Niebezpieczeństwa związane ze stosowaniem profili zamkniętych w dźwigarach stalowych

Abstrakt

Celem niniejszego artykułu jest analiza stanu naprężeń w ścianach stalowego profilu zamkniętego, generowanych przez zamarzającą wodę wypełniającą wnętrze profilu. Rozważono konkretny przypadek dwóch dźwigarów, w których podczas okresowego przeglądu stwierdzono uszkodzenia pasów górnych. Postawiono tezę, że przyczyną awarii była zamarzająca woda, która dostała się do wnętrza pasów górnych dźwigarów. Dźwigary wykonane były z zimnogiętych profili rurowych ze stali gatunku S355J2. Pasy górne i dolne dźwigarów wykonano z rur kwadratowych ze szwem o różnej grubości ścianek. Słupki i krzyżulce zostały wykonane z profili rurowych o różnej grubości ścianek. Dźwigary były zamocowane przegubowo do słupów żelbetowych i dodatkowo podwieszone do tychże słupów za pomocą cięgien z profili rurowych. W obu uszkodzonych dźwigarach zaobserwowano deformację kształtu poprzecznego profilu pasa górnego oraz pęknięcie wzdłuż krawędzi gięcia. Wziernikowanie wnętrz profili potwierdziło obecność wody i glonów. Stwierdzono również nieciągłość spoiny czołowej w węzłach łączących pas górny dźwigarów z cięgnami, przez którą woda wnikała do wnętrza pasów górnych tych dźwigarów i powodowała uszkodzenia. Przeprowadzono analizę numeryczną, aby ocenić efekty działania ciśnienia wywołanego przez zamarzającą wodę. Obliczenia wykazały, że naprężenia rozciągające w narożach przekraczały granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie. Analizowano również przemieszczenia ścianek profilu w zależności od ciśnienia wewnętrznego. Stwierdzono, że naprężeniom równym wytrzymałości stali towarzyszyło przemieszczenie ścianek w centralnej części profilu. Wnioski z przeprowadzonej analizy wykazały, że jeśli woda ma możliwość wniknięcia do wnętrza profilu zamkniętego, może dojść do uszkodzenia spowodowanego ciśnieniem wywieranym przez zamarzającą wodę. Uszkodzenie profili prowadzi do zmniejszenia grubości ścianek, obniżenia stateczności i zmiany charakterystyk geometrycznych. Uszkodzenia te są trudne do przewidzenia przez projektanta. Kontrola jakości spoin w konstrukcjach stalowych jest ważna, aby zapobiec tego rodzaju uszkodzeniom.