Blog

Śruby o wysokiej wytrzymałości w konstrukcjach stalowych do budowy o dużej wytrzymałości

Dlaczego tradycyjne śruby ulegają awarii pod wpływem skrajnych obciążeń statycznych w wieżowcach i zakładach przemysłowych

Zwykłe śruby po prostu nie są zaprojektowane tak, aby wytrzymać ogromne obciążenia statyczne występujące w poważnych projektach budowlanych. Większość standardowych elementów złącznych zaczyna ulegać odkształceniu przy naprężeniach rzędu 250–400 MPa, co jest znacznie poniżej wymaganych wartości dla dużych elementów konstrukcyjnych w wieżowcach lub dużych budynkach przemysłowych, gdzie normy przewidują wartości 500 MPa i wyższe. Gdy są obciążane powyżej swoich granic nośności, śruby te ulegają trwałemu odkształceniu, a ostatecznie całkowicie się łamią. Analiza najnowszych raportów dotyczących awarii konstrukcyjnych z ubiegłego roku wykazuje niepokojącą tendencję: ponad połowa wszystkich uszkodzeń połączeń w konstrukcjach stalowych wynika właśnie z zniszczenia śrub przez ścinanie pod działaniem ciągłego obciążenia, szczególnie w kluczowych punktach połączeń belek ze słupami. Dlatego inżynierowie określają stosowanie śrub wysokiej wytrzymałości. Te specjalistyczne elementy złączne wykonane są z lepszych materiałów i poddawane są precyzyjnej obróbce cieplnej w trakcie produkcji, dzięki czemu uzyskują dodatkową wytrzymałość niezbędną do bezpiecznego utrzymywania całej konstrukcji w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.

Jak specyfikacje ASTM A325/A490 i ISO 898-1 klasa 10.9 zapewniają wytrzymałość na rozciąganie równą 690 MPa, umożliwiając niezawodny przekaz obciążenia

Śruby zgodne ze specyfikacjami ASTM A325/A490 oraz ISO 898-1 klasa 10.9 osiągają minimalną wytrzymałość na rozciąganie w zakresie 690–940 MPa dzięki obróbce cieplnej w postaci hartowania i odpuszczania stosowanej do średniowęglowej stali stopowej. Proces ten powoduje powstanie mikrostruktury odpuszczonego martenzytu, która skutecznie opiera się odkształceniom w miejscach koncentracji naprężeń. Kluczowe zalety obejmują:

• Kontrolowaną twardość , zapewniającą odpowiedni balans między plastycznością a odpornością na pękanie kruche
• Precyzyjną kalibrację wstępnego dokręcenia , umożliwiającą uzyskanie spójnej siły docisku metodą dokręcania o określoną liczbę obrotów nakrętki (turn-of-nut)
• Zwiększoną odporność na ścinanie , wytrzymującą obciążenia cykliczne nawet trzy razy dłużej niż odpowiedniki klasy 8.8

Wszystkie śruby muszą przejść test obciążenia próbnego przy wartości wynoszącej 120 % określonej wytrzymałości na rozciąganie – wymóg ten gwarantuje solidne zapasy bezpieczeństwa w ramach momentowych, systemach usztywniających oraz innych krytycznych połączeniach.

Wysokowytrzymałosciowe śruby w projektowaniu odpornym na trzęsienia ziemi oraz w połączeniach krytycznych pod względem poślizgu

Zapobieganie przesuwaniu się i zmęczeniu połączeń pod wpływem cyklicznego obciążenia trzęsieniowego

Podczas trzęsień ziemi budynki podlegają działaniu sił powodujących ruchy w przód i tył, które stopniowo przenikają do standardowych połączeń śrubowych, powodując ich stopniowe obluzowanie w czasie z powodu zjawiska zwanego cyklicznym przesuwaniem (cyclic ratcheting). To, co następuje dalej, jest również dość niepokojące. Gdy te połączenia zaczynają się przesuwać, powstają w nich drobne pęknięcia dokładnie w miejscach, gdzie naprężenia są największe, co osłabia całą konstrukcję po każdym kolejnym trzęsieniu ziemi. Dlatego inżynierowie stosują specjalne śruby o wysokiej wytrzymałości. Takie śruby znacznie lepiej utrzymują swoje położenie podczas wstrząsów, ponieważ wytrzymują wielokrotne naprężenia rozciągające i ściskające. Mówimy tutaj o śrubach o granicy plastyczności wynoszącej co najmniej 690 MPa, co zapewnia im rzeczywistą odporność na stresujące odwrócenia obciążenia, przy których tańsze elementy złączne uległyby szybszej awarii. Badania przeprowadzone na pełnowymiarowych konstrukcjach wykazały, że budynki wykorzystujące takie połączenia krytyczne pod względem przesuwu powracają po trzęsieniu ziemi do pierwotnego położenia o 40 procent bardziej kompleksowo niż budynki z tradycyjnymi połączeniami (według badań NEHRP z 2023 roku). Ma to ogromne znaczenie w obszarach narażonych na częste trzęsienia ziemi, gdzie konstrukcje muszą wytrzymać setki takich epizodów wstrząsów bez wystąpienia jakichkolwiek poważnych uszkodzeń połączeń.

Rola kontrolowanego wstępnego obciążenia rozciągającego (70%) i tarcia powierzchniowego w połączeniach śrubowych wysokiej wytrzymałości zgodnych z normą AISC 360-22, krytycznych pod względem poślizgu

Zgodnie ze standardami AISC 360-22 połączenia krytyczne pod względem poślizgu wymagają co najmniej 70-procentowego wstępnego obciążenia rozciągającego, aby naprężenie śruby rzeczywiście generowało siłę tarcia między powierzchniami. W przypadku zastosowania konkretnie śrub klasy wytrzymałości 10.9 te wymagania skutkują siłami docisku przekraczającymi 200 kiloniutonów. Współczynnik tarcia mieści się w zakresie od ok. 0,33 do 0,5 przy powierzchniach oczyszczonych metodą piaskowania. Co oznacza to praktycznie? Otóż generowane tarcie zapobiega jakimkolwiek przesunięciom między łączonymi elementami. Badania przeprowadzone na stołach wibracyjnych potwierdziły również bardzo dobre działanie tej metody. Poprawnie dokręcone połączenia nie ulegały poślizgowi nawet przy przyspieszeniach gruntu osiągających 0,4g, co wynika z badań opublikowanych w 2021 roku przez FEMA w dokumencie P-1052. Osiągnięcie dobrych rezultatów przy takich połączeniach nie sprowadza się jednak wyłącznie do stosowania się do specyfikacji. Inżynierowie muszą uwzględnić podczas montażu wiele innych czynników.

• Przygotowanie powierzchni zgodne ze standardami powłok RCSC klasy A lub B
• Montaż metodą dokręcania nakrętki lub kluczem kalibrowanym w celu zapewnienia dokładnego wstępnego obciążenia
• Zastosowanie podkładki podwójnie utwardzonych w celu zminimalizowania relaksacji wgłębiania

To podejście kieruje rozpraszanie energii sejsmicznej do kontrolowanego odkształcenia plastycznego elementów konstrukcyjnych – a nie do uszkodzenia połączeń.

Wysokowytrzymałowe śruby w infrastrukturze dynamicznej: mosty i systemy transportowe

Zmniejszanie ryzyka pęknięć zmęczeniowych w płytach ortotropowych oraz przegubach rozszerzalnościowych pod wpływem powtarzających się obciążeń osiowych

Płyta ortotropowej konstrukcji mostu wraz z połączeniami rozszerzalnymi codziennie podlega ogromnym naprężeniom wywoływanym przez ciężkie samochody ciężarowe przejeżdżające przez most. Te ciągłe fale ciśnienia powodują z czasem powstawanie drobnych pęknięć w typowych elementach łączących. Właśnie wtedy zaczynają odgrywać kluczową rolę śruby o wysokiej wytrzymałości. Rozprowadzają one obciążenie na większą powierzchnię, zamiast skupiać je w pojedynczych punktach. Oznacza to mniejsze prawdopodobieństwo powstania uciążliwych pęknięć zmęczeniowych w krytycznych miejscach połączeń. Ponadto takie śruby zachowują swoje chwytanie nawet po latach powtarzania się tych samych ruchów. Dzięki temu cała konstrukcja pozostaje prawidłowo wypoziomowana i zachowuje sztywność strukturalną. W rezultacie mosty mają znacznie dłuższą żywotność przed koniecznością przeprowadzenia dużych remontów – co jest szczególnie ważne dla ruchliwych autostrad, gdzie ruch drogowy nigdy nie ustaje.

Przesunięcie Departamentu Transportu USA (U.S. DOT) na korzystanie ze śrub zgodnych ze standardem ASTM F3125, klasa wytrzymałości 10.9, charakteryzujących się poprawioną odpornością na pęknięcia przy niskich temperaturach (notch toughness) w mostach o dużych rozpiętościach

Ministerstwo Transportu Stanów Zjednoczonych wprowadziło obowiązek stosowania śrub klasy wytrzymałościowej ASTM F3125 stopnia 10.9 w pracach budowlanych dotyczących dużych mostów na całym terytorium kraju. Co czyni te śruby wyjątkowymi? Mają one minimalną wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą co najmniej 1040 MPa, ale najważniejsza jest ich poprawiona odporność na niskie temperatury. Sposób produkcji tych śrub zapobiega ich nagłemu pękaniu w warunkach mroźnych lub po wielokrotnych zmianach temperatury. Dlatego inżynierowie preferują je przy budowie mostów o dużych przęsłach, rozbudowie mostów oraz nawet w systemach izolacji sejsmicznej, gdzie w czasie działania występują złożone i różnorodne obciążenia.

Śruby wysokiej wytrzymałości w środowiskach korozyjnych i o wysokim ryzyku: instalacje morskie i odnawialne źródła energii

Zwalczanie pękania korozyjnego pod naprężeniem (SCC) w zanurzonych, cyklicznie obciążanych kołnierzach morskich

Gdy woda morska miesza się z nieustannymi falami uderzającymi w nie, przyczepione do konstrukcji morskie kołki gwintowane narażone są na poważne zagrożenia wynikające z tzw. pękania korozyjno-naprężeniowego (ang. Stress Corrosion Cracking, SCC). Zgodnie z raportem NACE International opublikowanym w 2023 r., pęknięcia korozyjno-naprężeniowe odpowiadały za niemal połowę (około 42 %) wszystkich awarii kołków na dnie oceanu. To dość niepokojące, jeśli się nad tym zastanowić. Na szczęście istnieje rozwiązanie w postaci kołków ASTM A193 B7M. Specjalne te kołki wykonane są ze stopu dobrze zrównoważonego pod kątem odporności na odkształcenie wodorowe oraz na uciążliwe pęknięcia wywoływane przez chlorki. Nawet przy ciągłych zmianach pływów, które generują stałe obciążenia, kołki te zachowują swoje właściwości lepiej niż standardowe alternatywy.

Zintegrowane strategie ochrony: kołki ASTM A193 B7M, podkładki ze stali nierdzewnej duplex oraz ochrona katodowa

Trójwarstwowy system ochrony zapewnia długotrwałą niezawodność w agresywnych środowiskach morskich:

• Dobór materiału śruby ASTM A193 B7M zapewniają minimalną wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 100 ksi (690 MPa) oraz odporność na pękanie naporowe spowodowane korozją (SCC)
• Wzmocnienie bariery podkładki ze stali nierdzewnej duplex eliminują sprzężenie galwaniczne między śrubą a metalem podstawowym
• Kontrola elektrochemiczna anody pośredniczące zapewniają ochronę katodową, zmniejszając tempo korozji nawet o 90% przy prawidłowej konserwacji

Wspólnie te środki wydłużają czas eksploatacji ponad 25 lat w strefach przypływowych – wspierając integralność konstrukcyjną farm wiatrowych morskich oraz innych obiektów infrastruktury energetyki odnawialnej.

Często zadawane pytania

Jakie są specyfikacje śrub wysokowytrzymałych?

Śruby wysokowytrzymałe zazwyczaj spełniają specyfikacje takie jak ASTM A325/A490 lub ISO 898-1 klasa 10.9, które gwarantują wytrzymałość na rozciąganie w zakresie od 690 do 940 MPa.

Dlaczego śruby wysokowytrzymałe są preferowane w projektowaniu konstrukcji odpornych na trzęsienia ziemi?

Śruby wysokowytrzymałe są preferowane, ponieważ zapobiegają poślizgowi połączeń i zmęczeniu materiału pod wpływem cyklicznego obciążenia sejsmicznego, zachowując integralność konstrukcyjną nawet w trakcie trzęsień ziemi.

W jaki sposób wysokowytrzymałowe śruby wspierają dynamiczne infrastruktury, takie jak mosty?

W dynamicznych infrastrukturach wysokowytrzymałowe śruby rozprowadzają obciążenie i ograniczają pękanie zmęczeniowe, wydłużając tym samym czas eksploatacji konstrukcji, takich jak mosty.

W jaki sposób wysokowytrzymałowe śruby zapobiegają korozji w środowiskach morskich?

Wysokowytrzymałowe śruby stosowane w zastosowaniach morskich wykorzystują materiały i strategie, takie jak śruby ASTM A193 B7M oraz ochronę katodową, aby zapobiegać pękaniu korozyjnemu pod wpływem naprężeń.