Pod obciążeniem zmęczeniowym dominujące formy zniszczenia łączników mogą ulegać zmianie w zależności od liczby cykli obciążenia jakim poddawane jest zamocowanie. Oczywistym jest fakt, że projektanci konstrukcji powinni uwzględniać analizę zmęczeniową w swojej metodyce pracy podczas projektowania połączeń kotwowych, których okres użytkowania wynosi przecież zgodnie z Europejskimi Ocenami Technicznymi 50 lat (a w niektórych przypadkach nawet 100 lat). 

Czas czytania: ok. 15 minut
Zastosowania
Częste obciążenia naprzemienne (obciążenia zmęczeniowe) można definiować na podstawie ich częstotliwości i amplitudy. Obciążenia naprzemienne o wysokiej powtarzalności i niskiej amplitudzie można uznać za obciążenia wibracyjne. Obciążenia wibracyjne mogą wystąpić w mocowaniach wentylatorów, maszynach produkcyjnych, urządzeniach elektrowni, a także w mocowaniach rur narażonych na częste uderzenia hydrauliczne.
Zastosowania te są zwykle identyfikowane jako „istotne z perspektywy zmęczenia” dla stosowanego systemu mocowania i, o ile jest to możliwe, są odpowiednio projektowane. Innymi typowymi przykładami zastosowań, w których występuje „powtarzalne obciążanie i odciążanie” są: dźwigi i żurawie (żurawie wieżowe, dźwigi warsztatowe, prowadnice żurawi), windy (szyny prowadzące, urządzenia do przenoszenia ładunku), urządzenia dźwigowe (wciągniki, osprzęt podnośników), roboty i inne urządzenia do przenoszenia ładunków, elementy obiektów mostowych i systemy załadunku (rynny zsypowe do materiałów sypkich, systemy przenośnikowe).
W normach krajowych i międzynarodowych jednak zwykle jest określone, czy działanie zmieniające należy uznawać za działanie statyczne, czy obciążenie zmęczeniowe. Na przykład obciążenie wiatrem często zmienia wartość i kierunek, ale do celów projektowych w wielu przypadkach uznaje się je za obciążenie statyczne lub quasi-statyczne

Czym jest obciążenie zmęczeniowe?

Jeżeli materiał jest poddawany stałemu, zmiennemu w czasie obciążeniu, może ulec zniszczeniu po określonej liczbie cykli obciążenia, nawet jeśli górna wartość graniczna obciążenia jest znacznie mniejsza niż wytrzymałość na rozciąganie pod obciążeniem statycznym. Ten spadek wytrzymałości nazywa się zmęczeniem materiału.

Dlaczego Europejska Ocena Techniczna (ETA) oparta na dokumencie EAD 330250-00-0601 jest wymagana do systemów mocowania / kotwienia pod obciążeniem zmęczeniowym?
Kotwy przenoszą przyłożone obciążenia w betonie poprzez różne mechanizmy działania: poprzez połączenie kształtowe, tarcie i adhezję lub ich kombinację. Te trzy mechanizmy mogą funkcjonować zupełnie inaczej pod obciążeniem zmęczeniowym. Niezależnie od zasad działania, łącznik lub podłoże ulegnie zniszczeniu, ponieważ przekroczona zostanie nośność betonu, nośność stali lub nośność połączenia między elementem kotwiącym a zaprawą lub między zaprawą a otaczającym betonem. W związku z tym należy mieć pełną świadomość, w jaki sposób funkcjonują zamocowania pod obc. zmęczeniowym i jakie formy zniszczenia występują     rysunek 1.

Rysunek 1: W przypadku stosowania kotew pod obciążeniem zmęczeniowym występują różne modele zniszczenia

Ze względu na różne zachowania zmęczeniowe materiałów podłoża (betonu, stali i ewentualnie zaprawy) decydująca forma zniszczenia dla kotwy działającej pod obciążeniem zmęczeniowym może ulec zmianie w zależności od liczby jego cykli. Ponadto kształt i rozmiar elementów kotwiących, metody produkcji mogą mieć znaczący wpływ na zachowanie zmęczeniowe i występowanie poszczególnych form zniszczenia. Trudno jest zatem oszacować to teoretycznie, ale musi zostać to określone w Europie w ramach europejskich wytycznych (EAD 330250-00-0601 „Wklejane łączniki do stosowania w betonie przy cyklicznym obciążeniu zmęczeniowym” [1]).

W jaki sposób wytyczne mogą pomóc w projektowaniu zamocowania pod obciążeniem zmęczeniowym?
Raport techniczny EOTA TR 061 [2] dotyczy projektowania łączników pod obciążeniem zmęczeniowym w połączeniu z obciążeniem statycznym lub quasi-statycznym. Weryfikacje działania obciążenia zmęczeniowego należy przeprowadzać w przypadku, gdy łączniki są poddawane regularnym cyklom obciążenia (np. mocowania dźwigów/żurawi, maszyn, szyn prowadzących, wind itp.). Cykle obciążenia zmęczeniowego mogą również występować w elementach narażonych na naprężenia termiczne (np. elewacjach). Zgodnie z raportem EOTA TR 061 kontrolę zmęczenia należy przeprowadzać w następujących przypadkach:

a) Jeżeli dla pulsacyjnych obciążeń rozciągających wywieranych na łącznik oczekuje się co najmniej 1000 cykli obciążenia.

 b) Jeżeli dla łącznika oczekuje co najmniej 100 cykli obciążenia naprzemiennego lub pulsacyjnego obciążenia ścinającego.

 c) Jeżeli cykle obciążenia są narzucane przez zmiany warunków klimatycznych, a zakres naprężeń wywołanych przez siły wywołane utwierdzeniem w najmniej wytężonym łączniku przekracza

lub w przypadku obciążenia ścinającego najniższy najmniej wytężony łącznik jest narażony na naprężenia przekraczające

Zasady projektowania zawarte w raporcie EOTA TR 061 mają zastosowanie tylko do łączników z Europejską Oceną Techniczną (ETA) o nośności charakterystycznej przy cyklicznym obciążeniu zmęczeniowym według dokumentu EAD 330250-00-0601. 

W porównaniu z raportem EOTA TR061 w Eurokodzie 2 część 4 [3] nie opisano szczegółowo, w jakich warunkach trzeba kontrolować zmęczenie. Zgodnie z Eurokodem 2 część 4 [3] kontrolę zmęczenia należy przeprowadzać, jeśli łączniki są często poddawane powtarzającym się cyklom obciążenia (np. mocowania dźwigów/żurawi, maszyn, prowadnic windowych) [3]. Ponadto Eurokod 2 część 4 [3] ogranicza ważność weryfikacji projektu „pośrednio” do 2 milionów cykli obciążenia. Dodatkowo w Eurokodzie 2 część 4 [3] nie zawarto jasnego podejścia do sposobu projektowania w przypadku kombinacji oddziaływania statycznego i zmęczeniowego. Raport EOTA TR 061 zawiera znacznie więcej informacji na ten temat. 

W raporcie EOTA TR 061 wyróżniono dwie metody projektowania: metodę projektowania I (metoda kompleksowa) i metodę projektowania II (metoda uproszczona).
Metoda projektowania I (metoda kompleksowa) ma zastosowanie, gdy: 
(a) możliwe jest dokładne przypisanie oddziaływania statycznego i oddziaływania związanego ze zmęczeniem,
(b) znana jest górna wartość graniczna liczby cykli obciążenia n w okresie użytkowania danego zastosowania.

Jeśli spełniony jest tylko warunek (a), gdzie zakres obciążeń związanych ze zmęczeniem jest dokładnie znany, ale nie podano liczby cykli obciążenia, wytrzymałość zmęczeniowa jest ograniczona do wartości odpowiadającej nieskończonej liczbie cykli obciążenia.

Jeżeli spełniony jest tylko warunek (b), znane jest tylko całkowite obciążenie kotwy (statyczne i zmęczeniowe), ale nie można wyznaczyć udziału oddziaływania statycznego ani udziału oddziaływania zmęczeniowego. W tym przypadku bezpiecznie przyjmuje się, że wszystkie oddziałujące obciążenia są związane ze zmęczeniem. Może to prowadzić do bardzo zachowawczych wyników, zwłaszcza jeśli udział obciążenia statycznego jest bardzo wysoki w porównaniu z udziałem obciążenia zmęczeniowego, tzn. jeśli obciążenie ma przede wszystkim charakter statyczny. 
Jeżeli spełnione są oba warunki (a) i (b), dostępna jest dokładna wiedza na temat obciążenia statycznego i obciążenia zmęczeniowego oraz można oszacować liczbę cykli obciążenia. W takim przypadku wytrzymałość zmęczeniowa jest ograniczona do wartości wynikającej z krzywej S-N, biorąc pod uwagę liczbę cykli obciążenia, jeśli dostępna jest kompletna krzywa Wöhlera. Wynika to z faktu, że tylko taki schemat pozwala na określenie charakterystycznej wytrzymałości zmęczeniowej systemu kotwienia, ponieważ wytrzymałość zmęczeniowa jest funkcją liczby cykli obciążenia n. Schemat wytrzymałości zmęczeniowej (krzywa Wöhlera) kotwy można wyznaczyć eksperymentalnie podczas procesu kwalifikacji/oceny systemu kotwienia w oparciu o dokument EAD 330250-00-0601.

Metoda projektowania II, tj. metoda uproszczona, ma zastosowanie, jeżeli można wyznaczyć tylko całkowite obciążenie, ale nie można dokładne przypisać oddziaływania statycznego i oddziaływania zmęczeniowego, a liczba cykli obciążenia w całym okresie użytkowania nie jest znana. W związku z tym w metodzie projektowania II zakłada się nieskończoną liczbę cykli, a oddziaływania statyczne i zmęczeniowe nakładają się na siebie. 

Portfolio łączników Hilti do zastosowań związanych z obc. zmęczeniowym
Poniższe systemy mocowania zostały przetestowane zgodnie z dokumentem EAD 330250-00-0601 i mogą być uwzględniane w projektach w warunkach zmęczenia za pomocą software Hilti Profis. Oferta Hilti do zastosowań związanych ze zmęczeniem obejmuje kotwy chemiczne, kotwy mechaniczne i kotwy podcinające wykonane z różnej klasy materiałów stalowych i mające różne właściwości użytkowe. 

Rysunek 2: Przegląd systemów kotwiących Hilti dla obciążeń zmęczeniowych

Zestaw wypełniający Hilti jest ważny dla niezawodnego przenoszenia obciążeń, nie tylko obciążeń zmęczeniowych

Zgodnie z raportem EOTA TR 061 potrzebne są środki w celu zminimalizowania wpływu na charakterystykę nośności wskutek nieoczekiwanego przemieszczenia zamocowania, na przykład w wyniku powstania wolnej przestrzeni pierścieniowej wokół otworu. W tym celu firma Hilti dostarcza zestaw wypełniający składający się z podkładki wypełniającej, podkładki soczewkowej i nakrętki zabezpieczającej; zob. rysunek 3. 

Rysunek 3: Zestaw wypełniający Hilti realizujący cztery główne zadania związane z niezawodnym przenoszeniem obciążeń

Sama nazwa „zestaw wypełniający” opisuje jednak tylko jedną czwartą prawdy. Zestaw wypełniający Hilti realizuje cztery główne zadania:
(a) spełnia wymagania raportu EOTA TR 061 i odpowiednich ocen ETA względem redukcji wolnej przestrzeni pierścieniowej w elemencie mocowanym za pomocą podkładki wypełniającej,
(b) dopuszcza możliwość niewielkiego wychylenia kotwy z pionu podczas montażu bez uwzględniania dodatkowych momentów zginających działających na nią dzięki zastosowaniu podkładki soczewkowej,
(c) zapewnia niezawodne przenoszenie sił ścinających, 
(d) zapewnia nakrętkę zabezpieczającą, aby zapewnić długoterminowe bezpieczeństwo funkcjonowania zamocowania

W związku z tym korzyści dla użytkownika-projektanta można podsumować w następujący sposób:
(a) możliwość stosowania kotew pod obciążeniem statycznym lub zgodnie z normą EN 1992-4 i raportem EOTA TR 061 pod obciążeniem zmęczeniowym przy powiększonym otworze w materiale mocowanym,
(b) podwojenie nośności obliczeniowej przy sejsmicznym obciążeniu ścinającym,
(c) kompensacja nieplanowanego momentu zginającego działającego na kotwę z powodu nachylenia kotwy oraz 
(d) brak potrzeby oddzielnej weryfikacji podkładki, ponieważ grubość podkładki jest wystarczająca, aby uniknąć ewentualnego zniszczenia polegającego na jej zniszczeniu (przeciągnięciu płytki stalowej przez podkładkę i nakrętkę).

Wnioski
Charakterystyka zmęczeniowa materiałów cechuje się często krzywą S-N, znaną również krzywą Wöhlera. W przypadku kotew ogólna wytrzymałość zmęczeniowa wiąże się z trzema formami zniszczenia, dlatego wytrzymałości tej nie można oceniać czysto teoretycznie. W związku z tym należy stosować kotwy zatwierdzone do zastosowań związanych ze zmęczeniem. W przypadku „zastosowań podstawowych” proces szczegółowej kwalifikacji (EAD 330250-00-0601) i projektowania (EOTA TR 061, EN 1992-4) jest obecnie stosowany tylko w Europie. W porównaniu z raportem EOTA TR061 w normie EN 1992-4 nie opisano szczegółowo, w jakich warunkach trzeba weryfikować obciążenia zmęczeniowe. W żadnym z obu podejść do projektowania nie dopuszcza się szczelin pierścieniowych w otworach w materiale mocowanym i nie należy dopuszczać do poluzowania nakrętki. Zestaw dynamiczny Hilti stanowi skuteczne rozwiązanie do wypełniania szczelin pierścieniowych. Obciążenie ścinające należy przykładać bez ramienia siły. 


Dokumenty odniesienia
[1] EUROPEJSKI DOKUMENT OCENY EOTA 330250-00-0601 - "Wklejane łączniki do stosowania w betonie przy cyklicznym obciążeniu zmęczeniowym"
[2] EOTA Technical Report TR 061 - Metoda projektowania łączników do stosowania w betonie przy cyklicznym obciążeniu zmęczeniowym; 2020
[3] Eurokod 2 - Projektowanie konstrukcji z betonu zbrojonego i sprężonego - Część 4: Projektowanie zakotwień mocowań w betonie EN 1992-4:2018.