Коэффициент запаса прочности стропа: что это значит

Грузоподъёмность стропа — это не разрывная нагрузка. Между разрывной нагрузкой и допустимой рабочей нагрузкой существует коэффициент запаса прочности — нормируемый множитель, обеспечивающий безопасность при нагрузках, ударах, перегибах и износе. Понимание этого коэффициента необходимо и при выборе стропа, и при оценке его пригодности к дальнейшей эксплуатации.

Все канатные стропы маркируются с указанием грузоподъёмности — это уже результат деления разрывной нагрузки на коэффициент запаса. При правильном применении запас сохраняется. При нарушении условий — уменьшается.

Что такое коэффициент запаса прочности

Коэффициент запаса прочности (КЗП) — это отношение разрывной нагрузки несущего элемента к допустимой рабочей нагрузке:

КЗП = F_разр / F_доп

Разрывная нагрузка — это нагрузка, при которой канат, цепь или лента разрушается. Допустимая рабочая нагрузка — это грузоподъёмность, указанная в паспорте стропа и на бирке.

Нормативные значения по ГОСТ 25573

ГОСТ 25573 «Стропы грузовые канатные для строительства» и смежные нормативные документы устанавливают следующие минимальные коэффициенты запаса прочности:

• Для канатных стропов — не менее 6 по разрывному усилию каната.
• Для звеньев, крюков, скоб, коушей — не менее 4 по разрушающей нагрузке.
• Для текстильных стропов — не менее 7 по разрывному усилию ленты: синтетические волокна чувствительнее к внезапным повреждениям и менее предсказуемы при дефектах.
• Для цепных стропов — не менее 4 по разрушающей нагрузке цепи: цепь имеет более стабильные механические характеристики, чем канат.

Это означает: если строп рассчитан на 1 т, его канат выдержит не менее 6 т, прежде чем разорвётся. Концевые элементы выдержат не менее 4 т.

Из чего складывается запас прочности

Нормируемые значения получены не произвольно. Каждое из них закрывает сразу несколько независимых источников неопределённости, действующих одновременно:

• Динамические нагрузки. При разгоне и торможении возникают инерционные силы. Усилие в момент рывка может в 1,5–2 раза превышать статическую массу груза.
• Неравномерность нагружения. При несимметричной строповке, перекосе груза или неодинаковой длине ветвей одни ветви нагружены сильнее расчётных значений.
• Износ и усталость. Даже при соблюдении сроков осмотра изделие постепенно теряет прочность: каждый цикл нагружения разрушает поверхностные проволоки и создаёт усталостные трещины.
• Неточность определения массы груза. Масса «по документам» и фактическая могут различаться — особенно для насыпных материалов или изделий с влагой.
• Разброс механических характеристик несущего элемента. Каждая партия каната или ленты имеет допуск на разрывное усилие.

Совокупность этих факторов и закрывается нормируемым коэффициентом.

Как угол строповки снижает фактический запас

При отклонении ветвей от вертикали нагрузка в каждой ветви возрастает. Формула для нагрузки в ветви при угле α к вертикали:

F_ветвь = (Q / n) / cos α

Где Q — масса груза, n — число ветвей.

При угле 45° нагрузка в ветви составит Q/(n × 0,707) = 1,41 × Q/n. Если строп нагружен на 80% допустимой нагрузки в вертикальном положении и угол стропы 45° — фактическая нагрузка в ветви составит уже 0,80 × 1,41 = 1,13 от допустимой. Запас прочности сократился с 6-кратного до примерно 5,3-кратного. При угле 60° — уже до 3-кратного.

Поэтому для многоветвевых стропов нормируется максимальный угол между ветвями — не более 120° (что соответствует углу каждой ветви к вертикали не более 60°).

Динамический коэффициент нагрузки

При подъёме груза с ускорением, рывке при натяжке стропа, раскачке груза — нагрузка в стропе динамически возрастает. Для кранового подъёма динамический коэффициент нагрузки принимается 1,1–1,3 в зависимости от типа крана и режима работы. Этот коэффициент уже заложен в коэффициент запаса прочности стропа — при условии плавной работы.

Рывки при подъёме (срывной старт) многократно превышают расчётный динамический коэффициент и за короткое время значительно снижают остаточный ресурс стропа.

Как износ снижает запас прочности

В процессе эксплуатации запас прочности необратимо снижается:

• Обрывы проволок в канате уменьшают фактическое сечение несущего элемента.
• Коррозия разъедает проволоки, создавая концентраторы напряжений.
• Деформация коушей и крюков изменяет характер нагружения узла.
• Перегибы через острые кромки вызывают усталостное разрушение проволок.

Выбраковка по нормируемым признакам

Выбраковка стропов регламентируется РД 10-33 (для канатных стропов). Основные признаки выбраковки:

• Число обрывов проволок: более 5% на длине шага свивки (для 6-прядных канатов — примерно 6 × диаметр каната).
• Поверхностный износ или коррозия: уменьшение диаметра проволок более чем на 7%.
• Деформация: изломы, «фонарики», перекрученность.
• Повреждения коуша: трещины, деформация паза.
• Повреждения концевых элементов: трещины, изгибы, износ зёва крюка более 10% от высоты сечения.

Выбракованный строп немедленно изымается из работы и уничтожается или маркируется как непригодный — чтобы случайно не был снова использован.

Маркировка и прослеживаемость

Каждый строп должен иметь бирку с указанием: грузоподъёмности при различном числе ветвей, угла строповки, даты изготовления, обозначения нормативного документа. Бирка без этих данных или отсутствие бирки — основание для немедленного изъятия стропа из работы и проведения идентификации.

Как пользоваться коэффициентом на практике

Паспортная грузоподъёмность уже посчитана с учётом запаса — делить её на коэффициент ещё раз не нужно. Учитывать следует другое:

• Угол между ветвями снижает эффективную грузоподъёмность — он учитывается отдельно, через угловой коэффициент.
• Рывки при пуске и торможении кратковременно выводят усилие за паспортное значение — работать нужно плавно.
• Изделие с дефектами имеет фактическую прочность ниже паспортной — именно поэтому выбраковочные нормы и обеспечивают сохранение запаса.

Что происходит, если запас прочности не соблюдать

Строп, нагруженный сверх допустимого значения, не разрывается немедленно — он деформируется, проволоки начинают рваться, коуш раскрывается. Первое превышение оставляет невидимые повреждения, которые проявятся при следующем нагружении. Авария при этом наступает внезапно, без предупреждения, которое было бы при постепенном разрушении.

Запас прочности — это буфер безопасности. Он работает только тогда, когда его соблюдают, изделие не имеет дефектов и применяется по назначению.