2. OPĆENITO

2.1. Klasa Liberty

Kao dio vladinog projekta tijekom 2.svjetskog rata, SAD su počele blokovski graditi teretne

brodove kojima bi cijeli trup i oprema bili spojeni zavarima. 2708 brodova klase Liberty je

izgrađeno u periodu od 1939 do 1945.godine. U prijevodu, za izgradnju jednog broda bilo je

potrebno samo 5 dana! Više od 200 brodova te klase je nepovratno oštećeno ili potopljeno, a

1031 oštećenja ili nezgoda zbog krhkog loma je prijavljeno do 01.travnja 1946.g. od 2708

Liberty brodova, 500 su bili T2 tankeri, od kojih je jedan bio i Schenectady, o kojemu će se

voditi riječ u daljnjem kontekstu.

Slika Izgrađena serija Liberty brodova

Ti teretni brodovi imali su namjenu prijenosa vojne logistike kako bi se osigurala pobjeda

SAD-a u Pacifičkom ratu. 19 već postojećih i 18 novoizgrađenih brodogradilišta su bila

namijenjena jedino za gradnju Liberty brodova. Zavarena konstrukcija broda omogućavala je

izgradnju broda u blokovima, čime je znatno ubrzan proces isporuke broda. Ovakva metoda

se u to vrijeme koristila i u Japanu. Istraga o uzrocima nesreća bila je sustavno istraživanje i

ispitivanje strukture i zavara. U privremenom izvješću se dalo do znanja da su nužne

promjene u konstrukciji, koja bi smanjivala koncentracije naprezanja, promjene i poboljšanja

u kvaliteti zavarenih spojeva, te smanjenje zaostalih naprezanja uslijed zavarivanja.

Nesreće brodova klase Liberty aktivirale su i doprinijele razvoju međunarodnog interesa za

razvoj visoko zavarljivog čelika. Masivni porast proizvodnje je bio moguć zbog prelaska s

zakovica na elektrolučno zavarivanje. Brodogradilišta su ustrojena za takvu masovnu

1

proizvodnju, odnosno bila su opremljena novom zavarivačkom opremom za teške čelične

limove i profile.

2.2. Schenectady

Brod Schenectady je jedan od brodova iz klase Liberty, a osnovna oznaka mu je T2 SE-A1

tanker. Dugačak je 152 m, DWT 15 000 t.

Datuma 16.01.1943. je izvršen posljednji pregled pred porinuće u luci u Oregonu; posada je

bila na brodu, brod je bio potpuno pregledan, a balast je bio pumpama dopremljen u

spremnike na krmi i pramcu, kako bi slijedeći dan bio spreman za isplovljavanje. Noć u kojoj

je brod bio još uvijek u cijelosti je bila hladna, do 18°C ispod nule, da bi se temperatura zraka

pred jutro dignula do -3°C. Temperatura mora je bila 4°C. Tada se, bez ikakvog upozorenja,

čula buka, za koju su očevici primijetili da se čula milju daleko! Činjenica je da se nije

dogodila nikakva eksplozija, već se Schenectady prepolovio po širini, iza same konstrukcije

mosta. Pukotina se proširila preko glavne palube po poprečnom presjeku.

Slika Schenectady nakon puknuća duž poprečnog presjeka

Težina spremnika balasta i teških brodskih strojeva i uređaja na pramčanom i krmenom

dijelu broda doprinijeli su ubrzanom razvoju pukotine. Samo je oplata dna ostala netaknuta.

Sa lijeve i desne strane broda vidjeli su se krakovi ''V'' pukotine, a vrh joj je bio 4 metra u

duljini.

2

Slika Nacrt Schenectadyja i oznaka mjesta pukotine

Za iznenadni lom odmah su bili okrivljeni zavareni spojevi, ali glavni inspektor je uvidio da

pukotina ne slijedi spoj već je nekoliko centimetara od njega, što je bio utjecaj velike

koncentracije zaostalih naprezanja.

Čitava serija Liberty brodova je bila oskudno opremljena. Pramac je bio prostran, a krma

kao u kruzera. Bili su opremljeni komandnim mostom te sa osam nepropusnih spremnika

tereta. Konstruirani su tako da barem jednom moraju prevesti teret neoštećen na odredište.

Motor im je imao 2500 KS, a brzina je bila 10-11 čv.

2.2.1. Etape izrade Schenectady-ja

DAN 1. Izrada započinje polaganjem kobilice, paralelno s čim se polažu i čelične trake,

odnosno tanki limovi ''A'', ''B'' i ''C''. Trake se zatim zavaruju, formirajući kompletnu oplatu

dna broda. Montaža krme se sastoji iz krmenog okvira, orebrenja i tunela propelerske osovine,

što se sve tim redoslijedom i zavaruje.

3

DANI 2. I 3. Zavaruju se sekcije unutarnjeg dna zajedno s cjevovodima. Nakon spuštanja

grijača (4) započinje montaža glavnog motora. Poprečne pregrade središnjeg dijela broda (6)

su tada errected, a za njima slijede pregrade prema krmi i pramcu (2). Kada se spuste i polože

unutarnje sekcije pramčanog dijela, nakon toga se orebrenja dubokih tankova (9) i središnja

pregrada iznad kobilice (8) spajaju u cjelinu.

DAN 4. Dodatne pregrade su errected. The stern casting sklopljen s brodskom oplatom i

orebrenjem je errected kao cjelina. Polovica dubokog tanka je errected, kao i dodatna

brodska oplata. Time je završena prva sekcija druge plaube.

4

DAN 5. Za vrijeme trajanja radova na drugoj palubi, završeno je postavljanje poprečnih

pregrada do druge palube. Zatim se dodaju postolja strojeva i uređaja u strojarnici, kao i

pomoćni brodski uređaji s pripadnim cjevovodima.

DAN 7. Dok je druga paluba blizu završetku radova, oplata je postavljena tik iznad druge

palube. Dodaju se i spremnici pitke vode te se oblikuje pramčani dio postavljanjem i

dovršavanjem orebrenja.

DAN 8. Druga paluba je završena, kao i oplata na pramčanom dijelu iznad druge palube.

Mnogo pregrada između druge i viših paluba, kao što su glavna transverza i boiler casing

bulkheads, su errected. Grotla druge palube i temelji grotala za treću palubu su izrezani i

postavljeni.

5

DAN 9. Prve ploče sekcije gornje palube su errected kako se oplata kompletira. Opseg

radova u unutrašnjosti se povećava.

DANI 10. I 11. Oplata broda je kompletirana i svi dijelovi osim jedne sekcije gornje palube

su kompletirani i zatvoreni. Ta jedna sekcija je izostavljena sve dok se pregrade između druge

i gornje palube ne postave na mjesto. Započinje konstrukcija glavnog rebra palubnih kućica.

6

DANI 12. – 14. Gornja paluba je kompletirana. Unutarnje pregrade za sredeišnje palubne

kućice se zavaruju na mjesto. Pramčana paluba također je gotova. Jarbolne kućice i ostale

strukture nadgrađa su također postavljene.

DANI 15. - 19. Nakon postavljenih krmenih palubnih kućica, postavljaju se i zavarujui one

u središnjem dijelu broda. Kormilo i brodski vijak se instaliraju, kao i jarbol i boiler stack te

pramčani gun mount. Većina palubnih uređaja i strojeva je instalirana.

DANI 20. – 27. Brod je opremljen opremom za sidrenje, opremom za spašavanje i ostalom

pomoćnom i dodatnom opremom. Stavljaju se završni slojevi boje i započinje pokusna

plovidba.

7

3. MEHANIKA PRIJELOMA

Nakon vizualnog pregleda uzeti su uzorci iz okoline pukotine te poslani na testiranje.

Zaključak ispitivanja je da je čelik u skladu sa standardima American Bureau of Nacional

8

Standards. Kasnija istraživanja u pokazala da je do iznenadnog puknuća došlo zbog krhkog

loma zbog niskougljičnog čelika, što vuče za sobom mnogobrojne faktore kao što su zaostala

naprezanja, slabo primanje zavara, osjetljivost na utjecaj topline itd. Nesreća je pokazala

važnost udarne žilavosti, a što je označilo rađanje i stvaranje mehanike loma.

3.1. Lomna žilavost

Utemeljitelj mehanike loma je aeronautički inženjer A.A.Griffith i upravo se on bavio

problemom krhkog loma – uzroka i posljedica. Nakon 20 godina njegov rad je premodulirao

G.R.Irwin i njegov tim; činjenice su svedene na naprezanja, a ne na energiju. Njihov rad je

rezultirao novootkrivenim svojstvom materijala – lomnom žilavosti.

Lomna žilavost je svojstvo materijala (s pukotinama) da se odupre lomu, a jedinica je MPa

√m . Drugim riječima, to je kvantitativni način prikaza otpora materijala krhkom lomu uz

prisutnost pukotine. Ako materijal ima veliku vrijednost lomne žilavosti, vjerojatno će podleći

krhkom lomu.

3.1.1. Griffithova teorija loma

Griffithova teorija loma temelji se na pretpostavci da je lomna čvrstoća ograničena

postojanjem pukotine veličine 2a u materijalu.

Slika Pukotina u beskonačnoj ploči opterećena okomito na smjer pukotine

Lomna čvrstoća je naprezanje izraženo u N/mm2 ili MPa, kod kojega je nastupio lom.

9

Za jednostavan slučaj tanke vlačno napregnute pravokutne ploče s pukotinom okomitom na

opterećenje, Griffithova teorija glasi:

G= π σ2 aE

G – modul smičnosti, predstavlja omjer smičnog naprezanja τ i smične deformacije γ

G= τγ/MPa , odnosno

G= E2(1+μ)

/MPa

σ - primijenjeno opterećenje

a – polovina duljine pukotine

E – Youngov modul elastičnosti, predstavlja koeficijent smjera Hooke-ova pravca:

E=σε/MPa

Modul elastičnosti E povezan s Hooke-ovim zakonom može se prikazati teorijom

elastičnosti, odnosno promatranjem kristalnih rešetki čvrstih tijela. U fazi kada ne postoji

10

naprezanje atomi se nalaze na svojim mjestima, u ravnotežnim položajima. Dođe li do pojave

deformacije, taj razmak se smanjuje ili povećava, ovisno o deformaciji. Za male

deformacije ovisnost sile o promjeni udaljenosti r je linearna:

Poput drugih metala i čelik je elastičan, barem dok naprezanje (istezanje/deformacija) ne

prijeđe granicu elastičnosti nakon koje deformacije materijala postaju trajne.

Energija deformacije se može definirati i kao stupanj djelovanja kod kojeg je energija

apsorbirana razvojem pukotine.

11

Slika Griffith je u svom radu prepoznao makroskopsku potencijalnu energiju sustava koji se sastoji

od unutarnje pohranjene elastične energije i vanjske potencijalne energije kod primijenjenog

opterećenja, koje ovise o promjeni veličine pukotine. Shvatio je da je lom povezan s potrošnjom

energije: U=U 0−U a+U γ, gdje je U -ukupna potencijalna energija sustava, U 0-energija

deformiranja ploče prije stvaranja pukotine, U a-gubitak energije nastao relaksacijom naprezanja

zbog stvaranja pukotine, U γ- porast energije ploče nastao stvaranjem površinske napetosti na novim

slobodnim plohama.

Također imamo formulu:

GC=σ f

2 aE

Ako vrijedi da je G ≥GC , to je kriterij za širenje pukotine.

Kritično naprezanje za stvaranje pukotine je σ C=(2Eγ 0

πa)

12 /MPa , a do kojeg smo došli

preko slijedećih formula:

W e=π ∙σ2∙a2

E We – elastična distorzijska energija

σ - vlačno naprezanje

a – polovica duljine pukotine

E – Youngov modul

W p=4 ∙ a ∙ γ 0 Wp – energija za stvaranje nove površine loma

12

γ 0−površinska energija.

Griffith je dao i kriterij za proširenje pukotine:

d W e

da=

d W p

da

Uvrstimo li gornje formule u tu, dobijemo formulu za kritično naprezanje, dok je kritična

duljina pukotine:

aC=2 Eγ0

πσ2 ,

koja vrijedi za iznimno krhke materijale, što je eksperimentalno određeno. Za materijale veće

žilavosti je relativno ograničena.

3.1.2. Irwinova modificirana teorija loma

Irwinova teorija temelji se na pretpostavci plastične zone na vrhu pukotine, i time je proširio

Griffithovu teoriju i na duktilne materijale. On je ustvrdio da postoji određena energija iz

plastične deformacije koja se mora dodati energiji naprezanja kako bi se održala Griffithova

teorija.

U duktilnim materijalima, pa čak i nekim krhkim, plastična zona se razvija na vrhu

pukotine. Kako se opterećenje na materijal povećava, područje plastične zone se također

povećava sve dok pukotina ne naraste, a materijal oko nje ne popusti.

Slika Plastična zona oko vrha pukotine u duktilnom materijalu

13

Slika Komponente naprezanja u Irwinovoj analizi

Slijedeće formule se odnose na pojmove o energiji koje je koristio Griffith:

K I=σ √ πa KC=√E GC za ravninsku deformaciju;

KC=√ E GC

1−ϑ 2 za ravninsko naprezanje.

KI – intenzitet naprezanja

KC – lomna žilavost

ϑ – Poissonov koeficijent.

Važno je napomenuti da koeficijent KC ima različite vrijednosti kada se mjeri pod ravninskom

deformacijom i pod ravninskim naprezanjem.

Pukotina se javlja kada vrijedi:

K I ≥ KC

U oznaci KI i KC indeksi predstavljaju načine djelovanja opterećenja na materijal koji

omogućuju nastanak pukotine. U skladu s tim, postoje tri osnovna načina djelovanja sile koja

uzrokuje nastanak i napredovanje pukotina:

Mod (način) I – odcjepni tip, otvaranje ravnina – normalno vlačno naprezanje djeluje na

ravninu pukotine, površine loma se odvajaju jedna od druge;

14

Naprezanja: σ x=K I

√2 πrcos

θ2 [1−sin

θ2

sin 3θ2 ]

σ y=K I

√2 πrcos

θ2 [1+sin

θ2

sin 3θ2 ]

τ xy=K I

√2πrcos

θ2

sinθ2

cos3θ2

σ z=0

Mod (način) II – smični tip, uzdužno smicanje – posmično naprezanje djeluje paralelno s

ravninom pukotine, a okomito na lice pukotine;

Naprezanja: : σ x=−K II

√2 πrsin

θ2 [2+cos

θ2

cos3θ2 ]

15

σ y=K II

√2 πrsin

θ2

cosθ2

cos3θ2

τ xy=K II

√2 πrcos

θ2 [1−sin

θ2

sin 3θ2 ]

Mod (način) III – vijčani tip, poprečno smicanje – posmično naprezanje djeluje paralelno s

ravninom pukotine i paralelno s licem pukotine.

Naprezanja: τ xz=−K III

√2 πrsin

θ2

τ yz=−K III

√2 πrcos

θ2

Odnos između modova je:

K IC<K II <K I II

Također je potrebno spomenuti i bezdimenzijski faktor korekcije Y koji opisuje geometriju.

Vrijedi: K I=Yσ √πa ,

gdje Y predstavlja funkciju duljine pukotine 2a kroz debljinu površine i konačne širine

ispitivane površine:

16

Y ( aW )=√sec( πa

W ) , ili

Y ( aW )=1.12−0.41

√ πaW

+18.7√π ( a

W )2

−.. .

za površinu konačne širine W koja sadrži rubnu pukotinu a kroz čitavu debljinu površine.

17

4. LOMNA ŽILAVOST

U prethodnim naslovima već je spomenuto kako je do havarije broda Schenectady došlo

zbog krhkog loma uzrokovanog zaostalim naprezanjima u zavarenom spoju, nekvalitetnom

čeliku, utjecaju temperature i težinskim opterećenjima uzrokovanim brodskim sustavima u

pramcu i krmi (nisu doveli do loma, ali su pridonijeli širenju pukotine).

Slika Utjecajni faktori na krhki lom

Prije negoli budu pojašnjeni svi čimbenici nastajanja loma na Schenectady-ju, potrebno je

posvetiti pozornost karakteristikama materijala te nastajanju krhkog loma i što je on uopće.

18

4.1. Općenito

Lomna žilavost je svojstvo materijala da se odupre lomu. Označava se sa KIC, a jedinica je

MPa √m. Subskript IC je oznaka za čisto vlačno naprezanje (tensile modus I), odnosno

otvaranje pukotine pod utjecajem normalnog vlačnog naprezanja okomitog na smjer pukotine.

Drugačije rečeno lomna žilavost je kritična vrijednost koncentracije naprezanja na vrhu

pukotine pri kojoj nastupa nestabilni rast pukotine pod uvjetima stanja ravninske deformacije.

S njom u vezi je i mehanika loma koja proučava nastajanje, širenje i razvoj pukotine u

materijalu sve do nastanka pukotine.

Koeficijent intenziteta naprezanja KI je funkcija opterećenja, veličine pukotine i strukturne

geometrije, a predstavlja se slijedećom jednadžbom:

K I=σ √ πaY

KI – lomna žilavost, MPa √m

σ – applied stress, Mpa

a – duljina pukotine, m

Y – bezdimenzijska konstanta ovisna o geometriji uzorka.

Razlika između faktora intenziteta naprezanja KI i lomne žilavosti KIC je jednaka odnosu

naprezanja i vlačnog naprezanja. KI predstavlja razinu naprezanja na vrhu pukotine, dok je KIC

najveća vrijednost intenziteta naprezanja koja materijal pod utjecajem plane-strain može

podnijeti bez loma. Kada faktor koncentracije naprezanja dostigne vrijednost KIC ili veću,

javlja se brzi lom:

K ≥ K IC=√E GC=const .

E – mjerljiva svojstva materijala

GC≈ 2 γ S - površinska energija (po Griffith-u).

KIC vrijednosti mogu pomoći u određivanju kritičnih duljina pukotina u materijalu pod

utjecajem (velikih) opterećenja, odnosno naprezanja:

19

σ C ≤K IC

Y √πa

σ C - kritično naprezanje koje uzrokuje lom materijala

Y – konstanta ovisna o geometriji uzorka

a – duljina pukotine (za rubne pukotine), ili polovina duljine pukotine za unutarnje

lomove.

Postoje 2 osnovne faze u procesu loma:

Formiranje, nastajanje pukotine

Širenje pukotine.

OVDJE UBACITI ZRNA I DISLOKACIJE

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Structure/

deformation.htm

4.2. Krhki lom

Krhki lom karakterizira veoma mala plastična deformacija i niska razina absorpcije

energije neposredno prije loma. Pukotina uzrokovana krhkim lomom se širi iznimno

brzo i bez dodatnog povećanja opterećenja na taj dio. Krhki lom se događa kada je

temperatura u eksploataciji zavarene konstrukcije niža od temperature prijelazne

temperature iz žilavog u krhko stanje, uz utjecaj naprezanja. Lom je glasan i brz, a na

prijelomnoj površini nema vidljive deformacije.

20

Slika Usporedba izgleda krhkog i duktilnog loma

S obzirom na mjesto nastanka, razlikuju se dvije vrste krhkog loma: interkristalni i

transkristalni lom.

U transkristalnom lomu lom putuje kroz kristalna zrna. Smjer loma se mijenja od

zrna do zrna u materijalu zbog različite lattice orientation atoma u svakom zrnu.

Kada lom stigne do novog zrna, odabire najlakši put prolaska kroz njega, gdje nije

nužno da se kreće duž njegovih granica. To se javlja zbog toga što zrna nisu

jednoliko raspoređena u materijalu. Javlja se pri niskim temperaturama pod

utjecajem velikih naprezanja. Promjene smjera mogu biti uvjetovane i nečistoćama u

materijalu ili nesavršenostima.

U interkristalnom lomu pukotina napreduje uvijek duž granica zrna, ne kroz njih.

Najčešći uzroci interkristalnog loma su nepravilno zavarivanje (ZUT), zaostali vodik u

zavaru ili materijalu itd. Interkristalni lom se javlja pri kontinuiranom opterećenju.

21

Slika Shematski prikaz promjena u mikrostrukturi čelika

4.2.1. Prijelaz iz duktilnog u krhko stanje

22

Slika Usporedba krivulje deformacija između krhkih i duktilnih materijala

Već je prije spomenuto da krhki lom karakterizira veoma mala plastična deformacija i niska

razina absorpcije energije neposredno prije loma. Vezano uz krhke materijale potrebno je

spomenuti i duktilne, odnosno materijale sa svojstvom žilavosti. Duktilnost je svojstvo

materijala da podnese plastičnu deformaciju prije loma. Usporedba i faze dolaska do krhkog,

odnosno duktilnog loma može se promotriti na dijagramu istezanje-naprezanje.

23

Slika Krivulja istezanje-naprezanje za duktilni materijal

Hookov zakon je primjenjiv u elastičnom području, dok je već upitan u pdručju elastic limit i

yield point, a naprezanje se rapidno povećava.

Slika Krivulja istezanje-naprezanje za krhki materijal

24

Područje između točaka 1 i 2 je elastično područje. Ako se opterećenje ukloni, materijal se još

uvijek može vratiti u prvobitno stanje. Točka 2 je elastic limit. Točka 3 je granica (točka)

razvlačenja. Područje između točki 2 i 5 je plastično područje zato jer kad materijal jednom

stigne do njega, ne može se kasnije vratiti u prvobitno stanje ma koliko se opterećenje

smanjilo. Točka 4 je granična čvrstoća, a točka 5 je točka loma.

Slika Grafički općeniti prikaz svojstava materijala na dijagramu istezanje-naprezanje: ''A''- krhki

materijal; ''B''- strong material koji nije duktilan (čelična žica); ''C''- duktilni materijal; ''D''- plastični

materijal

5. UTJECAJNI FAKTORI NA KRHKI LOM

5.1. Temperatura

Slijedeći dijagram prikazuje promjene u ponašanju loma od duktilnog stanja na visokim

temperaturama do krhkog stanja na niskim temperaturama.

25

Slika Različiti kriteriji prijelazne temperature dobiveni Charpy-jevim testom: T1- temperatura na kojoj

je lom 100% duktilan; T2-

temperatura na kojoj je lom

50% duktilan i 50% krhak;

T3- temp at the average

energy absorption of upper

and lower shelves; T4-

temperatura definirana kod

CV=20J; T5- temperatura na

kojoj je lom 100% krhak.

Oblik i pozicija krivulje

tranzicijske temperature

su važni zbog toga jer određuju prijelaznu (tranzicijsku temperaturu), koja prikazuje koje

područje je sigurno za određenu upotrebu. Postoji nekoliko faktora koji utječu na tu krivulju:

Kristalna struktura

Intersticijski atom

Veličina zrna

Toplinska obrada

Orijentacija uzorka

Debljina uzorka.

FCC kristalna rešetka (Pb, Cu, Ni, Ag, Al...) retain duktilnost na niskim temperaturama. BCC

kristalna rešetka (Fe, Cr, Mo, W...) postiže određeni prijelaz iz duktilnog u krhko stanje u

određenom temperaturnom području.

26

Slika Dijagram naprezanja i temperature za nastajanje i razvoj pukotina

Dijagram prikazuje da kako se temperatura spušta (krivulja A), yield strenght se povećava.

Povećanje vlačne čvrstoće je manje od povećanja u yield point. Na nešto nižoj temperaturi

(10°F za ugljične čelike), yield strenght i vlačna čvrstoća se podudaraju (NDT temperatura).

Na toj i nižim temperaturama nastaje krhki lom.

27

5.2. Statičko opterećenje

Sve do kraja 2. svjetskog rata brodovi za prijevoz suhog tereta su obično bili

nespecijalizirani. Prenosili su opći teret u bilo kakvom obliku i ukrcavali su ga i iskrcavali s

vlastitom opremom, što je rezultiralo naknadnim prevelikim koncentracijama naprezanja na

nepotrebnim mjestima, s tim vezano i mogućim nastankom pukotina, odnosno loma.

Opterećenja se tradicionalno promatraju kao opterećenja na mirnoj vodi i opterećenja na

valovima. Lokalna statička opterećenja broda na mirnoj vodi se promatraju kao vanjski

hidrostatički tlakovi mora na podvodni, uronjeni dio brodskog trupa i kao unutarnje sile i

tlakovi uslijed vlastite težine, ukrcanog tereta i zaliha. Kod loma Schenectady-ja utjecaj su

imala i vanjska i unutarnja opterećenja.

28

Slika Lokalna opterećenja i deformacije brodskog okvira

Uzevši u obzir Arhimedov zakon koji kaže da tijelo uronjeno u tekućinu izgubi na težini

onoliko koliko teži tim tijelom istisnuta tekućina, slobodno se može izvesti da na uronjeno

tijelo (brod) djeluje statičko opterećenje na donji i dijelom bočni dio trupa. Svi tlakovi djeluju

okomito na površinu.

29

Na slici je za proračun uzet mali stupac s osnovicom d f=dx ∙ dy, odnosno tlak na tom stupcu

je jednak visini stupca vode pomnoženim s površinom osnovice ovog stupca. Čitav tlak je

suma svih tih malih pojedinačnih tlakova i glasi:

A=∫ pdxdy=∫ z ∙ γ ∙ dxdy=γ∫ zdxdy

Uvrstimo li:

z=h i df=dxdy,

dobijemo:

∫ hdf =V (volumen broda), odnosno A=γ ∙ V

i to je Arhimedov zakon.

Kod Schenectadyja je velikih naprezanja bilo na poprečnom dijelu broda, što je čest slučaj i

kod današnjih brodova – poprečne pregrade i okvirna rebra. Također se ne smije umanjiti i

utjecaj tereta u tankovima gdje je brod najviše opterećen.

Slika Jednostruko dno kod tankera stare izvedbe

Dopuštena naprezanja pri statičkom opterećenju za krhke materijale glase:

σ dop=Rm

ϑ

gdje se faktor sigurnosti ν usvaja u granicama: n= 1,5... 2,5 (... 4), dok dopuštena naprezanja

pri statičkom opterećenju glase:

30

Slika Opterećenje dna broda uslijed težine tereta

Povećane koncentracije naprezanja najviše nastaju na konkretnim mjestima:

Spojevi poprečnih okvira i uzdužnjaka;

Krajevi koljena;

Spojevi s ukrepama ili ostalim sekundarnim elementima konstrukcije;

Uzdužnjaci boka.

Granična izdržljivost broda je najmanja čvrstoća brodskog trupa čije premašivanje

uslijed povećanja opterećenja dovodi do sloma. Teorija elastičnosti ne daje odgovora o

konačnom slomu brodskog trupa, nego samo o mogućem početku plastičnih deformacija

na najnapregnutijim dijelovima trupa. Početne plastične deformacije su uvod u formiranje

plastičnog zgloba prije konačnog sloma trupa.

31

Slika Glavni načini loma čeličnih strukturnih elemenata prikazuju se na osnovi ovisnosti opterećenja q i defleksije δ za lokalne plastične deformacije (1), izvijanje nosača (2) i izvijanje

opločenja (3)

32

5.3. Pogreške u zavarenim konstrukcijama

Svaki tehnološki proces nosi stalnu opasnost od nastajanja određenih grešaka. Pod greškama

se smatraju one indikacije koje prelaze kriterije prihvatljivosti za pojedine tipove grešaka. S

obzirom na brojnost utjecajnih čimbenika na kvalitetu zavarenih spojeva, na tu je opasnost

potrebno posebno obratiti pozornost pri izradi zavarene konstrukcije. Prema HRN EN 26520

postoje podjele grešaka u zavarenim spojevima:

Prema uzroku: konstrukcijske greške, metalurške greške, tehnološke greške

Prema vrsti: uključci (plinski i u čvrstom stanju), naljepljivanje, nedostatak provara,

pukotine, greške oblika i dimenzija

Prema položaju: greške duž cijelog presjeka, površinske greške, podpovršinske

greške i unutrašnje greške

Prema obliku: ravninske greške (zanemaruje se treća dimenzija greške), prostorne

greške (uzimaju se u obzir sve tri dimenzije greške), oštre greške (izraženo zarezno

djelovanje), zaobljene greške (slabije zarezno djelovanje), izdužene greške,

kompaktne greške

Prema veličini: male, srednje i velike greške

Prema brojnosti: pojedinačne greške, učestale greške, gnijezdo grešaka.

Tehnološke greške najčešće su prisutne u zavarenim spojevima, a posljedica su loše i/ili

nedovoljne izvedbe postupka zavarivanja. Jedan od utjecajnih faktora na puknuće

Schenectadyja je nastanak nepravilnosti i pukotina utjecajem nedovoljno kvalitetnog

33

materijala i postupka zavarivanja. Za izradu zavarenih konstrukcija mora se obavezno

koristiti osnovni materijal dokazane zavarljivosti. Svi zavareni spojevi bitnih elemenata

strukture i okolno područje moraju biti tako izvedeni da omoguće što blaži raspored

naprezanja bez značajnih koncentracija naprezanja i naglih promjena krutosti.

Uzeli smo u obzir da su zavari na sredini Schenectady-ja bili statički opterećeni ta da je

dopušteno opterećenje :

σ dop=b2 ∙bs ∙ σmdop

b2 – faktor kvalitete zavara

bs – faktor slabljenja, faktor smanjenja čvrstoće u odnosu na nezavaren spoj

σ mdop - dozvoljeno naprezanje osnovnog materijala: σ m dop=R t

Spotr

Kod spojeva, odnosno zavara potrebno je spomenuti i vršno naprezanje za sučeljeni spoj:

Slika Zarezno naprezanje u korijenu zavara

σ k=σ m+σb+σnl

Pod vršnim naprezanjem podrazumijeva se lokalno povećanje naprezanja u zarezu, odnosno

na rubu zavara.

Najozbiljnije greške u zavarenim spojevima su pukotine, a one mogu biti hladne, tople,

nastale uslijed naknadne toplinske obrade i nastale uslijed lamelarnog odvajanja.

U praksi se najviše susreću hladne pukotine, a koje su također sadržane i u mjestu loma

Schenectadyja. Hladne pukotine se još nazivaju i ''zakašnjele'' pukotine jer se mogu javiti i do

nekoliko dana nakon zavarivanja. Sklonost hladnim pukotinama se analitički određuje uzevši

34

u obzir ekvivalent ugljika. Nelegirani i niskolegirani čelici kod kojih je C ekv ≥0.45 su skloni

pukotinama. Slijedi formula:

C ekv=C+Mn6

+Ni15

+Mo4

+Cr5

+Cu13

+Si26

+P2

+V/5

Slika Vrh hladne pukotine

Hladne pukotine uzrokuje krhka zakaljena struktura, difuzijski vodik i reakcijska zaostala

naprezanja, te se na čeliku od kojeg je uzgrađen Schenectady trebalo izvršiti predgrijavanje

kako bi se one sanirale.

Predgrijavanje podrazumijeva zagrijavanje područja zavarivanja iznad temperature okoline na

temperaturu To prije početka zavarivanja te njeno održavanje za vrijeme zavarivanja.

35

Predgrijavanjem se postiže izlazak difuzijskog vodika, smanjenje brzine hlađenja zone

utjecaja topline i smanjenje zaostalih naprezanja.

Slika Temperatura predgrijavanja u ovisnosti o Cekv i debljini limova (Seferian)

Zaostala naprezanja su naprezanja koja ostaju unutar strukture nakon što se uklone sve

vanjske sile koje na nju djeluju. Nastaju nakon plastične deformacije uslijed mehaničkih ili

termičkih opterećenja ili uslijed faznih promjena. Kod Schenectadyja su postojala zaostala

zatezna naprezanja koja otvaraju pukotine i povećavaju njenu propagaciju. Zbrajanjem

radnih i zaostalih naprezanja smanjuje se nosivost konstrukcije. Visoka razina vlačnih ZN i

zbroj radnih i ZN povećava sklonost pojavi pukotina zbog korozije uz naprezanje kao i

drugim vrstama korozije. Bitno se smanjuje i dinamička nosivost pri visokim vlačnim

naprezanjima.

36

Postoji i općenita podjela uzroka zaostalih naprezanja:

37

38

UZROCI ZAOSTALIH NAPREZANJA

UVJETOVANI MATERIJALOM- višefazni sustavi, nemetalni

uključci, točkaste nepravilnostiUVJETOVANI

EKSPLOATACIJOM

MEHANIČKI- plastična deformacija u

blizini zareza ili nemetalnih uključaka,

trajno valjno naprezanje

TOPLINSKI- toplinska zaostala naprezanja uslijed

eksploatacijski uvjetovanog

temperaturnog polja

KEMIJSKI- difuzija vodika kod

elektrokemijske korozije

UVJETOVANI IZRADOM

OBLIKOVANJE (LIJEVANJE)- toplinska

zaostala naprezanja

Različiti postupci zavarivanja stvaraju razlike u mikrostrukturi i kemijskom sastavu metala

šava i ZUT (zoni utjecaja topline). Tijekom zavarivanja dolazi do određenih promjena u

zavarenom spoju. Zaostala zatezna naprezanja oko zavarenog spoja mogu dostići veličinu

granice tečenja materijala.

Ako se izdvoji zavar od okolnih limova, tada će on nakon hlađenja bio kraći od okoline.

Budući da je vezan za okolinu, rezultat su zaostala naprezanja na vlak u sredini zavarenog

spoja i naprezanja na tlak u susjednim zonama. Predgrijavanjem se hladna okolina također

istegne, pa će se pri hlađenju skraćivati zajedno sa sredinom zavara, ali za manju veličinu, što

ima za posljedicu manje zaostale napetosti uz predgrijavanje.

39

Ako je temperatura okoline ispod +5°C, tada se preporuča predgrijavanje na temperaturu 60-

80 oC, da bi materijal bio žilaviji čime se smanjuje opasnost krhkog loma, inicijacije i

propagacije pukotina zbog zaostalih naprezanja.

6. ZAMOR MATERIJALA

Krhki lomovi zavarenih konstrukcija brodova serije "Liberty" pokrenuli su razmišljanja

vezana uz postojeća oštećenja konstrukcije kao i utjecaj koncentracije naprezanja i zamora

materijala. Zamorna oštećenja zavarenih spojeva brodske konstrukcije posljedica su

djelovanja niza promjenjivih opterećenja. Obzirom na to kako se mijenjaju s vremenom

razlikujemo tri tipa opterećenja: opterećenja niske učestalosti, srednje učestalosti i visoke

učestalosti.

Pri promatranju nastajanja pukotine kod Schenectadyja vrednuju se opterećenja niske

učestalosti. To su sva opterećenja na mirnoj vodi, nastala promjenama vanjskog i unutarnjeg

tlaka od uzgona i tereta, koja dolaze od različitih stanja krcanja broda, temperaturne promjene

itd. Zamor materijala je pojava vezana uz elastično-plastičnu mehaniku loma te je potrebno

spomenuti i nešto o tome, iako zamor materijala nije konkretno uzrok loma Schenectady-ja,

već samo pojedine stavke.

Zamor materijala se sastoji iz 3 faze:

1. Stvaranje pukotine

2. Napredovanje pukotine

3. Konačni lom.

40

Čelik i zavarivanje

Čelik se, kao konstrukcijski materijal, u brodogradnji počeo koristiti oko 1870. godine.

Razvijanjem inovacija u proizvodnji čelika dolazi do poboljšanja kvalitete materijala za

gradnju brodova i ostalih konstrukcija, a godine 1890-e čelik u potpunosti zamjenjuje željezo.

Glavna prednost je bilo smanjenje dimenzija građevnih elemenata broda, što je uvjetovalo

smanjenjem ukupne težine konstrukcije. Do 2. svjetskog rata pravila klasifikacijskih društava

su opisivala konstrukcije prvenstveno spajane zakovicama. Iako se zavarivanje ograničeno

upotrebljavalo godinama, u potpunosti je prihvaćeno za vrijeme programa hitnog građenja

brodova tijekom 2. svjetskog rata kao strateška i ekonomska potreba. Prednosti Schenectady-

ja u odnosu na zakovično izrađene brodove bile su te da nije više bilo potrebe za

pozicioniranjem rupa za zakovice, njihovim freziranjem i obrađivanjem te zabijanjem. Rubovi

limova nepropusnih prostora na brodu su monolitni, a preklapanje limova se izvršavalo

sučeono zavarenim spojevima koji su reducirali težinu građevnih elemenata i dali joj

potrebnu čvrstoću u spojevima. BLOKOVSKA GRADNJA

Budući da je zadatak Schenectadyja bio prijevoz tereta, njegova težina je morala biti najmanja

moguća uz potrebnu čvrstoću i krutost. LOW-GRADE STEEL

Krhki lom nastao zbog previsokog udjela fosfora i sumpora te nedostatno kvalitetno

izvedenih konstrukcijskih rješenja u području četvrtastih otvora za ukrcaj tereta.

41

42