Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (31) nr 3, 2012 Krzysztof MARKIEWICZ Stanisław TOMASZEWSKI Artur ILUK WERYFIKACJA KONSTRUKCJI PRZĘSŁA MOSTU WSPARCIA Streszczenie. W artykule, na bazie doświadczeń z projektowania przęsła nowego mostu wojskowego, przedstawiono proces weryfikacji konstrukcji na podstawie porównania analiz teoretycznych MES i wyników badań wytrzymałościowych. Na podstawie przyjętego modelu obliczeniowego opracowana została dokumentacja konstrukcyjna i wykonany został model przęsła. Model ten został poddany badaniom wytrzymałościowym. Następnie w oparciu o wyniki badań poprawiono - zweryfikowano konstrukcję w węzłach niespełniających założonych parametrów. Przeprowadzone procesy weryfikacji pozwoliły na otrzymanie konstrukcji spełniającej przyjęte założenia wejściowe. Słowa kluczowe: most, przęsło, segment przęsła, dźwigar, obciążenie, nośność. 1. WSTĘP Przęsło to jedno z najważniejszych podzespołów mostu mobilnego. Przyjęte podstawowe założenia wejściowe w projekcie: maksymalna szerokość przeszkody 42,6 m; minimalna szerokość jezdni mostu po rozłożeniu 4 m; maksymalna szerokość segmentu mostu po złożeniu 3 m; klasa obciążenia - 70 MLC dla pojazdów gąsienicowych; - 110 MLC dla pojazdów kołowych; powierzchnia jezdna segmentów środkowych przęsła mostu (przy obciążeniu 70 MLC i tej samej wysokości brzegów) powinna być pozioma. Dopuszczalne odchylenie środka przęsła od linii poziomej nie powinno być większe niż ±100 mm. 2. PRZEGLĄD ROZWIĄZAŃ SKŁADANYCH PRZĘSEŁ MOSTOWYCH Obszerny przegląd konstrukcji mostów wojskowych znajduje się w opracowaniu [1]. Ze znanych rozwiązań o zbliżonych parametrach wymienić należy: KRIGSBRO 5 most szwedzkiej produkcji pokazany na rys. 1, mgr inż. Krzysztof MARKIEWICZ, mgr inż. Stanisław TOMASZEWSKI Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Urządzeń Mechanicznych OBRUM sp. z o.o., Gliwice, dr inż. Artur ILUK Politechnika Wrocławska, Wrocław
Krzysztof MARKIEWICZ, Stanisław TOMASZEWSKI, Artur ILUK Rys. 1. Most KRIGSBRO 5 most DoFB firmy EUROBRIDGE pokazany na rys. 2, Rys. 2. Most DoFB EUROBRIDGE znane jest także rozwiązanie jako zestaw mostowy LD-70 produkcji niemieckiej, oferowany przez firmę Metalexport, o szerokości 4 m i długości 46 m (70MLC dla pojazdów gąsienicowych). 3. WSTĘPNA KONCEPCJA PRZĘSŁA MOSTU W ramach prowadzonego projektu opracowana została wstępna konstrukcja przęsła mostu. Kompletne przęsło wraz z najazdami pokazano na rysunku 3. Wraz z rampami najazdowymi długość przęsła wynosi 57 m, bez ramp najazdowych 45,6 m. Uwzględniając konieczność odpowiedniego podparcia przęsła z obu stron, całkowita długość przeszkody jaką można pokonać za pomocą tego mostu wyniesie około 43 m. W przekroju poprzecznym przęsło główne składa się z dwóch dźwigarów skrzynkowych i wypełnienia międzykoleinowego patrz rys. 3, 4, 5. Położenie transportowe pokazano na rys. 6.
Weryfikacja konstrukcji przęsła mostu wsparcia Rys. 3. Schemat przęsła głównego Rys. 4. Przęsło w stanie nieobciążonym Rys. 5. Przekrój poprzeczny segmentu przęsła (w stanie rozłożonym) Rys. 6. Przekrój poprzeczny segmentu przęsła (w stanie złożonym)
Krzysztof MARKIEWICZ, Stanisław TOMASZEWSKI, Artur ILUK Przęsło mostowe składa się z 6 segmentów środkowych i dwóch najazdowych, na których zakładane są rampy najazdowe (rys. 3) Łączenie poszczególnych segmentów przęsła głównego odbywa się przy pomocy zaczepów oraz sworzni (średnica 50 mm) pokazanych na poniższym schemacie rys. 7, jedynie w pasie dolnym dźwigara. Ø 50 Rys. 7. Schemat połączeń segmentów przęseł Poszczególne segmenty mostowe wykonane są jako konstrukcja blachownicowa z usztywnieniami w postaci żeber i usztywnień tak rozmieszczonych, aby zapobiec miejscowej utracie stateczności, a cała konstrukcja mostu przenosiła całkowite obciążenia. Rys. 8. Model przedstawiający konstrukcję segmentu środkowego 4. BADANIA PRZĘSŁA W oparciu o wykonany model 3D, zweryfikowany obliczeniami wytrzymałościowymi wykonane zostało przęsło mostu zestawione z: sześciu segmentów środkowych dwóch segmentów najazdowych Na stanowisku pomiarowym badaniom poddano pierwszy model mostu wykonany wg założeń projektowych podanych w rozdziale 1. Rys. 9 przedstawia widok stanowiska badawczego.
Weryfikacja konstrukcji przęsła mostu wsparcia Otwory technologiczne Siłowniki obciążające Rama symulująca pojazd gąsienicowy Rys. 9. Przęsło na stanowisku badawczym Rys. 10. Przęsło podparte przed obciążeniem (widoczne otwory technologiczne usunięte po weryfikacji) Badania polegające na obciążeniu siłownikami za pośrednictwem ramy symulującej pojazd gąsienicowy (patrz rys. 9 powyżej) składały się z trzech etapów. Etap 1 pomiar ugięcia przęsła mostowego w środku rozpiętości i naprężeń w wybranych punktach konstrukcji obciążeniem symetrycznym względem wzdłużnej osi przęsła wzrastającym do maksymalnego obciążenia równego 1,2 x110 MLC (wzrost obciążenia z krokiem zbliżonym do 100kN); Etap 2 pomiar ugięcia przęsła mostowego na jego środku i naprężeń w wybranych punktach konstrukcji obciążeniem niesymetrycznym względem wzdłużnej osi następującym cyklem obciążeń: - MLC 70(T) siła 623kN - MLC 90(W) siła 785kN - MLC 110(W) siła 950kN. Każdą próbę wykonano trzykrotnie. Rejestrowano naprężenia w pasie dolnym i ugięcia. Po próbie skontrolowano spoiny. Etap 3 badanie wytrzymałości zmęczeniowej. Wykonano dwa cykle obciążeń jak w Tablicy 1 (łącznie 2 x 2750 obciążeń): Tablica 1. Zestawienie cykli obciążeń zmęczeniowych Lp Obciążenie Moment knm Siła kn Udział % Liczba obciążeń 1 110% od MLC110 (W) 10630 1050 5 137 2 MLC110 (W) 9740 950 25 688 3 MLC 90 (W) 7970 785 20 550 4 110% od MLC70 (T) 7000 687 5 137 5 MLC70 (T) 6360 623 25 688 6 MLC50 (T) 4540 20 550 Łącznie 2750
Krzysztof MARKIEWICZ, Stanisław TOMASZEWSKI, Artur ILUK Po każdej serii obciążeń dokonano oględzin pod kątem pęknięć zmęczeniowych i odkształceń trwałych. Rejestrowane były naprężenia. Wyniki badań uznaje się za pozytywne, jeżeli: nie nastąpi zniszczenie przęsła; nie stwierdzi się pęknięć zmęczeniowych (badanie spoin); odkształcenia trwałe w strzałce ugięcia nie przekracza 0.15% rozpiętości mostu, tj. 63,9 mm. Przy badaniu w pierwszym etapie przęsło mostowe uległo uszkodzeniu przy obciążeniu odpowiadającym sile 882,9 kn. Uszkodzeniu uległy dwa środkowe segmenty przęsła. Powstałe uszkodzenia są pokazane na rys. 11 i 12. wyboczenie Rys. 11. Uszkodzenie - wyboczenie dźwigara nośnego Rys. 12. Podwinięcie pasa górnego dźwigara 5. WERYFIKACJA KONSTRUKCJI Przeprowadzone zostały analizy oraz dogłębna weryfikacja przyczyn, które spowodowały przedwczesne uszkodzenie przęsła. W wyniku analizy ustalono, że przyczyną uszkodzenia było niedokładne odzwierciedlenie współpracy podestu z dźwigarami na poszczególnych segmentach przęsła mostu. Współpraca ta pozwalała na względne wzdłużne przemieszczenia podestu w stosunku do dźwigarów, co nie powinno mieć miejsca. W związku z powyższym model rzeczywisty nie odzwierciedlał modelu obliczeniowego. Zatem naprawie poddano poszczególne segmenty, z wyjątkiem dwóch uszkodzonych, które wykonano na nowo. Zmiany naprawcze polegały na zaspawaniu otworów technologicznych (rys. 10) po wewnętrznej stronie dźwigarów, dodaniu kątowników na zewnętrznej i wewnętrznej stronie dźwigarów, zastosowaniu nowych podpór przęsła oraz wprowadzeniu sworzni blokujących dźwigar z podestem po rozłożeniu segmentu w pozycji pracy.
Weryfikacja konstrukcji przęsła mostu wsparcia Sworznie blokujące dźwigar z podestem Rys. 13. Model przedstawiający konstrukcje segmentu środkowego po wprowadzonych zmianach Blokada ta pomogła w znaczący sposób poprawić wytrzymałość poszczególnych segmentów, ponieważ włączyła podest do podzespołów przenoszących obciążenie. Brak takiego połączenia powodował, że zawiasy łączące dźwigar z podestem ulegały skręcaniu, co w znaczącym stopniu przyczyniło się do przedwczesnego uszkodzenia konstrukcji. Po wprowadzonych zmianach zostały przeprowadzone powtórne obliczenia wytrzymałościowe MES [4], które pokazały, że tak zmieniona konstrukcja winna przenieść założony cykl obciążeń. Mapy naprężeń zredukowanych wg hipotezy Misesa przedstawiono na rys. 14 i 15. Rys. 14. Naprężenia przy nasadzie przęsła [MPa]
Krzysztof MARKIEWICZ, Stanisław TOMASZEWSKI, Artur ILUK Rys. 15. Naprężenia w przęśle [MPa] Naprężenia w przęśle mostu w funkcji obciążenia T17 do T20 800 700 600 Naprężenie [MPa] 500 400 300 Tensom. 17 Tensom. 18 Tensom. 19 Tensom. 20 200 100 Rys. 16. Schemat rozmieszczenia tensometrów w środkowej części 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Obciążenie [kn] Rys. 17. Naprężenia otrzymane na tensometrach T17 T20 Przęsło poddane ww. modyfikacjom ponownie poddano opisanym powyżej trzem etapom obciążeń. W efekcie otrzymano wynik zgodny z obliczeniami numerycznymi wykonanymi po zmianach konstrukcyjnych. Maksymalne naprężenia zmierzone 550 MPa (Rys. 17), a obliczone 580 MPa (Rys. 14). Stanowisko pomiarowe ze zweryfikowaną konstrukcją przęsła oraz zmienionym podparciem przęseł pokazano na rys. 19. Na rys. 18 przedstawiono model przęsła mostowego przed zmianami konstrukcyjnymi.
Weryfikacja konstrukcji przęsła mostu wsparcia Rys. 18. Model przęsła mostu przed zmianami Rys. 19. Model przęsła mostu po zmianach na stanowisku badawczym (widoczne zmienione podparcie) 6. PODSUMOWANIE Opracowanie konstrukcji wytrzymałościowej, spełniającej przyjęte założenia taktyczno techniczne jest procesem wieloetapowym i czasochłonnym [3]. W całym cyklu wykonanych prac projektowych (opisanych w artykule) obejmujących konstrukcję przęsła mostu mobilnego można wydzielić następujące etapy projektowania: opracowanie założeń do projektu wstępnego; wykonanie modelu 3D w SolidWorks; weryfikacja numeryczna MES (obliczenia wytrzymałościowe, identyfikacja kolizji, określenie parametrów pracy konstrukcji); wykonanie dokumentacji technicznej dla modelu wytrzymałościowego; wykonanie modelu przęsła mostowego w metalu ; badanie wytrzymałościowe na stanowisku badawczym; ocena i analiza wyników badań; weryfikacja dokumentacji konstrukcyjnej i założeń przyjętych do obliczeń wytrzymałościowych; wykonanie nowego modelu przęsła mostowego i powtórzenie badań. Zrealizowanie całego cyklu prac pozwoliło uzyskać w końcowym wyniku parametry konstrukcji (przęsła mostu) spełniające projektowe założenia wejściowe. Projektowanie wirtualne w technologii 3D pozwala wyeliminować większość błędów typu: wykrycie kolizji podzespołów i części współpracujących ze sobą, określenie parametrów i trajektorii ruchów elementów konstrukcji, zweryfikowanie i określenie podstawowych parametrów wytrzymałościowych, lecz nie jest w stanie wyeliminować wszystkich błędów. Podany przykład procesu projektowania i weryfikacji przęsła mostu przewoźnego pokazuje, że najbardziej złożone konstrukcje, które muszą spełniać określone własności wytrzymałościowe, winny być zweryfikowane podczas badań obiektu rzeczywistego (modelu funkcjonalnego lub prototypu).
Krzysztof MARKIEWICZ, Stanisław TOMASZEWSKI, Artur ILUK 7. LITERATURA [1] K.Markiewicz, A.Szafraniec, Przęsło mostu przewoźnego, VIII Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Pułtusk 6-8.10.2012. [2] E.Rusiński, A.Iluk, Sprawozdanie nr SPR34/2010, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2011. [3] Instrukcja Projektowanie i rozwój. I/OBRUM/RR/7.3/01. System Zarządzania Jakością. OBRUM sp. z o.o. Gliwice, 15.12.2011. [4] Zienkiewicz O. C.: Metoda elementów skończonych, Arkady, Warszawa 1972. [5] Zielińska A., Porównanie wyników obliczeń konstrukcji z badaniami stanowiskowymi. Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (30) nr 2/2012 (str. 55-65). OBRUM sp. z o.o. Gliwice, wrzesień 2012. [6] Zielińska A., Analiza wytrzymałości konstrukcji ramienia chwytnego układacza MG-20, OBRUM/RR/2543/2011, Prace własne OBRUM sp. z o.o. niepublikowane. VERIFICATION OF THE STRUCTURE OF A SUPPORT BRIDGE SPAN Abstract. In the article, based on experience with design of the new military bridge span, presented design of verification process by comparing the theoretical analysis and the result of strength tests. Design documentation was compiled and a model of the bridge span was constructed on the basis of the adopted calculation model. The model of the span was then subjected to strength tests. The results of the tests were used to correct/verify the structure in nodes that failed to comply with the specifications assumed. The conducted processes of verification enabled creation of a structure that fulfilled the adopted design conditions. Keywords: bridge, span segment, girder, load, load-bearing capacity