Nákladní lodě typu Liberty se stavěly rychleji, než je stačily ponorky potápět. Cena za tu rychlost se ale neprojevila v dílně ani na moři v bouři. Ukázala se tam, kde ji nikdo nečekal, a odpověď na ni dnes používá každý, kdo počítá konstrukce.
Na začátku druhé světové války prohrávalo spojenecké loďstvo souboj o počty. Německé ponorky potápěly nákladní lodě rychleji, než je dokázaly loděnice nahradit klasickými postupy.
Řešením byl typ Liberty, standardizovaná nákladní loď stavěná ve velkých sériích. Vzniklo jich přes 2 700 kusů a v roce 1943 dosahovala produkce až tří lodí denně. Rekordní kus byl spuštěn na vodu pět dní po založení kýlu.
Klíčem k téhle rychlosti byla jedna technologická změna.
Svařování místo nýtování bylo správné rozhodnutí
Do té doby se lodní trupy nýtovaly. Nýtování vyžaduje zkušené dělníky, velké množství práce a čas.
Svařování bylo rychlejší, levnější a hlavně se dalo naučit podstatně snáz. To bylo zásadní, protože v loděnicích pracovala z velké části nezkušená pracovní síla včetně žen, které do té doby v oboru nepracovaly.
Je důležité říct hned na začátku, že rozhodnutí svařovat bylo správné. Bez něj by lodě nevznikly v potřebných počtech a v potřebném čase. Následující problém není důkazem chyby v úvaze, ale důsledkem toho, že nová technologie přinesla vlastnost, kterou nikdo nehledal.
Trup přestal mít vnitřní hranice
Nýtovaný trup je poskládaný z plechů spojených řadami nýtů. Z hlediska pevnosti je to konstrukce složená z dílů.
Svařovaný trup je naopak jeden spojitý celek. A právě v tom je rozdíl, který se projevil až za provozu.
Pokud v nýtovaném trupu vznikne trhlina, dojde na okraj plechu a tam se zastaví. Spoj funguje jako přirozená hranice. Ve svařovaném trupu žádná taková hranice není. Trhlina, která začne v jednom místě, může pokračovat dál bez překážky.
Tohle nikdo předem nezvážil, protože se svařovanými loděmi nebyly zkušenosti. Konstrukce se navrhovala tak, jako by šlo o nýtovanou loď, jen spojenou jinak.
Ocel, která v zimě přestala být houževnatá
Druhá část příčiny byla v materiálu.
Běžná konstrukční ocel se při poklesu teploty chová jinak než při pokojové teplotě. Pod určitou hranicí, které se říká přechodová teplota, přestává být houževnatá a začne se chovat křehce. Místo aby se před porušením deformovala, praskne.
Ocel použitá na lodě Liberty měla tuhle přechodovou teplotu nepříjemně blízko teplotám vody v severním Atlantiku. Svou roli hrálo i chemické složení, uvádí se příliš vysoký obsah síry a nízký obsah manganu.
Ke třetí části se dostáváme přes tvar. V konstrukci byla místa, kde se napětí soustřeďovalo. Nejčastěji zmiňované jsou pravoúhlé rohy nákladových otvorů na palubě. Ostrý roh působí jako vrub a právě z těchto míst vycházela většina vážných trhlin.
Sečteno dohromady: materiál, který v chladu praskne místo aby se ohnul, tvar, který napětí soustředí do jednoho bodu, a konstrukce, ve které trhlině nic nestojí v cestě.
Dvě lodě, které to ukázaly
Nejznámějším případem je loď Schenectady, která se 16. ledna 1943 rozlomila vedví v přístavu Portland v Oregonu. Nebyla naložená, stála v klidné vodě u mola a od dokončení zkušebních plaveb ji dělilo jen několik dní. Trhlina prošla palubou, boky trupu i dnem.
Tady je potřeba jedna oprava, protože se objevuje skoro všude. Schenectady nebyla loď typu Liberty, ale tanker typu T2. S případem Liberty lodí se řeší společně, protože šlo o stejnou technologii a stejný typ poruchy, ale zařazovat ji mezi Liberty je nepřesné.
Druhý případ je loď John P. Gaines, která se rozlomila v listopadu 1943 na cestě z Aleut do Seattlu. Zahynulo deset lidí. Trhlina se přitom nešířila podél svarů, ale přímo plechem.
Celkové počty se v pramenech rozcházejí podle toho, co se počítá a k jakému datu. Uvádí se kolem 1 500 případů křehkého lomu, počet lodí rozlomených vejpůl se udává dvanáct i devatenáct a jednotlivé přehledy pracují s různým vymezením poškozených a ztracených lodí.
Oprava, která vrátila nýty zpět
Opatření se rozdělila do tří skupin, tedy změny v praxi loděnic, úpravy hotových lodí a změny konstrukce.
Nejpřímočařejší zásah byl zaoblit dosud pravoúhlé rohy nákladových otvorů, čímž zmizela nejčastější místa vzniku trhlin.
Druhé opatření je zajímavější. Do trupů se doplňovaly prvky, které měly šíření trhliny zastavit. Vycházelo se z pozorování, že trhliny se obvykle zastavují na příčných překážkách, a to zejména na nýtovaných spojích.
Jinými slovy, technologie, kterou svařování nahradilo, se vrátila zpět jako bezpečnostní prvek. Ne proto, že by byla lepší, ale proto, že vytvářela hranici, kterou spojitý svařovaný trup postrádal.
Účinek byl přesvědčivý. Podle přehledu amerických zdrojů utrpělo do konce války nejzávažnější typ porušení jen 127 lodí ze 4 694 postavených nákladních plavidel a tankerů, a žádná loď vybavená prvky proti šíření trhlin neselhala v provozu.
Z havárií vznikl obor
Poslední část příběhu je ta nejtrvalejší.
Vyšetřování těchto poruch přimělo inženýry ptát se jinak než dosud. Do té doby se konstrukce posuzovala podle toho, jaké napětí materiál unese. Nově bylo nutné ptát se, co se stane, když v materiálu už trhlina je, a za jakých podmínek se rozběhne.
Z toho se během následujících let vyvinula lomová mechanika jako samostatný obor. Zabývá se právě chováním konstrukcí s trhlinou a dnes se používá všude, kde by porušení mělo vážné následky, tedy u mostů, tlakových nádob, potrubí, letadel i lodí. Podobně jako u lodí Liberty i u letounu SR-71 Blackbird rozhodlo o podobě konstrukce chování materiálu, ne požadavek konstruktéra. Stejný typ limitu dnes řeší i vývoj elektromagnetického děla, kde hranicí není princip zbraně, ale odolnost materiálu.
Souběžně vznikla systematická klasifikace typů porušení a po válce se výrazně zlepšila jakost používaných ocelí. Předpisy klasifikačních společností, které z toho vycházejí, se rozvíjely ještě o desítky let později.
Lodě Liberty jsou tak zvláštní případ. Technologie, která je umožnila postavit, zároveň odhalila mezeru v tehdejším chápání materiálu. A odpověď na ni přežila jak ty lodě, tak válku, pro kterou vznikly.
Jak jsme psali v článku o jaderné nehodě u Goldsboro, stejné rozlišení platí i mimo materiálové inženýrství: že něco dopadlo dobře, neříká nic o tom, jak blízko to bylo ke špatnému konci.
Jak jsme psali v článku o vraku SS Richard Montgomery, přesně tahle slabina svařovaného trupu je i důvod, proč se tahle konkrétní loď zlomila vejpůl a dodnes leží s municí na dně u Sheernessu.
Jak jsme psali v článku o magnetronu a vzniku mikrovlnné trouby, rychlost výroby ve velkém rozhodovala i jinde než na moři — válku vyhrávala schopnost vyrábět, ne jen chytrý nápad.
