Technické dodací podmínky kovových konstrukcí i dílců a provozní podmínky konstrukcí i dílců výrobků (zařízení)

Kovové konstrukce slouží svému účelu jako nenosné a nosné, nenamáhané a namáhané od vnějších sil a zatěžovacích momentů.

Rozdělujeme je podle účelu použití na strojní, stavební, energetické, dopravní a manipulační.

Konstrukce výrobků jsou v technické provozní praxi vystavovány různým vlivům namáhání, tj. silovému, koroznímu napětí, radiačnímu.

V technické praxi jsou kovové konstrukce výrobků vždy namáhány zatížením a to např. statickým, dynamickým, cyklickým, na únavu, termodynamickým, dilatačním, kavitačním, erozním, abrazním, adhezivním a vibračním způsobem namáhání.

Jejich konstrukční řešení musí být proto ověřeno vhodným výpočtem v souladu s jeho uvažovaným provozním namáháním. Před prováděním musí být ověřena jejich technologičnost.

Poškození konstrukcí a dílců může nastat opotřebením, korozí, otlačením, deformací, trhlinami a lomy, ev. ostatním poškozením, tj. radiací, přítomností bludných proudů, nesprávnou katodickou ochranou a podobně.

Prováděná kovová konstrukce musí být v průběhu výroby kontrolována v rozsahu požadavků na kvalitu, tj. na komplexní soubor očekávaných vlastností mechanických, fyzikálních, chemických.

Způsob časového namáhání konstrukcí výrobků se dělí na statické, cyklické, dynamické a creepové.

Provádění kovových konstrukcí se uskutečňuje podle platných technických výrobkových norem, ev. technicky určených norem nebo harmonizovaných norem, legislativně‑technických požadavků na řešení a provoz konstrukcí. Nejpoužívanějšími technickými normami pro konstrukce jsou ČSN EN 1090‑1,2 a 3, ČSN 73 2603, ČSN 73 2604 a EUROKÓDY. Tyto normy se aplikují do provádění různých druhů i typů výrobků a pro různé podmínky i oblasti provozu.

Důležitými částmi provádění konstrukcí jsou projektový návrh a specifikace, konstrukční i technologické řešení, kontrola a zkoušení, montáž dílenská a na místě určení (stavba, dílna, provoz).

Každá konstrukce se musí funkčně odzkoušet, ověřit provozním namáháním, diagnostikovat NDT metodami zkoušení, ev. tenzometrickým měřením verifikovat a po nutném komplexním zhodnocení validovat pro dané provozní podmínky na základě diagnostiky konstrukce nebo konstrukčního dílce výrobku nebo stavby.

Dokumentace ke konstrukci výrobku se dělí na projekční, konstrukční, výrobní, technologickou, kontrolní, zkušební, montážní, provozní a diagnostickou při provozu výrobku.

Cílem projektování je směřování k optimální konstrukci strojních a stavebních výrobků aj.

VLASTNOSTI OPTIMÁLNÍ KONSTRUKCE

• Žádný z prvků konstrukce se nesmí porušit před projektovanou životností konstrukce, ani při nejnepříznivějších přípustných zatíženích.
• Všechny části konstrukce (stroje, stavby, zařízení) musí dlouhodobě snášet provozní zatížení a plnit svoji funkci tak, aby neomezily správnou činnost částí ostatních.
• Hmotnost a cena prvků by měla být co nejmenší, ale v souladu s jejich funkcí a výrobní technologií.
• Musí být zajištěna možnost opravy nebo výměny součásti během celé fyzické životnosti konstrukce.
• Konstrukce jako celek musí být nejen provozně spolehlivá, ale také dostatečně efektivní, konkurenceschopná a výrobně rentabilní.

KONCEPCE MEZNÍCH STAVŮ (DÍLČÍCH SOUČINITELŮ) ZAHRNUJE KOMPLEX KRITÉRIÍ VE DVOU ZÁKLADNÍCH SKUPINÁCH
Mezní stavy únosnosti – Představují kritéria prokazující způsobilost prvků konstrukce přenášet nejnepříznivější přípustná zatížení po celou dobu požadované a předepsané životnosti s ohledem na jejich statickou pevnost, plastický stav a přizpůsobení, vzpěrnou pevnost a stabilitu polohy, křehký lom, nízkocyklovou a vysokocyklovou únavu, tečení (creep) u kovových materiálů za vysokých teplot cca nad 450 °C.

Mezní stavy funkční způsobilosti a použitelnosti – Prokazují dlouhodobou způsobilost při běžných provozních podmínkách a zatížení s ohledem na: dynamické odezvy konstrukce, odolnosti rázům a nežádoucím kmitáním, přípustná statická a dynamická přetvoření, estetická a psychologická kritéria.

Při komplexním návrhu konstrukce musí být splněna všechna kritéria obou rovnocenných skupin mezních stavů. 

Skutečný mezní stav je stav konkrétního prvku (prvků), při kterém skutečně vzniká porucha prvku.

Jmenovitý mezní stav je takový stav prvku, při kterém příslušný parametr prvku dosáhne mezní hodnoty stanovené technickými podmínkami (dokumentací).

Jedním z nejdůležitějších mezních stavů únosnosti je ve strojírenství únava materiálu. Asi 90 % provozních poruch částí strojů je způsobeno tímto jevem, když nebyl správně vyhodnocen v návrhu kovové konstrukce. Většina strojních dílů je namáhána napětím, které se periodicky mění. Jiné díly jsou namáhány napětím, které se nahodile mění kolem stálé hodnoty. U těchto jsou oblasti, místa na konstrukci zařízení, která jsou z hlediska únavy materiálu velmi exponovaná. Oblasti a místa se musí kontrolovat výpočtem a případně konstrukčně upravit, aby se únava materiálu v těchto oblastech minimalizovala. Znamená to v podstatě stanovit provozní životnost zařízení, konstrukce, dílce a na základě tohoto průběhu provést výpočet.

Únava materiálu podle Wöhlerovy křivky je ovlivněna součinitelem vlivu velikosti, časovou pevností v únavě, tvarovým součinitelem, součinitelem kvality povrchu, cyklem zatížení, kumulací únavového poškození apod. 

Dodatečné a v současné době velmi diskutované doložení – výpočtu „zbytkové životnosti zařízení (konstrukce, dílce)“ je v podstatě nereálné při neznalosti skutečného provozního života (historie) zařízení.

Porucha zařízení, konstrukce, dílce je ukončení schopnosti plnit požadovanou funkci.

Závada na zařízení, konstrukci, dílci je zhoršení schopnosti provozu, které ještě nezpůsobí poruchu.

Za úroveň provedení projekční dokumentace je odpovědný projektant autorizovaný SD – AO ČKAIT (technik, inženýr). Za úroveň provedení konstrukční (výrobní) dokumentace je dále odpovědný konstruktér (IWSD). Za úroveň technologické dokumentace je odpovědný výrobní technolog a rovněž také svářečský dozor. Za úroveň kontrolní a zkušební dokumentace je odpovědný manažer kvality, pracovník NDT level 2 a 3 a svářečský dozor (EWE, EWT, EWS). Za provedenou kvalitu výrobků je odpovědné oddělení (odbor, divize) řízení kvality firmy (výrobce, montážní firmy).

NAMÁHÁNÍ KONSTRUKCÍ A DÍLCŮ VÝROBKŮ (ZAŘÍZENÍ)
(Požadavky harmonizovaných a technicky určených výrobkových norem i informace z literatury)
Únosnost (nosnost) – je charakteristika materiálu, která vyjadřuje vzdor (kapacitu) daného objektu nebo předmětu (dílce, konstrukce, aj.) vůči působení daných vnějších účinků (sil, objemu, hmoty aj.). Dostatečná (postačující) únosnost udává, že vnější účinky jsou nižší, než únosnost. Opakem je nedostatečná únosnost, kterou lze označit i jako přetížení.

ZKOUŠKY MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ MATERIÁLŮ
Materiály jsou při používání v technické praxi vystaveny různému namáhání, např. tahem, tlakem, krutem, střihem, ohybem. Toto namáhání nepůsobí samostatně, ale v různých kombinacích. Aby materiál odolal těmto namáháním, musí mít určité vlastnosti, jako je pevnost, tvrdost, pružnost, tvárnost, houževnatost a jiné. Na mechanické vlastnosti má vliv i teplota. Při změnách teploty se mění krystalická struktura látky a tím pádem i vlastnosti dané látky. Mechanickými zkouškami získáme nutné informace pro navrhování tvaru, rozměrů a materiálů strojních součástí, stavebních dílců aj.

Z hlediska působení síly na zkušební těleso rozdělujeme mechanické zkoušky na:

Statické zkoušky – při těchto zatížení zvětšujeme poměrně zvolna. Působí obvykle minuty, při dlouhodobých zkouškách dny až roky. Jsou to zkoušky v tahu, tlaku, ohybu, krutu a střihu, které jsou základem mechanického zkoušení.

Dynamické zkoušky rázové a cyklické – při těchto působí síla nárazově po zlomek sekundy. Při cyklických zkouškách (tj. zkouškách na únavu materiálu), se poměrné zatížení opakuje i mnoha cykly za sekundu až mnoha miliónů jejich celkového počtu.

Zvláštní technické zkoušky – jejich údaje můžeme považovat za směrné (jsou prováděny jako simulace v reálném provozním prostředí). Z těchto zkoušek jsou nejdůležitější zkoušky tvrdosti a také zkoušky rázem v ohybu. Dělíme je na zkoušky za normálních teplot, vysokých teplot a nízkých teplot. Podle následků zkoušek rozeznáváme destruktivní (s porušením zkušebního tělesa) a nedestruktivní zkoušky (bez porušení zkušebního tělesa).

ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ
Mechanické vlastnosti materiálů – jsou pevnost, pružnost, tažnost, tvrdost, houževnatost a křehkost. Ty jsou důležité proto, aby materiál odolával namáháním tahem, tlakem, krutem, střihem a ohybem nebo jejich kombinacím.

Fyzikální vlastnosti materiálů – hustota, teplota tavení a tuhnutí, délková a objemová roztažnost, tepelná vodivost, elektrická vodivost, měrný elektrický odpor, supravodivost, magnetické vlastnosti.

Chemické vlastnosti materiálů – odolnost proti korozi, žárovzdornost, žáropevnost. Opotřebení a zničení součástí nastává v praxi nejen vlivy mechanickými, ale i vlivy chemickými.

Technologické vlastnosti materiálu – tvárnost, svařitelnost, obrobitelnost, slévatelnost, odolnost proti opotřebení.

PEVNOST – je to fyzikální vlastnost pevných látek (konstrukce, dílce), vyjadřující jejich odolnost vůči vnějším silám. Rozeznáváme – pevnost v tahu, pevnost v tlaku a pevnost ve smyku (ve střihu). Někdy se používají v závislosti na profilu materiálu – vzpěrná pevnost, torzní pevnost a pevnost v ohybu. Mez pevnosti je maximální hodnota normálového napětí vn, při které není ještě porušena celistvost materiálu při jeho namáhání např. v tahu. V případě prostorové napjatosti je mezní stav pevnosti vyjádřen tzv. mezní plochou pevnosti v prostoru hlavních napětí (vx, vy, vz).

PRUŽNOST – tj. elasticita nebo tuhost je část mechaniky, která studuje vztahy mezi deformacemi a vnějšími silami, které na toto těleso (konstrukci, dílec) působí. Řeší se, zda deformace tělesa nebo konstrukce nepřesáhla dovolenou hodnotu. Vnější síly působící na těleso mohou deformovat toto těleso. Při pružné deformaci je normálové napětí přímo úměrné relativnímu prodloužení. Pružnost lze rozdělit na matematickou teorii pružnosti, experimentální pružnost (analytické řešení), experimentální pružnost (ověření složitých výpočtů, stanovení materiálových charakteristik – modulu pružnosti v tahu a ve smyku) a mechanika kompozitních materiálů (zkoumání chování kompozitních materiálů na základě pevnosti i pružnosti). Pružné těleso (elastické) je takové těleso, které se působením vnější síly deformuje, ale pom odstranění této síly se vrací do původního tvaru a velikosti. Tělesa, která se po odstranění vnější síly nevrátí do původního tvaru, se označují jako nepružná (plastická) tělesa. Tuhé těleso je bráno jako těleso bez prokázání deformace po ukončení silového namáhání.

TAŽNOST – je změna tvaru např. při tahové zkoušce ve směru podélné osy zkušebního vzorku. Je to poměrné prodloužení vzorku vzhledem k původní délce vzorku před přetržením vzorku. Duktilita (tažnost) je materiálová vlastnost popisující schopnost plastického přetváření před dosažením meze pevnosti. Duktilita je definována jako schopnost konstrukce jako celku přenášet zatížení a pohlcovat energii v postelastickém stavu, pokud je vystavena cyklickým deformacím během zemětřesení. Duktilita je důležitý faktor při navrhování konstrukcí odolných proti účinkům zemětřesení.

TVRDOST – provádí se např. zkouška vnikací, která je nejpoužívanější zkouškou tvrdosti materiálu. Při této zkoušce zatlačujeme do zkušebního materiálu velmi tvrdé těleso (kulička, kužel, jehlan) a měřítkem tvrdosti je velikost vzniklého vtisku (plocha, hloubka nebo uhlopříčka). Je to např. zkouška Brinellova (kulička), zkouška Rockwellova (kulička nebo diamantový kužel), zkouška Vickersova (čtyřboký diamantový jehlan), zkouška vrypová např. zkouška podle Martense (kuželový diamantový hrot), zkouška odrazová Shorův skleroskop (odraz ocelového tělísky – výška odskoku tělíska – kuličky nebo diamantového hrotu).

HOUŽEVNATOST – je materiálová vlastnost, při níž jde o schopnost materiálu zůstat při ohýbání (tváření) a nárazech vcelku bez tvorby trhlin. Houževnaté jsou hlavně kovy, ale i všechny materiály, které obsahují v krystalové mřížce tzv. dislokace, tj. např. plasty. Dislokace samy o sobě způsobují pouze tvárnost. Legováním nebo tepelnou úpravou lze ztížit nebo usnadnit pohyb dislokací v krystalové mřížce, a tím ovlivnit pevnost a houževnatost. Materiály s ideální krystalovou mřížkou (bez dislokací) jsou křehké. Houževnaté materiály mají menší pevnost v tahu, ale tímto velkou schopnost absorbovat rázy a nárazy. Provádí se zkouška vrubové houževnatosti a zkouška rázem v ohybu (lomové houževnatosti). Zkoušky se používají pro zjištění odporu materiálu proti křehkému porušení za přítomnosti ostrého vrubu (trhliny).

KŘEHKOST – je materiálová vlastnost, při níž jde o neschopnost materiálu zůstat při ohýbání (tváření) a nárazech vcelku bez trhlin. Materiály bez dislokací v krystalové mřížce jsou křehké. Materiály nemají schopnost absorbovat rázy a nárazy.

Při provozu konstrukcí výrobků a zařízení nastává nebo může nastat stav:

DEFORMACE – tímto pojmem rozumíme změnu tvaru. Těleso (konstrukce, dílec) mění tvar v důsledku působení síly. rozeznáváme pružnou (elastickou) deformaci (těleso se po odstranění působící síly vrátí do původního tvaru) a nepružnou deformaci (tvar tělesa se po odstranění působící síly již nevrátí do původního tvaru). Deformační síly rozlišujeme jako tahové, tlakové, smykové, ohybové a torzní. Rozeznáváme deformaci rovinnou a prostorovou. U dílců a konstrukcí rozeznáváme deformaci podélnou, příčnou a úhlovou.

MECHANICKÉ NAPĚTÍ – je stav, který vznikne v tělese (konstrukci, dílci), pokud na něj působí účinky sil. Napětí je míra vnitřního rozložení sil na jednotku plochy tělesa, způsobeného vnějším silovým zatížením (skutečným nebo reakčním). Mechanické napětí je fyzikální veličina, pomocí které je stav silového namáhání těles popisován. Rozeznáváme tenzor napětí, jednoduché stavy napjatosti – napětí při osovém tahu, napětí při osovém tlaku, napětí při střihu, napětí při ohybu a napětí při kroucení). Mechanické napětí je tenzor druhého řádu. Mechanické napětí je normálové (kolmé) a tangenciální (tečné).

VNĚJŠÍ SÍLA – v pružnosti označujeme tímto pojmem veškeré síly působící na těleso (konstrukci, dílec), které mají původ mimo těleso. Mezi vnější síly počítáme také i tíhovou sílu způsobenou vlastní hmotností tělesa. Vnější síly rozlišujeme na povrchové (ojedinělé a spojité) a objemové (vlastní tíha tělesa). Z hlediska časového můžeme těleso nebo konstrukci zatížit staticky (síly jsou konstantní v čase nebo se velmi pomalu mění) nebo zatížit cyklicky (síly se v čase mění periodicky) nebo zatížit rázově (velmi velká síla působí na těleso velmi krátký čas v mikrosekundách až milisekundách).

VNITŘNÍ SÍLA – vlivem vnějších sil se těleso (konstrukce, dílec) deformuje a rovněž v něm vzniknou vnitřní síly, které odporují vnějším silám. Vnitřní síly dělíme na normálové a tečné.

DISCIPLÍNY PRO OVĚŘOVÁNÍ STABILITY, BEZPEČNOSTI, SPOLEHLIVOSTI A ŽIVOTNOSTI KONSTRUKCÍ VÝROBKŮ I ZAŘÍZENÍ
MECHANIKA – je obor fyziky, který se zabývá mechanickým pohybem, tedy přemísťováním těles v prostoru a čase i změnami velikosti a tvaru těles. Mezi nejčastější veličiny v mechanice patří poloha, rychlost, zrychlení, síla, energie a hybnost. Podle vztahu k příčinám pohybu se dělí na kinematiku a dynamiku. Podle působení sil na tělesa různého skupenství se dělí na mechaniku tuhého tělesa, hydromechaniku a aerodynamiku. Podle způsobu aproximace (nahrazení) reálného tělesa je možné mechaniku dělit na mechaniku hmotného bodu, mechaniku soustavy hmotných bodů a mechaniku kontinua. Mechanika těles zkoumá vlastnosti a pohyb těles v prostoru a také změnami jejich velikostí a tvarů. Vlastnosti tělesa jsou určovány podmínkami kladenými na vazby mezi jednotlivými hmotnými body soustavy popisující těleso. Podle těchto vazeb lze mechaniku dělit na mechaniku tuhého tělesa (vazby v soustavě hmotných bodů jsou dokonale tuhé, tuhá tělesa nejsou deformovatelná), dále na mechaniku pružného tělesa (vazby nejsou dokonale tuhé, avšak jsou dostatečně tuhé, aby nedocházelo k tečení, využití pro pevnost a pružnost těles), dále na mechaniku tekutin (kapalin a plynů), které jsou deformovatelné – vyznačují se pohybem tzv. tečením, a která se dělí dle rozdílu mezi kapalinami a plyny na hydromechaniku (vyznačuje se malou stlačitelností, tj. objemovou stálostí kapalin) a aerodynamiku (vyznačuje se stlačitelností plynů, a že vždy vyplňují celý prostor, kde se nachází). Podle použitých fyzikálních principů na nichž jsou vystaveny postupy lze mechaniku dělit na klasickou (Newtonovu, nerelativistickou) mechaniku (založena na Newtonových pohybových zákonech, zabývá se pomalu se pohybujícími, ve srovnání s rychlostí světla), makroskopickými tělesy, dále na relativistickou mechaniku (založenou na teorii relativity, tj. na Einsteinových postulátech, zabývá se rychle se pohybujícími (rychlost pohybu je srovnatelná s rychlostí světla) makroskopických těles, dále na kvantovou mechaniku (založena na principech kvantové teorie, zabývá se mikroskopickými tělesy, obvykle se dělí na relativistickou a nerelativistickou podle toho, zda se zabývá pomalu nebo rychle se pohybujícími částicemi).

STATIKA – je částí mechaniky, která se zabývá hmotnými tělesy nacházejícími se v relativním klidu k určité vztažné soustavě, dále silami, které mezi těmito tělesy působí a rovnováhou celého systému. Statika je teoretická nebo aplikovaná. Teoretická statika zkoumá všeobecně platné zákony relativního klidu bez možnosti na praktické využití. Statiku lze obecně dělit podle skupenství zkoumaných objektů a to na statiku pevných těles, statiku kapalin (hydrostatiku) a statiku plynů (aerostatiku). Statika pracuje se základními pojmy jako jsou prostor,síla, moment, vektor, rovnováha, stabilita, moment setrvačnosti, soustava sil a další. Aplikovaná statika řeší praktické technické problémy mnoha oborů lidské činnosti. Využívá k tomu poznatků a závěrů teoretické statiky, podpořených výsledky experimentálních výzkumů. největší uplatnění nalezla ve stavebnictví a architektuře. Statika stavebních konstrukcí se využívá při návrhu všech namáhaných, zejména stavebních a strojních konstrukcí a jejich částí (dílů). Pro navrhování staveb se zvýšenými nároky na statiku a dynamiku, jako jsou mosty, lávky, inženýrské konstrukce, nádrže, vysoké komíny apod.

DYNAMIKA – na rozdíl od statiky bere do úvahy navíc také pohyb hmotného tělesa, tedy působení setrvačných a tlumících sil. Zabývá se příčinami pohybu hmotných objektů (bodů, těles, soustav těles). Zabývá se tedy také veličinami spojenými s dynamikou pohybu, jako je hybnost a energie. Jedním ze základních cílů dynamiky je určit pohyb hmotného bodu (případně tělesa nebo těles), známe‑li síly na hmotný bod (těleso nebo tělesa) působící. Jde tedy o určení polohy a rychlosti hmotného bodu (tělesa nebo těles) v daném čase. Speciálním případem dynamiky je statika, která se zabývá vyšetřováním rovnováhy sil.

KINEMATIKA – je část mechaniky, která se zabývá klasifikací a popisem různých druhů pohybu a je součástí dynamiky, ale studuje pohyb tělesa pouze z geometrického a časového hlediska, bez zkoumání jeho příčin. Zaměřuje se tedy na sledování polohy, rychlosti apod. Nesleduje však dynamické veličiny jako jsou hybnost a energie. Tyto patří do dynamiky.

TERMODYNAMIKA – je věda o energii a řeší podmínky vzájemných přeměn tepelné a mechanické energie. Energie je schopnost tělesa konat práci. Například konáním práce se energie mění z jednoho druhu na jiný druh, ale celkové množství energie zůstává stejné. Termodynamické zákony se vztahují na všechny přeměny energií. Termodynamika nám říká, zda reakce proběhne, za jakých podmínek proběhne, kolik energie bude potřeba dodat nebo kolik energie reakce poskytne, kolik z poskytnuté energie můžeme přeměnit na práci. Ovšem neřekne nám, za jakou dobu reakce proběhne a za jakých podmínek se ustaví rovnováha. První zákon termodynamiky – je obecná formulace zákona o zachování energie, v uzavřeném izolovaném systému se celkový energetický obsah nemění, energie nevzniká a ni nezaniká, pouze mění svou podobu. teplo nepřechází ze studenějšího tělesa na teplejší těleso. Energie se během všech přeměn oslabuje, ztrácí svoji kvalitu a změny probíhají v čase směrem k rovnovážnému stavu, což přináší nárůst entropie (S). Druhý zákon termodynamiky (zákon o vzrůstu entropie) – podle něj se mechanická energie přeměňuje na teplo, ale opačně to neplatí. Pokaždé, když něco děláme, se část energie, kterou vynakládáme, ztrácí ve formě tepla. Třetí zákon termodynamiky – entropie je stavovou veličinou, její změna závisí pouze na počátečním a konečném stavu. Při všech přeměnách dochází ke ztrátám a k postupné degradaci energie a nárůstu entropie (S). Degradaci lze chápat jako ubývání schopnosti konat práci. Na základě těchto ztrát, při přeměně vázané energie v použitelnou a pak rozptýlenou energii, se uvolňuje teplo a další emise, které řád v ekosféře mění na chaos a v konečném důsledku v tepelnou smrt. Při teplotě absolutní nuly T = 0 K (–273,15 °C) nabývá entropie (S) pro všechny termodynamické systémy téže hodnoty, kterou je možno položit rovnu nule, žádné volné elektrony, žádný pohyb a žádný chaos. Absolutní nulová teplota je mezní teplotou, k níž se můžeme velmi těsně přiblížit, ale nemůžeme ji dosáhnout. Entropie (S) je tedy mimo jiné definována jako míra neuspořádanosti systému a je možné na ni pohlížet a měřit ji jako chaos, dezorganizaci systému. Entalpie je pak vnitřní energie, která vyjadřuje energii uloženou v termodynamickém systému za daného tlaku, objemu a teploty a udává se v Joulech. Entalpie je extenzivní termodynamická veličina, závislá na velikosti systému. Vztahuje se na dohodnutý (standardní) stav, kterému odpovídá teplota 25 °C a tlak 101,325 kPa. Změna entalpie odpovídá teplu dodanému do systému.

KRITICKÉ STAVY KONSTRUKCÍ VÝROBKŮ A ZAŘÍZENÍ PŘI PROVOZU
MEZNÍ STAVY – rozlišuje se mezní stav únosnosti a použitelnosti.

Mezní stavy únosnosti: pevnost, vzpěrná pevnost, pevnost na únavu, křehký lom, stabilita polohy.

Mezní stavby použitelnosti: deformace pružná, trvalá a celková, kmitání i estetika.

ZÁKLADNÍ MECHANICKÉ A FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLU (OCELI):

• modul pružnosti v tahu nebo tlaku E = 210 000 MPa
• modul pružnosti ve smyku G = 81 000 MPa
• součinitel příčné deformace μ = 0,3
• součinitel délkové roztažnosti α = 12.10⁶ K^–1
• měrná hmotnost ρ = 7 850 kg.m³

NAVRHOVÁNÍ KOVOVÝCH KONSTRUKCÍ I DÍLCŮ VÝROBKŮ A ZAŘÍZENÍ
Ocelová konstrukce musí být navržena tak, aby spolehlivě a bezpečně plnila svůj účel (funkci) po dobu své životnosti při minimálních vynaložených nákladech. V současné době se spolehlivost konstrukce zajišťuje pravděpodobnostním postupem I. úrovně, který je založen na metodě mezních stavů s použitím dílčích součinitelů spolehlivosti. Přitom se prokazuje, že žádný mezní stav není překročen. V metodě mezních stavů se pracuje s navrhovanými hodnotami zatížení a únosnosti. Zatížení konstrukce je náhodně proměnnou veličinou a lze ji popsat Gaussovou křivkou normálního rozdělení pravděpodobnosti. Pracuje se tak s největší a nejmenší návrhovou hodnotou zatížení vynásobenou dílčím součinitelem zatížení. Návrhové hodnoty jsou extrémní, které jsou dosaženy s určitou pravděpodobností. Pravděpodobnost se určí v závislosti na požadovaném indexu spolehlivosti a na návrhové životnosti konstrukce. Dílčí součinitel zahrnuje i nepřesnost modelu zatížení a nejistotu v definici mezního stavu a může být větší nebo menší než 1. Únosnost konstrukce je rovněž nahodile proměnnou veličinou a lze ji popsat také Gaussovou křivkou normálního rozdělení pravděpodobnosti a závisí na dílčím součiniteli spolehlivosti materiálu, jehož velikost se stanoví z požadované spolehlivosti a životnosti konstrukce. Návrhovou únosnost konstrukce lze určit z charakteristické únosnosti a součinitele spolehlivosti materiálu.

Mezní stavy ocelové konstrukce se navrhují podle metody mezních stavů. V mezním stavu únosnosti se pracuje s extrémními hodnotami a v mezním stavu použitelnosti s provozními hodnotami. Rozdíl mezi extrémními a provozními hodnotami je ve velikosti dílčích součinitelů spolehlivosti materiálu, a to jak pro zatížení, tak pro únosnost konstrukce. V mezních stavech únosnosti se prokazuje, že maximální (extrémní) návrhový účinek zatížení je menší, než minimální návrhová únosnost konstrukce. v mezních stavech únosnosti počítáme vždy s extrémním zatížením větším, tj. součinitel spolehlivosti konstrukce je větší než 1 a s minimální únosností konstrukce, tj. součinitel spolehlivosti materiálu je větší než 1.

V mezním stavu použitelnosti prokazujeme, že konstrukce bude v provozu dobře plnit svoji funkci. Zpravidla stačí prokázat, že deformace konstrukce nepřevyšují mezní hodnoty. Méně častým kritériem je např. vlastní tvar a frekvence kmitání. mezní stavy jsou dány podmínkami provozu, estetickými nebo provozními hledisky. V mezních
stavech použitelnosti počítáme vždy s provozními hodnotami zatížení, tj. součinitelem spolehlivosti konstrukce větším než 1 a s nominální únosností konstrukce, tj. součinitelem spolehlivosti materiálu větším než 1. abychom mohli navrhovat jakoukoli konstrukci, pak musíme znát její zatížení a typ dané konstrukce.

Cílem projektování strojních a stavebních konstrukcí je navrhování optimálních konstrukcí.

Vlastnosti optimální konstrukce:

• žádný z prvků konstrukce se nesmí porušit před projektovou životností konstrukce
• a to ani nejnepříznivějších přípustných zatíženích,
• všechny části konstrukce (stavby, stroje, zařízení) musí dlouhodobě snášet provozní zatížení a plnit svoji funkci tak, aby neomezily správnou činnost částí ostatních,
• hmotnost a cena prvků (dílů) by měla být co nejmenší, ale v souladu s jejich funkcí
• a výrobní technologií,
• musí být zajištěna možnost opravy či výměny součástí během celé fyzické životnosti konstrukce,
• zatížení jako celek musí být nejen provozně spolehlivé, ale také dostatečně efektivní, konkurenceschopné a výrobně rentabilní.

Koncepce mezních stavů (dílčích součinitelů) zahrnuje komplex kritérií ve dvou základních skupinách:

1. skupina – mezní stavy únosnosti – představuje kritéria prokazující způsobilost prvků konstrukce přenášet nejnepříznivější přípustná zatížení po celou dobu požadované životnosti s ohledem na jejich:

• statickou pevnost
• plastický stav a přizpůsobení
• vzpěrnou pevnost a stabilitu polohy
• křehký lom
• nízkocyklovou a vysokocyklovou únavu
• tečení (creep) – kovové materiály za vysokých teplot

2. skupina – mezní stavy funkční způsobilosti a použitelnosti – prokazuje dlouhodobou způsobilost při běžných provozních podmínkách a zatížení s ohledem na:

• dynamické odezvy konstrukce
• odolnosti rázům a nežádoucím kmitáním
• přípustná statická a dynamická přetvoření
• estetická a psychologická kritéria

Při komplexní návrhu musí být splněna všechna kritéria obou rovnocenných skupin mezních stavů. Jedním z nejdůležitějších mezních stavů únosnosti je ve strojírenství únava materiálu. Až 90 % provozních poruch částí strojů je způsobeno tímto jevem, když nebyl správně hodnocen při návrhu konstrukce (dílce).

ÚNAVA MATERIÁLU – mezním stavem únavy materiálu je definován stav, kdy v důsledku časově proměnných dynamických zatížení dojde k poruše funkční způsobilosti prvku dané konstrukce. Charakteristické je to, že maximální velikost kmitavého zatížení je mnohem nižší, než činí statická pevnost daného dílu konstrukce. Při únavě materiálu dochází při kmitavém, tj. cyklickém namáhání (např. ohyb – krut, ohyb – tah, tah – tlak, ohyb za rotace aj.) k danému porušování materiálu při zatíženích, která jsou mnohem nižší, než zatížení při statické poruše. Střídavé napětí může být pak nepatrně nižší, než statické napětí, které způsobuje porušení a stačí jen několik cyklů zatížení do lomu. Při snížení amplitudy střídavého napětí se pak zvýší počet cyklů zatížení potřebných do lomu. Při poklesu hladiny střídavého napětí na 1/4 nebo 1/3 maximálního statického napětí, pak materiál může vydržet provozní namáhání bez porušení lomem. Toto mezní napětí se nazývá mez únavy materiálu. Závislost počtu cyklů během životnosti a amplitudy střídavých napětí je dána Wöhlerovou křivkou. V mnoha případech musí také materiál odolávat střídavému napětí superponovanému na konstantní napětí, ne jenom střídání tahu a tlaku. Často je konstantní napětí v části konstrukce určeno provozním zatížením, kdežto střídavá složka vzniká vlivem nežádoucího kmitání. V případech, kdy nízká hmotnost a malé rozměry jsou důležité při návrhu součásti, ležela střední hladina napětí v součásti (dílu) co nejblíže statické pevnosti. Proto je nutné snížit střídavou složku napětí vlivem kmitání na nejmenší možnou hodnotu.

Ačkoli porucha únavou materiálu může nastat náhle, nepřichází v technické praxi bez varování. U součástí, u nichž dojde k únavové poruše, jsou pozorovatelné na povrchu součásti tenké trhliny (praskliny).

Wöhler zformuloval empirické závěry, které mají nadále platnost:

• pro lom součásti (dílu), který vznikne v důsledku opakovaného zatížení, je rozhodující počet změn zatížení (cyklů) a nikoli délka provozu,
• poškození materiálu závisí na rozdílu maximálního a minimálního napětí a to v nebezpečném místě dílu (součásti) – průřezu, absolutní napětí má až druhořadý vliv,
• výsledky zkoušek lze znázornit křivkami v souřadnicích napětí – počet kmitů (cyklů), tj. Wöhlerova křivka,
• z experimentálních výsledků lze stanovit takové mezní napětí, pod nímž k únavovým lomům již nedochází (definuje se mez únavy),
• geometrické vruby snižují únavovou pevnost o hodnotu závislou na tvaru vrubu a druhu materiálu.

TEČENÍ (CREEP) – tečení (creep) materiálu je tendence tuhého tělesa k pomalému neustálému pohybu molekul a deformací tělesa pod vlivem zatížení. Tečení nastává u všech materiálů, které jsou dlouhodobě zatíženy, a to i pod mezí kluzu nebo pevnosti materiálů. Nejvíce se však projevuje u součástí, které jsou za provozu vystaveny vysokým teplotám, tj. asi při 1/3 až 4/7 teploty tavení (Tt) kovových materiálů nebo jsou blízko bodu teploty tavení. Rychlost tečení (creepové deformace) je funkcí materiálových vlastností, času, teploty a zatížení. Záleží na však na velikosti zatížení a jeho trvání. Vlivem velmi vysoké teploty a zatížení může být creepová deformace tak vysoká, že se v součásti během krátké doby iniciuje trhlina a dojde k jejímu lomu.

Stádia creepu jsou:

• Primární creeep – obvykle je menší než 1% elastického přetvoření.
• Sekundární creep (ustálený) – tato část bývá z pravidla nejdelší v celém průběhu tečení (záleží však na velikosti teploty a napětí) a rychlost tečení je zde konstantní (konstantní směrnice funkce).
• Terciální creep – přetvoření je již tak velké, že způsobí zúžení nosné části, navýšení napětí a velmi rychlé tečení materiálu. Lom nastává po velmi krátkém čase.

U součástí vystavených za provozu vysokým teplotám a zatížením se může velmi významně projevit tečení materiálů (creep). Tento efekt by se měl uvažovat již v samotném návrhu a předejít tak mnohým problémům (poruchám, haváriím), které by se mohly za provozu zařízení vyskytnout. Tento jev se vyskytuje např. u vodotrubných kotlů, procesního potrubí a nádob, tj. u tlakových zařízení (PED 97/23/EC).

DRUHY A TYPY NAMÁHÁNÍ KONSTRUKCÍ VÝROBKŮ A ZAŘÍZENÍ

• Statické namáhání – zařízení, výrobek nebo konstrukce má absolvováno do 1 000 (103) provozních zatěžovacích – pracovních cyklů (mechanických, teplotních, tlakových, napěťových aj.) za dobu životnosti.
• Cyklické namáhání – zařízení, výrobek nebo jeho konstrukce má absolvováno nad 1 000 (103) do 100 000 (105) provozních – pracovních cyklů za dobu životnosti.
• Namáhání na únavu – zařízení, výrobek nebo konstrukce má absolvováno nad 100 000 (105) provozních – pracovních cyklů za dobu životnosti. Únava se projevuje mezním stavem materiálu, ke které dochází na základě časově proměnných dynamických zatížení a projeví se poruchou funkční způsobilosti prvku dané konstrukce, výrobku nebo zařízení.
• Namáhání hydrostatickým zatížením – namáhání nádrží a nádob tlakem média (kapalného, plynného, sypkého) na konstrukci výrobku (dojde např. k vyboulení stěny nebo porušení celistvosti stěny výrobku aj.).
• Namáhání hydrodynamickým zatížením – namáhání nádrží a nádob proměnným vnitřním tlakem média (kapalného, sypkého, plynného) na konstrukci výrobku (dojde např. k vyboulení nebo porušení celistvosti stěny výrobku).
• Namáhání teplotně‑únavovým zatížením – kombinované zatížení za působení teploty a vnitřních i vnějších sil na konstrukci výrobku (dojde např. k mechanickému porušení celistvosti stěny výrobku). 
• Namáhání korozním zatížením – zatížení korozí v materiálu konstrukce výrobku (ve vzdušné atmosféře, v pracovním médiu). Dojde např. k prorezavění stěny výrobku.
• Namáhání korozně‑napěťovým zatížením – současné zatížení korozí a mechanickým napětím ve stěnách výrobků. Dojde k prorezavění stěny výrobku.
• Namáhání abrazivním zatížením – třením pevných, sypkých látek (materiálů) unášených (dopravovaných) vlastní tíhou např. v potrubí, žlabech, v dopravnících apod. Dojde k porušení celistvosti stěny výrobku.
• Namáhání erozivním zatížením – třením pevných nebo sypkých látek (materiálů) unášených (dopravovaných) v kapalném nebo plynném pracovním médiu (prostředí). Dojde k porušení celistvosti stěny výrobku.
• Namáhání vibračním zatížením – vibrace generuje zařízení (stroj) při svém provozu. Tím vzniká zatížení konstrukcí a dílců zařízení kmitáním, např. od rotačního stroje. Kmitání vzniká nevyvážeností stroje, nesouosostí rotační části, mechanickým uvolněním dané části stroje, nevhodnou tolerancí uložení rotační části, rezonancí stroje aj. Je proto nutné provádět vibrodiagnostiku, aby vzniklé kmitání nezpůsobilo porušení dílce nebo konstrukce stroje, ev. jeho havárii nebo havárii celého zařízení.
• Namáhání kavitačním zatížením – namáhání lopatek vodních turbin explozí blízkých vzdušných bublin v provozním médiu (kapalině). Dojde k porušení stěny lopatky vlivem vzniku trhlin, ev. k destrukci stěny lopatky nebo turbiny.
• Namáhání radiačním zatížením – degradací vlastností materiálu výrobku umístěného (pracujícího) v prostředí radioaktivního záření. Dojde k bodovým defektům v materiálu a k rozrušení materiálu, může dojít až ke zkřehnutí a nabobtnání materiálu jaderného zařízení, tj. k poruše nebo havárii jaderného zařízení.

Všechna nepřípustná zatížení a namáhání mohou vést až k poruše nebo havárii výrobku (zařízení).

Proto u každého výrobku (zařízení) musí být zajištěna technická bezpečnost provozu a stanovena kritéria rizik výrobcem (projektantem, konstruktérem) v návodu na provoz.

K bezpečnému provozu výrobku je důležité stanovit v návodu na provoz, údržbu a kontrolu rozsah, četnost i druh kontrol a zkoušek po dobu celkové předpokládané životnosti výrobku (zařízení). Životnost stanovuje výrobce (projektant, konstruktér) v návodu na provoz a údržbu výrobku (zařízení).

Technical Delivery Terms of Metal Structures and Components and Operating Conditions of Structures and Components of Products (Devices)
Technical delivery conditions for metal constructions of products are based on the requirements for the technical safety, performance, durability, reliability and the strength, mechanical stability, the required fire resistance and ecology of operation, i.e. the non‑violation of environmental rules and principles during their operation.

Autoři

• Ing. Kudělka Vladimír
• Ing. Opletal Jan
• Ing. Balej Zdeněk