Komputeryzacja a problemy normalizacji w projektowaniu stalowych ustrojów nośnych suwnic pomostowych.

Transkrypt

1 Artur Blum Zbigniew Rudnicki Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Komputeryzacja a problemy normalizacji w projektowaniu stalowych ustrojów nośnych suwnic pomostowych. Streszczenie W artykule przedstawiono aktualny stan i tendencje przepisów normalizacyjnych w dziedzinie projektowania konstrukcji dźwignicowych a w szczególności stalowych ustrojów nośnych suwnic pomostowych. Autorzy zajmując się od wielu lat obliczeniami wytrzymałościowymi suwnic i ich komputeryzacją, śledzą ze znacznym niepokojem sytuację wytworzoną ostatnio w zakresie przepisów normalizujących te obliczenia i pozwalają sobie na przedstawienie pewnych sugestii mogących doprowadzić do jej poprawy. W zakresie komputeryzacji obliczeń wytrzymałościowych mostów suwnicowych autorzy prezentują opracowany program komputerowy oparty na obowiązujących polskich normach dźwignicowych. Wprowadzenie Trwałość i niezawodność projektowanych i wytwarzanych suwnic jest niezwykle istotna zarówno ze względu na ciężkie warunki ich pracy jak i wymagane bezpieczeństwo. Wytwarzane w Polsce od kilkudziesięciu lat mosty suwnicowe były i są projektowane według obowiązujących polskich norm państwowych. Ośrodkiem wiodącym w przygotowaniu i opracowaniu przepisów normowych był i jest Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Dźwignic i Urządzeń Transportowych "DETRANS" (dawniej CBKM) w Bytomiu. Należy podkreślić, że autorzy norm wykorzystywali przy ich opracowaniu (w bardzo istotnym stopniu) doświadczenie ośrodków europejskich w dziedzinie normowych zaleceń projektowych dotyczących dźwignic [11], [12], [13]. W rezultacie wieloletniej pracy uzyskano kompleksowy, bardzo funkcjonalny zestaw norm dźwignicowych, składający się z komplementarnych norm przedmiotowych w konsekwentny i spójny sposób prowadzących do projektu mostu suwnicowego. Zestaw otwierają normy związane z podziałem i symbolami klasyfikacyjnymi, pojęciami podstawowymi, terminologią oraz parametrami podstawowymi [4], [5], [6]. Następna norma określa podział na grupy natężenia pracy dźwignicy [7]. Kolejna norma daje wytyczne niezwykle istotne dla procesu projektowego jakimi są normowe obciążenia w obliczeniach ustrojów nośnych dźwignic [8]. Na bazie tych norm oparta jest norma podstawowa obejmująca ogólne zasady projektowania stalowych ustrojów nośnych [1], [2], [3]. Jak wynika z cytowanej literatury norma ta w miarę upływu czasu była weryfikowana i doskonalona w oparciu o uzyskiwane doświadczenia projektowe i eksploatacyjne. Zamknięciem omawianego kompleksu normowego były ściśle związane z procesem projektowym normy dotyczące obliczania złącz spawanych, nitowych i śrubowych w stalowych ustrojach dźwignic [9], [10].

2 Podstawowymi warunkami wymiarowania w oparciu o przedstawione normy jest zasada, że: ustrój nośny dźwignicy lub poszczególne jego elementy przestają spełniać zadania do jakich zostały przeznaczone jeżeli przekroczony zostanie choć jeden z następujących stanów granicznych: I stan graniczny - ujawniający się przez zniszczenie najbardziej wytężonego przekroju na skutek przekroczenia granicy wytrzymałości materiału, ujawnienie się odkształceń trwałych spowodowanych przekroczeniem granicy plastyczności materiału, utratą stateczności ogólnej i lokalnej na skutek przekroczenia naprężeń krytycznych materiału. Nie przekroczenie tego stanu zapewnione jest przez spełnienie warunku wytrzymałości. II stan graniczny - powstanie pęknięć lub uszkodzeń zmęczeniowych. Uniknięcie tego stanu zapewniane jest przez spełnienie warunku trwałości zmęczeniowej. III stan graniczny - ujawniający się nadmiernymi przemieszczeniami lub drganiami uniemożliwiającymi normalną eksploatację dźwignicy i szkodliwie oddziałowujący na organizm suwnicowego. Nie przekroczenie tego stanu zapewnia się przez spełnienie warunku sztywności. W oparciu o powyższe kryteria normowe zostało zaprojektowanych i wykonanych kilkanaście tysięcy mostów suwnicowych pracujących zarówno w polskich zakładach przemysłowych jak i w krajach, które importowały polskie dźwignice. Bardzo istotna jest dla projektantów suwnic komputeryzacja żmudnego, długotrwałego i podatnego na błędy procesu obliczeń wytrzymałościowych ale podobnie jak tradycyjne obliczenia w dużej mierze zależy ona od aktualnej sytuacji w zakresie norm Komputeryzacja obliczeń wytrzymałościowych Obliczenia wytrzymałościowe suwnic prowadzone bez użycia komputerów są - jak wspomniano - żmudne i długotrwałe. Komputeryzacja tych obliczeń przyspiesza i ułatwia pracę projektanta jak również pozwala na przeliczanie wielu wariantów projektowych a więc wprowadza elementy optymalizacji. Autorzy przedstawiają poniżej komputerowy program [14, 15, 18] obliczeń wytrzymałościowych skrzynkowych spawanych mostów suwnic pomostowych - nazwany akronimem BGR-OS - od nazwisk autorów: Artur Blum, Maciej Gallos(*), Zbigniew Rudnicki, oraz słów "obliczenia suwnicy". Program ten opracowano w ramach projektu celowego [15], który otrzymał w roku 1999 nagrodę Premiera RP za wybitne osiągnięcia naukowotechniczne Program BGR-OS jest oparty na cytowanych polskich normach i przetestowany w obliczeniach wielu suwnic. *) Doc. dr inż. Maciej Gallos - pracownik OBRDiUT "Detrans" w Bytomiu - twórca lub współtwórca m.in. norm obliczeń wytrzymałościowych dźwignic. Przeznaczenie i zakres obliczeń Program BGR-OS przeznaczony jest do wykonywania obliczeń wytrzymałościowych mostów suwnic pomostowych dwubelkowych o udźwigu do 100 ton: - hakowych ogólnego przeznaczenia, - lejniczych, - chwytakowych, - magnesowych.

3 Uwzględniono suwnice z centralnymi lub indywidualnymi mechanizmami jazdy na 4 lub 8 kołach jezdnych. Ustroje nośne mostów, tj. dźwigary główne i czołownice muszą być konstrukcjami skrzynkowymi, spawanymi. Realizowane przez program obliczenia umożliwiają sprawdzenie wytrzymałości i trwałości najbardziej wytężonych elementów ustroju nośnego mostu, tj. dźwigara głównego po stronie mechanizmu jazdy oraz czołownicy. Obliczenia wykonywane są dla trzech przekrojów pokazanych na rysunku 1. W dźwigarze głównym po stronie mechanizmu jazdy jest to przekrój (1) środkowy, oraz przekrój (2) przy czołownicy, natomiast w czołownicy jest to przekrój (3) połączenia czołownicy z dźwigarem po stronie mechanizmu jazdy. W każdym przekroju uwzględniono 10 punktów. Program oblicza też ugięcie dźwigara głównego po stronie mechanizmu jazdy wywołane ciężarem własnym oraz ciężarem wózka i siłą udźwigu. Sprawdzane są także warunki wytrzymałościowe <- Rys. 1. Cechy użytkowe Działanie programu jest możliwe zarówno w systemie MS-DOS jak i MS- Windows tak w wersji 3.xx jak i Windows'95 lub nowszych. W związku ze znaczną liczbą zarówno danych wejściowych (74) jak i obliczeń oraz wyników, dla ułatwienia obsługi podzielono proces obliczeń na 22 etapy (patrz: Tabela 1) i każdemu z nich odpowiada osobny rozdział w wydrukowanym wynikowym protokole z pracy programu BGR-OS. Tabela 1 Etap Działania 1 Podaje informacje: przeznaczenie programu i zakres prowadzonych obliczeń oraz symbole norm według których te obliczenia są prowadzone. 2 Wprowadzenie danych charakterystycznych suwnicy (dane identyfikacyjne, rodzaj, udźwigi, prędkości, liczba kół, podstawowe wymiary...). 3 Charakterystyka geometryczna i materiałowa mostu 4 Charakterystyki geometryczne przekrojów skrzynkowych. 5-7 Wyznaczenie współrzędnych punktów dla których prowadzone są obliczenia oraz wartości obliczonych momentów statycznych, wskaźników wytrzymałości i innych parametrów. 8-9 Wprowadzenie danych dotyczących mas 10 Wyznaczenie obciążeń mostu suwnicy 11 Wyznaczenie nacisków na koła i sił od ruchów torowych Wyznaczenie sił wewnętrznych w trzech przekrojach Wyznaczenie naprężeń i sprawdzenie warunków wytrzymałości 21 Wyznaczenie współczynników asymetrii oraz parametrów wytrzymałości zmęczeniowej 22 Wyznaczenie ugięć dźwigara Po jednorazowym przejściu przez wszystkie etapy można cofać się do dowolnie wybranych poprzednich etapów w celu ewentualnego modyfikowania w nich danych i powtórnego wykonywania obliczeń, bez konieczności wpisywania od nowa wszystkich danych. Obsługa programu polega na wybieraniu operacji z menu i wprowadzaniu nowych danych lub wykorzystaniu wbudowanych w program danych przykładowych, które można modyfikować. Dzięki danym przykładowym użytkownik może prześledzić działanie programu co - oprócz studiowania

4 dokumentacji - jest dobrym sposobem na zapoznanie się z działaniem programu i kategoriami danych wymaganymi do obliczeń. Dla uniknięcia konieczności wielokrotnego wprowadzania tych samych danych umożliwiono zapamiętywanie zestawów danych w plikach dyskowych. Przy kolejnych uruchomieniach programu można odtwarzać wybrany plik danych i użyć go bez zmian lub ewentualnie modyfikować dowolnie wybrane dane. Wyniki również są zapisywane na dysk (w dwu różnych standardach polskich liter) skąd mogą być drukowane albo pobierane do dowolnych dokumentów tworzonych przy pomocy komputerowych edytorów tekstu, jak Ms- WORD lub inne. Na zamieszczonym poniżej rysunku 2 przedstawiono schematycznie przepływ informacji w programie BGR-OS <- Rys. 2. Aktualne tendencje normalizacyjne Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna ISO jest federacją krajowych jednostek normalizacyjnych Celem tej organizacji jest opracowanie norm międzynarodowych, które są wykonywane przez komitety techniczne ISO. Polski Komitet Normalizacyjny - w zakresie dźwignic - dokonał tłumaczenia norm międzynarodowych ISO oraz ISO , dotyczących zasad obliczania i kojarzenia obciążeń dźwignic oraz ustanowił ich obowiązywanie uchwałą nr 41/99-0 dnia [16], [17] Obie cytowane normy generalnie zastępują treści zawarte w ich polskich odpowiednikach [6 8] jednak uderza brak odpowiednika normy kształtującej wytrzymałościowo konstrukcje [3]. Innymi słowy - brak kręgosłupa decydującego o możliwości realizacji projektów mostów suwnicowych. W związku z tym w okresie przejściowym, należało oczekiwać powołania się norm ISO na odpowiednie normy krajowe dotyczące zasad projektowania stalowych ustrojów nośnych oraz ich połączeń. Ustawodawca w zakresie normowych regulacji technicznych jakim jest Polski Komitet Normalizacyjny w przedmowie krajowej normy [17] stwierdza, że: norma jest tłumaczeniem angielskiej wersji normy międzynarodowej ISO (1992 r.), która jest wydana jako identyczna z wprowadzoną normą międzynarodową. Norma zawiera wprawdzie załącznik krajowy NA (informacyjny), którego treścią jest wykaz norm powołanych w tekście normy międzynarodowej i ich krajowe odpowiedniki. Dotyczy to norm: ISO wyznaczanie obciążenia wiatrem, ISO terminologia ogólna, ISO rodzaje i metody badań, które są w opracowaniu. Nie ma natomiast najważniejszej normy określającej zasady projektowania stalowych ustrojów nośnych. Zastanawia też fakt, że w oryginale normy [16] w załączniku B (str.20) znajduje się stwierdzenie: "W obliczeniach zmęczeniowych zamiast współczynników należy przyjmować takie wartości wytrzymałości zmęczeniowej, które zapewnią wymagane prawdopodobieństwo trwałości. Obliczenia zmęczeniowe będą przedmiotem przyszłej normy międzynarodowej." (koniec cytatu) Czyli - niezwykle istotny dla bezpiecznej pracy konstrukcji warunek trwałości zmęczeniowej będzie dopiero przedmiotem opracowania. Jak istotna jest poruszona kwestia niech świadczą wieloletnie badania stanowiskowe ustrojów nośnych dźwignic, których rezultaty zostały zamieszczone w postaci przepisów normowych kształtowania zmęczeniowego [11], [13]. Dzięki tym przepisom uzyskano efekty w postaci bezpiecznej pracy - w warunkach zmęczenia materiału - tysięcy mostów suwnicowych.

5 Niejasna jest wymowa stwierdzenia w przedmowie krajowej normy [17]:..."odpowiedniki krajowe norm, na które powołano się w treści normy międzynarodowej, są w opracowaniu. Brak odpowiedników krajowych tych norm nie powoduje ograniczenia stosowania niniejszej normy, natomiast ogranicza możliwość wprowadzenia obowiązku stosowania postanowień z takimi powołaniami do czasu opracowania ich odpowiedników" (koniec cytatu). Podsumowanie Przemysł polski musi stopniowo podźwignąć się z upadku jaki nastąpił w ostatnich latach. Do tego trzeba stwarzać mu sprzyjające warunki między innymi na polu przepisów normalizacyjnych w szczególności normujących niesłychanie ważne obliczenia wytrzymałościowe. Tego rodzaju normy są przecież podstawą i kręgosłupem zarówno tradycyjnych obliczeń jak i opracowywania programów komputerowych automatyzujących te obliczenia. Ważna oczywiście jest standaryzacja w skali międzynarodowej - zapewniana m.in. przez normy ISO - jednak nie może ona wprowadzać przedłużającego się okresu próżni w którym stare przepisy tracą ważność a nowe są niekompletne. Być może problem ten ma głębsze uwarunkowania, związane z prowadzoną od jedenastu lat polityką przemysłową. Należałoby więc sugerować i oczekiwać wprowadzenia przez PKN vacatio legis odnośnie nowych norm i umożliwienia stosowania dotychczasowych polskich norm dźwignicowych do czasu skompletowania pełnego zestawu norm ISO, a zarazem określenia terminu w jakim to ma nastąpić. Należy również mieć nadzieję, że wprowadzenie pełnego kompletu norm ISO poprzedzać będzie porównawcza analiza wytrzymałościowa pracy dźwignic we wszystkich grupach natężenia dla przykładowych mostów suwnicowych obliczanych wg polskich norm oraz wg wprowadzanych norm ISO. Pozwoli to projektantom jak i użytkownikom dźwignic na porównanie kryteriów wytrzymałościowych projektowanych mostów suwnicowych w oparciu o dotychczasowe i nowe przepisy normowe. Uporządkowanie sytuacji w zakresie przepisów normujących obliczenia wytrzymałościowe jest również warunkiem dalszego rozwoju komputeryzacji tych obliczeń. LITERATURA: 1. PN-65/M Dźwignice. Ogólne zasady projektowania stalowych ustrojów nośnych. 2. PN-74/M Dźwignice. Ogólne zasady projektowania stalowych ustrojów nośnych. 3. PN-79/M Dźwignice. Ogólne zasady projektowania stalowych ustrojów nośnych. 4. PN-78/M Dźwignice. Podział, określenia i symbole klasyfikacyjne 5. PN-85/M Dźwignice. Pojęcia podstawowe. Terminologia 6. PN-85/M Dźwignice. Parametry podstawowe. Terminologia 7. PN-91/M Dźwignice. Grupy natężenia pracy dźwignic i ich mechanizmów 8. PN-86/M Dźwignice. Obciążenia w obliczeniach ustrojów nośnych dźwignic, PN-79/M Dźwignice. Podstawowe zasady wymiarowania stalowych ustrojów. 9. PN-88/M Dźwignice. Złącza spawane w stalowych ustrojach nośnych dźwignic.

6 10. PN-74/M Dźwignice. Projektowanie i obliczanie połączeń nitowych i śrubowych w stalowych ustrojach dźwignic. 11. FEM (Federation Europeens de la Manutention) Reglespour le calcul des appareils de levage. 12. TGL Stahlbau. Stahltragwerte fur Krane 13. DIN Krane. Grundsatze fur Stahltragwerte. Berechnung 14. "Komputerowy program obliczeń wytrzymałościowych, skrzynkowych spawanych mostów suwnic pomostowych". - Mat. IX Konferencji Naukowej: "Problemy w Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Hutniczych i Ceramicznych". Kraków Projekt celowy nr 7T07C.01595C/2716 pt.: Regeneracja trwale odkształconych, w płaszczyznach pionowej i poziomej, stalowych dźwigarów suwnic pomostowych, metodą sprężania technologicznego finansowany ze środków KBN. 16. PN - ISO Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obciążeń. Postanowienia ogólne 17. PN - ISO Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obciążeń. Suwnice pomostowe i bramowe 18. Komputerowy program BGR-OS - obliczeń statyczno-wytrzymałościowych skrzynkowych mostów suwnic pomostowych. Instrukcja Obsługi

7 Rysunki: Rys. 1. Schemat mostu suwnicy z zaznaczeniem przekrojów obliczeniowych (1, 2, 3) DANE przykładowe wpisywanie nowych danych D Rodzaj suwnicy (1) Dane identyfikacyjne(4) A Warunki pracy (2) Parametry udźwigu (3) N Parametry napędu (4) Dane materiałowe (4) E Wymiary geometr. (35) Masy części skł. (21) E1 E t a p y o b l i c z e ń E2 E3 E22 modyfikacja wybranych danych WYNIKI OBLICZEŃ (siły, momenty, naprężenia odkształcenia) Odczyt danych z pliku dyskowego Pliki dyskowe danych Pliki dyskowe wyników EKRAN Drukarka Rys.2. Schemat obliczeń i przepływu danych w programie BGR-OS

8 Dane autorów: Artur Blum - dr hab. inż., profesor AGH imiona rodziców: Roman, Jadwiga, urodzony:20.v.1941 w Krakowie NIP: PESEL: adres zamieszkania: ul.sienkiewicza 9/17, KRAKÓW Urząd Skarbowy Kraków-Krowodrza ul. Krowoderskich Zuchów 2 Zbigniew Rudnicki - dr inż., adiunkt AGH imiona rodziców: Stanisław Danuta, urodzony:20.ii.1944 w Wojniczu NIP: PESEL: adres zamieszkania: ul. Rolnicza 4/5, KRAKÓW Urząd Skarbowy Kraków-Krowodrza, ul. Krowoderskich Zuchów 2

9 Kraków, 7 września 2001 Szanowny Pan Stefan Kaczmarczyk Redaktor Naczelny "Problemów Projektowych Przemysłu i Budownictwa" ul. Dubois GLIWICE Wielce szanowny Panie Redaktorze! W załączeniu przesyłam nasz artykuł: "Komputeryzacja a problemy normalizacji w projektowaniu stalowych ustrojów nośnych suwnic pomostowych" z uprzejmą prośbą o zamieszczenie na łamach "Problemów Projektowych". Podjęta tematyka jest niezwykle aktualna w związku z "europeizacją" naszych przepisów normowych (nie tylko w dziedzinie dźwignic). Uważamy, że byłaby pożądana dyskusja dotycząca warunków wdrożenia nowych przepisów normowych. Mam także nadzieję, że treść artykułu wzbudzi zainteresowanie i to nie tylko w środowisku dźwignicowców. Jednocześnie mam wielką przyjemność przypomnieć, że pierwszy mój artykuł ukazał się dokładnie 32 lata temu (1969) właśnie na łamach "Problemów Projektowych". Łączę serdeczne pozdrowienia Dr hab. inż Artur Blum Profesor Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie