Studie návrhu nosníku jeřábové dráhy v závislosti na použité konstrukční oceli

Byla provedena studie pro jeřábovou dráhu pojížděnou jedním jeřábem. Jeřáb byl uvažovaný jako v současnosti převážně dodávaný standardní elektrický mostový jeřáb s pohonem jednotlivých kol, jeden pohon na každém pojezdovém příčníku, vedením pomocí nákolků, uložení kol vzhledem k bočním pohybům pevné/pevné (FF) a kombinací dvojic kol nezávislou (I). Klasifikace jeřábu z hlediska únavy dle ČSN EN 1991-3 [12] byla uvažována viz. příloha B, položka č. 6 – Dílenské jeřáby jako HC3, S4. Dále bylo potřeba stanovit ustálenou rychlost zvedání 5,0 m/s a vůli mezi kolejnicí a vodícími prostředky 15 mm. Výše uvedené parametry lze považovat za parametry jeřábů standardních, běžně dodávaných jak do skladovacích hal, tak do dílenských provozů a do provozů bez dalších speciálních procesních požadavků.

Pro návrh průřezu nosníku JD v této studii bylo zapotřebí stanovit následující vstupní parametry, které vycházejí z dispozice konstrukce jeřábové dráhy a technických parametrů jeřábu: modul jeřábové dráhy (označení „L“), rozpětí jeřábu (označení „J“), rozvor jeřábu (označení „R“), charakteristická hodnota kolového tlaku jeřábu Q_r,max. Parametry J, R a Q_r,max byly uvažovány jako proměnné. Parametr L je uvažovaný v této studii jako v praxi nejběžněji se vyskytující délka rozpětí nosníku JD a to 6,0 m.

Charakteristická hodnota kolového zatížení Q_r,max je uvažovaná jako proměnná hodnota v rozmezí od 4,0 kN do 120,0 kN. V tabulce č. 1 jsou orientačně uvedeny maximální parametry standardních mostových jeřábů, které odpovídají uvažovanému rozmezí hodnot Q_r,max. Mostové jeřáby vyšších parametrů mají kolové tlaky vyšší než 120,0 kN.

Návrhové výpočty ve studii byly prováděny dle poznatků stavebné mechaniky a v souladu s platnými českými technickými předpisy. Při výpočtu zatížení konstrukce bylo postupováno dle nyní platného českého technického předpisu ČSN EN 1991-3 Zatížení od jeřábů a strojního vybavení [1]. Při návrhu a posouzení průřezu na mezní stav únosnosti bylo posouzeno globální namáhání prutu včetně vlivu klopení a vázaného kroucení. Rovněž bylo posouzeno lokální namáhání od excentrického kolového zatížení. Vše v souladu s technickými předpisy ČSN EN 1993-1 [3] a ČSN EN 1993-6 [2]. Při posouzení nosníku na mezní stav použitelnosti byla uvažována mezní hodnota vodorovné deformace nosníku JD jako 1/600 rozpětí nosníku a mezní hodnota svislé deformace nosníku JD byla brána jako 1/600 rozpětí nosníku JD. Posouzení na únavu bylo
provedeno dle ČSN EN 1993-1-9 [4] Ekvivalentní návrhové spektrum zatížení s počtem cyklů 2,0.106.

V grafu č. 1 jsou zaznačeny křivky hmotnosti navrženého prostého nosníku z válcovaného profilu HEA pro modul JD L = 6,0 m a rozpětí jeřábu J = 12,0 m v závislosti na charakteristické hodnotě kolového tlaku Q_r,max [kN], velikosti rozvoru jeřábu R [mm] a použité konstrukční oceli S235 nebo S355. Z důvodu přehlednosti jsou spojnice hmotností nosníku JD pro jednotlivé rozvory jeřábu a konstrukční oceli nahrazeny polynomickou spojnicí trendu o stupni č. 3.

Bylo provedeno šetření a srovnáním využití průřezů na mezní stav únosnosti, použitelnosti a poškození únavou. Postup je ukázán na případech navržených HEA profilů pro rozpětí jeřábu J = 12,0 m a rozvor jeřábu R = 2 000 mm v grafu č. 2 pro konstrukční oceli S235 a S355.

Z průběhů využití znázorněných v grafu č. 2 bylo přesně odečteno, že pro rozvor R = 2 000 mm v případě použití konstrukční oceli S235 pro charakteristické hodnoty kolových
tlaků o velikosti do 47,0 kN rozhoduje při návrhu průřezu posouzení na 2. MS svislé deformace a pro charakteristické hodnoty kolových tlaků větší než 47,0 kN rozhoduje posouzení krajních vláken horní pásnice na 1. MS pro skupinu zatížení č. 5. Posouzení na poškození únavou nerozhoduje. V případě použití konstrukční oceli S355 pro charakteristické hodnoty kolových tlaků o velikosti do 42,0 kN rozhoduje při návrhu průřezu posouzení na 2. MS svislé deformace a pro charakteristické hodnoty kolových tlaků větší než 42,0 kN rozhoduje posouzení na poškození únavou materiálu. Posouzení na 1. MS nerozhoduje. Stejným způsobem bylo postupováno u dalších uvažovaných rozvorů jeřábu.

Získané výsledky umožnily sestavit graf rozhodujících posouzení (viz graf č. 3).

V grafu č. 4 je znázorněna úspora hmotnosti materiálu válcovaných průřezu typu HEA při použití konstrukční oceli S355 oproti konstrukční oceli S235 pro modul JD L = 6,0 m a rozpětí jeřábu J = 12,0 m v závislosti na charakteristické hodnotě kolového tlaku Q_r,max [kN] a velikosti rozvoru jeřábu R [mm].

ZÁVĚRY STUDIE
Studie prokázala, že použitím konstrukční oceli S355 při návrhu prostého nosníku JD může dojít v řadě případů k úspoře materiálu. Výsledky ukázaly, že úspora materiálu může být v rozsahu od 7,0 % do 24,6 % hmotnosti navrženého válcovaného profilu. Použití konstrukční oceli S355 při návrhu prostého nosníku JD je efektivní v případech, kdy rozhoduje posouzení na 1. MS a poškození na únavu a není efektivní v případech, kdy rozhoduje posouzení na 2. MS. Grafické zobrazení rozhodujících posouzení pro rozpětí jeřábu J12 bylo sestaveno v grafu č. 3 a znázorňuje, ve kterých případech lze úsporu materiálu očekávat.

Finanční vyhodnocení nebylo předmětem této studie, protože je závislé na mnoha ekonomických faktorech, obchodní situaci dodavatele resp. výrobce, i technických parametrech jeřábové dráhy jako je například délka jeřábové dráhy apod.

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] ČSN EN 1991-3 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 3: Zatížení od jeřábů a strojního vybavení, ČNI Praha, 2008.
[2] ČSN EN 1993-6 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 6: Jeřábové dráhy, ČNI Praha, 2008
[3] ČSN EN 1993 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí, ČNI Praha, 2006.
[4] E N 1993-1-9 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-9: Únava, ČNI Praha, 2006.
[5] Šmiřák, S.: Pružnost a plasticita I.; CERM, Brno, 1999.
[6] Fuchs,J., Rec,M., Šefl,E.: Statické hodnoty kovových válcovaných průřezů; SNTL, Praha, 1984.

The Study of Crane-way Girder Proposal, Based on Used Construction Steel
Typically, a static crane-way girder (JD) is solved as a simple girder hinged to another crane-way girder structure. The length of a simple girder depends on the distance between the pillars of JD girder and is called the crane way module. Section steel, particularly rolled steel sections of HEA and HEB profile, are nowadays preferred in designing JD girder profile. These profiles are typically supplied on the market from S235 construction steel as well as S355 steel. Gradual changes have appeared in the development of S235 and S355 material prices over the last years. The price difference between S235 construction steel and S355 construction steel is decreasing and many manufacturing and business factors affect it. Following such price development, a question arises whether and in which cases it would be effective to choose rolled sections for statically solved JD girders as simple girders from S235 construction steel and in which cases from S355 construction steel.

Autor

• Ing. Kočařová Jindřiška