K problematice efektivního a spolehlivého navrhování nosné konstrukce jeřábových drah

• Foto

JEŘÁBOVÉ DRÁHY – ÚVOD DO PROBLEMATIKY
Definice
Pod pojmem jeřábová dráha se rozumí celá nosná konstrukce potřebná pro umístění a bezpečný provoz mostových jeřábů osazených na nosníky jeřábové dráhy (JD).

Stěžejním prvkem návrhu jeřábové dráhy je samotný pojížděný hlavní nosník jeřábové dráhy. Jeho návrh má řadu specifik, se kterými se u jiných typů ocelových konstrukcí nesetkáme. Součásti návrhu jeřábové dráhy je i návrh tzv. příslušenství jeřábové dráhy, to je jeřábové kolejnice, připojovacích prvků kolejnice, nárazníku a ložisek. Přes ložiska jsou nosníky JD uloženy na další nosnou konstrukci jeřábové dráhy, která je navržená na základě prostorových možností daného případu a konstrukčního a statického uspořádání objektu. Jde zejména o sloupy nebo konzoly, brzdné ztužení a založení.

Příklad možného řešení JD je uveden na obrázku č. 1 a č. 2.

Zásady navrhování
Prvním krokem při řešení jeřábové dráhy je návrh vhodného příčného řezu, ve kterém se řeší průjezdný profil jeřábu. Je nutné zohlednit prostorové možnosti objektu, návaznosti na stávající konstrukce, požadavky investora na manipulaci s břemenem a požadavky na průjezdný profil stanovené normou.

Specifika návrhu jeřábové dráhy vyplývají zejména ze způsobu jejího zatěžování. Nosník jeřábové dráhy je zatěžován stálým zatížením, proměnným zatížením od jeřábů a mimořádným zatížením. Proměnné zatížení nosníku JD od jeřábů se odvíjí od změn hmotnosti břemene zavěšeného na kladkostroji jeřábu v čase a od změn polohy kladkostroje/kočky a jeřábu. Základní schéma a součásti mostového jeřábu jsou uvedeny na obrázku 3.

Při navrhování ocelové konstrukce jeřábové dráhy se uvažuje návrhová životnost jeřábové dráhy. Je to doba, po kterou se požaduje zajištění plné funkčnosti konstrukce. Pro středně a méně vytížené jeřábové dráhy je požadavek na životnost upraven v ČR normativně na 50 let oproti doporučené návrhové životnosti EU 25 let (dle ČSN EN 1993-6, odst. 2.1.3.2, NP1). U jeřábových drah s jeřáby vysokých nosností a vysoké intenzity manipulace je životnost často nižší. Jednotlivé součásti, které nemohou být navrženy na plnou životnost, musí být provedeny jako vyměnitelné.

Nosník jeřábové dráhy
Nosníkem jeřábové dráhy se zejména rozumí profil přímo pojížděný jeřábem. Pojezdové kola jeřábu pojíždí po kolejnici, která je uchycena k hlavnímu průřezu nosníku. Nosník je pak uložený pomocí ložisek na další nosnou konstrukci JD. Kolejnice se navrhují buď z jeřábových nebo železničních kolejnic vyrobených ze speciálních ocelí na kolejnice nebo z čtvercových či obdélníkových tyčí z konstrukčních ocelí potřebné pevnosti (obr. 4).

Kolejnice může být připojena k horní pásnici průřezu dvěma způsoby – dva konstrukční systémy – posuvný a neposuvný (obr. 5).

Nejčastěji navrhované typy hlavního průřezu nosníku jeřábové dráhy jsou uvedeny na obrázcích č. 6 a č. 7.

Uložení nosníku jeřábové dráhy na další konstrukci se realizuje pomocí ložisek. Ta musí být navržena tak, aby vždy byla umožněna rektifikace ve všech směrech jak pro montážní účely, tak pro případ pozdějších provozních rektifikací.

PORUCHY A HAVÁRIE NA KONSTRUKCÍCH JD
Stále se lze setkat se závadami, poruchami a nehodami na ocelových konstrukcích jeřábových drah. Řada z nich komplikuje manipulaci a plynulý provoz jeřábů. Problematika poruch a havárií konstrukcí jeřábových je zpracovaná například v literatuře [4].

Nejčastěji vedou závady ke zhoršení plynulosti a opakovaným poruchám při pojezdu jeřábu, ke sjetí kolejnice (obr. 8) a sjetí nákolků pojezdových kol jeřábů (obr. 9).

Významnou roli hraje geometrie nosníků jeřábové dráhy. K chybám, které ovlivňují geometrii nosníků, může dojít ve všech fázích realizace a provozu jeřábové dráhy.

Příčiny poruch
Již ve fázi projektu při statickém návrhu může dojít například k nedodržení doporučených mezních hodnot zejména vodorovných deformací a rozdílů mezi vodorovnými posuvy sousedních sloupů, rámů a větví jeřábové dráhy. Dále podceněním založení sloupů jeřábové dráhy, zejména výpočtu sedání.

Často se setkáváme s provedením uložení nosníku jeřábové dráhy na podpory bez možnosti rektifikace. Důsledkem je pak nepřesná montáž konstrukce a je znemožněna či zkomlikovaná montážní a provozní rektifikace.

Ve fázi výroby dochází k dalším chybám. Odchylky od správné geometrie vznikají šavlovitostí nosníků, excentrickým uložením kolejnice na hlavní průřez nosníku, špatnou technologii svařování apod. Důsledkem je vznik dalších zejména vodorovných sil, na které konstrukce nebyla navržena.

Dále se lze setkat s řadou neodborných zásahů ve fázi montáže a provozu jeřábové dráhy. Na obrázku č. 10 a č. 11 jsou fotografie neodborného zásahu do hlavního průřezu nosníku jeřábové dráhy a to vypálením části L profilu v rozhodném průřezu nosníku. V praxi se lze setkat s případy demontování prvků vodorovného příhradového nosníku JD, prutů brzdných ztužidel JD a prutů zajišťujících vzpěrné délky hlavních sloupů haly a JD.

ANALÝZA NAMÁHÁNÍ NOSNÍKŮ JD
Posuzování nosníku jeřábové dráhy má řadu specifik vyplývajících ze způsobu jeho zatěžování. Nosník je přímo pojížděný pojezdovým kolem jeřábu a z toho plyne potřeba věnovat pozornost také lokálním namáháním v průřezu pod kolem jeřábu a výraznému vlivu excenticit namáhání.

Základní namáhání
Základním krokem při návrhu nosníku jeřábové dráhy je stanovení únosnosti průřezu na ohyb k oběma hlavním osám průřezu a smyk.

Pro nosníky jeřábové dráhy se, z důvodu požadavku odolnosti na únavu, zatím dle normy doporučuje aplikovat pružnostní analýza pro všechny třídy průřezu za předpokladu, že pro průřezy třídy 4 se počítá s vlastnostmi účinného průřezu. Dle ČSN EN 1993-1-1 musí být v rozhodujícím bodu průřezu splněna podmínka:

ČSN EN 1993-1-1 připouští použití konzervativní sumace složek využití průřezu:

V posuzovaných vláknech řezu se v první řadě musí tedy vyčíslit návrhová hodnota podélného normálového napětí vx,Ed od ohybových momentů od svislého i vodorovného zatížení nosníku včetně uvažování vlivu klopení:

Dle průběhu vnitřních sil se vyčíslí dále smyk. Platí ověřené vztahy:

Kroucení
Nosník jeřábové dráhy je prut namáhaný na kroucení. Konstrukční řešení nosníků JD, tedy zpravidla otevřené průřezy a způsob uložení nosníků, vede k namáhání průřezu jak prostým, tak vázaným kroucením. Uvažují se následující napětí vyvolaná kroucením.

• Smykové napětí τ_t,Ed od momentu prostého kroucení T_t,Ed
• Normálové napětí σ_xw.Ed od bimomentu B_Ed
• Smykové napětí τ_w,Ed od momentu vázaného kroucení T_w,Ed

Složky napětí od kroucení u nosníků jeřábových drah nelze zanedbat. Například normálové napětí od bimomentu B_Ed může tvořit až 30 % napjatosti v rozhodném bodu průřezu. Lze se v praxi setkat s tím, že projektant vliv kroucení z neznalosti problematiky neuvažuje nebo jej zanedbá. Navržený průřez je pak poddimenzovaný.

Pozornost si také žádá problematika normativních úprav doporučeného výpočtu kroucení na nosnících jeřábových drah. V první předběžné euronormě pro navrhování jeřábových drah ČSN P ENV 1993-6 z roku 2000 bylo na výpočet kroucení upozorněno. Byl doporučen postup pro výpočet v kapitole 5.3.3. Konstrukční systémy, kde ovšem v odstavci (4) bylo uvedeno: „Kroutící momenty se převedou do dvojic sil působících vodorovně v horní a spodní pásnici“.

V normě nebyla zmíněna možnost přesnějšího výpočtu vázaného kroucení, který byl již zpracovaný ve staré české normě ČSN 73 1401 z roku 1984. Na tuto skutečnost se v té době upozorňovalo. Dokládalo se výpočty, že posudek provedený tímto způsobem je velmi neekonomický.

V současné platné normě ČSN EN 1993-6 je výše zmíněný postup převedení kroutících momentů na dvojici sil opět uveden a to v kapitole 5.6.2. Konstrukční systémy, odstavec (4). K určitému posunu však došlo. V příloze A je uvedena alternativní metoda posouzení ohybu s vlivem klopení a kroucení. Je uvedena ve formě interakční rovnice pro pruty namáhané kombinací ohybu a kroucení:

T_w,Ed návrhová hodnota kroutícího momentu od vázaného kroucení
T_w,Ed = M . e . (1-K)
T_w,Rk charakteristická hodnota únosnosti při vázaném kroucení
k_ij interakční součinitelé

Doplněním vázaného kroucení do vztahu pro návrhovou hodnotu podélného normálového napětí σ_x,Ed, dostaneme:

V národní příloze normy je však k tomuto postupu uvedeno: „poznámka překladatele: dosud není hotovo“.

Podrobnějšího studia a rozboru si žádá analýza možností dopracování normativních vztahů a doporučené postupy výpočtu z hlediska ekonomického s cílem zasadit se o zrušení velmi zjednodušeného doporučení rozdělit kroutící momenty do dvojice sil.

Pevnost stěn nosníků jeřábových drah
V současnosti se řada organizací a výzkumných pracovišť stále věnuje vývoji metodiky výpočtu pevnosti stěn nosníků jeřábových drah. Již v 50 letech minulého století se začali odborníci věnovat výskytu trhlin v horních částech stěn průřezů nosníků. Vznikla tedy potřeba podrobněji řešit problematiku napjatosti ve stěnách. Ta se rozdělila do dvou směrů:

• Řešení rovinné napjatosti ve stojině zatížené centrickou silou od kola jeřábu.
• Výzkum lokálního příčného ohybu vznikajícího kroucením horního pásu od mimostředného zatížení.

Lokální napětí od centrického zatížení
Uvažuje se lokální normálové napětí a lokální smykové napětí ve stojině pod kolem jeřábu jako od centrického zatížení. Lokální napětí v horním okraji stěny pod kolem dle ČSN EN 1993-6:

Lokální ohybové napětí v důsledku excentricity kolových zatížení
Problematika lokálního příčného ohybu od excentrického zatížení a její řešení se jeví jako složitější (obr. 14).

Na reálném nosníku vzniká řada excentricit zatížení oproti teoretickému modelu. Typické možné excentricity, na kterých působí síly od jeřábů na nosník, jsou znázorněny na obrázku č. 12. Jedná se o:

E1 excentrické uložení kolejnice na hlavní průřez nosníku ve výrobě
E2 excentrický pojezd kola jeřábu po kolejnici
E3 vzdálenost působiště příčných sil od místa lokálního ohybu stěny
E4 vzdálenost působiště příčných sil od středu smyku průřezu
E5 nezajištění svislosti průřezu, rovina kolové síly neprochází středem smyku
E6 nestejnoměrné uložení v podpoře

V podstatě pouze excentricity E3 a E4 jsou přesně známy. Ostatní excentricity nelze s určitostí stanovit. Předpokládají se smluvenými hodnotami.

Na obrázku č. 13 je ve dvou krocích znázorněn ohyb a rotace horního pásu průřezu nosníku v důsledku excentricit E1, E2 a E3. Konstrukčně jim lze předcházet provedením výztužných žeber nebo zvětšením tloušťky stojiny.

Sestavení rovnice ohybu stěny spolu s kroucením horní pásnice průřezu a kolejnice a její řešení je problematické (obr. 14). Provádí se přibližná řešení, nepraktická pro inženýrskou praxi.

V literatuře lze nalézt několik navržených postupů. Autoři těchto postupů se v řešení rozcházejí. Například řešení A. A. A palka má tvar:

Kritické argumenty proti těmto vztahům uvedl E. A. Mitjugov [3], jako špatné znaménko ve jmenovateli a ve vzorci není zahrnuta tuhost kolejnice. V šedesátých letech pomocí trigonometrických řad odvodil následující vztah:



Kroutící moment uvažuje jako součet dvou momentů. Momentu od svislého kolového zatížení působícího excentricky od svislé osy průřezu a momentu od vodorovných příčných sil působících v úrovni horní hrany kolejnice. Kroutící moment tedy závisí na excentricitě e (E1 + E2), která je smluvní a dále na velikosti vodorovné síly a výšce kolejnice. Pro případ, že není zajištěna spolehlivost uchycení kolejnice nad výztuhami a kolejnice se plně nezapojí v kroucení, uvádí E. A. Mitjugov vztah:

Kroutící moment je tedy uvažován pouze od svislého kolového zatížení působícího s příčnou excentricitou ey (normou doporučená hodnota je 0,25 × šířka hlavy kolejnice, zároveň e_y > 0,5 t_w ). Do výpočtu se neuvažuje moment od vodorovné síly násobený výškou kolejnice.

ZÁVĚR
V tomto příspěvku je naznačena problematika navrhování ocelových konstrukcí jeřábových drah pro provoz mostových jeřábů osazených na nosníky jeřábové dráhy. Stěžejním prvkem návrhu jeřábové dráhy je samotný pojížděný hlavní nosník jeřábové dráhy, jehož dimenzování má řadu specifik vyplývajících ze způsobu jeho zatěžování.

V příspěvku je uvedeno několik oblastí, které si zaslouží další rozbor, srovnávací výpočty a experimentální ověření. Jde o problematiku zapracování výpočtu vázaného kroucení a dopracování normativních vztahů v aktuální ČSN EN. A dále dopracování řešení lokálního namáhání stěny kroucením horního pásu od excentrického zatížení nosníku. V získaných výpočtových vztazích jsou výrazné odlišnosti. V následujícím období bude proveden podrobnější rozbor odvození vztahů, podrobnější výpočty s cílem porovnání získaných výsledků a jejich vyhodnocení.

Tento příspěvek byl vypracován v souvislosti s řešením projektu FRVŠ číslo 1545 F1/4 a dále v návaznosti na řešení projektu GAČR P105-12-0324.

Děkuji za spolupráci a odborné vedení panu profesoru Ing. Jindřichu Melcherovi, DrSc.

Recenzoval prof. Ing. Jindřich Melcher, DrSc., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav kovových a dřevěných konstrukcí

LITERATURA:
[1] MACCRIMMON, R.A.: Crane-Supporting Steel Structures. CISC, Ontario, Leden 2005, 121 s.
[2] THOMPSON, G.: Best praktice of crane support structures design – an expert survay. University of Stellenbosh, Prosinec 2007, 255 s.
[3] MITJUGOV, E.A.: Razvitie metodiki rasčeta pročnosti stenki v podkranovych balkach. MGSU, Moskva, 1990, 6 s.
[4] MELCHER, J., STRAKA, B.: Některé obecné poznámky o nehodách a příklady závad ocelových konstrukcí. Sborník referátů z konference „Havárie ocelových konstrukcí“. ČSVTS, Srpen 1970, Praha 29 s.
[5] LEDERER, F., a kol.: Ocelové konstrukce pozemních staveb. SNTL, Praha, 1971, 462 s.
[6] VLASOV, V.Z.: Tenkostěnné pružné pruty. SNTL, Praha, 1962, 569 s.
[7] FALTUS, F.: Prvky ocelových konstrukcí. ČAV, Praha, 1962, 695 s.
[8] ŠMIŘÁK, S.: Pružnost a plasticita I. CERM, Brno, 1999, 210 s.
[9] ČSN EN 1991-1až7 Zatížení konstrukcí. Praha: Český normalizační institut, 2004.
[10] ČSN EN 1991-3 Zatížení konstrukcí – Zatížení od jeřábů a strojního vybaven. Praha : Český normalizační institut, 2008. 44 s.
[11] ČSN EN 1993 Navrhování ocelových konstrukcí. Praha: Český normalizační institut, 2006.
[12] ČSN EN 1993-6 Navrhování ocelových konstrukcí – Jeřábové dráhy. Praha: Český normalizační institut, 2008. 42 s.
[13] ČSN 73 5130 Jeřábové dráhy. Praha: Český normalizační institut, 1994. 16 s.

Problems of effective and reliable design of steel crane support structures
Crane supporting structure is specific structure designed for carrying and safe running of overhead travelling cranes sitting on the top rail of support girder. This paper mentions the problems of crane girder safe and effective design procedures, problems of not finished code design formulas of girder torsion and problems of local stresses in web due to eccentric load.

Autor

• Ing. Kočařová Jindřiška