy uznali, Ŝe technologia

i warunki spawania konstrukcji rusztu dachowego w wytworni nie mogły więc być jedyną

i podstawową przyczyną powstałych pęknięć blach węzłowych. Podjęto więc próbę zbadania

wpływu innych czynników na powstałe uszkodzenia blach węzłowych, a podstawowe wyniki

tych badań przedstawiono w kolejnych rozdziałach.

3. Wpływ rozwi ą za ń konstrukcyjnych na powstałe uszkodzenia

Pęknięcia blach węzłowych i spoin w kratowych konstrukcjach stalowych nie są wcale

rzadkim zjawiskiem. Awarie i uszkodzenia takich konstrukcji opisane są m.in. w [1], [2], [3],

[4]. Przypadki kruchych pęknięć blach węzłowych są częste tam, gdzie występuje zbyt mała

odległość

między spoinami (na rys. 2,

między najbliŜszymi spoinami, aby nie

wystąpiła w nich interferencja pól napręŜeń własnych, spawalniczych. W polskiej normie

projektowania konstrukcji stalowych [5] nie ma wyraźnie określonych minimalnych odległości

między spoinami, oprócz normy [6], dotyczących konstrukcji mostowych. Intensywne badania

wpływu odległości pomiędzy spoinami

na kruche pękania blach węzłowych prowadzone były

w połowie ubiegłego wieku. Uznano wtedy, Ŝe podstawowym parametrem, decydującym o

minimalnej odległości między spoinami

, jest grubość t blachy węzłowej. Grubość ta generuje

zarówno ilość ciepła wprowadzanego w złącze spawane, czyli wartość napręŜeń spawalniczych,

jak i przestrzenność stanu napręŜenia. Na podstawie tych badań ustalono w normie [7]

następujący warunek na minimalne odległości spoin c w blachach węzłowych:

(

)

(1)

W wielu węzłach kratownic analizowanego rusztu dachowego spoiny w blachach

węzłowych połoŜone były bardzo blisko siebie (rys. 3), a odległości c 1 i c 4 (rys. 2) wynosiły

w rzeczywistości nierzadko 13 – 35 mm, a w dokumentacji warsztatowej wiele węzłów miało

przewidziane odległości między spoinami w zakresie 25 – 40 mm. Dla zastosowanych blach

o grubości t = 18 mm odległości c 1 oraz c 4 powinny wynosić wg (1) 80 mm. Tak więc zbyt

bliskie połoŜenie spoin było jedną z waŜnych przyczyn licznych pęknięć blach węzłowych.

Nieuniknione napręŜenia własne od spawania są napręŜeniami rozciągającymi. Nie są one

groźne dla blach węzłowych, gdy stal tych blach ma swobodę do wydłuŜeń plastycznych.

Zastosowane połączenia widełkowe dwuteowych krzyŜulców (rys. 2) stanowiły karby kon-

strukcyjne, ograniczające znacznie swobodę odkształceń plastycznych, szczególnie w miejscach

oznaczonych jako P2 i P3 na rys. 2. Te miejsca są strefami o wysokiej koncentracji napręŜeń

(rys. 4a), gdyŜ nie wykonano tam szczeliny lub otworu odciąŜającego (rys. 4b), tak aby nie

830

= c 1 , c 2 , c 4 ). Następuje wtedy interferencja pól

napręŜeń własnych z obydwu spoin, a tym samym wzrost kruchości blachy [1].

Wiadomo jest, Ŝe dość skutecznym zabiegiem eliminującym pęknięcia kruche blach

węzłowych kratownic jest zachowanie takiego odstępu

Hotała E. i inni: Awaryjne zagro Ŝ enie stalowej konstrukcji dachu hali widowiskowo-sportowej ...

wykonywać spoiny od czoła kaŜdej z półek dwuteowego krzyŜulca. Właściwe rozwiązanie

połączenia widełkowego stopki dwuteownika z blachą węzłową przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Połączenia zakładkowe stopki dwuteownika z blachą węzłową: a) – ze strefą 1 o wysokiej koncentracji

napręŜeń, b) – ze zredukowaną koncentracją napręŜeń

Norma [7] oraz inni autorzy [8] zalecają stosowanie spoin czołowych, zamiast spoin

pachwinowych. W analizowanej konstrukcji stosowano spoiny pachwinowe, które stanowią

znacznie bardziej niekorzystny karb konstrukcyjny w blachach niŜ w przypadku zastosowania

spoin czołowych.

4. Wpływ transportu na powstałe uszkodzenia w ę złów kratowej konstrukcji dachowej

Zastosowany w projekcie podział kratownic podłuŜnych na elementy wysyłkowe oraz kon-

strukcje połączeń montaŜowych elementów rusztu miały istotny wpływ na powstałe uszko-

dzenia. Elementy wysyłkowe kratownic podłuŜnych składały się z fragmentów pasów górnych

lub dolnych oraz przyspawanych połówek słupków i krzyŜulców (rys. 5, 6). Transport takich

elementów bez usztywnienia wspornikowych elementów słupków i krzyŜulców (rys. 6) był

bardzo niekorzystny dla blach węzłowych, gdyŜ krzyŜulce i słupki były naraŜone na drgania

w płaszczyźnie i z płaszczyzny transportowanego elementu (rys. 5). Obliczona częstość drgań

własnych krzyŜulca z płaszczyzny kratownicy wynosiła n 2 = 0,76 Hz, zaś słupka n 4 = 3,39 Hz.

Rys. 5. MoŜliwe drgania słupków (n 3 , n 4 ) i krzyŜulców (n 1 , n 2 ) elementów wysyłkowych kratownic

Podczas kilkunastogodzinnego transportu duŜa liczba cykli drgań rezonansowych mogła

wywołać mikropęknięcia o charakterze zmęczeniowym nisko- lub wysokocyklowym, które

mogły sprzyjać powstawaniu stwierdzonych pęknięć blach węzłowych i spoin w tych

blachach.

831

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: