SOLVING PROBLEMS BROKEN TENACITY ON MODULAR MOBILE BRIDGES STRUCTURE ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY LOMOVÉ HOUŽEVNATOSTI NA MODULÁRNÍCH Abstrakt ( česky ) MOBILNÍCH MOSTNÍCH PROSTŘEDCÍCH Libor BARAŇÁK 1 Článek pojednávala o řešení problematiky lomové houževnatosti na mostních konstrukcích, vyrobených z hliníkových a titanových slitin. V první části jsou popsány materiály, které se používají na modulární vojenské mosty. V druhé části pojednává o simulaci lomové houževnatosti na experimentálním vzorku v prostředí ANSYS. Abstrakt ( anglicky ) Benefit dealt with simulation broken tenacity on dynamically heavy-laden military bridge structure, deal aluminous and titanium alloys. V forepart is described materials, which with used on military bridge, from emphasis on modular system. V second parts is imprinting simulation competitive examinations broken tenacity on experimental figure in environment ANSYS. Klíčová slova Modular bridge, materials, simulation, experimental. Úvod Mechanické vlastnosti jsou finální vlastností daného materiálu, které podmiňují jeho vhodnost pro určenou funkci a použití v praxi. Poznání a zlepšování mechanických vlastností konstrukčních materiálů je celospolečensky motivované jejich optimálním využitím při výrobě strojů a zařízení. Jednou z cest, které umožní lepší využití kovových materiálů, je hlubší poznání jejich vlastností a chování v složitých podmínkách namáhání. Rozvoj praxe si vynucuje stále vyšší nároky na vlastnosti konstrukčních materiálů. Tyto stále rostoucí požadavky na zlepšené a nové vlastnosti materiálů musí být splněné při zaručení bezpečnosti, spolehlivosti a životnosti vyráběných strojů a strojních zařízení. Týká se to zejména letecké a automobilové dopravy, tisíců kilometrů tlakových potrubí na ropu a plyn, tlakových zařízení tepelné a jaderné energetiky, ocelových mostů, lodí, ocelových konstrukcí budov, stožárů apod., tj. zařízení, u nichž selhání materiálu může mít katastrofální následky spojené s ohrožením mnohých lidských životů. I když převážnou většinu katastrof, které ve světě v minulosti vznikly, nezapříčinilo selhání materiálu, je možné uvést i případy havárií, které byly vyvolané náhlým křehkým nebo únavovým lomem materiálu stroje nebo konstrukce. Neočekávané havárie konstrukcí se začali ve světě vyskytovat koncem 19. století. Již v té době se objevují zprávy o katastrofálních lomech potrubí, plynojemů, nádrží a jiných zařízení. 1 Ing. Libor BARAŇÁK.: Katedra ženijních technologií, Fakulta vojenských technologií Univerzity obrany, Kounicova 64, Brno, 612 00, ČR, tel.: +420 793442551, e-mail: libor.baranak@unob.cz. - 1 -
Avšak i při těchto častých výskytech křehkých lomů byly ještě dlouho ocelové konstrukce dimenzovány jen podle hodnoty meze statické pevnosti v tahu. Důkladnější inženýrský přístup k řešení tohoto problému nastal až po velkém počtu havárií svařovaných lodí v průběhu 2. světové války. Od listopadu 1942 do dubna 1946 se na 976-ti svařovaných námořních plavidlech USA objevilo 1442 vážných poškození trhlinami různých velikostí. Do konce roku 1949 došlo k havárii 11 lodí typu Liberty a 8 tankových lodí jejich úplných příčným rozlomením na dvě části. Většina těchto lomů vycházela z konstrukčních vrubů a z defektů ve svarech. Konstrukčními úpravami nosných dílů trupu lodi a vsazením zastavovačů trhlin v kritických místech se podstatně zredukoval výskyt křehkých lomů. Zkoušky materiálu lodí ukázaly, že kromě konstrukčních chyb byla jedním z primárních faktorů, které přispěly k porušení, i nízká kvalita použité oceli. V historii leteckých katastrof jich značná část nebyla dodnes vysvětlena. I když se při konstruování letadel klade na výběr a kontrolu materiálu prvořadý důraz, vyskytují se i tady poruchy materiálové povahy. Dvě anglické letadla typu Comet v 50. letech havarovala při letu ve velkých výškách. Zjistilo se, že lomy vznikly z velmi malých únavových trhlin vycházejících z otvorů pro nýty v blízkosti trupu. Podobně vznikaly křehké lomy z existujících defektů v letadlech typu F-111. Mezi známé případy porušení ocelových mostů je možné kromě již zmíněného případu v Belgii uvést porušení konstrukce mostu Kings Bridge v Melbourne v r.1962 křehkým lomem při teplotě 5 C. K další velké katastrofě došlo 15. prosince 1967 při zřícení mostu Point Pleasant Bridge v Západní Virginii tento most se zřítil bez předcházejících příznaků, přičemž zahynulo 50 lidí. Se zvyšováním pevnosti kovů se snižuje hmotnost vyráběných zařízení, čímž je dosahována úspora surovin a energie; růst pevnosti však nezaručuje souběžný růst odolnosti proti křehkému porušení, spíše naopak. Proto se problém optimálního využití kovových materiálů musí řešit komplexně s použitím klasické i lomové mechaniky, fyzikální metalurgie, výpočetní techniky, moderních experimentálních metod. Cílem studia mechanických vlastností materiálů je jejich stálé zlepšování a možnost poskytnout konstruktérovi kvantitativní údaje o chování materiálů v různých podmínkách namáhání na takové úrovni, aby se v maximální míře zabránilo poruchám zařízení způsobených selháním materiálu. 1 Využití hliníkových a titanových slitin na modulárních vojenských mostech V zahraničních armádách má používání lehkých slitin dlouhou historii. První použití lehkých slitin u vojenské techniky bylo použito v roce 1940. Dlouhou historii má v tomto Velká Británie. Lehké slitiny se používají na korby bojových vozidel, pancíře a mostovky a mostní díly. Získané poznatky o materiálech těchto mostních prostředků v současné době platné: Tabulka 1 Prostředek Biber M2 Leguan FSB Materiál AlZn4,5Mg1 AlZn4,5Mg1 AlZn4,5Mg1 AlMg1SiCu - 2 -
FFB M3 PSB2 Ribbon Bridge M48 AVLB BR-90 PTA AlZn4,5Mg1 AlZnMg-Modif. AlZn4,5Mg1 AlZnMg-Modif. AlMg1SiCu Al/Ocel Al4Zn2MgTi6Al4V Al6Zn2Mg Tabulka 2 MLC Materiál E (Mpa) ρ (kg/m 3 ) BR-90 70 Al-4Zn-2Mg Ti-6Al-4V 70 110 2800 4400 FFB 70 Al-Zn-Mg 70 2780 PSB 2 70 Al-Zn-Mg 70 2780 PTA MODULAR ASSAULT BRIDGE 70 Al-6Zn-2Mg 71 2800 1.1. Hliníkové slitiny Hliník a slitiny hliníků patří mezi nejvýznamnější neželezné kovy. Čistý hliník vyniká velmi dobrou elektrickou vodivostí, dobrou korozní odolností a nízkou měrnou hmotností. Velmi dobrá zpracovatelnost na plechy, pasy a folie se využívá v obalové technice a na dráty v elektrotechnice. Slitiny hliníku můžeme rozdělit podle fázového diagramu na slitiny slévárenské a na slitiny tvářené (viz.obr. 1). Z hliníkových slitin lze vyrábět lisované profily od jednoduchých až po komplikované průřezy, určené pro použití ve stavebnictví i strojírenství, a slitiny vysoké pevnosti určené pro letectví. Mezi typické vlastnosti hliníku a některých jeho slitin patří i schopnost zušlechťování povrchů anodickou oxidací i nanášením vypalovaných laků. Slitiny hliníku lze rozdělit do dvou nestejných skupin podle podstaty zpevňování legováním, tvářením nebo vytvrzováním; uvnitř těchto skupin se slitiny dělí podle druhů legujících prvků a jejich obsahů. V první skupině jsou důležité zejména slitiny s hořčíkem (typická je slitina Al Mg 4,5 Mn), v druhé je nejznámější klasická slitina AlCu4Mg1. Slitiny vytvrzované mají podstatně vyšší pevnost, nevýhodou je omezená teplota dlouhodobého použití do100 max. 120 C, případně do 200 C u slitin disperzně zpevňovaných. - 3 -
Obr. 1 - Rozdělení hliníkových slitin 1 slévárenské slitiny 2 slitiny určené k tváření 3 precipitačně vytvrditelné slitiny 4 precipitačně nevytvrditelné slitiny Kalením a popouštěním vzniká martenzitická struktura, jejíž vznik podmiňuje nejefektivnější způsob zvyšování pevnosti ocelí. Obecně u neželezných kovů martenzit nemůže vzniknout a pokud u některých slitin vznikne, pak jeho příspěvek k pevnosti není tak významný jako u ocelí. Proto je třeba použít u neželezných kovů jiné metody zpevnění, které jsou však méně efektivní. Největší zpevnění neželezných kovů je docíleno precipitačním zpevněním. Např. uvažujeme dosahované úrovně pevnosti hliníku a jeho slitin, jak ukazuje obr. 2. Vyžíhaný čistý hliník je velice měkký a může být zpevněn pouze deformačním zpevněním (tvářením za studena). Přidáním hořčíku dochází ke zpevnění tuhého roztoku a získaná slitina může být dále zpevněna deformačně. Další zpevnění je možné precipitáty, jejichž vznik je podmíněn jednak přítomností vhodných legur a jednak zpracováním označovaným jako stárnutí. Přestože nejpevnější hliníkové slitiny mají pevnost odpovídající 25% pevnosti vysoce pevnostních ocelí je jejich použití jako konstrukčního materiálu velmi rozšířené. Např. při stavbě letadel jsou tyto slitiny používány vzhledem k nízké hustotě a vysoké odolnosti vůči korozi. - 4 -
Obr.2 - Vliv legujících prvků a způsobu výroby (osa x) na mez kluzu hliníkových slitin. Zvýšení pevnosti čistého hliníku je možné docílit jen plastickou deformací. Legování vyvolá zpevnění tuhého roztoku. Nejpevnější slitiny jsou tepelně zpracovány tak, že vzniká precipitační zpevnění. 1.2.Vyhodnocení používaných lehkých slitin Jak je vidno z tab.3, ani cena,či pevnost materiálu, není určující k volbě materiálu na moderní modulární mostní prostředek. Při malých počtech techniky, pro který bude materiál vyráběn, nebude rozhodovat cena, ale jeho vlastnosti a rozšíření u našich spojenců. Doba používání vysoko pevnostních ocelí na mobilních mostech bude nejspíš minulostí. Tabulka 3 Materiál E.10-5 [MPa] Hustota[Mg.m 3 ] Cena[Kč/Mg] Ocel 2,05 7,8 15 750 Hliníková slitina Titanová slitina Kompozitní materiál CFRP 0,79 2,8 84 000 1,30 4,3 385 000 1,98 1,6 7 000 000 Nejvíce vhodnou slitinou pro nový modulový mostní prostředek, se jeví slitina AlZnMg- Modif. nebo AlZn4,5Mg1, které jsou používány na moderních vojenských mostních konstrukcích. Materiál (AlZn4Mg1 ---AW-7020---ČSN 424441 ) má dobrou tvárnost za tepla, příznivý průběh rozpouštěcího žíhání (tzv. samokalitelnost). Kritická rychlost - 5 -
ochlazování z teploty rozpouštěcího žíhání 40 až 50 C/min. Zpevňuje vytvrzováním za normální teploty nebo za vyšší teploty, popřípadě tvářením za studena. Po svařování dosahuje v okolí svaru původních mechanických vlastností stavu.61, k dosažení stavu.71 je nutno provést opětné vytvrzení. Dobrá odolnost proti korozi, dobrá schopnost anodické oxidace a leštění, vhodný pro svařované konstrukce středně namáhané. Díky dobrým technologickým vlastnostem, dobré svařitelnosti a korozní odolnosti je používán ve stavebnictví, pro dopravní prostředky vzdušné a kolejové, v elektrotechnice, přesné mechanice, radiotechnice, raketové technice (tlakové nádoby, mosty, mostové jeřáby). Tabulka 4 2 780 Hustota [g/cm 3 ] 69650 Modul pružnosti v tahu E [MPa]: 24520 Modul pružnosti ve smyku G [MPa]: 128 Součinitel tepelné vodivosti lambda [W/m/K]: 2 Lomová houževnatost hliníkových a titanových slitin Historie laboratorního zkoušení houževnatosti kovů začíná počátkem minulého století. Na sjezdu Mezinárodního svazu pro technické zkoušení materiálu r. 1901 v Budapešti přednášel Francouz G. Charpy o svých zkouškách zjišťování houževnatosti přerážením prismatických tyčí opatřených vrubem. Na IV. kongresu r. 1906 v Bruselu referoval o zkušenostech se zkouškou ve Francii a uváděl dva tvary tyčí a dvě velikosti strojů sloužících ke zkoušení. Konečně na V. kongresu v Kodani r. 1909 bylo doporučeno normování Charpyho zkoušky, která se brzo ujala a rozšířila po celém kontinentě evropském. Požadavky na zkušební tělesa jsou uvedeny v normě ČSN EN 10045-1. Základní zkušební těleso má tvar tyče čtvercového průřezu s délkou strany 10 mm a délkou 55 mm. Uprostřed délky je vytvořen vrub. Jsou předepsány dva typy vrubů - ve tvaru U a V.Vrub ve tvaru V (Obr.3) má hloubku 2 mm a poloměr zaoblení kořene vrubu 0,25 mm. Ramena vrubu svírají úhel 45. Není li možno ze zkoušeného materiálu zhotovit zkušební tyč základní, musí být použita zkušební tyč menších rozměrů o šířce 7,5 mm nebo 5 mm, vrub je pak na jedné z užších ploch. Obr.3 - Zkušební tyč s V-vrubem - 6 -
Vrub ve tvaru U (Obr.4) nebo ve tvaru klíčového otvoru má hloubku 5 mm a poloměr zaoblení kořene vrubu 1 mm. Obr. 4 - Zkušební tyč s U-vrubem Obr. 5 znázorňuje skutečné zkušební tyče s V vrubem a s U vrubem. Obr. 5 - Zkušební tyč s V-vrubem(nahoře) a U-vrubem (dole) Rovina souměrnosti vrubu musí být kolmá k podélné ose zkušební tyče. Na obr.6 jsou znázorněny zkušební modely vzorků v prostředí ANSYS. - 7 -
Obr.6 - MKP modely vzorků z U a V vrubem Zkušenost ukazuje, že v případě zkušebního tělesa s V-vrubem leží nominální nárazové síly pro všechny typy ocelí v rozmezí od 10 kn do 40 kn. Zatěžování bylo provedeno osovou silou o velikosti 5 kn. Výsledné deformace a napětí charakterizují přiložené obrázky. Při modelování nedošlo k destrukci vzorku. Obr.7 - Equivalent Stress V vrub - 8 -
Obr.8 Deformace V vrub Obr.9 - Equivalent Stress U vrub - 9 -
Obr.10 Deformace U vrub Závěr I pro potřebu ženijního vojska armády České republiky a záchranných praporů bude do budoucna potřeba řešit otázku moderních mostních prostředků, které budou splňovat všechny požadavky standardizačních dohod států NATO a budou vyrobeny z lehkých slitin. Toto lze řešit vlastním vývojem prostředku, nebo nákupem již zavedených prostředků. Literatura [1] Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno 2001. ISBN 80 7204 193 2. [2] ČSN EN 10045-1 Kovové materiály Zkouška rázem podle Charpyho Část 1: Zkušební metoda (U a V vruby) (červen 1998) [3] ČSN EN ISO 14556 Ocel Zkouška rázem v ohybu na kyvadlovém kladivu tyčí Charpy s V-vrubem Instrumentovaná zkušební metoda (červen 2001) [4] BARAŇÁK, Libor. Modulární mostní prostředky. In Konference Krizové situace - zkušenosti z obnovy objektů dopravní infrastruktury po povodních. Brno: Vojenská akademie v Brně, listopad 2003, CD-A22. ISBN 80-85960-66-4 [5] BARAŇÁK, Libor. Použití ženijního vojska Rakouské armády při povodních v srpnu 2002. In Konference Krizové situace-zkušenosti z obnovy objektů dopravní infrastruktury po povodních. Brno: Vojenská akademie v Brně, listopad 2003, CD-A10. ISBN 80-85960-66-4. [6] BARAŇÁK, Libor. Mostní prostředky států NATO a Ruska a jejich použití při řešení krizových situací. In Mezinárodní konference Ocelové mosty 2003. Praha: ČVUT, říjen 2003, s 257-262. IBSN 80-01-02747-3 - 10 -
[7] BARAŇÁK, Libor. Analýza materiálů použitých na nových modulárních mostních konstrukcích.in Mezinárodní sympozium Mosty 2005. Brno, duben 2005, str. 301-305.ISBN80-86604-17-9 - 11 -